國(guó)產(chǎn)芯片行路難之濾波器篇

文︱朱晶

從2014年開(kāi)始吹響“舉國(guó)大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)”的號(hào)角，到2018年中興、華為事件帶動(dòng)起來(lái)的集成電路國(guó)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(dòng)著持續(xù)走在產(chǎn)品升級(jí)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(jí)越行越難的怪圈，表現(xiàn)形式就是大家都承認(rèn)難，都說(shuō)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(chǎng)上仍然缺乏可與國(guó)外代表性公司可以相匹敵的產(chǎn)品。

這便是我想寫(xiě)這個(gè)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(jiàn)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(shí)現(xiàn)集成電路關(guān)鍵產(chǎn)品高端化升級(jí)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(guó)產(chǎn)濾波器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀可以總結(jié)為：

一是國(guó)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(jì)。據(jù)估算全球?yàn)V波器公司70%的數(shù)量都在中國(guó)，但對(duì)全球?yàn)V波器產(chǎn)業(yè)收入的貢獻(xiàn)還不及3%。

二是國(guó)內(nèi)濾波器企業(yè)不強(qiáng)，無(wú)法與國(guó)內(nèi)的終端品牌優(yōu)勢(shì)有效協(xié)同。絕大部分國(guó)內(nèi)濾波器公司都在低端客戶群體中出貨，無(wú)法進(jìn)入國(guó)內(nèi)頭部終端客戶的主流供應(yīng)鏈。而品牌終端客戶對(duì)國(guó)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(guó)濾波器企業(yè)自身各種問(wèn)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(guò)壓電效應(yīng)和表面波傳播來(lái)濾除雜波的濾波器件。

評(píng)價(jià)一款SAW濾波器主要有如下幾個(gè)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(gè)或多個(gè)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(píng)價(jià)SAW濾波器時(shí)常說(shuō)的Q值，是指品質(zhì)因數(shù)。濾波器是一種選頻裝置,通過(guò)耦合基本元件或諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn),可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò),而極大地衰減其它頻率成分。

諧振器的Q值越高，越有機(jī)會(huì)做出高矩形系數(shù)的濾波器，也就是說(shuō)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(shū)中并不體現(xiàn)，但這個(gè)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(diǎn)的抑制強(qiáng)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(jì)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(huì)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(píng)價(jià)SAW濾波器企業(yè)技術(shù)實(shí)力評(píng)價(jià)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(chǎng)的決定因素。

同時(shí)，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(guó)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(lái)特定材料和工藝條件的優(yōu)勢(shì)，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(shí)代的到來(lái)，在高頻化趨勢(shì)下，智能手機(jī)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(duì)濾波器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提出了更高的挑戰(zhàn)。

同時(shí)，5G引發(fā)射頻前端模組化趨勢(shì)，進(jìn)一步增加其設(shè)計(jì)難度，需要綜合統(tǒng)籌考慮PA、濾波器、射頻開(kāi)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(wèn)題。

國(guó)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(jī)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(chǎng)的門(mén)檻。

由此可見(jiàn)，射頻前端模組化已經(jīng)成為了未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)主場(chǎng)，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(jì)，近年來(lái)濾波器在射頻前端模組中產(chǎn)值占比從3G時(shí)代的33%提升到4G LTE時(shí)代的54%，預(yù)計(jì)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(shí)代都會(huì)是最主要的濾波器，占據(jù)70%以上的市場(chǎng)份額。

當(dāng)前國(guó)產(chǎn)的PA、LNA、開(kāi)關(guān)、天線等均已發(fā)展得較為成熟，唯獨(dú)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(jì)中的稀缺資源，同時(shí)也是國(guó)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(diǎn)

從濾波器研發(fā)的“材料-EDA工具-設(shè)計(jì)-前道制造-后道制造-測(cè)試”全流程看，實(shí)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(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

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(qiáng)相關(guān)，通用EDA缺少真實(shí)工藝數(shù)據(jù)的反饋，則難以設(shè)計(jì)出高性能產(chǎn)品。

EDA決定了SAW濾波器設(shè)計(jì)的正確性和準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)的正確性，就是EDA中各種模型，算法是不是對(duì)的，這是設(shè)計(jì)濾波器的最先解決的入門(mén)問(wèn)題；設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性部分，就是工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，EDA從工藝中獲取的數(shù)據(jù)，決定了設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品和做出來(lái)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)差距有多大，因此EDA需要與工藝強(qiáng)綁定。

對(duì)于SAW濾波器的設(shè)計(jì)，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(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。假如沒(méi)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(jì)經(jīng)驗(yàn)也難以“復(fù)刻”高水平的SAW產(chǎn)品。所以經(jīng)常看到有些來(lái)自國(guó)際一線濾波器企業(yè)的設(shè)計(jì)人員，回國(guó)后再創(chuàng)業(yè)，卻經(jīng)常陷入“巧婦難為無(wú)米之炊”的境地。

二是工藝制造能力。由于有源器件與無(wú)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(méi)有一個(gè)完整且成熟的代工產(chǎn)業(yè)鏈可以使用。國(guó)內(nèi)并不存在達(dá)到高水準(zhǔn)的前道制造和后道封測(cè)廠來(lái)支撐SAW濾波器設(shè)計(jì)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(wèn)題。

三是量產(chǎn)能力。濾波器從設(shè)計(jì)制造再到穩(wěn)定量產(chǎn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，有任何一個(gè)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(wèn)題，例如可靠性，良率，CPK等。

從SAW濾波器技術(shù)難點(diǎn)上能看出來(lái)，數(shù)據(jù)和模型（EDA）、設(shè)計(jì)、制造工藝這些關(guān)鍵要素是緊密結(jié)合同時(shí)又彼此影響的關(guān)系。所以，濾波器的開(kāi)發(fā)絕不是簡(jiǎn)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(diǎn)和我國(guó)的現(xiàn)實(shí)困境

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

一是由于濾波器關(guān)鍵環(huán)節(jié)之間的強(qiáng)耦合，高質(zhì)量SAW濾波器的產(chǎn)業(yè)化必須依靠IDM模式來(lái)完成。IDM的本質(zhì)在于實(shí)現(xiàn)研發(fā)生產(chǎn)全流程的無(wú)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(jì)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(jì)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(guò)IDM的封閉性和稀缺性來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在我國(guó)，如果不用IDM模式來(lái)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(jì)企業(yè)的EDA中，并愿意和設(shè)計(jì)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(kāi)才能實(shí)現(xiàn)。

二是濾波器技術(shù)和產(chǎn)品及其對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)需求多層次共存，很容易產(chǎn)生“低端市場(chǎng)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(shí)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(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景也不同。

一般而言，對(duì)濾波器Q值的要求，實(shí)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(jià)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(jī)上，對(duì)應(yīng)的成本和價(jià)格也非常高，而普通SAW的Q值在1500左右，主要用在手機(jī)/物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，相比較而言，成本和價(jià)格都比較低。

由于濾波器的技術(shù)和市場(chǎng)需求的多層次共存，當(dāng)遇到技術(shù)瓶頸的時(shí)候，很容易產(chǎn)生“低端市場(chǎng)路徑依賴”，即用高Q值的濾波器產(chǎn)品放到低一兩個(gè)檔次的市場(chǎng)銷售，例如用低端一點(diǎn)的BAW直接去打SAW的市場(chǎng)（做出來(lái)的BAW產(chǎn)品的Q值比國(guó)外一線企業(yè)SAW的Q值還低），也就是“奧迪的配件做一個(gè)奧拓出來(lái)銷售”，這種通過(guò)主動(dòng)降低質(zhì)量帶來(lái)的降維打擊，將會(huì)導(dǎo)致的產(chǎn)品銷售價(jià)格和成本出現(xiàn)倒掛，恰恰是我國(guó)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(jià)體系很難突破，國(guó)產(chǎn)品牌的價(jià)格和利潤(rùn)天花板非常明顯。從全球看，濾波器作為成熟產(chǎn)品，國(guó)際企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了定價(jià)，中國(guó)企業(yè)很難突破價(jià)格體系，在客戶預(yù)期國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品銷售價(jià)格應(yīng)低于國(guó)際品牌的前提下，無(wú)形中就為中國(guó)企業(yè)的產(chǎn)品性能和價(jià)格區(qū)間進(jìn)行了框定。

而我國(guó)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(guó)際巨頭企業(yè)設(shè)定好的價(jià)格和利潤(rùn)天花板，如果不能夠用最低成本的材料和工藝做出來(lái)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(wú)法實(shí)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(wú)法破解這些技術(shù)和商業(yè)上的難點(diǎn)，我國(guó)SAW濾波器產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期被低端鎖定。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前全球SAW濾波器市場(chǎng)銷售額達(dá)到了76億美元，接近500億人民幣。其中中國(guó)大陸市場(chǎng)的SAW濾波器規(guī)模超過(guò)了200億。而截止到2021年底，國(guó)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(guò)10億，國(guó)產(chǎn)化率長(zhǎng)期低于5%，而高質(zhì)量SAW濾波器的國(guó)產(chǎn)率接近于0。

五、我國(guó)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(diǎn)，堅(jiān)持“IDM模式”來(lái)實(shí)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(qiáng)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(huì)極大影響產(chǎn)品性能。加之供應(yīng)鏈資源長(zhǎng)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(jì)、工藝及封裝互通互融的IDM，最大化的保證最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果，具備器件設(shè)計(jì)、材料制備、晶圓及基板制造、封裝和可靠性測(cè)試等各環(huán)節(jié)的能力，才有可能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的國(guó)產(chǎn)SAW濾波器產(chǎn)品。

二是放棄以融資續(xù)命的低價(jià)“競(jìng)次”模式，重回“掙錢(qián)”的基本商業(yè)邏輯。所謂的“競(jìng)次”，即打到底線的競(jìng)爭(zhēng)。在濾波器“競(jìng)次”游戲中，比的不是誰(shuí)的指標(biāo)更優(yōu)秀，而是用高成本的產(chǎn)品降價(jià)競(jìng)爭(zhēng)低成本產(chǎn)品市場(chǎng)，不惜犧牲掉毛利。這樣帶來(lái)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(jià)格谷底賽跑”，而無(wú)暇無(wú)力“向技術(shù)高峰沖刺”，同時(shí)也無(wú)法遵循“掙錢(qián)”的基本商業(yè)邏輯，只能靠不斷的炒作期望用融資來(lái)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(chǎng)為目標(biāo)。國(guó)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(guó)內(nèi)的頭部手機(jī)廠商為保持自身競(jìng)爭(zhēng)力對(duì)濾波器的需求跟國(guó)際濾波器企業(yè)同步。這就導(dǎo)致國(guó)內(nèi)濾波器企業(yè)由于起點(diǎn)低，為了短期能獲取資本市場(chǎng)認(rèn)可選擇做低端產(chǎn)品。

但是最終的結(jié)果是跟國(guó)際企業(yè)的差距不斷拉大，有限的資源消耗在了已經(jīng)過(guò)時(shí)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(méi)有真正解決國(guó)產(chǎn)化的問(wèn)題，出現(xiàn)了“好聽(tīng)的故事越來(lái)越多，好用的產(chǎn)品越來(lái)越少”的行業(yè)怪象。

企業(yè)應(yīng)該對(duì)這個(gè)現(xiàn)象有更加清醒的認(rèn)識(shí)，要以實(shí)現(xiàn)真正的高水平國(guó)產(chǎn)替代和滿足頭部客戶的需求為牽引，以跟國(guó)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(jí)，然后不動(dòng)搖地做出有競(jìng)爭(zhēng)力的SAW產(chǎn)品，同時(shí)要以實(shí)現(xiàn)自己的合理利潤(rùn)為目標(biāo)，來(lái)保障自身長(zhǎng)期健康發(fā)展從而能夠持續(xù)研發(fā)投入。這個(gè)周期可能很長(zhǎng)，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(lái)自一位建議我寫(xiě)寫(xiě)濾波器的業(yè)內(nèi)大佬，“行路難，行路難，多歧路，今安在？中國(guó)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(lái)能達(dá)到的高度。務(wù)實(shí)、認(rèn)真和堅(jiān)持，將幫助我們長(zhǎng)風(fēng)破浪會(huì)有時(shí)，直掛云帆濟(jì)滄海”。以此致敬并結(jié)尾，感謝閱讀。

作者簡(jiǎn)介

朱晶，北京國(guó)際工程咨詢有限公司，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，兼任北京半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)。