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声波滤波器市场中日益激烈的技术竞争
录入时间:2020/12/9 10:28:22

Intensifying Technology Competition in the Acoustic Wave Filter Market

Stéphane Elisabeth, System Plus Consulting; Cédric Malaquin, Yole Développement

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迄今为止,面声波(SAW)和体声波(BAW)滤波器仍适用于不同的频带应用。在蜂窝市场中,SAW滤波器更适合低频应用,而BAW滤波器更适合高频应用。在图1中,Yole Développement展示了最新的相关技术分布,SAW滤波器在0.4至1.2 GHz的低频范围内得到了很好的应用。在中间频率(从1.2到2.2 GHz),SAW和BAW滤波器在市场上各有千秋。最先进的BAW滤波器可提供更好的性能,而SAW滤波器则更便宜且性能可接受。对于高频应用(2.2至6.0 GHz),BAW滤波器则是领导者。

由于有几家公司已经开发出了颠覆滤波器市场的技术,上述市场情况将会发生改变。可以观察到以下几种趋势:

•亚洲公司正在提供自己的面声波技术,与其他竞争对手相比,其成本更低

•美国公司主要提供高性能SAW滤波器

•随着新技术的发展,市场领导者正在扩大面声波和薄膜体声波谐振器(FBAR)BAW滤波器等器件的频率范围

•随着5G和Wi-Fi 6E的兴起,几乎所有市场领导者都在寻找BAW滤波器的解决方案

•在中频范围内,面声波公司正在寻找经济高效的高性能解决方案:温度补偿面声波(TC-SAW)滤波器,薄膜面声波(TF-SAW)滤波器等。

本文首先介绍当前市场上可用的声波滤波器技术,包括SAW和BAW器件的成本,然后概述未来的新技术,包括新的结构和成本。

在滤波器系列中,基底材料是各玩家竞争的最重要技术。最适合智能手机和其他小尺寸应用的基底是压电材料。基于该技术的滤波器依赖于材料的机电效应来传播RF信号并以特定频率对其进行滤波。两种主要技术在压电滤波器市场平分秋色,即BAW和SAW。对于标准的SAW,图2中比较了八家器件制造商。对于TC-SAW,制造商的数量下降到了四家。他们中有超过一半是美国公司:Qorvo和Skyworks,它们仅通过内部设计提供TC-SAW器件;而高通公司则提供从传统SAW到SMR-BAW滤波器的完整产品组合。第四家是亚洲公司村田。

在低频,面声波滤波器技术众所周知,小型公司正在与市场领导者竞争以创建新的滤波器生态系统。由于面声波滤波器使用高频波的横向传播,因此仅需要简单的制造工艺。在过去的几年中,有几家亚洲公司崛起,以低成本推出自己的技术,并以分立的器件供应给中国国内市场(例如Vivo、华为等)。这催生了像Resonant这样的新公司。它提供仿真工具,以使无晶圆厂和代工厂能够快速研发和制造滤波器。韩国的Wisol公司为三星等OEM提供分立的滤波器和模块,该公司还为低端智能手机XCover 4提供由Resonant设计的单片SAW双工器模组。这种标准技术通常基于金属电极(铝、钛、金、铜)在单晶压电体(如钽酸锂)上形成叉指式换能器(IDT),如图3所示。这种简单工艺使用的是非常便宜的设备,适合于较低频率的滤波要求,但不适用于LTE协议中选定的高频(例如频段8、26或13),或5G要求的更好性能。

对于更具挑战性的频段,需要TC-SAW滤波器。提供这些滤波器的公司很少。某些频带之间的间隙非常紧密,因此必须控制主要由于结构上的热变化而导致的性能漂移,以避免滤波重叠。TC-SAW滤波器专门针对这些情况而构建。 TC-SAW技术仍然使用薄膜沉积制造工艺。然而,该工艺通过增加热补偿层而增强了隔离。与标准SAW滤波器不同,TC-SAW使用具有更快声波速度的铌酸锂基底(图3)。而且,为了增强IDT结构的性能,将其他材料用于电极。这些材料,例如银、铂、钼或铬,在处理更高功率的同时提供了更好的声阻抗。为了将IDT与任何环境变化(例如温度)隔离开,该结构通常被氧化硅包裹,有时还有额外的氮化硅层。当然,这些增强功能是有代价的:与传统的SAW滤波器相比,TC-SAW的成本增加了60%。

最后,在SAW滤波器中,有一种称为TF-SAW滤波器的新技术,与标准SAW滤波器相比,它提供了非常高的性能。该性能在某些频带上甚至不亚于BAW滤波器。该技术依赖于沉积在绝缘体上的压电材料。在这项技术中,热补偿机制直接来自基底。

2020年,高通和村田两家主要公司将提供TC-SAW滤波器。村田首先推出该技术,已经可以商用。高通公司在2020年初将这项技术添加到其产品中。目前只有少数基底供应商制造和提供这种材料。基底的制造依靠两种主要的工艺技术:一种是在硅上研磨钽酸锂基底,另一种是使用Soitec的类Smart-Cut®工艺制成的绝缘体上压电材料基底。这项新技术为NGK和Soitec等基底制造商提供了巨大机会。与传统的SAW滤波器相比,该技术的其他优点是更低的损耗、更宽的带宽和更高的频率。它还允许在一个器件上集成多个滤波器,从而减少占用面积。

通过分析来自不同厂商的主要面声波技术,可以计算面声波滤波器成本与面积之间的关系,如图4所示。图中可以看出,每种技术的成本都呈线性增加,与制造商无关,唯一的区别是所使用的SAW技术。TC-SAW或高性能SAW滤波器的成本几乎是标准SAW滤波器的两倍。TF-SAW的成本更高,这主要是由基底制造工艺造成的。但是,由于与BAW滤波器相比成本低廉,TF-SAW很受关注。BAW滤波器是滤波器的领先技术,TF-SAW滤波器的性能在某些频带中与BAW滤波器的性能非常接近。例如,在LTE频段40中,与竞争对手的BAW滤波器相比,高通公司的ultraSAW技术实现了更低的插入损耗。而且,TF-SAW的热处理比BAW滤波器更好。对于超高频(3.3至6 GHz),BAW滤波器仍然是性能的领导者,尤其是在5G应用中。

除结构外,BAW和SAW滤波器之间的主要区别在于滤波器所依赖的压电材料。SAW滤波器使用诸如LiTaO3或LiNbO5之类的单晶压电材料作为衬底,BAW滤波器使用更高耦合系数和更高波速的多晶氮化铝。数年来,BAW滤波器市场一直由Avago Technologies、Qorvo、Taiyo Yuden和Epcos四个领导者主导。但是,在过去的几年中,市场由于收购和合资发生了一些变化。Avago现在是Broadcom的一部分,Epcos加入了TDK,后者现在是Qualcomm拥有的RF360的一部分。

今年,随着BAW滤波器新技术的新参与者的加入,市场将可能面临更多的竞争。Skyworks已开始将其内部FBAR技术投入大批量生产。像Broadcom的FBAR技术一样,使用硅通孔(TSV)和两个硅基底的晶圆级芯片规模封装技术来封装裸片。但是,其结构具有在硅基板顶部使用牺牲氧化物实现的气腔,这不同于Broadcom,后者腐蚀硅基板以在谐振器下方形成“游泳池”。

另一家公司Akoustis今年将在CPE市场上大放异彩,其产品将依靠单晶压电材料。该公司的主要产品是采用金属有机化学气相沉积技术的压电晶体生长的FBAR型结构。单晶材料允许更好的耦合和低插入损耗。这使其在更高的频率(例如5.2至5.6 GHz)下具有非常好的性能。还有其他一些公司,例如村田和Resonant,他们已经开发了XBAR滤波器,其结构类似于在空气腔顶部带有压电晶体的FBAR。然而,由于使用了薄膜压电材料和类IDT电极,所以谐振器有所不同。这两种技术正在市场中兴起,但是Akoustis的XBAW和村田/Resonant的XBAR的成本预计都会更高。

通过FBAR-BAW滤波器市场调研,相关机构估算了Skyworks和Broadcom之间的成本差异,如图5所示。根据评估,Skyworks的成本似乎是Broadcom的两倍。这种成本差异有两个主要原因:首先,从基底晶圆前端到实现谐振器的过程中蚀刻步骤的数量;其次,TSV的成本和密封框架的制造。

实施BAW技术的另一种方法是开发牢固固定在硅基基底上的谐振器。 Qorvo和高通公司使用了一种称为SMR的技术。为了使声波通过薄膜传播同时与衬底寄生效应隔离,通过使用多个氧化硅层和谐振器结构下方的金属层来实现声波反射镜。这是在无需对硅基基底进行任何微机械加工的情况下实现的,但是需要特定的封装功能以保护谐振器免受环境影响。在Qorvo的SMR技术情况下,使用基于环氧树脂的墙壁和盖子保护谐振器,该墙壁和盖子在谐振器区域的顶部形成了一个空气腔。而高通公司使用牺牲氧化物和带有排气孔的SiN实现气腔。牺牲蚀刻之后,在由另一个SiN层密封的结构上沉积聚酰亚胺膜。在这两个器件中,谐振器的电极都是由铜柱制成的,其连接损耗比焊料球低。

根据Yole Développement所述,整个手机滤波器市场在2019年价值超70亿美元,其中基于SAW和BAW的技术分别占47亿和19亿美元。其余的滤波器业务基于非声波滤波器技术(MLC和IPD)。随着手机使用频段的数量不断增加,并且需要具有载波聚合功能的更复杂的滤波器,加上对5G新无线电的支持,同时确保与其他无线电的共存正在给性能带来额外压力。高性能滤波器的市场将会增长。因此,BAW和TF-SAW滤波器将增长最快,这说明了市场领导者对这些技术的日益增长的兴趣,而传统SAW滤波器将只会有限增长。

现阶段,前端模块的主要市场已经确定。市场领先者Broadcom、Qorvo、Skyworks、Qualcomm和村田正在分享王位,而小型企业则在抢占传统市场份额。拥有FBAR-BAW滤波器的Broadcom仍然在高性能滤波器市场中占据主导地位,Qorvo和Skyworks紧随其后。

作为每年持续增长的亚洲公司之一,村田是一家值得关注的公司。该公司通过将TF-SAW技术引入产品以及与Resonant合作开发XBAR,正在成为接近高通公司水平的器件供应商,并有可能成为最强竞争者。由于美国最近对华为的禁令,该公司通过参与许多中国OEM的智能手机设计增加了销量。由于中美两国之间尚未达成和解,我们可以预期通过与有源器件制造商(如Maxscend)合作,中国滤波器制造商的数量将会增加,以提供前端模块并更换依赖美国制造商的器件。

 

图1:5G NR领域声波滤波器技术。资料来源:Source: Yole Developpement, 2019

图2:声波滤波器市场参与者及其相关技术。资料来源:System Plus Consulting,2020

图3:声波滤波器结构示意图。资料来源:System Plus Consulting,2020

图4:单位面积SAW滤波器成本。资料来源:System Plus Consulting, 2020

图5:BAW滤波器成本对比。资料来源:System Plus Consulting, 2020


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