射频滤波器行业研究报告.docx

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射频滤波器行业研究报告

2020年射频滤波器行业研究报告

1、射频滤波器：

射频前端中价值量最大的细分领域

1.1射频滤波器的产品类别 

手机终端的通信模块主要由天线、射频前端模块、射频收发模块、基带信号处理等组成。

射频前端介于天线和射频收发模块之间，是移动智能终端产品的重要组成部分。

射频前端器件主要包括滤波器（Filters）、低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、射频开关（RFSwitch）、天线调谐开关（RFAntennaSwitch）、双工器（duplexer）等。

其中滤波器的功能是通过电容、电感、电阻等电学元件组合来将特定频率外的信号滤除，保留特定频段内的信号。

5G驱动下，射频前端市场到2023年超过2400亿元。

根据Yole数据，2017年全球射频前端市场规模约为150亿美金，预计到2023年射频前端产值将达到350亿美金（折合2434亿元）。

其中，射频滤波器市场规模达225亿美金（折合1565亿元），PA市场规模达70亿美金，射频开关市场达30亿美金，射频Tuner市场达10亿美金，LNA市场达6亿美金，毫米波射频模组市场达4.2亿美金。

1.2射频滤波器是射频领域最大的子行业 

滤波器是射频前端各领域产值占比最高的产品，据Resonant数据，2020年滤波器占射频前端市场份额将达50%以上。

从射频前端使用滤波器的价值量来看，伴随着频段的增多，滤波器在射频前端价值量占比在扩大。

根据Qorvo的预测，滤波器在射频器件中的重要性越来越明显，滤波器的价值占比也从3G终端的33%提升到全网通LTE终端的57%。

据中国产业信息网预测，到5G时代，滤波器的应用量将进一步增加（特别是体声波滤波器），单台手机的滤波器价值将达到10美元以上。

滤波器已经超越PA成为整个射频前端模块市场中最重要的组成部分。

另据Resonant数据，射频前端2020年市场规模约为220亿美元（折合1530亿元），滤波器市场规模约为150亿美元（折合1043亿元）。

到2025年，射频前端市场规模将达到400亿美元，滤波器市场规模将达到280亿美元。

2.射频滤波器的主要技术路线

2.1射频滤波器产品分为表声波、体声波两大技术方向 

射频滤波器可分为表声波滤波器和体声波滤波器，其中表声波滤波器细分为Saw滤波器、TC-Saw、I.H.P-Saw（IncredibleHighPerformanceSaw）等。

体声波滤波器细分为Baw、FBAR、XBAR滤波器等。

体声波滤波器适用频率显著高于表声波滤波器，其中，XBAR产品最高适用频率可达8GHz。

而由Murata率先推出的IHP-Saw滤波器最高适用频率达3.5GHz，可与常规Baw滤波器高频性能相当。

2.2三类主流射频滤波器：

Saw、Baw-SMR、Fbar

2.2.1声表面波滤波器（SawFilter）

Saw是一种沿着固体表面传播的声波，一个基本的Saw滤波器是由压电材料和两个IDT（interdigitaltransducer）组成。

IDT核心作用在能量转换，在输出端把接收的声波转变成电信号，在输入端把接收的电信号转变成声波。

这种转变主要依赖中间的压电材料，压电材料的晶体受到外界压力时会发生形变，晶体内原子间距离发生变化，打破原来的正负电荷平衡，晶体表面产生电压，相反当晶体两端受到电压时，晶体也会发生形变。

Saw滤波器常用的压电材料有LiTaO3，LiNbO3，SiO2。

当Saw滤波器工作时，输入端IDT接收电压信号使压电材料产生机械压力并以声波形式沿着表面传播，而垂直方向上的声波幅度快速衰落，输出端IDT接收水平方向的声波，并转换为电信号。

叉指换能器（IDT）由输入及输出埠的IDT电极组成。

当在输出埠外加电压时，输入端的IDT电极会产生逆压电效应，将电压讯号转换为声能讯号，激发表面声波，并在压电基板上传播。

当表面声波传至输出埠的IDT电极时，输出端的IDT电极会产生正压电效应，将接收之声波还原为电压信号。

Saw的频率基本可以参考公式：

F=V/λ，其中V是Saw的速率，大约为3100m/s，λ是IDT电极间距。

从公式可以看出Saw滤波器的频率与IDT电极间距成反比，频率越高，IDT电极间距越小。

在IDT小间距下，电流密度太大会导致电子迁移和发热问题，所以Saw滤波器不太适合2.5GHz以上的频率。

Saw滤波器对温度变化也敏感，性能随温度升高而变差，温度升高时，基片材料的刚度变小，声波速度变小。

温度补偿滤波器（TC-SawFilter）就是为了改善滤波器的温度性能，在IDT上增加保护涂层改善其温度特性，使其在温度升高时，刚度增加，改善温度特性的同时也会使得滤波器成本上升。

2.2.2体声波滤波器（Baw-SMRFilter） 

与Saw滤波器不同，声波在Baw滤波器中是垂直传播的。

Baw滤波器采用石英晶体作为基板，基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜，压电薄膜在2GHz下的厚度只有2um，声波在压电层内震荡形成驻波，发生共振的频率由平板的厚度和电极的质量决定。

为把声波留在压电层内震荡，震荡结构与外界环境必须有足够的隔离才能得到较小的插入损耗和较高的Q值。

为防止声波进入基板层，在震荡结构下方增加布拉格反射层（Braggreflector），把声波反射到压电层里面，这就是Baw-SMR（固体安装谐振器Baw）。

借助Baw技术，可以开发出异常陡峭过滤裙边的窄带滤波器。

Baw滤波器的尺寸也随着频率的增加而缩小，对温度变化也不敏感，非常适合在高频（频率大于1.5GHz）下运用。

Baw滤波器可以处理高达6GHz的频率，并可用于1.9GHz以上的许多新的LTE频段。

Baw滤波器的工艺比Saw/TC-Saw复杂，价格也更昂贵。

2.2.3薄膜腔体谐振滤波器（Fbar） 

Fbar与之前的滤波器不同，采用硅底板，借助MEMS技术和薄膜技术制造而来，包含硅反面刻蚀型（Membranetype）和空气隙型（Airgaptype）。

（1）硅反面刻蚀型，这种Fbar是基于MEMS的体硅（Si）微加工技术，将Si片反面刻蚀，在压电震荡堆的下表面形成空气—金属交界面从而限制声波于压电震荡堆之内。

此技术的缺点是由于大面积移除Si衬底，导致机械牢度降低。

（2）空气隙型，这种Fbar是基于MEMS的表面微加工技术，在硅片的上表面形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。

通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法制备空气腔以形成空气—金属交界面。

Fbar滤波器与Saw滤波器相比，具备高Q值，工作频率可高达10GHz，温度特性好，插入损耗小，高功率容量等优点。

Fbar是目前唯一可以与RFIC和MMIC集成的射频滤波器解决方案，且能以更低的价格提供更佳的性能，具有非常强的市场竞争力。

2.3Baw与Saw的比较 

目前滤波器技术包括Saw滤波器及Baw滤波器两大技术方向。

其中Saw滤波器包括普通Saw、TC-Saw、IHPSaw滤波器；Baw滤波器包括普通Baw滤波器、Fbar滤波器、XBAR滤波器。

Saw滤波器是当前消费电子产品大规模使用的滤波器元件，其成本和复杂程度较低，主要适用于低频段通讯。

而Baw滤波器价格稍高，主要应用于高频段通讯。

比起Saw滤波器，Baw滤波器因其较高的工作频率和功率容量优势而得到广泛认可。

其中，Saw滤波器较多应用在4G领域。

而在5G时代，单晶及多晶Baw滤波器受到广泛应用。

Baw滤波器的低功耗，高隔离度和CMOS兼容性使其成为射频通信领域的要器件。

总体而言，Baw滤波器的成本高于Saw滤波器，而温度敏感性、插入损耗特性以及频段和宽带表现方面，Baw滤波器性能则显著优于Saw滤波器。

为解决温度漂移问题，TC-Saw可实现以较低的成本达到较高的温度稳定性，也被广泛应用于4G设备中。

在5G时代，收到频率因素影响，Baw滤波器将更多地被应用于终端设备中。

目前，Saw滤波器主要应用场景为低频率频段，Baw滤波器则主要应用于高频率频段。

美国、欧洲目前对于高频率频段的应用更为频繁。

比起Saw滤波器，Baw滤波器因其较高的工作频率和功率容量优势而得到广泛认可。

各种滤波器技术可使用在军事、汽车等领域，其中，Saw滤波器较多应用在4G领域。

而在5G时代，单晶及多晶Baw滤波器受到广泛应用。

Baw滤波器的低功耗，高隔离度和CMOS兼容性使其成为RF通信领域的主要器件。

3.产业趋势一：

高频化带来的技术变革

3.1Saw滤波器经历了普通Saw、TC-Saw、TF-Saw三个技术世代 

不同种类的Saw滤波器晶模面积有所不同。

TF-Saw滤波器晶模面积较低，TC-Saw滤波器晶模面积中等，而Saw滤波器的晶模面积较高。

而TF-Saw滤波器晶模成本较高，TC-Saw和Saw滤波器晶模成本更低。

3.2宽频带滤波应用以LTCC方案为主 

LTCC（低温共烧陶瓷）滤波器可以满足更高频率和更宽带宽的5GNR应用需求。

LTCC滤波器的显著优点是尺寸小、性能优良、可靠性高、成本低，缺点是Q值低，非常适合更宽带宽和更高频率的应用。

5G的发展伴随着更多更高的频段，同时也有更大带宽的需求，Saw和Baw滤波器已不能很好的满足5G对高频高带宽的需求，恰好LTCC滤波器具备相当宽松的裙边特性，可满足5Gsub-6GHz中的频段n77、n78对宽带宽要求。

且与Saw滤波器相比，LTCC具备更高的功率处理能力，正好满足5Gsub-6标准中HPUE的要求。

随着5G更大带宽的需求，在一定条件下需要使用适合大带宽的LTCC滤波器，5G发展的同时为LTCC滤波器带来发展机遇。

3.35G时代，Baw滤波器渗透率不断攀升 

Saw滤波器适用于低频段，Baw滤波器适用于高频段，2G/3G/4G时代，Saw滤波器凭借较低成本优势主导射频滤波器市场，占据射频滤波器市场大部分的市场份额。

近些年来，通信技术的不断发展带动频带从低频向高频发展，在高频具有性能优势的Baw滤波器逐渐兴起，市场份额不断攀升。

根据Yole预测数据显示，2015年，Baw（包括SMR和Fbar）滤波器的市场渗透率为30%，2019年Baw滤波器市场渗透率将达到44%。

5G时代来临，5G手机出货量和市场渗透率的提升将带动Baw滤波器市场渗透率的继续上升，Yole预测到2022年，Baw滤波器将占据射频滤波器市场61%的市场份额，成为滤波器市场的主流。

据Akoustis公司预测，2019年到2020年Fbar收入将由24.60亿美元增长至28.12亿美元，而Baw滤波器收入将从8.20亿美元增长至9.96亿美元。

3.4市场占比：

Baw升高，Saw下降 

5G典型候选频段主要包括6GHz、15GHz、18GHz、28GHz、38GHz、45GHz、60GHz和72GHz等，频段越高，信道传播路损越大。

高频通信，意味着Baw滤波器需求量将快速提升。

在高频通信领域，Baw被更加多的厂商所接受。

Baw滤波器内部的由两个金属电极夹着压电薄膜形成，声波在压电薄膜中垂直传播，形成大于2.5Ghz的驻波。

Baw滤波器可实现高频段、低插入损耗和高Q值，是高性能射频系统的首选。

目前某些手机中同时拥有2G、3G、4G、WIFI、蓝牙等通信制式，则可为了降低整体成本部分选择Saw滤波器，但在高频通信，尤其是未来5G要求的3Ghz以上的频谱时，则必须采用Baw滤波器。

目前市场上Saw和TC-Saw的使用率还较高，其中，TC-SawBonded在2016年开始广泛应用，而TC-SawMulti-Layer则在2017年开始投入应用。

据智研咨询预测，2020年中国Saw滤波器产量仅为8亿元，而需求达到162亿元。

产量不及需求量的10%。

3.5WIFI与LTE共存的频段以Baw滤波器方案为主 

世界各地区对高频段滤波器的需求也不断上升，据TriQuint统计，北美、欧洲和日本市场对于TC-Saw和Baw滤波器的需求量均较大，需求频段多样。

中国也在逐步提升其Baw滤波器频段的需求。

其中，全球各市场均对WIFI与LTE共存滤波器有一定需求。

例如Band7、Band38、Band40、Band41等频段中，WIFI网络与LTE网络的频段相近，为了隔离两者之间的干扰，往往需要使用高性能Baw滤波器。

以Qorvo为例，Baw滤波器的资本效益不断提升。

随着技术革新，滤波器尺寸不断减小，预计资金投入与产出比将在2020年降至50%左右。

Qorvo预测，Baw技术发展路径将以尺寸及频率为重点。

目前，Baw已从2017年的6至8寸晶圆缩小至Micro-Baw级别，实现微小化和高频化的技术更新，未来还将推出栈式谐振器等技术。

3.6高端滤波器逐渐使用WLP封装替代CSP封装形式 

技术变化作为一个先行指标，能跟上技术变化的厂商有可能在下一轮新需求启动的时候率先抢占市场份额。

滤波器厂商目前已纷纷根据EPCOS的封装技术改进推出CSP封装技术，其体积小、重量轻，输出输入端口数增多，电性能也更好。

但随着Saw器件向高频、小型化方向发展，尺寸更小的晶圆级封装技术（WLP）开始出现。

采用WLP封装技术的Saw滤波器尺寸最小为0.8×0.6×0.3立方毫米，双工器尺寸最小为1.8×1.2×0.3立方毫米。

单频器件WLP级封装面积为CSP级封装面积的50%，双工器尺寸相同。

WLP封装工艺比CSP更为先进，采用3D光刻工艺，国外仅有日本TDK-EPCOS在2011年开始量产。

晶圆级封装直接在晶圆上进行大多数或是全部的封装测试程序，之后再进行切割（singulation）制成单颗组件，封装尺寸几乎与芯片相同，具备可靠性高、电磁兼容性好等优点。

WLP封装兼具较小封装尺寸与较佳电性表现的优势，目前多用于低脚数消费性IC的封装应用。

4.产业趋势二：

5G时代，射频滤波器价值量大幅扩张

4.15G各类新增应用放量时间节奏 

5G时代，射频前端技术的低频应用场景包括农业、实时翻译等，高频应用场景包括无人驾驶、云计算等，不同数据传输速度下，应用场景也有较大区别。

在这样丰富的应用场景下，射频前端价值将大大增加。

4.2香农定律指引无线通信技术演进方向 

5G技术实现信息传送速率的进一步加快。

提到信息传送速率，自然离不开香农定理：

C=（M/N）*BW*log2（1+SINR）。

其中，C为最大信息传送速率，BW为带宽，SINR为信噪比，M为传输和接收的天线数量，1/N为基站网络的密度。

5G的核心技术就是通过增加基站密度、采用MIMO和载波聚合技术、提高带宽、高阶调制以提高频率效率来提高M/N、BW、SINR，进而提高最大信息传送速率。

受益于5G手机换机潮，射频滤波器需求量即将迎来新一轮增长。

近年来，全球智能手机总出货量趋于平稳，但出货结构有所变化。

2010年4G商用开始，2011至2014年，4G手机出货量CAGR达200%。

2020年5G商用开始，预计5G手机出货量迎来高速增长。

AirStandard预测，到2025年5GSub-6GHz手机出货量将达5.42亿部，年复合增长率达69%，mmWave5G手机出货量将达7900万部，年复合增长率达64%，5G手机的市场渗透率不断攀升，到2025年，5G手机市场渗透率达28.99%。

5G智能手机的单机所需射频滤波器的数量高于非5G手机，5G手机市场渗透率的不断攀升将加速射频滤波器市场需求的增长。

4.35G频段大幅增加 

5G通信技术发展带来频段增加。

5G网络的部署采用的频段有两种：

FR1和FR2。

FR1是低频段Sub-6GHz，频率范围是450MHz-6GHz，特征是传输距离远、覆盖面积大；FR2是高频段，也就是毫米波，频率范围是24.25GHz-52.60GHz，特点是传输速度快，容量大，但覆盖面积有限。

5GNR除了覆盖部分LTE频段外，同时还新增了N77、N78、N79、N257、N258、N260、N261频段。

Qorvo预测，在2020年，随着5G发展，射频PCB尺寸将大幅减小35%，RF通路数量上升至300以上，带通滤波器需求数量也较4G、LTE时代大大增长。

与此同时，传输信号最大带宽将达100MHz。

据Yole预测，在2022年，应用于5G产品的射频前端器件价值将达51.4亿美元，而应用于2G、3G、4G以及LTE的射频前端器件价值保持原有水平，射频前端整体价值稳步上涨。

4.4单部手机射频价值量变化 

随着5G的到来，更多频段和技术带来了相应射频前端单机价值量增长迅速，作为射频前端最大业务板块，未来滤波器价值量迅速扩张。

据Yole预测，2020年单台高端4G手机的射频前端芯片价值量高达16.35美金，而Sub-6Ghz5G手机和mmWave5G手机价值则为32美元和38.5美金。

5G智能手机单机射频前端价值量相比非5G手机高得多。

5G时代的到来，智能手机需要接收更多频段的射频信号，为保证手机的性能，单机射频前端价值量也不断上升。

据Yole预测，5G低频段智能手机射频芯片价值量达32美元，毫米波手机单机射频芯片价值达38.5美元，而高端4G智能手机单机射频芯片价值量才16.35美元，5G模式下射频前端芯片的价值量相对于5G模式下的射频前端芯片增长了大约一倍。

而Skyworks则预测，5G手机射频前端价值量为25美元，远高于18美元的4G手机射频前端价值量。

其中，5G手机滤波器数量将从4G手机中的40颗上升至70颗。

3G、4G手机射频价值量构成中，滤波器也占到了较大比重。

在全国漫游LTE设备中，总滤波器价值量达7.15美元，高于PA、开关价值量，也比典型3G手机中射频滤波器总价值量高出数倍。

4.5手机的主要频段及滤波器ASP 

随着从4G到5G的发展和技术的进步，射频元件在手机中占用的比重越来越高，Saw滤波器的在手机产品上的应用的市场前景一片光明。

目前国内手机产品主要采用Saw滤波器，1814双工器，1411-1109的单滤波器，1814-1511的二合一滤波器都是市场上主流的封装。

其中双工器主要朝1612封装尺寸发展，主流的单滤波器的尺寸是1411-1109。

以MTK手机为例，单个手机中射频前端芯片MT6177中的滤波器用量大约为30至40只。

未来5G要实现全球通需支持90多个频段，意味着需要用到的滤波器多达上百个。

单个芯片用料及其价值如下表所示，预估以MTK手机射频前端芯片MT6177的价值约在5.7美元至12.8美元不等。

未来，5G进步要求滤波器更小型化，以便单台手机中搭载更多滤波器，滤波器单机价值也将显著提升。

5.产业趋势三：

射频模组化

射频前端正朝着集成化、模组化方向发展。

受5G核心技术特征影响，手机内部射频器件数量不断提升，频段的增加和载波聚合的应用，分离式射频器件已经无法满足要求，为满足智能移动终端的消费需求，射频器件模组化发展已成趋势。

射频模组化可以带来一下优势：

（1）解决多频段带来的射频复杂性挑战；

（2）缩小射频元件的体积；（3）提供全球载波聚合模块化平台等。

SIP（系统级封装）广泛应用于手机射频前端集成模组化发展。

SIP是将多种功能的芯片集中封装到一个系统内，得出具备一定功能得单个封装标准件。

SIP技术可以将10~15个射频器件（开关、滤波器、PA、LNA等）封装在一起。

射频模组化方向发展已成趋势，未来射频模组市场规模稳步上升。

根据Yole统计与预测，2018年射频模组市场规模达105亿美元，约占射频前端市场总量的70%，到2025年，射频模组市场的规模将达177亿美元，年复合增长率为8%。

2018年分立器件市场规模为45亿美元，占射频前端市场容量的30%，预计到2025年分立器件市场规模将达81亿美元。

5.1射频模组的主要集成方案 

5G推动射频前端模组得集成度越来越高，未来AIP（封装天线）有望成为主流形式。

4G通讯模组分为天线、射频前端、收发器和数据机等四个主要的SIP模组。

5GSub6GHz预计继续延用4G时代结构模组，射频模组也将走向高度整合，射频前端模块将由分立器件，转向更高度整合模组型的FEMID和PAMID形式。

5G毫米波的短波长的特性，使得天线面积形状得以大幅缩小，加上要处理高频讯号损失、讯号干扰屏蔽不连续性、应力、散热、电磁干扰、小型化、模组化等问题，如何缩短天线信号接收至晶片信号处理间路径成为关键，因此，将射频处理晶片、天线、与各射频元件以先进封装方式整合到同一载板上成为解决方案。

AIP封装形式将成为5G射频模组的重要发展趋势。

中国射频模组化的两种类别。

左图为PAMiD模组示意图，即双工器中的功率放大器模组，主要供应商包括Broadcom、Skyworks以及Qorvo。

右图为射频前端模组FEMiD，主要供应商包括Murata、RF360以及Wisol。

PAMiD属于高集成度产品，主要集成了多模多频的PA、RF开关以及滤波器等，FEMiD属于中度集成产品，主要集成了开关和滤波器等。

5.2射频模组化有利于减小射频模块面积 

当前支持多模式多波段（MMMB）的LTE智能手机有包含收发器和天线的非常复杂的前端。

对于智能手机公司来说，在小型的智能手机里分散地生产和安装许多滤波器、双工器、开关、PAs、匹配电路等都相当困难。

一些供应商都开始生产了前端模块（FEMs）。

目前，＜1毫米厚的多芯片模组（MCM）FEMs包括：

前端模组（开关+双工/滤波器）、内置PA模组（开关+PAs+双工/滤波器）、分集模组（开关+LNAs+滤波器）、WIFI/BT/FM模组（部分内置晶体）、GPS模组（部分内置LNA、滤波器、TCXO）。

为了支持这些模组的变化，Saw/Baw滤波器/双工器封装也向到芯片级封装（CSP）、晶片级芯片级封装（WLCSP）和晶片级封装（WLP）发展了。

5.3从Qorvo看射频模组化趋势 

Qorvo公司今年积极推进射频产品模组化。

下图为Qorvo的PAMiD模块中配备的Baw滤波器。

IPhoneX中也