5G引领射频滤波器市场爆发,技术发展趋势就看这一篇

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作者:黄嘉晔  
出自:SIMIT战略研究室(ID:SIMITSRO)
中国科学院上海微系统与信息技术研究所

移动通信技术,作为网络的基础和数字技术的支柱,其发展一定程度上引导了互联网和经济增长的发展方向。这一点从4G带动“应用经济”(APP Economy)就可见一斑。4G作为“应用经济”的发展基石,不仅改变了人们使用互联网的方式,还创造了新的经济机会和产业,带来了互联网经济。5G 采用无线电频谱,使其能用以比以往技术更高的速度和更高的可靠性传输大量数据。正是这种速度和可靠性的结合,将连接更多的设备,渗入我们生活的方方面面。5G将在医疗保健、汽车、机器人、娱乐以及我们尚未设想的创新领域带来新的、先进的服务。通过允许更多的设备以更高的速度、更安全的方式相互连接,5G将从根本上创造一个新的数字环境。

5G正在改变全球射频前端技术的发展状况,世界各大射频组件和模块供应商纷纷为5G提前布局,射频前端模块的市场需求增大,预计2023年市场规模将达到350亿美元。

2017-2023年5G射频前端模块的市场规模发展趋势

2017-2023年5G射频前端模块的市场规模发展趋势(来源:Yole)

一、    全球滤波器市场格局

作为射频前端模块中的重要组成部分,随着5G时代的到来,滤波器的市场格局和技术特点都发生了不小的变化。目前,一款4G手机中需要用到的滤波器数量可达30余个。 根据射频器件巨头Skyworks预测,到2020 年,5G应用支持的频段数量将实现翻番,新增50个以上通信频段,全球2G/3G/4G/5G 网络合计支持的频段将达到91个以上。对于一个频段而言,一般至少需要两个滤波器,因此手机频段数上升的直接结果就是手机中使用的射频滤波器数量上升,而手机中滤波器的成本也在日渐上升。随着射频滤波器变得越来越重要,各大射频前端厂商也在积极布局滤波器市场。

滤波器占据射频前端模块总体市场的50%以上,随着5G频段的增加,预计滤波器的市场规模也将从2017年的80亿美元增加到2023年的225亿美元(如下图所示)。

 滤波器在射频前端模块中的占比及全球滤波器市场规模预测

 滤波器在射频前端模块中的占比及全球滤波器市场规模预测

应用于5G通信中的滤波器主要是体声波滤波器(bulk acoustic wave, 简称BAW)和声表面波滤波器(surface acoustic wave,简称SAW)。声波滤波器(SAW/BAW)相对于传统LC或者陶瓷滤波器来说,制作难度更大,成本更高。过去十年,全球半导体器件厂商不断整合并购,以谋求产业链优化,并利用规模优势获取更多的市场话语权、更低的制造成本。在声波滤波器领域,经历数次整合并购之后,已经呈现了巨头垄断的竞争格局。

 声波滤波器近年全球主要并购整合情况梳理

 声波滤波器近年全球主要并购整合情况梳理

目前,几大国际厂商的垄断格局已成。SAW滤波器主要供应商为Murata、TDK、太阳诱电等几家日本厂商,而BAW滤波器则为Avago (被Broadcom收购)以及Qorvo,占据几乎全球超过95%以上份额。与国外厂商比较,我国声表技术大幅落后。1965年,怀特(White)和沃尔特默(Voltmer)联合发明了叉指式换能器(IDT:Inter Digital Transducer),开启了国外厂商在声表面波滤波器的研发,1975年前后将SAW滤波器应用到电视机领域,并与1990年左右开发出手机用的SAW滤波器。而我国于上世纪七十年代起步,到2012年才开始开发出手机用的SAW滤波器,明显落后于国外先进厂商。

SAW/BAW滤波器的竞争格局

SAW/BAW滤波器的竞争格局

二、    SAW/BAW技术发展趋势分析

趋势一:小型片式化

SAW/BAW滤波器的小型片式化,是移动通信和其它便携式产品提出的基本要求。为缩小SAW/BAW滤波器的体积,通常采取三方面的措施:一是优化设计器件用芯片,设法使其做得更小;二是改进器件的封装形式,现在已经由传统的圆形金属壳封装改为方形或长方形扁平金属封装或LCCC(无引线陶瓷芯片载体)表面贴装的形式;三是将不同功能的SAW/BAW滤波器封装在一起,构成组合型器件以减小占用PCB的面积,如应用于1.9GHz PCS终端60MHz带宽的双频段SAW滤波器以及近来富士通公司开发的双制式(可支持模拟和数字两种模式)便携式手机用SAW滤波器,均装有两个滤波器。

趋势二:高频、带宽化

未来2-3年5G的到来会增加更多的高频频段。美国联邦通信委员会(FCC)分配了28GHz、37GHz和39GHz三个频段,用于获牌照运营商的5G网络建设。另外,64GHz到71GHz的频段,将用于5G网络的非牌照用途。

为适应电子整机高频、宽带化的要求,SAW/BAW滤波器也必须提高工作频率和拓展带宽。以SAW滤波器为例,提高工作频率的手段主要从两方面考虑:1、提高细线条加工的设备能力;2、利用声表面波传播速度更高的压电材料。曝光设备和光刻技术是制作高频SAW滤波器的关键设备。随着通讯系统的发展,拓展SAW滤波器的带宽是必要的。为此,通常从优化设计IDT的电极结构入手。比如将IDT按串联和并联形式连接成梯形结构,采用0.4μm以下的精细加工技术,就可制作出用于无线局域网(LAN)的2.5GHz梯形结构谐振式SAW滤波器,带宽达100MHz;在多模式滤波器中,采用纵向连接的滤波器带宽要比横向耦合型滤波器大一些,因此被广泛用于蜂窝电话和寻呼机的RF滤波,而后者具有陡削的窄带特性,可用于个人数字蜂窝(PDC)和模拟电话的中频(IF)滤波。

趋势三:集成化

移动手机不断增加功能部件,手机生产商也要求不断提高前端中的RF集成度以保持它们产品的体积大小。集成化的后果可能是所有器件组成一个单一的无线射频模块。但是,这个模块中将会包含多种技术混合的多芯片组,而不是单一芯片。在这些技术中,Si、GaAs、SAW器件将对优化器件性能起到举足轻重的作用。

对于SAW/BAW滤波器,它与IC的集成,将得到功能强大、体积更小的器件。利用先进的封装集成技术,基于各种元件的技术特点,将多个元件芯片封装(MCM)集成在一个外壳中(SiP)。另外,采用相同SOI工艺可将滤波器模块和其他射频前端模块进行单片集成。使用SOI新型工艺的单片集成技术,具有高集成度、低成本优势,将大大提高射频前端模块的集成度。

文章转载自:SIMIT战略研究室

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