射频器件概述和制造工艺

射频器件概述

射频器件是无线连接的核心，是实现信号发送和接收的基础零件，有着广泛的应用。

射频器件包括射频开关和LNA，射频PA，滤波器，天线Tuner和毫米波FEM等

其中滤波器占射频器件市场额约50%，射频PA占约30%，射频开关和LNA占约10%，其他占约10%。

可以看到，滤波器和PA是射频器件的重要部分，PA负责发射通道的信号放大，滤波器负责发射机接收信号的滤波。

目前，射频器件的主要市场如下：

手机和通讯模块市场，约占80%；

WIFI路由器市场，约占9%；

通讯基站市场，约占9%；

NB-IoT市场，约占2%。

如今随着5G技术的日趋成熟，商业化趋势正在加速。

5G需要支持新的频段和通信制式，作为无线连接的核心，射频前端中的滤波器、功率放大器、开关、天线、调谐器等核心器件成为当前市场的风口。

分析机构预测，到2023年射频前端市场规模有望突破352亿美元，年复合增长率达到14%。

快速增长的市场让行业看到了机会，新的射频公司在不断地涌现出来，国内射频厂商打造自主射频供应链就成为很多厂商的追求，但纵观现状，差距仍旧明显。

着眼国内市场，在本土射频厂商的合力下，2G射频器件替代率高达95%，3G替代率85%，4G替代率只有15%，而在5G射频领域替代率基本为零。

此外，射频器件各工艺制造和封测均可由国内厂商完成。

国内射频芯片产业链已经基本成熟，从设计到晶圆代工，再到封测，已经形成完整的产业链。

但是从国际竞争力来讲，国内的射频设计水平还处在中低端，上述射频器件厂商，销售额和市场占比与国际大厂相比仍存在较大差距。

可见，国内厂商依然在起步阶段，还有很大的成长空间。

反观国际射频产业市场布局，根据相关机构统计数据显示，在SAW滤波器中，全球80%的市场份额被村田（滤波器典型产品：SF2433D、SF2038C-1、SF2037C-1 等）、TDK（滤波器典型产品：DEA162690LT-5057C1、DEA165150HT-8025C2、DEA252593BT-2074A3 ）、TAIYO YUDEN（射频器件：D5DA737M5K2H2-Z、AH212M245001-T 等）等瓜分，在4G/5G中应用的BAW滤波器则被博通和Qorvo占据了95%的市场空间，PA芯片则超过全球90%的市场集中在Skyworks、Qorvo和博通手中。

在占据绝大部分市场之余，上述射频厂商基本完成了射频前端全产品线布局，拥有专用的制造和封装链条，以IDM模式巩固在设计能力、产品性能以及产能掌控的巨大优势。

同时，专利技术储备也让射频巨头有了更宽阔的护城河，使后来者短期内难以超越。

射频器件的挑战与创新

4G到5G的演进过程中，射频器件的复杂度逐渐提升qi，产品在设计、工艺、材料等方面都将发生递进式的变化。

同时，射频前端仍面临许多诸如功耗、尺寸、天线数量、芯片设计、温漂、信号干扰、不同类型信号和谐共存等技术端的难题。

如何解决这些问题，成为当下业界关注的焦点，也是射频器件的创新所在。

随着半导体材料的发展，Si、GaAs、GaN等射频材料，陶瓷、玻璃等封装基板材料更迭带来的功耗、效率、发热问题、尺寸等方面的改善之于射频器件的发展自然是重要的创新之处。

但在材料创新之外，射频器件还有哪些创新的途径？

制造工艺

目前，射频器件涉及的主要工艺为GaAs、SOI、CMOS、SiGe等。

GaAs：

GaAs的电子迁移速率较好，适合用于长距离、长通信时间的高频威廉希尔官方网站 。

GaAs元件因电子迁移速率比Si高很多，因此采用特殊的工艺，早期为MESFET金属半导体场效应晶体管，后面演变为HEMT（高速电子迁移率晶体管），pHEMT（介面应变式高电子迁移电晶体），目前为HBT（异质接面双载子晶体管）。

GaAs生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，GaAs需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4-6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多。

磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致GaAs成品IC成本比较高；

SOI：

SOI工艺的优势在于可集成逻辑与控制功能，不需要额外的控制芯片；

CMOS：

CMOS工艺的优势在于可以将射频、基频与存储器等组件合而为一的高整合度，并同时降低组件成本；

SiGe：

近年来，SiGe已成了最被重视的无线通信IC制程技术之一。

依材料特性来看，SiGe高频特性良好，材料安全性佳，导热性好，而且制程成熟、整合度高，具成本较低的优势。

SiGe既拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势，又具备第3到第5类半导体(如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)在速度方面的优点。

只要增加金属和介质叠层来降低寄生电容和电感，就可以采用SiGe半导体技术集成高质量无源部件。

SiGe工艺几乎能够与硅半导体超大规模集成威廉希尔官方网站 中的所有新工艺技术兼容，是未来的趋势。

不过SiGe要想取代砷化镓的地位还需要继续在击穿电压、截止频率、功率等方面继续努力。

射频PA采用的工艺分别是GaAs、SOI、CMOS和SiGe；

射频开关采用SOI、GaAs工艺；LTE LNA采用的工艺多为SOI、CMOS。

进入5G时代，Sub-6GHz和毫米波阶段各射频元器件的材料和技术可能会有所变化。

SOI有可能成为重要技术，具有制作多种元器件的潜力，同时后续有利于集成。

解决天线问题

以手机为例，由于5G技术的特殊要求，从智能手机系统架构上来看，5G需求更高的数据速率，需要更多的天线。

这些天线包括多频带载波聚合、4x4 MIMO与Wi-Fi MIMO。

从而带来了在天线调谐方面、放大器线性和功耗，还有其他系统干扰方面上的挑战。

同时，天线数量增多留给天线空间越来越小。

因此，射频厂商可以把GPS、WiFi、中频、高频和超高频等射频通道共用一个天线，可以达到减少天线数量，节省空间的目的。

现今毫米波天线主流成熟的方案为AiP（antenna-in-package）的模块化设计，AiP方案主要因其RFIC与毫米波天线阵列相距较近，而有低路损的优点，故AiP方案已被众多学者专家深入地进行研究、设计。

目前AiP封装天线技术正沿着两个技术路径发展。

一个称之为扇出型封装天线技术（FO-AiP），另外一个称之为覆晶型封装天线技术（FC-AiP）。

两者区别在于一个有基板（Substrate），一个没基板。

集成度

未来滤波器等射频器件将呈现向小型化、改进器件形式、组合式迈进的趋势。

就像十年前的4G，LTE连接建立在已有的3G技术之上一样；

早期的5G功能是通过添加独立的芯片组到现有的LTE设计中实现，这意味着5G组件基本上像是用螺栓外挂在智能手机设计上，而不是被融合进核心芯片组中，但对于芯片尺寸、性能和功耗都带来了一定影响。

例如单模5G调制解调器，5G射频收发器和单频段5G 射频前端，它们独立与现有的LTE 射频链路。

这种初代5G调制解调器设计还需要额外的支持部件。

因此，随着行业的成熟，提高射频器件集成度是必然的发展方向，业界将期待核心威廉希尔官方网站 设计的进一步优化。

一个高度集成和紧凑的射频架构用来在一个设备中同时支持Sub 6GHz和毫米波段5G将成为人们的期待。 

封装方式

5G时代，射频厂商愈加关注射频前端解决方案中的封装创新，如更紧密的元件布局、双面贴装、共形/划区屏蔽、高精度/高速SMT等。

5G频段分为毫米波和sub-6G，越高频段对于小型化封装的要求也就越高，通过新型封装形式去逐步实现器件封装的微型化、可量产、低成本、高精度、集成化。

为将天线元件与射频组件集成用于5G移动通信，市场上提出了不同架构的多种封装解决方案。基于成本和成熟的供应链，扇出型WLP/PLP封装得益于较高的信号性能、低损耗和缩小的外形尺寸，是一种很有前景的AiP集成解决方案，但它需要双面重布线层（RDL）。

除少数厂商，大部分OSAT尚未准备好利用该技术大规模制造。

在系统级封装（SiP）部分，分为芯片/晶圆级滤波器、开关和放大器等各种射频器件的一级封装以及在表面贴装（SMT）阶段进行的二级SiP封装，其中各种器件与无源器件一起组装在SiP基板上。

SiP提供了所需要的小尺寸、更短的信号路径和更低的损耗。

同时由于不断增加的功能对集成度有了更高要求，市场对SiP封装方法也提出了更多需求。

可见，关于射频器件封装的理想解决方案近年来有许多研究，致力于在成本、体积和性能需求之间谋求平衡，未来也将是射频器件的创新方式之一。

审核编辑：汤梓红