“沒(méi)有濾波器的智能手機(jī)就會(huì)喪失通訊功能，變成一塊磚頭?！焙?jiǎn)單的一句話，濾波器的重要性可見(jiàn)一斑。然而就是這么一個(gè)單個(gè)芯片不到1平方毫米的小東西，全國(guó)每年200億顆的需求，90%以上卻要從國(guó)外進(jìn)口，特別是高端的高頻濾波器芯片完全依賴進(jìn)口，極易受制于人。

然而，這一局面正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。河南科之誠(chéng)第三代半導(dǎo)體碳基芯片有限公司已經(jīng)在高頻濾波器的研發(fā)上取得了突破性進(jìn)展，預(yù)計(jì)將在新鄉(xiāng)進(jìn)行量產(chǎn)。


中科院博士成功研發(fā)濾波器芯片

作為創(chuàng)新與競(jìng)爭(zhēng)不斷升級(jí)的產(chǎn)業(yè)，智能手機(jī)集合了通信、芯片、先進(jìn)制造、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)安全、人工智能等多項(xiàng)高科技領(lǐng)域的核心技術(shù)。一部5G手機(jī)，在通信、WiFi、藍(lán)牙頻段要用到幾十個(gè)濾波器芯片，而這些芯片大部分需要從國(guó)外進(jìn)口。

當(dāng)前，在外部壓力不斷加大背景下，芯片作為手機(jī)科技的制高點(diǎn)，小米、華為、vivo、OPPO等手機(jī)制造企業(yè)紛紛投入重金布局，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控。

基于此，曾在多家知名企業(yè)及機(jī)構(gòu)工作過(guò)并有著豐富研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的謝波瑋博士，2017年創(chuàng)辦科之誠(chéng)，并帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)多年的研究，提出了全新的金剛石基+氮化鋁材料體系及螺旋型IDT濾波器架構(gòu)。近日，由該公司研發(fā)的金剛石基2Ghz-10GHz高頻射頻濾波器，已經(jīng)完成核心技術(shù)攻關(guān)，預(yù)計(jì)量產(chǎn)后將推動(dòng)濾波器芯片價(jià)格大幅下降。

“2022年全年，中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)手機(jī)總體出貨量累計(jì)2.72億部。其中，5G手機(jī)出貨量2.14億部。因此，濾波器芯片有著龐大的市場(chǎng)空間?！敝x波瑋說(shuō)。


國(guó)產(chǎn)高頻濾波器從無(wú)到有

濾波器的作用可以比喻為在嘈雜的菜市場(chǎng)內(nèi)過(guò)濾掉其他雜音，只聽(tīng)到我們想聽(tīng)到的聲音。在現(xiàn)實(shí)生活中，我們周圍的電磁波充斥著各種不同頻段，而濾波器則相當(dāng)于對(duì)頻段進(jìn)行選擇。在通訊領(lǐng)域，濾波器是射頻前端的核心部件之一，它可以幫助我們建立穩(wěn)定的通訊，使我們?cè)诓煌耐ㄓ崙?yīng)用中保持暢通。

在過(guò)去的幾年中，由于材料和專利的限制，我國(guó)在濾波器領(lǐng)域的發(fā)展受到了很大的制約。一方面，國(guó)內(nèi)無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)制造濾波器芯片的材料——高品質(zhì)電子級(jí)鈮酸鋰、鉭酸鋰單晶；另一方面，國(guó)外長(zhǎng)期的發(fā)展已經(jīng)形成了明確的專利壁壘。然而，謝博士和他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)與中國(guó)科學(xué)院電工研究所聯(lián)合攻關(guān)，最終推出了高頻金剛石基射頻濾波器產(chǎn)品，打破了國(guó)外在高頻濾波器領(lǐng)域的壟斷。

河南科之誠(chéng)之所以選擇在新鄉(xiāng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，是因?yàn)樾锣l(xiāng)擁有得天獨(dú)厚的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和政策支持力度。河南省作為全國(guó)超硬材料產(chǎn)量最大的省份，占全球的70%以上，已經(jīng)在全國(guó)和全球創(chuàng)下了多項(xiàng)“第一”，形成了以超硬材料及制品為核心、原輔材料和專用設(shè)備儀器為基礎(chǔ)、公共技術(shù)服務(wù)體系為支撐的全產(chǎn)業(yè)鏈格局。

謝波瑋介紹，河南是超硬材料大省，金剛石產(chǎn)量占到全球90%以上。近年來(lái)，河南省不斷推進(jìn)金剛石應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)新。由科之誠(chéng)研發(fā)的濾波器芯片從中科院到河南落地，為金剛石產(chǎn)業(yè)在聲光電領(lǐng)域的應(yīng)用探索出一個(gè)重要方向，將有力推動(dòng)河南超硬材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。此外，近年來(lái)河南省不斷推進(jìn)金剛石應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)新，為科之誠(chéng)在該地區(qū)設(shè)立公司提供了強(qiáng)有力的支持。

這項(xiàng)技術(shù)的突破對(duì)我國(guó)的通訊行業(yè)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先，國(guó)產(chǎn)高頻濾波器的量產(chǎn)將大大降低我國(guó)對(duì)進(jìn)口濾波器的依賴程度，提高我國(guó)的科技獨(dú)立性。其次，高頻濾波器的國(guó)產(chǎn)化將有望推動(dòng)濾波器芯片價(jià)格大幅下降，提高我國(guó)科技產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。


低成本促成濾波器產(chǎn)業(yè)化

按技術(shù)路線劃分，目前市場(chǎng)上主流的濾波器有兩種：聲表面波濾波器、體聲波濾波器。

在2Ghz以下的低頻濾波器中，由于成本適中，性能較好，聲表面波濾波器應(yīng)用廣泛，占據(jù)著最大的市場(chǎng)份額。但如果超過(guò)了2Ghz，就必須采用體聲波濾波器的技術(shù)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)更加優(yōu)異，但也因制作工藝復(fù)雜，成本水漲船高，單個(gè)體聲波濾波器芯片的平均成本在10元左右，部分產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格在20元以上。

一項(xiàng)技術(shù)成果適不適合產(chǎn)業(yè)化，能否被市場(chǎng)接受，關(guān)鍵就在于成本?！拔覀冞@項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新最大的亮點(diǎn)，不僅在于打破國(guó)外高頻濾波器的技術(shù)壟斷，更難得的是通過(guò)材料創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了以更低成本的聲表面波工藝，生產(chǎn)過(guò)去只有體聲波濾波器才能達(dá)到的高頻性能，可謂是物美價(jià)廉。”謝波瑋說(shuō)。

事實(shí)上，用金剛石晶片制造濾波器芯片早有前人嘗試，雖然產(chǎn)品性能非常好，但單顆芯片成本將會(huì)在1000元往上，成本太高，此前只在軍工等特殊產(chǎn)業(yè)上有所應(yīng)用。既然完全用金剛石造芯片難以被市場(chǎng)接受，只用一部分行不行？科之誠(chéng)的思路是，不完全采用金剛石作為基礎(chǔ)材料，而是依然以硅基晶圓片為支撐層，將金剛石以薄膜的形式生長(zhǎng)在上面，作為功能層再進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

在實(shí)際攻關(guān)中，該公司突破了“大面積、高平整度金剛石薄膜沉積”“氮化鋁多元素共摻雜、高平整度C軸擇優(yōu)取向薄膜”等技術(shù)難點(diǎn)，最終將設(shè)想變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。由于新技術(shù)使用的金剛石薄膜只有10微米，用料足夠少。一塊芯片的金剛石使用成本從以前的1000元降到了現(xiàn)在的0.1元，已可以進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。

目前，科之誠(chéng)已經(jīng)申請(qǐng)了多項(xiàng)專利，掌握了2英寸-6英寸硅基金剛石薄膜制備工藝、2英寸-6英寸取向壓電薄膜制備工藝和金剛石基射頻濾波器芯片的設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體工藝、封裝、檢測(cè)技術(shù)，并完成全工藝流片驗(yàn)證，這標(biāo)志著核心技術(shù)攻關(guān)已經(jīng)完成。

按照目前的生產(chǎn)工藝，科之誠(chéng)最終將高頻濾波器芯片的成本控制在了6毛錢左右，這一價(jià)格較目前市場(chǎng)上的體聲波濾波器芯片20元的價(jià)格擁有著巨大的優(yōu)勢(shì)?！岸译S著產(chǎn)業(yè)化水平的提高，這一價(jià)格還有不小的下降空間?！睋?jù)謝波瑋介紹，目前2GHz以上的高頻濾波器的市場(chǎng)規(guī)模在300億元以上，將來(lái)進(jìn)入6G通訊時(shí)代，市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。據(jù)悉，科之誠(chéng)已經(jīng)完成首批3000萬(wàn)元的融資，正在加緊推動(dòng)產(chǎn)品早日問(wèn)世。

“公司計(jì)劃投資9.6億元，分三期建設(shè)金剛石基濾波器芯片產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。”謝波瑋說(shuō)。初期階段，科之誠(chéng)計(jì)劃投資6000萬(wàn)元，推出行業(yè)對(duì)標(biāo)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)金剛石基高頻濾波器大規(guī)模量產(chǎn)?！爸衅陔A段，計(jì)劃投資3億元，建設(shè)硅基金剛石、AIN多層膜晶圓線，并用代工方式生產(chǎn)芯片，同時(shí)啟動(dòng)科創(chuàng)板上市。”謝波瑋說(shuō)。后期階段，計(jì)劃投資6億元，建設(shè)濾波器芯片全工藝流程IDM線，打造第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集群。

總的來(lái)說(shuō)，河南科之誠(chéng)的這一突破是我國(guó)在濾波器領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。它不僅打破了國(guó)外對(duì)高頻濾波器的壟斷，而且為我國(guó)的科技事業(yè)注入了新的活力。在新鄉(xiāng)進(jìn)行量產(chǎn)的高頻濾波器，將成為我國(guó)科技發(fā)展的一個(gè)新的基石。我們期待著這一科技成果能在未來(lái)為我國(guó)科技事業(yè)帶來(lái)更多的驚喜和突破。