射频模组核心在哪?

最佳答案 匿名用户编辑于2024/03/13 11:06

射频模组核心在于系统整合能力和核心器 件获取能力。

模组端核心在于需要极强的系统整合能力。不同模组集成了不同元器件,一方 面需要模块内每个主要电路的成熟设计及产品化能力无短板,另一方面,由于各子 模块全集成模组本身构成一个复杂的系统,涉及到发射与接收之间隔离、各频段之 间的抑制及载波聚合的通路设计等问题。射频前端不再是一个单独的功能模块,需 要厂商有强大的系统分析与设计能力,这一难点可以通过提升设计能力,积累设计 经验等解决。因此整体来看,一方面要求射频厂商拥有较强的芯片设计能力,尽可 能覆盖各类型的器件类型从而提升模组的一致性和可靠性;另一方面,射频前端集 成度的提高,需要射频前端公司具备较强的集成化模组设计能力,通过优化器件布 局,提高集成度和良率,从而提升射频前端的整体性能,考验射频前端厂商综合结 合能力。根据上文我们总结到,L-PAMiD是手机射频前端系统中集成度高,价值量最 大的模组。与此同时,也是难度最大的模组,因此,对厂商系统设计能力要求更高。

L-PAMiD模组需要PA、高端滤波器等核心器件。基于SOI的射频开关和LNA, 以及基于GaAs的PA等量产资源均有外部专业代工厂能较好解决,而本土厂商也在 射频开关、射频LNA和射频PA技术上积累较多。而高端滤波器资源有较强工艺和专 利壁垒,是高集成度模组设计的稀缺资源。因此,高端滤波器是目前国内射频前端 厂商较为卡脖子的环节。因此下文,我们将重点对滤波器的类型和难点等进行展开。 在射频通信系统中,“频谱”是非常宝贵且拥挤的资源。除了与我们生活息息相 关的5G、4G、Wi-Fi、GPS及蓝牙信号外,还有通信卫星、军用卫星以及气象监测 等信号。在实际生活中,无线信号无处不在,所以,就需要射频“滤波器”将无用信 号处理干净。在射频前端系统中,滤波器的功能是用于发射时,滤波器可以将有用 信号从众多噪声信号中过滤出来,用于接收时,滤波器可以将有用信号之外的干扰 信号过滤干净,由于工作在不同频段和链路上的滤波器需求不同,根据技术路径, 滤波器分类也较为多样。

发射端滤波器难度大于接收端滤波器。发射端滤波器的作用为用于发射时,滤 波器可以将有用信号从众多噪声信号中过滤出来。结束端滤波器的作用为,用于接 收时,滤波器可以将有用信号之外的干扰信号过滤干净。为了保证手机等终端能够 正常工作,减小各频段间的干扰,3GPP对终端发射通道的带外抑制指标提出了一系 列要求,包括对谐波、互调等非线性分量的抑制,以及CA/ENDC场景下多频段共存 的带外抑制指标等(详见3GPP协议)。由于PA本身对带外的抑制能力不足,所以需要 在输出端加滤波器使最终的带外抑制指标符合3GPP规范。整体来看发射端的滤波器 难度要大于接收端的滤波器难度。

就材料来看,滤波器可分为LC型滤波器和压电滤波器。压电滤波器按实现方式 的不同可以分为SAW滤波器、BAW滤波器。不同滤波器适用于不同的应用场景,在 手机无线通信应用中。LC滤波器是基于电感/电容的频响来设计的滤波器。由于设备 尺寸较小、功率较低,因此目前智能手机使用小体积高性能的声学滤波器。压电滤 波器的优势是可以利用声学器件极高的Q值,设计出窄带高抑制、低插损的滤波器。 缺点是必须要用到压电材料,与集成电路中的半导体工艺不兼容。并且工艺敏感, 对设计和制造工艺提出了高的要求。根据结构不同可以分为声表面波(SAW)滤波器和体声波(BAW)滤波器。 SAW滤波器:基本原理为在输入端由压电效应把无线信号转换为声信号在介质 表面传播,在输出端由逆压电效应将声信号转换为无线信号。一个基本的SAW滤波 器由压电材料和两个叉指式换能器(IDT,Interdigital Transducer)组成,输入端的 IDT将电信号转换成声波,且该声波在SAW滤波器基板表面以驻波形式横向传播,输 出端的IDT接收到的声波转换成电信号输出,从而实现滤波。SAW滤波器技术主要包 括三种工艺:普通SAW、热补偿SAW(TC-SAW)和多层式SAW(ML SAW)。针 对这三种主要工艺,许多亚洲公司在普通SAW 市场都占据了份额,如日本京瓷、韩 国威盛(Wisol)等。而在TC-SAW 和 ML-SAW 技术方面,市场被五家企业瓜分: Skyworks、Qorvo和另外三家将 ML-SAW 技术纳入其产品组合的公司:村田制作 所(2019 年开始IHP SAW)、高通(2020 年开始POI SAW)等。

BAW滤波器:基本原理同SAW滤波器相同,不同的是BAW滤波器中声波垂直 传播。同时电极的使用与薄膜压电层的厚度决定滤波器谐振频率,高频下薄膜压电 层厚度在几微米量级,因此需要使用较高难度的薄膜沉积与微机械加工技术,制造 难度与成本更高。BAW滤波器有FBAR类型以及SMR类型,两者结构略有差别。BAW 滤波器可以直接在硅晶圆加工设计,利用PVD或CVD设备实现压电薄膜的制备是其 关键工艺环节,薄膜材料主要为氮化铝和氧化锌。

美系厂商以BAW路线为主,近年来持续加大投入。BAW市场主要被博通,Qorvo 和Skyworks等美系厂商占据。Skyworks表示来自BAW滤波器的相关的年度营收接 近20亿美金,约占FY2022年55亿营收的36.4%。过去几年月5-6亿美金的CapEx支 出的大部分都投入了投入BAW产线中。Qorvo也对滤波器需求长期看法乐观,认为 长期来看行业有7-9%增长,预期未来还要提高一倍BAW产能。 就性能来看,高性能的TC SAW和TF SAW可与BAW匹敌。BAW路线整体面临 工艺复杂,生产成本较高,专业壁垒被美系厂商高筑等痛点。各个厂商还在不断在 结构和材料上.升级SAW路线。如村田研发的I.H.P.SAW滤波器,克服了传统SAW滤 波器的缺点,并成功实现了优于BAW滤波器的特性。在衬底材料升级方面,法国公 司Soitec打造了POI(压电绝缘体),以高阻硅作为基底,中间为氧化埋层,顶部是 薄而均匀的单晶压电层。其中,氧化埋层可以限制损耗,并实现极高的信号选择性, 同时确保压电材料在温度变化时仍具有出色的频率稳定性,比TC-SAW进一步拥有 了能效更优、频率更高、带宽更广等诸多优势,目前高通已与Soitec合作,推出了基 于POI衬底的高性能SAW。

国内厂商解决从路径上分自建产线和外购两种路径。为了实现模组化中模块的 优势整合,过去射频前端国际大厂在纷纷在全球化范围内合并具有滤波器能力的厂 商,并形成了较强的专利和技术壁垒。当前滤波器、多工器的专利、量产技术和产能 均集中于Broadcom、Skyworks、高通等美系厂商、以及村田,太阳诱电等少数日系 厂商。以SAW为例,村田和Skyworks在高端SAW的前后道工艺,技术甚至封装形式 上拥有数量庞大的专利,构建了较高专利壁垒。因此,对国内厂商来说,海外并购愈 发困难,而国内缺乏较为优质的滤波器产线,因此目前获取滤波器资源的途径主要 分为两种。一种是自建滤波器产线,国内主要为卓胜微、锐石创新。另一种则是选择 与日系滤波器供应商合作,通过外购滤波器再封装进模组等形式出货L-PAMiD等高 集成度模组。 对国内厂商来说,接下来的竞争核心不仅要看谁能更快速推出L-PAMiD模组并 能顺利导入品牌客户,还要看能否长期稳定供应。综合目前国内射频厂商在L-PAMiD 上的进展来看。我们认为目前2023年正式国内射频厂商在L-PAMiD模组突破上的重 要时间节点。