【芯观点】5G射频芯片,“卡脖子”的绞索正被斩断

 

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集微网消息,日前,上市公司富满微在投资者互动平台回复提问时表示,公司5G射频芯片已经开始批量供货,主要客户包括国内主流手机及ODM厂商,其5G射频芯片(含滤波器)完全基于自主开发,具有完整的自主知识产权,该公司特别强调,其滤波器定位中高端,模组内滤波器可以支持到5G NR频段,且公司一直致力于新产品研发,也努力在为国产芯片替代尽职尽责。

消息一出,富满微5个交易日最大涨幅已达到约30%,在近期大盘走势衬托下,显得异常“惹眼”。

富满微的强势表现,源于资本市场乃至普通公众对5G射频芯片国产替代的迫切期待。

BAW滤波器“正面突围”

除了富满微之外,本月证监会准予科创板IPO注册的唯捷创芯,同样已切入手机5G射频芯片市场,并已实现向主流手机及ODM厂商批量供货,连同已进入上市辅导阶段的慧智微等企业,国内5G射频芯片在技术、商业与资本市场上的突破,似乎已呼之欲出。

5G射频芯片解下“卡脖子”的绞索,离不开其核心部件-滤波器的突围。

滤波器是5G射频前端的核心部件之一,从价值链上也不难看到这一点,据统计,在目前全球150亿美元左右的射频器件市场中,滤波器就占据81亿美元的体量。

目前,中高端滤波器主要可分为声表面波(SAW)与体波(BAW)两种技术路线,SAW滤波器市场主要由日本村田统治,BAW滤波器市场则由博通、Skyworks、Qorvo、高通等美国企业所垄断,中国企业占比微乎其微。

上述滤波器产业格局,除了欧美企业凭借先发优势构造的专利和商务壁垒等原因,很大程度上还源于滤波器微机电器件在结构设计、工艺参数、衬底/薄膜材料等各个环节的技术壁垒,后来者需要突破宽槽牺牲层材料平坦化、超薄片减薄抛光、高精度/高取向度和高均匀性压电薄膜制备等多种MEMS特殊制造技术,掌握有关压电薄膜膜层结构、厚度及应力、掺杂元素及比例等一系列专有工艺参数,否则难以实现大规模量产,或产品批次一致性难以达标。

需要强调的是,由于BAW滤波器具有频率高带宽大、插入损耗小、带外衰减大等优点,同时对温度变化不敏感,因而在5G高频频段应用中有明显优势,5G射频芯片的国产替代,BAW滤波器也顺理成章成为突围“主战场”。

武汉敏声,这家据称已得到H打头电子巨头1300万研发经费资助的MEMS企业,是这场突围的典型样本:

在工艺技术上,2021年8月,武汉敏声全球最大MEMS代工厂Silex母公司-北京赛微电子股份有限公司达成合作协议,在后者北京Fab3工厂共同投入工艺装备,分工合作,建立国内领先的8英寸射频滤波器生产线,并预计到2022年底,北京产线将实现通线并达到约2000片/月产能。

在器件设计上,根据机构调研所获得的信息,敏声已掌握一百多件技术专利,可绕过博通专利壁垒,在5G频段BAW的主流构型-FBAR上,“技术与AVAGO(博通)相当”。

在材料创新上,武汉敏声近日宣布,已在国内率先打通高钪掺杂氮化铝全流程工艺,堪称突破了BAW滤波器最大难点。

高频BAW滤波器依赖的核心材料,是掺杂稀土元素钪的氮化铝薄膜,即铝钪氮(AlScN)材料,但低钪掺杂相关技术被美国企业所垄断,加之其可被应用于高性能军用滤波器,因此美国对该材料出口实施了长达十多年的封锁,国内发展十分滞后,某种程度上可以说,氮化铝材料体系,是美国能够在高端5G射频芯片上“卡脖子”的最关键一环。

事实上,敏声的突破并非孤军奋战,根据集微网了解,随着国内产学研各类机构的共同努力,我国氮化铝材料体系现已取得整体性突破。

稍早前的2021年,初创企业奥趋光电就已向市场推出了自主研发的蓝宝石基铝钪氮薄膜模板产品,公司创始人吴亮介绍称,正在与中国几家技术领先的下游企业进行合作,计划逐步实现高性能的5G FBAR/BAW/SAW滤波器制造。

在日前举办的一次MEMS创新发展与应用研讨会上,吴亮进一步分享了该公司在氮化铝与铝钪氮(AlScN)材料制备上的突破,据吴亮介绍,其公司已成功开发出全球最大直径的60mm氮化铝单晶晶圆并实现小批量量产,同时实现了2英寸/4英寸/6英寸氮化铝/铝钪氮薄膜模板大批量制备,该公司氮化铝晶圆实现国产化后,大幅降低了国内下游滤波器器件与方案商的研发成本。

掺入稀土元素钪的铝钪氮材料,可以大幅改善氮化铝品质因子、耦合因子等压电性能,不过钪的沉积掺杂,特别是高钪浓度掺杂工艺目前仍未成熟,钪的含量提高后,薄膜生长过程中容易出现从纤锌矿结构到立方晶系盐石结构的相变,薄膜晶相的稳定性难以控制。

在这一领域,奥趋已走在了全球前沿,吴亮称,高通与德国高校合作试制的铝钪氮薄膜,材料性能还不及奥趋已经发布的蓝宝石基与硅基铝钪氮产品。

除了薄膜外,吴亮还提及该公司氮化铝衬底材料目前正在打通4英寸晶圆制备工艺,一旦实现,将意味着其得以利用更大的供应链生态,将氮化铝材料成本向碳化硅同等水平推进,从而切入蓬勃兴起的功率半导体市场,进一步挖掘氮化铝这一被誉为超级半导体、第四代半导体的新型化合物潜力。

不过吴亮也坦言,尽管制备工艺取得突破,但仿真与设计工具、生产机具设备,仍然相当程度上依赖于海外供应商,国内产业生态依然单薄,国产替代任重而道远,例如目前氧化铝压电薄膜薄膜沉积是MEMS器件制造过程中的一个重要环节,而薄膜沉积设备具有较高的技术门槛,目前薄膜沉积设备仍以海外进口设备为主,例如氮化铝压电薄膜沉积与修膜设备,就被美国AMS公司所主导。

更上游设备与工具的国产替代,无疑是下一阶段国内厂商的艰巨任务。

SAW滤波器“奇兵突进”

在5G时代似乎被BAW夺去光芒的SAW滤波器,其实依然占据滤波器出货量与货值的过半市场。

频率更低的SAW滤波器,乍一看技术难度不如BAW路线,但由于相关频段更为拥挤,在系统级集成设计能力有更高要求,与此同时,行业巨头村田,在该领域的专利壁垒,也远较多寡头格局下的BAW更为严密。

目前,大部分进入滤波器业务的国内企业,都选择了SAW领域作为突破口,在中低端产品上发挥国产替代的价值,不过中低端市场企业定价能力的天然劣势,为相关企业向上突破带来了制约。

一方面,低端SAW滤波器的价格战,使企业难以提高毛利,拉长了早期投资的回收期;另一方面,上游核心材料-钽酸锂(LT)、铌酸锂(LN)晶体压电衬底,却牢牢把持在住友化学、信越化学等日本企业手中,中国滤波器厂商辛苦打拼的利润,却通过高价衬底基片回流到日本企业。

国内尽管已有院所和企业初步掌握了LNLT晶体的黑化还原等高端技术,但质量、产量与成本,依然无法与日本企业抗衡,往往仅在IDM企业内部消化,难以形成撬动上游产业格局的有效杠杆。

面对5G乃至6G潮流,以及来自中国企业的低端产品竞争,行业领袖村田的选择,是在高端SAW滤波器技术上发力。

传统SAW滤波器很难做到1.8GHz以上频率,而村田的IHP-SAW技术,可以实现2.5-3GHz乃至更高的频率性能。

目前,也有国内机构正在跟进村田的动作,从不同切入点挖掘表面波SAW技术路线的潜力。

(FBAR不规则多边形的布局特点,以保证横波反射次数减少,提高谐振器品质因子)

西南科技大学微系统中心高杨团队,就在梳理了村田IHP-SAW的技术演进特点后,大胆采用氮化铝基新型导波层压电材料体系及异质声学层(HAL)结构衬底的最新成果,利用铝钪氮材料试制的HAL结构谐振器,在未经优化的情况下已与村田公开的数据看齐。

高杨还曾进一步展望称,IHP-SAW带动的HAL结构风潮和氮化铝材料体系,或将动摇信越化学等厂商在传统SAW所需的钽酸锂、铌酸锂等单晶基板领域垄断地位,基于氮化铝晶圆的HAL结构器件,将深刻变革SAW产业生态。

值得一提的是,高杨团队还与昂瑞微(汉天下)共同组建了智能微系统联合实验室,打通了研究成果快速产业化的通道,后者同样是国内5G射频芯片赛道的活跃玩家,获得华为与小米两大厂商入股,其产品已在荣耀50手机上得到应用。

中科院上海微系统所欧欣研究员团队,则利用“万能离子刀”剥离与键合转移技术,突破晶格失配等问题,将亚微米厚度的单晶铌酸锂薄膜从铌酸锂晶圆剥离并转移到高声速、高导热的碳化硅(SiC)晶圆,首次制备了4英寸Ln/SiC压电异质衬底,可实现更有效的声波能量和电场能量约束、提高器件散热、降低器件热膨胀,从而显著提高射频声波器件性能与设计自由度。基于该衬底制备的高频器件,突破了传统SAW器件的频率限制。有望应用于5G N77和N79频段。

在SAW战场上,国内产学研机构“奇兵”,已经摸索到了向5G乃至6G突破的曙光。

结语

从去年上市的华为旗舰手机P50,到今年的P50 Pocket,缺乏5G网络接入能力,无疑是消费者感知最为明显的缺憾。

在去年高通获得许可,向华为发送“特供版”骁龙888 4G芯片时,英国《金融时报》就援引业内人士的爆料称,确保提供的产品不与华为5G业务有牵连,是美方放行商业合作的前提。

正因如此,被海外企业所垄断的手机5G射频前端模组芯片,已成为华为手机业务王者归来的主要技术瓶颈之一。

谁能解决5G射频芯片国产替代?

尽管这个问题的答案尚未揭晓,但已经涌现出越来越多、实力越来越强悍的解答者身影。

5G滤波器的突围,只是一个时间问题。

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