國產(chǎn)芯片行路難之濾波器篇

文︱朱晶

從2014年開始吹響“舉國大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)”的號角，到2018年中興、華為事件帶動起來的集成電路國產(chǎn)替代熱潮，再到2021年全球“缺芯”引發(fā)的產(chǎn)業(yè)集體狂歡，集成電路行業(yè)被政策和資本推動著持續(xù)走在產(chǎn)品升級和產(chǎn)業(yè)高端化的道路上。

但隨著大部分集成電路產(chǎn)品的低端替代接近完成，產(chǎn)業(yè)支撐要素極大豐富，我們卻似乎進(jìn)入到高端升級越行越難的怪圈，表現(xiàn)形式就是大家都承認(rèn)難，都說自己在努力突破，資本和政策也蜂擁而至，但在一些“卡脖子”領(lǐng)域，市場上仍然缺乏可與國外代表性公司可以相匹敵的產(chǎn)品。

這便是我想寫這個系列的主要原因，盼望可以從一些“老大難”產(chǎn)品的技術(shù)突破難題上剝絲抽繭，拂塵見金，從產(chǎn)業(yè)自身的瓶頸和困境入手，發(fā)現(xiàn)可以真正實現(xiàn)集成電路關(guān)鍵產(chǎn)品高端化升級的有效路徑。

今天想分析的是濾波器，以SAW濾波器為代表。目前國產(chǎn)濾波器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀可以總結(jié)為：

一是國內(nèi)濾波器企業(yè)不少，但產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)度可以忽略不計。據(jù)估算全球濾波器公司70%的數(shù)量都在中國，但對全球濾波器產(chǎn)業(yè)收入的貢獻(xiàn)還不及3%。

二是國內(nèi)濾波器企業(yè)不強，無法與國內(nèi)的終端品牌優(yōu)勢有效協(xié)同。絕大部分國內(nèi)濾波器公司都在低端客戶群體中出貨，無法進(jìn)入國內(nèi)頭部終端客戶的主流供應(yīng)鏈。而品牌終端客戶對國內(nèi)濾波器公司的導(dǎo)入謹(jǐn)慎且緩慢，既有其自身供應(yīng)鏈的考慮，更多的恐怕還在中國濾波器企業(yè)自身各種問題。

一、SAW濾波器是什么？

SAW濾波器即為聲表面波濾波器，是采用石英晶體、鈮酸鋰、壓電陶瓷等壓電材料，通過壓電效應(yīng)和表面波傳播來濾除雜波的濾波器件。

評價一款SAW濾波器主要有如下幾個關(guān)鍵指標(biāo)，包括中心頻率、帶寬、帶內(nèi)插損、帶內(nèi)波紋、帶外抑制、收斂性等指標(biāo)。雙工器/多工器（由兩個或多個SAW濾波器組成，所以雙工器/多工器的特性基于SAW濾波器的特性）除了以上指標(biāo)，還有隔離度指標(biāo)。

在評價SAW濾波器時常說的Q值，是指品質(zhì)因數(shù)。濾波器是一種選頻裝置,通過耦合基本元件或諧振器來實現(xiàn),可以使信號中特定的頻率成分通過,而極大地衰減其它頻率成分。

諧振器的Q值越高，越有機會做出高矩形系數(shù)的濾波器，也就是說Q值跟濾波器的矩形系數(shù)成正相關(guān)。Q值一般在產(chǎn)品規(guī)格書中并不體現(xiàn)，但這個指標(biāo)直接和SAW濾波器的帶內(nèi)插損，帶外抑制，特別是濾波器裙邊一些關(guān)鍵點的抑制強相關(guān)，幾乎可以被認(rèn)為是濾波器的“靈魂指標(biāo)”。

一般而言Q值越高，同樣設(shè)計情況下，濾波器裙邊越陡峭，等效的帶內(nèi)插損越小，帶外抑制會更好，在同等條件下，給溫漂影響的冗余空間越大。因此Q值是評價SAW濾波器企業(yè)技術(shù)實力評價關(guān)鍵指標(biāo)，也是決定不同類型濾波器（BAW、SAW、IHP-SAW、IPD、LTCC等）匹配細(xì)分市場的決定因素。

同時，SAW濾波器還需要具有高的功率承受能力，具有高的矩形度和好的溫度穩(wěn)定性，要求高頻大帶寬等。國際企業(yè)之所以產(chǎn)品夠好，很重要的原因就是他們能夠發(fā)揮出來特定材料和工藝條件的優(yōu)勢，而將產(chǎn)品的Q值逼近物理極限。

二、SAW濾波器為什么重要？

隨著5G時代的到來，在高頻化趨勢下，智能手機頻帶間距逐漸縮小，頻帶隔離難度日益提升，帶寬、插入損耗和尺寸等性能要求也進(jìn)一步提高，這些都對濾波器的設(shè)計和生產(chǎn)提出了更高的挑戰(zhàn)。

同時，5G引發(fā)射頻前端模組化趨勢，進(jìn)一步增加其設(shè)計難度，需要綜合統(tǒng)籌考慮PA、濾波器、射頻開關(guān)、LNA等器件的特性，以及不同類型芯片的結(jié)合方式、干擾和共存等問題。

國外頭部射頻企業(yè)推出的L-PAMiD和L-PAMiF等更高集成度的射頻前端模組，已經(jīng)成為智能手機的主流標(biāo)配，進(jìn)一步提高射頻前端企業(yè)進(jìn)入中高端市場的門檻。

由此可見，射頻前端模組化已經(jīng)成為了未來競爭主場，而濾波器在射頻前端模組中的重要性也與日俱增。據(jù)統(tǒng)計，近年來濾波器在射頻前端模組中產(chǎn)值占比從3G時代的33%提升到4G LTE時代的54%，預(yù)計到2023年將提升至66%。而在所有濾波器中，SAW濾波器在4G和5G時代都會是最主要的濾波器，占據(jù)70%以上的市場份額。

當(dāng)前國產(chǎn)的PA、LNA、開關(guān)、天線等均已發(fā)展得較為成熟，唯獨小型化、可集成的高質(zhì)量SAW濾波器資源，不僅成為射頻前端模組設(shè)計中的稀缺資源，同時也是國產(chǎn)射頻前端模組當(dāng)前最為突出的短板所在。

三、SAW濾波器的技術(shù)難點

從濾波器研發(fā)的“材料-EDA工具-設(shè)計-前道制造-后道制造-測試”全流程看，實現(xiàn)高品質(zhì)因子（Q值）、低帶內(nèi)插損的優(yōu)質(zhì)SAW濾波器，需要突破以下幾個技術(shù)難點：

一是EDA工具和仿真能力。一般而言，由于EDA跟濾波器工藝的強相關(guān)，通用EDA缺少真實工藝數(shù)據(jù)的反饋，則難以設(shè)計出高性能產(chǎn)品。

EDA決定了SAW濾波器設(shè)計的正確性和準(zhǔn)確性。設(shè)計的正確性，就是EDA中各種模型，算法是不是對的，這是設(shè)計濾波器的最先解決的入門問題；設(shè)計準(zhǔn)確性部分，就是工藝數(shù)據(jù)庫，EDA從工藝中獲取的數(shù)據(jù)，決定了設(shè)計出來的產(chǎn)品和做出來實際測試數(shù)據(jù)差距有多大，因此EDA需要與工藝強綁定。

對于SAW濾波器的設(shè)計，高質(zhì)量EDA工具和仿真能力的作用占到了絕大部分，剩下一小部分是設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗。假如沒有高質(zhì)量EDA工具和工藝反饋的數(shù)據(jù)作為支撐，僅僅有設(shè)計經(jīng)驗也難以“復(fù)刻”高水平的SAW產(chǎn)品。所以經(jīng)常看到有些來自國際一線濾波器企業(yè)的設(shè)計人員，回國后再創(chuàng)業(yè)，卻經(jīng)常陷入“巧婦難為無米之炊”的境地。

二是工藝制造能力。由于有源器件與無源器件在生產(chǎn)工藝上完全不同，SAW濾波器在制造上與PA、LNA等其他射頻器件差別極大，即SAW濾波器沒有一個完整且成熟的代工產(chǎn)業(yè)鏈可以使用。國內(nèi)并不存在達(dá)到高水準(zhǔn)的前道制造和后道封測廠來支撐SAW濾波器設(shè)計公司。

從全球看，優(yōu)質(zhì)的代工資源也是比較少，多數(shù)代工資源都處于技術(shù)需要繼續(xù)提升的技術(shù)積累階段，在進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)尤其是高端產(chǎn)品大規(guī)模量產(chǎn)中，容易出現(xiàn)一致性等問題。

三是量產(chǎn)能力。濾波器從設(shè)計制造再到穩(wěn)定量產(chǎn)是一個系統(tǒng)工程，有任何一個環(huán)節(jié)做不好，就很難達(dá)到滿意的產(chǎn)品指標(biāo)。即使在小批量樣品階段跑出很好的性能，也依然面臨著后續(xù)量產(chǎn)可能出現(xiàn)的各種問題，例如可靠性，良率，CPK等。

從SAW濾波器技術(shù)難點上能看出來，數(shù)據(jù)和模型（EDA）、設(shè)計、制造工藝這些關(guān)鍵要素是緊密結(jié)合同時又彼此影響的關(guān)系。所以，濾波器的開發(fā)絕不是簡單的“1+1+1”的難度，而是成倍疊加的難度。

四、SAW濾波器的商業(yè)難點和我國的現(xiàn)實困境

SAW濾波器眾多技術(shù)難點的“環(huán)環(huán)相扣”和“相互耦合”，衍生了實現(xiàn)高質(zhì)量SAW濾波器的幾個商業(yè)難點。

一是由于濾波器關(guān)鍵環(huán)節(jié)之間的強耦合，高質(zhì)量SAW濾波器的產(chǎn)業(yè)化必須依靠IDM模式來完成。IDM的本質(zhì)在于實現(xiàn)研發(fā)生產(chǎn)全流程的無縫銜接和相互影響，例如EDA中包含了SAW工藝參數(shù)且設(shè)計充分考慮了工藝，工藝也很好地與EDA的數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配，這恰好和高質(zhì)量SAW濾波器的技術(shù)要求充分匹配。

村田、太誘等全球主要的SAW濾波器廠商幾乎都是擁有自主設(shè)計和工藝的IDM模式，源于各技術(shù)要素的共享和配合只能通過IDM的封閉性和稀缺性來實現(xiàn)。而在我國，如果不用IDM模式來生產(chǎn)SAW，想要找到高水平的代工廠愿意把他們的工藝參數(shù)注入到設(shè)計企業(yè)的EDA中，并愿意和設(shè)計企業(yè)共享工藝參數(shù)且不斷迭代，也是一件非常困難的事情，需要兩家公司都在技術(shù)上達(dá)到一定水準(zhǔn)并且足夠信任，雙方的技術(shù)一定程度的相互公開才能實現(xiàn)。

二是濾波器技術(shù)和產(chǎn)品及其對應(yīng)的市場需求多層次共存，很容易產(chǎn)生“低端市場路徑依賴”，掉入了毛利為負(fù)的陷阱。濾波器的種類非常多，同時存在IPD、LTCC、SAW、TC-SAW、IHP-SAW、BAW、FBAR等各種類型，技術(shù)難度不同，極限指標(biāo)性能區(qū)間不同，對應(yīng)的應(yīng)用場景也不同。

一般而言，對濾波器Q值的要求，實際上取決于使用環(huán)境跟頻率之間的相互干擾程度。Q值高的濾波器，更能適應(yīng)嚴(yán)苛的使用環(huán)境，成本和價格也越高。例如BAW的Q值在4000以上（由材料和工藝難度決定的），主要用在旗艦機上，對應(yīng)的成本和價格也非常高，而普通SAW的Q值在1500左右，主要用在手機/物聯(lián)網(wǎng)場景，相比較而言，成本和價格都比較低。

由于濾波器的技術(shù)和市場需求的多層次共存，當(dāng)遇到技術(shù)瓶頸的時候，很容易產(chǎn)生“低端市場路徑依賴”，即用高Q值的濾波器產(chǎn)品放到低一兩個檔次的市場銷售，例如用低端一點的BAW直接去打SAW的市場（做出來的BAW產(chǎn)品的Q值比國外一線企業(yè)SAW的Q值還低），也就是“奧迪的配件做一個奧拓出來銷售”，這種通過主動降低質(zhì)量帶來的降維打擊，將會導(dǎo)致的產(chǎn)品銷售價格和成本出現(xiàn)倒掛，恰恰是我國濾波器產(chǎn)業(yè)普遍出現(xiàn)負(fù)毛利的根本原因。

三是SAW濾波器的成熟格局和定價體系很難突破，國產(chǎn)品牌的價格和利潤天花板非常明顯。從全球看，濾波器作為成熟產(chǎn)品，國際企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了定價，中國企業(yè)很難突破價格體系，在客戶預(yù)期國產(chǎn)產(chǎn)品銷售價格應(yīng)低于國際品牌的前提下，無形中就為中國企業(yè)的產(chǎn)品性能和價格區(qū)間進(jìn)行了框定。

而我國濾波器處于剛剛起步階段，成本和研發(fā)投入必定遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國際巨頭企業(yè)設(shè)定好的價格和利潤天花板，如果不能夠用最低成本的材料和工藝做出來高Q值、低帶內(nèi)插入損耗、高帶外抑制的產(chǎn)品并批量生產(chǎn)，也就無法實現(xiàn)商業(yè)化的正反饋，就只能陷入依靠不斷融資才能存活的怪圈。

由于無法破解這些技術(shù)和商業(yè)上的難點，我國SAW濾波器產(chǎn)業(yè)長期被低端鎖定。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，當(dāng)前全球SAW濾波器市場銷售額達(dá)到了76億美元，接近500億人民幣。其中中國大陸市場的SAW濾波器規(guī)模超過了200億。而截止到2021年底，國內(nèi)擁有SAW濾波器業(yè)務(wù)的企業(yè)接近20家，但在SAW濾波器產(chǎn)品上的總收入不超過10億，國產(chǎn)化率長期低于5%，而高質(zhì)量SAW濾波器的國產(chǎn)率接近于0。

五、我國SAW濾波器產(chǎn)業(yè)正確發(fā)展路徑

那么什么是SAW濾波器產(chǎn)業(yè)正確的發(fā)展路徑？

一是充分尊重SAW濾波器自身產(chǎn)業(yè)特點，堅持“IDM模式”來實現(xiàn)高水平SAW濾波器產(chǎn)品。SAW濾波器產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)資源要素之間需要強耦合，所涉及的材料、曝光、光刻、工藝參數(shù)等細(xì)微變化都會極大影響產(chǎn)品性能。加之供應(yīng)鏈資源長期封閉性和稀缺性造成的代工模式舉步維艱，因此必須打造從EDA到設(shè)計、工藝及封裝互通互融的IDM，最大化的保證最優(yōu)設(shè)計結(jié)果，具備器件設(shè)計、材料制備、晶圓及基板制造、封裝和可靠性測試等各環(huán)節(jié)的能力，才有可能實現(xiàn)高質(zhì)量的國產(chǎn)SAW濾波器產(chǎn)品。

二是放棄以融資續(xù)命的低價“競次”模式，重回“掙錢”的基本商業(yè)邏輯。所謂的“競次”，即打到底線的競爭。在濾波器“競次”游戲中，比的不是誰的指標(biāo)更優(yōu)秀，而是用高成本的產(chǎn)品降價競爭低成本產(chǎn)品市場，不惜犧牲掉毛利。這樣帶來的后果是，所有玩家都不得不降低自己的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)“向價格谷底賽跑”，而無暇無力“向技術(shù)高峰沖刺”，同時也無法遵循“掙錢”的基本商業(yè)邏輯，只能靠不斷的炒作期望用融資來續(xù)命，但這顯然是不可持續(xù)的。

三是企業(yè)需要真正“耐得住寂寞”，以提升自身技術(shù)能力為目標(biāo)，而不是迎合資本市場為目標(biāo)。國際企業(yè)一直在持續(xù)提升濾波器技術(shù)和產(chǎn)品性能，而國內(nèi)的頭部手機廠商為保持自身競爭力對濾波器的需求跟國際濾波器企業(yè)同步。這就導(dǎo)致國內(nèi)濾波器企業(yè)由于起點低，為了短期能獲取資本市場認(rèn)可選擇做低端產(chǎn)品。

但是最終的結(jié)果是跟國際企業(yè)的差距不斷拉大，有限的資源消耗在了已經(jīng)過時的產(chǎn)品或者低端應(yīng)用的產(chǎn)品上。這就解釋了為什么近幾年大量資本涌入濾波器領(lǐng)域，卻沒有真正解決國產(chǎn)化的問題，出現(xiàn)了“好聽的故事越來越多，好用的產(chǎn)品越來越少”的行業(yè)怪象。

企業(yè)應(yīng)該對這個現(xiàn)象有更加清醒的認(rèn)識，要以實現(xiàn)真正的高水平國產(chǎn)替代和滿足頭部客戶的需求為牽引，以跟國際企業(yè)的最新產(chǎn)品不能太多的代差為目標(biāo)，在自主EDA、工藝和量產(chǎn)能力上不斷升級，然后不動搖地做出有競爭力的SAW產(chǎn)品，同時要以實現(xiàn)自己的合理利潤為目標(biāo)，來保障自身長期健康發(fā)展從而能夠持續(xù)研發(fā)投入。這個周期可能很長，因此不符合大部分資本的要求，但濾波器企業(yè)要坐得住‘冷板凳’,下得了“苦功夫”，不要輕易在技術(shù)和產(chǎn)品上降低標(biāo)準(zhǔn)。

以下這段話來自一位建議我寫寫濾波器的業(yè)內(nèi)大佬，“行路難，行路難，多歧路，今安在？中國濾波器發(fā)展之路，正處在多歧路的狀態(tài)，前方還有濃霧加狂風(fēng)暴雨。我們今天的選擇，將決定我們未來能達(dá)到的高度。務(wù)實、認(rèn)真和堅持，將幫助我們長風(fēng)破浪會有時，直掛云帆濟滄海”。以此致敬并結(jié)尾，感謝閱讀。

作者簡介

朱晶，北京國際工程咨詢有限公司，高級經(jīng)濟師，兼任北京半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會副秘書長。