芯耀
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文︱朱晶
從2014年開始吹響“舉國大力發(fā)展集成電路產業(yè)”的號角，到2018年中興、華為事件帶動起來的集成電路國產替代熱潮，再到2021年全球“缺芯”引發(fā)的產業(yè)集體狂歡，集成電路行業(yè)被政策和資本推動著持續(xù)走在產品升級和產業(yè)高端化的道路上。
但隨著大部分集成電路產品的低端替代接近完成，產業(yè)支撐要素極大豐富，我們卻似乎進入到高端升級越行越難的怪圈，表現形式就是大家都承認難，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”領域，市場上仍然缺乏可與國外代表性公司可以相匹敵的產品。
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”產品的技術突破難題上剝絲抽繭，拂塵見金，從產業(yè)自身的瓶頸和困境入手，發(fā)現可以真正實現集成電路關鍵產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。目前國產濾波器產業(yè)的現狀可以總結為：
一是國內濾波器企業(yè)不少，但產業(yè)貢獻度可以忽略不計。據估算全球濾波器公司70%的數量都在中國，但對全球濾波器產業(yè)收入的貢獻還不及3%。
二是國內濾波器企業(yè)不強，無法與國內的終端品牌優(yōu)勢有效協同。絕大部分國內濾波器公司都在低端客戶群體中出貨，無法進入國內頭部終端客戶的主流供應鏈。而品牌終端客戶對國內濾波器公司的導入謹慎且緩慢，既有其自身供應鏈的考慮，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鍵指標，包括中心頻率、帶寬、帶內插損、帶內波紋、帶外抑制、收斂性等指標。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，還有隔離度指標。
在評價SAW濾波器時常說的Q值，是指品質因數。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,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的濾波器，也就是說Q值跟濾波器的矩形系數成正相關。Q值一般在產品規(guī)格書中并不體現，但這個指標直接和SAW濾波器的帶內插損，帶外抑制，特別是濾波器裙邊一些關鍵點的抑制強相關，幾乎可以被認為是濾波器的“靈魂指標”。
一般而言Q值越高，同樣設計情況下，濾波器裙邊越陡峭，等效的帶內插損越小，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)技術實力評價關鍵指標，也是決定不同類型濾波器（BAW、SAW、IHP-SAW、IPD、LTCC等）匹配細分市場的決定因素。
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一步提高，這些都對濾波器的設計和生產提出了更高的挑戰(zhàn)。
同時，5G引發(fā)射頻前端模組化趨勢，進一步增加其設計難度，需要綜合統(tǒng)籌考慮PA、濾波器、射頻開關、LNA等器件的特性，以及不同類型芯片的結合方式、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，已經成為智能手機的主流標配，進一步提高射頻前端企業(yè)進入中高端市場的門檻。
由此可見，射頻前端模組化已經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。據統(tǒng)計，近年來濾波器在射頻前端模組中產值占比從3G時代的33%提升到4G LTE時代的54%，預計到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70%以上的市場份額。
當前國產的PA、LNA、開關、天線等均已發(fā)展得較為成熟，唯獨小型化、可集成的高質量SAW濾波器資源，不僅成為射頻前端模組設計中的稀缺資源，同時也是國產射頻前端模組當前最為突出的短板所在。
三、SAW濾波器的技術難點
從濾波器研發(fā)的“材料-EDA工具-設計-前道制造-后道制造-測試”全流程看，實現高品質因子（Q值）、低帶內插損的優(yōu)質SAW濾波器，需要突破以下幾個技術難點：
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，通用EDA缺少真實工藝數據的反饋，則難以設計出高性能產品。
EDA決定了SAW濾波器設計的正確性和準確性。設計的正確性，就是EDA中各種模型，算法是不是對的，這是設計濾波器的最先解決的入門問題；設計準確性部分，就是工藝數據庫，EDA從工藝中獲取的數據，決定了設計出來的產品和做出來實際測試數據差距有多大，因此EDA需要與工藝強綁定。
對于SAW濾波器的設計，高質量EDA工具和仿真能力的作用占到了絕大部分，剩下一小部分是設計人員的設計經驗。假如沒有高質量EDA工具和工藝反饋的數據作為支撐，僅僅有設計經驗也難以“復刻”高水平的SAW產品。所以經?？吹接行﹣碜試H一線濾波器企業(yè)的設計人員，回國后再創(chuàng)業(yè)，卻經常陷入“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業(yè)鏈可以使用。國內并不存在達到高水準的前道制造和后道封測廠來支撐SAW濾波器設計公司。
從全球看，優(yōu)質的代工資源也是比較少，多數代工資源都處于技術需要繼續(xù)提升的技術積累階段，在進行大規(guī)模量產尤其是高端產品大規(guī)模量產中，容易出現一致性等問題。
三是量產能力。濾波器從設計制造再到穩(wěn)定量產是一個系統(tǒng)工程，有任何一個環(huán)節(jié)做不好，就很難達到滿意的產品指標。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)量產可能出現的各種問題，例如可靠性，良率，CPK等。
從SAW濾波器技術難點上能看出來，數據和模型（EDA）、設計、制造工藝這些關鍵要素是緊密結合同時又彼此影響的關系。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)難點和我國的現實困境
SAW濾波器眾多技術難點的“環(huán)環(huán)相扣”和“相互耦合”，衍生了實現高質量SAW濾波器的幾個商業(yè)難點。
一是由于濾波器關鍵環(huán)節(jié)之間的強耦合，高質量SAW濾波器的產業(yè)化必須依靠IDM模式來完成。IDM的本質在于實現研發(fā)生產全流程的無縫銜接和相互影響，例如EDA中包含了SAW工藝參數且設計充分考慮了工藝，工藝也很好地與EDA的數據進行了匹配，這恰好和高質量SAW濾波器的技術要求充分匹配。
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計和工藝的IDM模式，源于各技術要素的共享和配合只能通過IDM的封閉性和稀缺性來實現。而在我國，如果不用IDM模式來生產SAW，想要找到高水平的代工廠愿意把他們的工藝參數注入到設計企業(yè)的EDA中，并愿意和設計企業(yè)共享工藝參數且不斷迭代，也是一件非常困難的事情，需要兩家公司都在技術上達到一定水準并且足夠信任，雙方的技術一定程度的相互公開才能實現。
二是濾波器技術和產品及其對應的市場需求多層次共存，很容易產生“低端市場路徑依賴”，掉入了毛利為負的陷阱。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，技術難度不同，極限指標性能區(qū)間不同，對應的應用場景也不同。
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，更能適應嚴苛的使用環(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/物聯網場景，相比較而言，成本和價格都比較低。
由于濾波器的技術和市場需求的多層次共存，當遇到技術瓶頸的時候，很容易產生“低端市場路徑依賴”，即用高Q值的濾波器產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量帶來的降維打擊，將會導致的產品銷售價格和成本出現倒掛，恰恰是我國濾波器產業(yè)普遍出現負毛利的根本原因。
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，濾波器作為成熟產品，國際企業(yè)已經進行了定價，中國企業(yè)很難突破價格體系，在客戶預期國產產品銷售價格應低于國際品牌的前提下，無形中就為中國企業(yè)的產品性能和價格區(qū)間進行了框定。
而我國濾波器處于剛剛起步階段，成本和研發(fā)投入必定遠遠超出國際巨頭企業(yè)設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、低帶內插入損耗、高帶外抑制的產品并批量生產，也就無法實現商業(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和商業(yè)上的難點，我國SAW濾波器產業(yè)長期被低端鎖定。根據相關統(tǒng)計，當前全球SAW濾波器市場銷售額達到了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，國內擁有SAW濾波器業(yè)務的企業(yè)接近20家，但在SAW濾波器產品上的總收入不超過10億，國產化率長期低于5%，而高質量SAW濾波器的國產率接近于0。
五、我國SAW濾波器產業(yè)正確發(fā)展路徑
那么什么是SAW濾波器產業(yè)正確的發(fā)展路徑？
一是充分尊重SAW濾波器自身產業(yè)特點，堅持“IDM模式”來實現高水平SAW濾波器產品。SAW濾波器產業(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、工藝參數等細微變化都會極大影響產品性能。加之供應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到設計、工藝及封裝互通互融的IDM，最大化的保證最優(yōu)設計結果，具備器件設計、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，才有可能實現高質量的國產SAW濾波器產品。
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，比的不是誰的指標更優(yōu)秀，而是用高成本的產品降價競爭低成本產品市場，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品標準“向價格谷底賽跑”，而無暇無力“向技術高峰沖刺”，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”，以提升自身技術能力為目標，而不是迎合資本市場為目標。國際企業(yè)一直在持續(xù)提升濾波器技術和產品性能，而國內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。這就導致國內濾波器企業(yè)由于起點低，為了短期能獲取資本市場認可選擇做低端產品。
但是最終的結果是跟國際企業(yè)的差距不斷拉大，有限的資源消耗在了已經過時的產品或者低端應用的產品上。這就解釋了為什么近幾年大量資本涌入濾波器領域，卻沒有真正解決國產化的問題，出現了“好聽的故事越來越多，好用的產品越來越少”的行業(yè)怪象。
企業(yè)應該對這個現象有更加清醒的認識，要以實現真正的高水平國產替代和滿足頭部客戶的需求為牽引，以跟國際企業(yè)的最新產品不能太多的代差為目標，在自主EDA、工藝和量產能力上不斷升級，然后不動搖地做出有競爭力的SAW產品，同時要以實現自己的合理利潤為目標，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”，不要輕易在技術和產品上降低標準。
以下這段話來自一位建議我寫寫濾波器的業(yè)內大佬，“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暴雨。我們今天的選擇，將決定我們未來能達到的高度。務實、認真和堅持，將幫助我們長風破浪會有時，直掛云帆濟滄海”。以此致敬并結尾，感謝閱讀。
作者簡介
朱晶，北京國際工程咨詢有限公司，高級經濟師，兼任北京半導體行業(yè)協會副秘書長。
