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SAWBAW滤波器核心技术全览与国产化前瞻

来源:欧宝电竞    发布时间:2025-11-18 12:06:57

  本公众号是广东微技术工业研究院旗下非营利性MEMS技术动态和产业报导平台。每周发布MEMS深度报道、产业动态追踪及技术科普。本篇为深度报道,

  5G通信的快速地发展,让射频滤波器成为无线设备的核心部件。声表面波滤波器(Surface Acoustic Wave,SAW)、体声波滤波器(Bulk Acoustic Wave,BAW)与薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)作为主流声波滤波技术,分别支撑中低频与高频场景的通信需求,三者的技术差异直接决定了其市场定位与国产替代路径。

  射频滤波器大致上可以分为表面声波(SAW)滤波器和体声波(BAW)滤波器两大类,其核心不同之处在于声波的产生与传播方式,这直接决定了它们的结构、制造工艺和最终成本的不同。

  SAW滤波器依靠压电基底的表面来产生和传播声波,结构紧密相连且适用于高频应用。

  SAW的核心原理是 “电信号-声波-电信号” 转换。电信号通过压电基板上的叉指换能器(IDT)转换为声表面波,声波沿基板表面传播,再通过另一组IDT转换回电信号,完成滤波。

  其结构主要包含两部分。一是压电基板,常用材料为铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)或石英等,提供声波传播的载体。二是叉指换能器(IDT),由交叉排列的金属电极组成,负责电信号与声波的双向转换。SAW滤波器的制造工艺核心是基板表面金属化以形成换能器,步骤较少,技术成熟度高,因此整体成本较低。

  普通SAW对温度更敏感,部分应用中需温度补偿。后来出现具备温度补偿功能的SAW,通过在叉指换能器上增加保护涂层改善温度对性能的影响,不过工艺复杂度略高于普通SAW。

  BAW滤波器利用压电材料主体来产生和传输声波,具备更强的功率解决能力与更锐利的滤波特性。

  BAW的核心原理是声波在基板内部垂直传播。电信号通过上下金属电极激发压电层产生体声波,声波在压电层内部震荡形成驻波,再通过电极转换回电信号,实现滤波。

  其结构核心是“电极-压电层-电极”的堆叠体系,大致上可以分为FBAR和SMR两种技术路线。

  FBAR滤波器通过悬浮薄膜或空气隙来约束声波,结构精巧但对微加工工艺技术要求极高。SMR滤波器则将压电薄膜安装在布拉格反射器上,机械稳定性更好。

  BAW滤波器制造工艺复杂,涉及薄膜沉积、精密微加工等步骤,且常用氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)等要求比较高的压电材料,其设备与材料依赖进口,因此整体成本较高。

  体声波(BAW)滤波器与表面声波(SAW)滤波器均为现代射频系统中的关键组件,各自具备独特的特性与应用场景。BAW滤波器在高频运行、高品质因数及功率解决能力方面表现卓越,使其成为蜂窝与无线通信系统的首选方案。而SAW滤波器则在成本优势、集成便捷性及温度稳定性方面表现突出,适用于广泛的工业与消费电子应用场景。

  选择BAW或SAW滤波器需基于具体应用需求,包括频率范围、性能要求、尺寸限制及成本考量。深入理解这两种滤波技术的优势与局限,对设计高效可靠的射频系统至关重要。

  相较于SAW滤波器,BAW滤波器通常能工作于更高频率。BAW滤波器可设计为覆盖数百兆赫至数千兆赫的频率范围,而SAW滤波器通常仅限于数十兆赫至数千兆赫的范围。

  BAW滤波器通常具有比SAW滤波器更高的品质因数(Q值)和更陡峭的频率选择性。这使其更适用于要求高性能频率滤波的应用场景,例如蜂窝通信和无线通信系统。

  BAW滤波器通常比SAW滤波器具有更高的功率解决能力,使其更适合高功率应用,例如功率放大器和发射机。

  与BAW滤波器相比,SAW滤波器通常具有更优异的温度稳定性,这对某些工作环境可能存在非常明显温度波动的应用场景至关重要。

  由于平面结构及与标准半导体制造工艺的兼容性,声表面波滤波器更易集成于紧凑型电子设备。而体声波滤波器则在大多数情况下要更复杂的封装与集成技术。

  因制造工艺更为简易,声表面波滤波器通常比体声波滤波器成本更低,尤其在低频段表现显著。但随频率升高,声表面波滤波器的成本优势可能逐渐减弱。

  表面声波(SAW)滤波器和边界声波(BAW)滤波器在蜂窝与无线通信系统中发挥着关键作用,例如2G、3G、4G和5G网络。它们被应用于射频前端、双工器以及用于信道选择与抑制的滤波器等多种组件中。

  基于其卓越性能特性(如高品质因数和陡峭频率选择性),BAW滤波器常被优先选用。这些特性对现代多频段、多标准通信系统中的高效频谱管理与信号分离至关重要。

  另一方面,SAW滤波器则大范围的应用于更注重成本效益与集成便捷性的领域,例如消费电子科技类产品和物联网设备。

  卫星通信系统依赖于体声波(BAW)和表面声波(SAW)滤波器来维持信号完整性与分离度。BAW滤波器常用于卫星有效载荷的高频段,而SAW滤波器则可能应用于低频段或地面设备中。

  雷达系统(尤其是高频雷达)能充分的利用BAW滤波器的高性能特性。这类滤波器在雷达收发机中用于信号处理、信道选择及抗干扰。

  在工业及消费电子领域,BAW与SAW滤波器均应用于多种场景,例如:无线连接(蓝牙、Wi-Fi等)、广播电视传输、家用电器、医疗设施、工业自动化与控制管理系统。这些应用中选择BAW或SAW滤波器通常取决于成本、尺寸及性能要求等因素。

  全球射频滤波器市场呈现寡头垄断格局,美日企业凭借技术先发优势和专利壁垒占据主导地位。市场价值增长显著,据Future Market Insights (以下简称FMI)的数据,声波滤波器行业价值在2025年预计达130亿美元,并预计以10.8%的复合年增长率增长,到2035年将达到363亿美元。

  SAW滤波器领域由日本厂商主导,村田制作所、TDK、太阳诱电等占据主要份额。其在传统SAW和温度补偿型TC-SAW技术上工艺成熟,成本控制能力强。据Yole分析,传统SAW和TC-SAW因成本优势仍主导低频段市场,但行业趋势正转向性能更优的混合式SAW技术,如IHP-SAW和POI-SAW,这些技术在3.5GHz以下频段能提供与BAW滤波器相近的性能且成本更具竞争力。根据FMI数据,预计到2025年,SAW滤波器在类型细分市场中仍将占据49.60%的最大份额。

  BAW滤波器领域则由美国厂商主导,博通和Qorvo是行业龙头。据Yole分析,FBAR和SMR-BAW滤波器传统上凭借高Q值和大带宽在低频/中频/高频段占据主导。博通凭借其FBAR技术与苹果等高端客户深度绑定,Qorvo则在基站等基础设施领域优势显著。此外,Yole指出,新兴的XBAR/XBAW技术在超高频段展现出性能提升潜力,预计将获得更广泛应用。IPD和MLC技术则因适配超宽带模块需求,在n77/n78/n79频段受到青睐。

  2025年10月,Skyworks与Qorvo宣布价值约220亿美元的合并计划,此举可能进一步改变市场之间的竞争格局。

  中国滤波器产业在全球化竞争中奋力突围,已形成从材料、设计到制造的初步产业链,但在高端市场仍面临严峻挑战。

  国产SAW滤波器产业已形成一定规模,好达电子、德清华莹、卓胜微等企业相继实现普通SAW与TC-SAW滤波器的量产能力,产品主要使用在于物联网设备及中低端4G/5G手机市场。国内多家企业在SAW滤波器领域的持续布局,逐步构建起从材料、设计到封装的产业链基础。

  然而,在整体市场占有率方面,国产SAW滤波器仍然较低,尤其在Sub-3GHz频段的高性能高端SAW滤波器领域,仍高度依赖进口产品。国内产业目前面临双重制约:一方面,以村田为代表的国际厂商凭借超过4000项IHP-SAW相关专利构筑起严密的技术壁垒;另一方面,国内市场中低端产品同质化竞争非常激烈,企业普遍陷入“以价换量”的竞争态势,利润空间被严重挤压,难以支撑高端研发技术所需的持续投入,形成“低端内卷、高端失守”的产业困局。

  国内BAW研发处于实验室突破向量产过渡阶段,三安集成、卓胜微等企业已完成部分FBAR样品流片,但挑战突出。

  一是技术壁垒高,薄膜沉积、腔体蚀刻等工艺依赖进口高精度设备,高纯度氮化铝等材料需海外采购。

  轻资产模式:唯捷创芯、昂瑞微等PA设计企业,采用“自研PA+外采滤波器”的策略,聚焦设计,快速响应市场。2023年昂瑞微Sub-3GHz L-PAMiD模组已批量出货并进入头部手机品牌供应链。

  垂直整合模式:卓胜微采用Fablite模式自建SAW/TC-SAW产线增强供应链自主权,但其滤波器产线利用率仍有待提高。

  SAW与BAW滤波器的技术分野,本质在于声波传播路径的不同,由此形成了SAW主导中低频成本敏感市场、BAW主导高频高性能应用的互补格局。SAW滤波器是4G及中低端无线设备普及的基石,而BAW滤波器则是5G、卫星通信、高端雷达等先进系统的核心保障。

  对国内产业而言,突破之路任重道远。在SAW领域,亟需突破高性能滤波器的设计与工艺瓶颈,构建自主专利体系,避免低水平同质化竞争。在BAW领域,必须攻克高端设备与材料依赖,实现从样品到高良率、低成本大规模量产的成功跨越。

  未来,深化产业协同是关键。比如以“PA牵头+滤波器协同”的模组化发展,以及企业在汽车电子、物联网、6G等新兴领域的多元化布局,将共同构成国产滤波器突破国际垄断、实现供应链安全的核心驱动力。随着全球市场持续增长和技术不断演进,中国滤波器产业能否在高端领域取得决定性突破,将直接定义其在全球价值链中的未来地位。

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