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2020 年 6 月 27 日早間，彭博社曾報道，在經(jīng)歷數(shù)年的審理過程后，美國聯(lián)邦法院裁定中國天津大學教授張浩竊取 FBAR 濾波器相關商業(yè)機密、經(jīng)濟間諜罪等 3 項罪名成立，將面臨最高 10 至 15 年監(jiān)禁，以及每項罪名分別最高 25 萬美元的罰款。而就在近日，一場沒有陪審團的量刑聽證會有了結果，在“損害控制”辯護的前提下，圣何塞市加州北區(qū)聯(lián)邦法院法官最終判處張浩 18 個月有期徒刑，起訴期為 7 年，賠償兩家科技公司 47.7 萬美元（約 330 萬人民幣），并建議將他送往加州一個最低安全級別的監(jiān)獄。
案件的真相究竟如何，是美國方面所說的，張浩與龐慰通過開曼群島的一家空殼公司竊取美國秘密并出售給向中國政府和軍方？還是美國實行誘捕政策背后的科技霸權式的打壓與抹黑？我們不予置評，公道自在人心。
站在事件的背后，我們將焦點回歸到技術本身。為何一種濾波器技術會受到如此重視？包括本次案件中提到的 FBAR 濾波器，目前市場上主流的濾波器種類有哪些？我國的濾波器產(chǎn)業(yè)近況和發(fā)展趨勢又是如何？問題交織的背后是一張更具象的產(chǎn)業(yè)價值網(wǎng)，讓我們一起層層撥開。
什么是濾波器？
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圖 | 濾波器波形示意圖
濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路，它是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。
為何濾波器市場成兵家必爭之地？
大家都說 2019 年是 5G 元年，但無論是 5G 基站的建設，還是 5G 智能手機大規(guī)模的出貨，2020 年才能算是真正具有里程碑價值的第一年，而 2019 年只能算是一段過渡期。
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圖源：諾思微官網(wǎng)
基站方面，根據(jù)信達證券的預估，2020-2025 年中國 5G 基站建設規(guī)模在 400 萬站左右，全球建設量在 800 萬站左右。假設每個基站需要 3 副天線，一副 64TR 天線需要 64 個濾波器，那么一個 5G 基站就至少需要 192 個濾波器，再以國內(nèi) 400 萬站的基數(shù)預測計算，濾波器需求總量將達到 7.68 億個。更多基站側的深入分析，請參考與非網(wǎng)已發(fā)布的《誰將成為 5G 射頻前端元件成長之最？》一文。
手機方面，根據(jù)市場研究公司 Digitimes Research 的預估，2020 年全球智能手機出貨量在 11.5 億部左右，其中 5G 智能手機出貨量將突破 2.5 億部，占據(jù)全球智能手機出貨量的 20%以上。對于智能手機來講，通信技術的更迭史也是頻段數(shù)量不斷增加的過程，從 2G 時代的 4 頻段，3G 時代的 6 頻段，到 4G 千元機的 8~20 頻段，4G 高端機的 17~30 頻段，再到如今 5G 手機的 50+頻段。每一個頻段都需要使用濾波器來保證信號的干凈與穩(wěn)定，因此頻段的增加與濾波器市場需求幾乎呈正比關系。假設 4G 手機單機射頻濾波器用量為 40 個，那么 5G 手機單機射頻濾波器用量就至少要 70 個，用量提升超 75%。相對應的單機濾波器價值也將從 7.25+美元漲至 12+美元，再乘以基數(shù) 2.5 億部，可以得出：僅 5G 手機，今年就將有 30 美億濾波器的產(chǎn)值。據(jù)悉 2020 年，在整個射頻前端中，濾波器市場將超 1000 億元人民幣。
此外，在 5G 浪潮的推動下，物聯(lián)網(wǎng)也將進入快速發(fā)展階段，應用于物聯(lián)網(wǎng)設備的濾波器市場占比將會從 2018 年的 10%增長至 2024 年的 30%。這些市場的變動，從基站到手機，再到物聯(lián)網(wǎng)相關設備，無疑都給濾波器市場規(guī)模帶來了提升，那可不就會成為市場追逐，乃至國家爭搶的香餑餑么！
目前主流的濾波器有哪些？各自優(yōu)劣勢是什么？
要問濾波器的種類有哪些？可能更多的人腦海中出現(xiàn)的是：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器這樣的字眼，沒錯，這是按照通頻帶來分類的結果。通常這也是有源濾波器常用的分類，但除了有源濾波器外，從商業(yè)和工業(yè)的角度來說，無源濾波器才是射頻處理中的老大難，也是今天我們討論的重點。
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圖 | 射頻濾波器分類示意圖
將無源射頻濾波器根據(jù)場景分類，可以分為基站濾波器和手機濾波器兩種。不同的應用場景，對濾波器的要求也各不相同，基站場景中，我們更關注濾波器的高穩(wěn)定性、大帶寬、大功率等指標，而在手機場景中，我們更關注濾波器的價格、體積等因素。因此在基站中，目前主流的濾波器是金屬腔體濾波器和陶瓷介質濾波器，分別對應于 2-4G 基站和 5G 基站的應用需求。而在手機中，更多被采用的是半導體制造工藝下的聲波濾波器，包括SAW、TC-SAW、I.H.P-SAW、BAW、FBAR等。光看名字有點頭暈，這些濾波器到底怎么區(qū)分？各自優(yōu)劣勢又是如何的呢？
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圖 | SAW 濾波器工作原理示意圖
SAW是英文 Surface Acoustic Wave 的縮寫，也就是我們通常所稱的普通聲表面波濾波器。它是一種通過壓電效應和表面波傳播的物理特性所制成的一種濾波專用器件，其設計及制造工藝成熟，擁有設計靈活性大、插入損耗較低、在 10MHz~2.5GHz 頻率范圍內(nèi)選頻特性良好、低成本等優(yōu)點，因此應用十分廣泛。但其高頻性能不足，當頻率超過 1.5GHz 時，Q 值就會開始下降；此外，當溫度升高時，聲波速度隨著襯底材料的剛度下降而降低，就會表現(xiàn)出對溫度敏感、熱穩(wěn)定性和散熱性較差等問題。
為了提升普通 SAW 的熱穩(wěn)定性，具有溫度補償特性的 TC-SAW 濾波器應運而生。它是通過在 IDT 結構上增加保護涂層來實現(xiàn)的，目前國外技術已經(jīng)很成熟了。但也正因為這些掩膜涂層的增加，使得工藝復雜性和成本增加了不少，有人估計 TC-SAW 的成本是普通 SAW 的兩倍之多。
上面還提到了普通 SAW 高頻性能不足的問題，而高頻往往會帶來更多的散熱問題，日本 MuRata 在這方面投入很多，首先開發(fā)出了能補償這兩個問題的I.H.P-SAW 濾波器，使工作頻率提高到了 3.5GHz，同時具備高 Q 值、低 TCF 和高散熱性等優(yōu)點，這也是 I.H.P-SAW 可與低頻段 BAW 一戰(zhàn)的資本所在，不過和 TC-SAW 一樣，同樣存在工藝復雜、成本高的缺點。
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圖 | BAW 濾波器工作原理示意圖
在 4G 時代，以上聲表面波濾波器還算夠用，但到了 5G 時代，我們的頻譜又有了提升。以中國為例，三大運營商獲得的授權頻譜分別為：中國電信的 3400MHz~3500MHz、中國移動的 2515MHz~2675MHz、4800MHz-4900MHz 和中國聯(lián)通的 3500MHz-3600MHz，這些頻段中有些波段已經(jīng)超出了 I.H.P-SAW 所能承受的極限 3.5GHz，因此需要有更高工作頻率的濾波器出現(xiàn)，于是 BAW、FBAR 又應運而生。
BAW是英文 Bulk Acoustic Wave 的縮寫，也就是我們通常所稱的體聲波濾波器。與 SAW 不同，BAW 濾波器的聲波在垂直方向上進行傳播的，其工作頻率范圍在 1.5GHz-6GHz 左右，最高可達 10GHz，同時具備溫度敏感性小、插入損耗小和帶外衰減大等優(yōu)點。值得一提的是，對于 BAW 濾波器而言，其尺寸大小是隨著頻率的升高而減小的，這對于 5G 的應用來說是一大利好。根據(jù)聲波反射結構的不同，BAW 濾波器又可分為 BAW-SMR、FBAR、XBAR 等幾種，其中 BAW-SMR、FBAR 是目前的主流體濾波器，下面展開介紹一下。
BAW-SMR，即固體裝配型體聲波濾波器，因通過堆疊不同剛度和密度的薄層形成一個布拉格反射器，從而實現(xiàn)將大部分聲波但射到電壓層中進行震蕩而得名。優(yōu)點是無需空腔，且利用硅薄膜工藝即可實現(xiàn)，但當薄膜層數(shù)變多時，也意味著結構的復雜性在上升。與 FBAR 相比，BAW-SMR 的 Q 值較低，無源損耗較高，但散熱能力稍強。
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圖 | 硅反面刻蝕型結構圖（左） & 空氣隙型結構圖（右）
FBAR，即薄膜體聲波濾波器，與前面所述的濾波器不同，它是采用硅底板，借助 MEMS 技術和薄膜技術制造而來的。根據(jù)加工技術的不同，又可分為空氣隙型 FBAR 和硅反面刻蝕型 FBAR兩種?？諝庀缎?FBAR 是基于 MEMS 的表面微加工技術，在硅片的上表面形成一個空氣隙以限制聲波于壓電震蕩堆之內(nèi)，通過先填充犧牲材料最后再移除之的方法制備空氣腔以形成空氣—金屬交界面；硅反面刻蝕型 FBAR 則是基于 MEMS 的體硅微加工技術，將硅片反面刻蝕，在壓電震蕩堆的下表面形成空氣—金屬交界面從而限制聲波于壓電震蕩堆之內(nèi)。該技術中需要大面積移除硅襯底，因此機械牢度不太好。與 BAW-SMR 相比，F(xiàn)BAR 具有易于高頻化、低損耗、高 Q 值等優(yōu)點，但工藝較復雜，目前成品率較低，成本相對較高，市面上只有收購了安華高的博通有成熟的產(chǎn)品線，該產(chǎn)品也是文首訴訟案例中討論的技術焦點。
濾波器產(chǎn)業(yè)近況和發(fā)展趨勢如何？
無論對國際還是中國市場來講，需求在文首已經(jīng)分析得很清楚了。而拋開基站濾波器，站在手機、物聯(lián)網(wǎng)等所用的濾波器供給端，我們可從產(chǎn)業(yè)鏈的角度，從上游到下游，分為EDA 軟件與材料廠商、濾波器設計制造與封測廠商、通信終端廠商三大板塊。
只要對半導體圈有所了解，那就知道我國在 EDA 軟件和材料方面是十分落后的。目前EDA 市場主要被美國的 Cadence、Synopsys 和被西門子收購的 Mentor Graphics 所壟斷，中國市占率不足 1%。對于 SAW 濾波器的主要原材料之一——壓電晶體材料，不出意外，日本廠商一騎絕塵，其中信越化學、住友金屬工業(yè)等幾家的全球市占比之和就達到了 95%之高。不過，值得一提的是，我國的德清華瑩、中電 26 所、信維通信和天通股份也有這部分業(yè)務，只是產(chǎn)能不足，競爭力還不夠強。
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圖源：sohu
在濾波器設計、制造與封測等中游市場，國際上主要采用的模式是 IDM，而國內(nèi)主要采用的是 Fabless+Foundry+OAST 的模式，這和中國切入時間晚，整體技術水平不高有關，這種模式有利于各個擊破。話說回來，在 SAW 市場，目前占據(jù)主導地位的廠商主要來自日本，像 Murata（村田）、Taiyo Yuden（太陽誘電）和 TDK 等，這是由于早期的 SAW 濾波器多應用于以電視機為代表的視聽類家電產(chǎn)品，這在上世紀 80 年代左右是日本廠商的天下。而 BAW 市場則是美國企業(yè)的天下，雖說主導廠商有 Broadcom（博通）、Taiyo Yuden（太陽誘電）、Qualcomm（高通）等，但真正能實現(xiàn) FBAR 大批量量產(chǎn)的，也就博通一家；BAW-SMR 出貨量最大的也是一家美國企業(yè) Qorvo，而太陽誘電只有一些在專利方面起早的優(yōu)勢。
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圖 | SAW&BAW 濾波器全球市占率情況（來源：頭豹研究）
而對于后起的中國來說，目前雖無優(yōu)勢，但也有一些廠商在耕耘。在 SAW 方面，主要有中電 26 所、德清華瑩、麥捷科技、信維通信、卓勝微、好達電子和開元通信；在 TC-SAW 方面，主要有中電 26 所和麥捷科技；在 BAW 方面，有開元通信；在 FBAR 方面有中電 26 所和天津諾思微（天津大學教授張浩為該公司創(chuàng)始人之一）。
再說到下游的通信終端市場，三星、華為、蘋果、vivo、小米、OPPO 是全球智能手機銷量之最，其中不乏中國企業(yè)的身影，在這點上來說，我國濾波器國產(chǎn)化是有機會的。
寫在最后
我國的智能手機出貨量占全球總出貨量的 25%，而濾波器的自給率卻小于 5%，此間懸差巨大。正需要大批量濾波器人才的時機，卻“遇上”中美摩擦，不能否認，包括張浩教授在內(nèi)的很多人才都會受此影響，從而減緩國產(chǎn)濾波器乃至國產(chǎn)射頻器件的國際化追趕?，F(xiàn)實擺在面前，歷史不容我們快速前進，那就只能加快產(chǎn)學研的步伐，由市場驅動，下游廠商助推發(fā)力，一步一個腳印，邁出扎實的中國步伐。目前知道的是華為和小米都入股了濾波器企業(yè)，有項目合作，有戰(zhàn)略投資，是個無奈又不錯的消息。
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