【濾波器】 國(guó)外終端濾波器行業(yè)研究
發(fā)布日期:2019-12-21
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資料來源:《5G系列報(bào)告之一:終端濾波器行業(yè)研究》-國(guó)信證券通信
一、濾波器技術(shù)及產(chǎn)品類型詳細(xì)分析
幾次技術(shù)應(yīng)用的潮流引領(lǐng)了聲波射頻濾波器技術(shù)的發(fā)展,而SAW濾波器可以說是軍用轉(zhuǎn)民用的技術(shù)典范。早期國(guó)內(nèi)的SAW濾波器僅用于國(guó)防如雷達(dá)、通信等方面需求;而該技術(shù)的第一次民用,即用于彩電產(chǎn)業(yè),帶動(dòng)了部分民營(yíng)企業(yè)的發(fā)展。九十年代中期,隨著2G通信中GSM、CDMA以及GPS導(dǎo)航對(duì)SAW濾波器的大量應(yīng)用,促進(jìn)了該技術(shù)的第二個(gè)繁榮期的誕生。到這個(gè)階段,聲表面波技術(shù)真正成熟起來,它進(jìn)入了許多通信領(lǐng)域:無線通信(電臺(tái))、衛(wèi)星導(dǎo)航(GPS、北斗)、微波通信(廣播)、移動(dòng)通信(2G、3G、4G的基站、移動(dòng)終端)。聲波射頻濾波器在小型化和高頻通信的優(yōu)勢(shì)在移動(dòng)通信快速發(fā)展的同時(shí)又一次綻放光彩。
圖1 常見可集成式射頻濾波器技術(shù)比較
相較于傳統(tǒng)LC濾波器、多層陶瓷濾波器,聲學(xué)濾波器能夠提供低插入損耗,以及非常高的濾波Q值;而其基于晶圓的制備工藝使得它可以被大批量生產(chǎn),進(jìn)而成本得以降低;同時(shí)聲學(xué)濾波器能夠保持較小的體積(其體積重量分別是陶瓷介質(zhì)濾波器的 1/40 和 1/30),且其體積隨著工藝的進(jìn)步可以得到進(jìn)一步降低,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單片多頻帶濾波以及與其他前端模塊器件的集成。
圖2 基于晶圓工藝的聲學(xué)濾波器制備流程
二、兩種聲學(xué)濾波器技術(shù)SAW與BAW對(duì)比
聲學(xué)濾波器工藝根據(jù)其設(shè)計(jì)分為聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)以及聲體波(Bulk Acoustic Waves,BAW)工藝。BAW 工藝可以提供更好的高頻性能、濾波特性(更高Q 值,以及邊帶損耗),以及更穩(wěn)定的溫度特性,當(dāng)然其成本也相應(yīng)更高。
圖3 SAW與BAW 工藝性能對(duì)比
BAW 與SAW 相比可以提供更好的濾波特性,如高Q 值,對(duì)應(yīng)的高隔離度,且BAW 工藝能夠提供更好的高頻特性(可到6GHz,目前某些SAW供貨商僅可以提供性能優(yōu)秀的工作在2GHz 以上的SAW 濾波器,如日本村田),以及更高的功率承受能力。BAW 技術(shù)廣泛應(yīng)用于頻率高于1.9GHz 的新型LTE 頻帶中,以及某些對(duì)干擾敏感的頻帶,如2.4GHz 與Wi-Fi 頻帶靠近的4G 頻段。而SAW 的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于其低制備成本,電平衡輸出能力(簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)),單個(gè)襯底切片上可集成多個(gè)濾波器。
體聲波濾波器工藝FBAR與SMR-BAW對(duì)比。目前 BAW 工藝有兩種實(shí)現(xiàn)方式:薄膜體聲波諧振器(FBAR,film bulk acoustic resonator)以及固體裝配型體聲波諧振器(BAW-SMR,solidly mounted resonator)。二者主要的區(qū)別在于聲能的反射方式上的區(qū)別:FBAR依靠一個(gè)支持層與襯底之間的氣腔實(shí)現(xiàn)能量反射,而BAW-SMR依賴襯底之上的布拉格反射板實(shí)現(xiàn)能量的反射。在工藝上,F(xiàn)BAR更接近MEMS,而SMR更接近于集成電路的實(shí)現(xiàn)方式。FBAR 工藝能夠提供相對(duì)較好的能量反射,因此FBAR可以提供更大的帶寬,即稍好的濾波性能,但是該差距不大。而對(duì)于BAW-SMR型濾波器,因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)中有一條導(dǎo)熱通路通向襯底,可以很好地通過襯底散熱。而 FBAR 由于諧振器每面都有氣隙,因此導(dǎo)熱能力較弱。以Qorvo公司為代表的BAW-SMR濾波器供應(yīng)商可以提供接近零溫度漂移的濾波器。
圖1 BAW兩種不同聲學(xué)濾波器實(shí)現(xiàn)工藝
圖2 FBAR與SMR-BAW對(duì)比
三、聲學(xué)濾波器產(chǎn)業(yè)鏈以及國(guó)際巨頭公司
目前聲學(xué)濾波器市場(chǎng)主要由美、日廠家主導(dǎo),主要供應(yīng)關(guān)系如下圖所示。目前這些廠家主要是:
Avago:中文名,安華高,在美國(guó)與新加坡設(shè)有總部,2015年收購(gòu)博通(Broadcom),并統(tǒng)一為博通,在BAW工藝上占據(jù)領(lǐng)先地位,具備生產(chǎn)濾波器元件以及射頻前端模塊的能力;
Qorvo:總部美國(guó),于2014年由TriQuint與RFMD合并而成,兼具SAW/BAW工藝,并具備生產(chǎn)射頻前端模塊能力;
Skyworks:中文名,思佳訊,總部美國(guó),2016年收購(gòu)日本松下濾波器部門進(jìn)而具備SAW生產(chǎn)工藝,同時(shí)在射頻前端模塊具備較大優(yōu)勢(shì);
TDK:總部日本,早期為東京電氣化學(xué)株式會(huì)社,后為TDK株式會(huì)社,2008年收購(gòu)歐洲公司EPCOS進(jìn)入聲學(xué)濾波器產(chǎn)業(yè);
Murata:中文名,村田,總部日本,在SAW工藝以及市場(chǎng)上占據(jù)領(lǐng)先地位,占據(jù)50% SAW出貨市場(chǎng);
Taiyo Yuden:中文名,太陽(yáng)誘電,總部日本,具備SAW/BAW生產(chǎn)工藝,少量出貨BAW產(chǎn)品。
圖3 主要聲學(xué)濾波器廠商產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及優(yōu)勢(shì)
產(chǎn)業(yè)的上游為晶圓提供商。下游為前端模塊生產(chǎn)商、設(shè)備制造商。設(shè)備制造商目前主要是智能手機(jī)生產(chǎn)商如蘋果、三星、華為等。為了實(shí)現(xiàn)更大的協(xié)同效應(yīng)和市場(chǎng)效益,近些年行業(yè)的整合使得部分公司(安華高,Qorvo,Skyworks)兼具生產(chǎn)獨(dú)立的濾波器和前端模塊的能力。而日本企業(yè)如TDK、村田、太陽(yáng)誘電目前仍主要生產(chǎn)濾波器元件本身,他們除了直接向設(shè)備制造商提供集成式的濾波器之外,也向射頻前端模塊生產(chǎn)商提供濾波器元件生產(chǎn)的外包服務(wù)。
圖4 移動(dòng)設(shè)備射頻通信模塊部分產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D
過去十年,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展趨勢(shì)是并購(gòu),以謀求產(chǎn)業(yè)鏈整合、優(yōu)化,以及利用規(guī)模優(yōu)勢(shì)獲取更多的市場(chǎng)話語權(quán)、更低的制造成本。經(jīng)歷過近期的數(shù)次收購(gòu)和兼并之后,市場(chǎng)上將存在四家具備完整前端模塊生產(chǎn)能力的廠家。
新的博通(Broadcom)。2015年,Avago以370億美元收購(gòu)博通,進(jìn)一步完善合并后公司在無線接入領(lǐng)域的統(tǒng)治地位;
新的Qorvo。2014年,TriQuint與RFMD合并為Qorvo。Qorvo繼承了TriQuint的BAW-SMR濾波器研發(fā)生產(chǎn)能力,以及RFMD的SAW研發(fā)生產(chǎn)能力。同時(shí)二者的結(jié)合使得Qorvo具備了更完善的前端模塊生產(chǎn)能力,2015 年初針對(duì) Qorvo CFO 的一次采訪指出,一款低端手機(jī)僅包含的 35 美分的TriQuint產(chǎn)射頻器件,而在兩家公司合并之后能為一款高端 LTE 手機(jī)提供價(jià)值6美元的射頻模塊;
高通與TDK牽手。2016年,高通與TDK通過合資企業(yè)RF360(30億美元)實(shí)現(xiàn)二者無線通信技術(shù)上的互補(bǔ)(TDK于2008年收購(gòu) EPCOS,獲取其完善的聲學(xué)濾波器生產(chǎn)技術(shù),以提供完整的射頻無源器件解決方案),對(duì)比Qorvo合并,預(yù)計(jì)短時(shí)間內(nèi)該動(dòng)作不會(huì)有太多市場(chǎng)影響;
Skyworks完成對(duì)松下濾波器部門的收購(gòu)。該公司與松下于2014年成立合資公司,Skyworks 2014年與松下成立合資企業(yè);2016年Skyworks完全收購(gòu)該合資企業(yè),完成對(duì)松下濾波器部門的收購(gòu),補(bǔ)全在SAW方面的技術(shù),Skyworks 一共支付松下2.25億美元。近期傳聞 Skyworks與太陽(yáng)誘電在準(zhǔn)備在高端BAW產(chǎn)品上的合作,后者雖然掌握FBAR技術(shù),但是一直未能有大量出貨;
圖5 移動(dòng)設(shè)備射頻通信模塊并購(gòu)、合作趨勢(shì)
從上述產(chǎn)業(yè)并購(gòu)、合作可以看到,業(yè)界圍繞這射頻前端積極布局,這與手持設(shè)備對(duì)于更為緊湊和功能更為完善的前端模塊(FEM)的需求是契合的,而聲學(xué)濾波器則是前端模塊中的重要一環(huán)以及很多公司的最后一環(huán)。目前國(guó)際上SAW市占率中,Murata約占據(jù)50%市場(chǎng),其次為TDK旗下的EPCOS(目前已于2016年1月與高通成立合資公司,三年后),以及太陽(yáng)誘電。值得注意的是,部分前端模塊廠家如Qorvo 也生產(chǎn)部分SAW 以供給自身前端模塊產(chǎn)品,而部分靠外包給其他主要SAW 生產(chǎn)商。
四、濾波器國(guó)內(nèi)廠商
在SAW 器件的制備中,制造成本以及難度高。這體現(xiàn)的不足之處是所需基片材料的價(jià)格昂貴,對(duì)基片的定向、切割、研磨、拋光、制造、封裝等工藝要求高,因此該行業(yè)存在著較高進(jìn)入門檻。目前國(guó)內(nèi)廠商大部分SAW濾波器廠商仍停留在公頻波段(較低頻率,低于1GHz)的產(chǎn)品生產(chǎn)中。而對(duì)于更高的射頻工作頻率(如目前LTE波段覆蓋的高于2GHz頻段),對(duì)工藝有著更高的技術(shù)要求。
圖6 國(guó)內(nèi)聲學(xué)濾波器(主要是 SAW 工藝)科研、生產(chǎn)單位
科研方面,目前國(guó)內(nèi)對(duì)于聲學(xué)濾波器的研究也有較長(zhǎng)的歷史,例如中國(guó)電子科技集團(tuán)二十六所的聲學(xué)濾波器工藝研發(fā)在我國(guó)壓電與聲光技術(shù)領(lǐng)域十分突出。其聲體波(BAW)技術(shù)方面的研究填補(bǔ)了我國(guó)在此技術(shù)領(lǐng)域的空白。
進(jìn)入移動(dòng)通信射頻領(lǐng)域的聲學(xué)濾波器商用生產(chǎn)的公司有兩家:無錫好達(dá)電子有限公司,以及深圳華遠(yuǎn)微電(由北京中訊四方全資控股)。其中無錫好達(dá)擁有國(guó)內(nèi)較大規(guī)模的生產(chǎn)線,可生產(chǎn)1.8×1.4 mm 的雙工器、1.1×0.9 mm的濾波器。目前以實(shí)現(xiàn)對(duì)主流手機(jī)廠商(主要客戶包括中興、宇龍、金立、三星、藍(lán)寶、富士康、魅族等)的供貨。
另一家有實(shí)際出貨量的廠家是中電科技德清華瑩電子有限公司。該公司是中國(guó)電子科技集團(tuán)公司控股及聯(lián)合下屬二十六研究所、五十五研究所參股的一家專業(yè)研制及制造人工晶體材料、聲表面波器件及電子系列產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè),其年產(chǎn)各類聲表面波器件1.6億只。
北京航天微電科技有限公司也有較少出貨,但主要用于國(guó)防、衛(wèi)星事業(yè)。該公司提供了國(guó)內(nèi)90%以上的星用聲表面波器件產(chǎn),譬如此次天宮二號(hào)中就有許多來自北京航天微電科技有限公司的SAW濾波器。但從相關(guān)報(bào)道可以看到,該公司產(chǎn)品雖然性能指標(biāo)達(dá)到航天標(biāo)準(zhǔn),但是制備生產(chǎn)線仍然很大程度上依賴制備工人多年的熟練程度,離大規(guī)模商用化尚距離較遠(yuǎn)。
在發(fā)展的同時(shí),國(guó)內(nèi)的科研單位和業(yè)界也保持著一定的合作。從2009 年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)目錄二等獎(jiǎng)名單中可以看到,二十六所牽頭的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目(項(xiàng)目名稱:移動(dòng)通訊用濾波器關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化,中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,清華大學(xué),中國(guó)科學(xué)院微電子研究所,中電科技德清華瑩電子有限公司,中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所,山東大學(xué),無錫市好達(dá)電子有限公司,推薦單位:重慶市)合作單位包含了上面提到的許多公司。
受益于當(dāng)前智能手機(jī)的高出貨量,中國(guó)是聲學(xué)射頻濾波器的最大需求市場(chǎng),但與此相對(duì)立的是,該市場(chǎng)基本沒有本土品牌的參與、競(jìng)爭(zhēng)。目前僅有無錫好達(dá)針對(duì)部分國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商有較少出貨。國(guó)內(nèi)廠家據(jù)不確切信源只占據(jù)市場(chǎng)1~3%。根據(jù)對(duì)供應(yīng)商的粗略統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)SAW市場(chǎng)基本被村田,TDK(旗下 EPCOS),太陽(yáng)誘電等品牌占據(jù),而高端BAW濾波器市場(chǎng)則被安華高與Qorvo占據(jù)??紤]到生產(chǎn)工藝發(fā)展基礎(chǔ)以及專利限制,SAW將是國(guó)內(nèi)廠商比較好的切入點(diǎn)。
產(chǎn)業(yè)中令人關(guān)注的兩次合作(并)。2014年,Skyworks與松下宣布組建合資公司,共同設(shè)計(jì)、開發(fā)并提供高性能濾波器,包括 SAW以及TC-SAW元件方案,聯(lián)手進(jìn)軍高性能濾波器市場(chǎng)。同時(shí)雙方在高頻體聲波BAW濾波器市場(chǎng)的策略投資互補(bǔ),能夠針對(duì)高、中、低頻各頻段的組合提供定制化方案。其中,Skyworks占有66%的股份,松下占比34%,合資公司總部位于日本大阪。2016年8月,Skyworks宣布以0.765億美元收購(gòu)合資公司松下所擁有的34%股權(quán),實(shí)現(xiàn)全資控股。收購(gòu)總金額為2.25億美元,包括濾波器相關(guān)的專業(yè)技術(shù)人才、領(lǐng)先的產(chǎn)品設(shè)計(jì),以及412項(xiàng)濾波器的基礎(chǔ)專利和SAW、溫度補(bǔ)償SAW器件相關(guān)的應(yīng)用專利。2015年8月,Skyworks公司在大阪新建40.5萬平方英尺以擴(kuò)大產(chǎn)能,為滿足高集成解決方案對(duì)濾波器日益增長(zhǎng)的巨大需求。截至目前,該合資公司濾波器的兩年累計(jì)出貨量已超過20億美元(年平均10億美元)。
2016年,高通與TDK通過合資企業(yè)RF360(30億美元)實(shí)現(xiàn)二者無線通信技術(shù)上的互補(bǔ),目前EPCOS(TDK)每天出貨量25百萬只,且在持續(xù)增長(zhǎng)中,預(yù)計(jì)年出貨量為90億只。TDK的該濾波器部門目前是前三大SAW供應(yīng)商,年收入達(dá)10億美元,包含4200 名員工。
圖7 產(chǎn)業(yè)中令人關(guān)注的兩次合作(并)
通過收購(gòu),Skyworks和高通將鞏固其在高性能濾波器,尤其是高性能集成解決方案商上的領(lǐng)導(dǎo)地位。消費(fèi)者對(duì)實(shí)時(shí)連接的依賴和持續(xù)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量,讓頻段數(shù)目和LTE市場(chǎng)技術(shù)對(duì)濾波器的需求快速攀升。結(jié)合這兩筆收購(gòu)/合資交易,我們有理由相信,未來業(yè)界有往完整端到端解決方案的發(fā)展趨勢(shì)。因此各個(gè)廠家都在謀求低、中、高不同頻段的濾波器產(chǎn)品,以覆蓋從高端智能手機(jī)到低成本物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用需求。如Qorvo在合并之后推出的Fusion系列產(chǎn)品,該模塊包含了天線開關(guān),功率放大器以及濾波器,為制備商提供了更為快捷的解決方案。而高通較早之前便推出了RF360模塊化解決方案,此次對(duì)于濾波器的涉獵將在未來進(jìn)一步補(bǔ)全其前端模塊產(chǎn)品線的完整度。
麥捷科技切入市場(chǎng),有望引領(lǐng)國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。SAW 濾波器作為手機(jī)射頻前端的關(guān)鍵器件,其封裝技術(shù)基本上被國(guó)外廠商所壟斷,如日本村田、TDK、太陽(yáng)誘電等,國(guó)內(nèi)手機(jī)產(chǎn)品所需要的CSP封裝SAW濾波器主要通過國(guó)外進(jìn)口。麥捷科技,作為唯一一家A股上市涉足該領(lǐng)域的公司,掌握了終端射頻聲表濾波器產(chǎn)品技術(shù)和生產(chǎn)工藝并開始小批量供貨,通過相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)研發(fā)投入,可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化大批量生產(chǎn)。
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