毫米波频段射频器件的主要技术工艺趋势

1 以 SIW 为代表的新型导波结构可满足集成需求
由于传统波导结构和微带线、带状线等微波传输媒介不满足 5G 毫米波频段基站天线与射频系统对于体积、损耗、性能、集成度等方面的需求，基片集成波导（SIW）作为一种新型的导波结构有希望在 5G 毫米波射频系统中广泛应用。SIW 由加拿大蒙特利尔大学吴柯教授的课题组和东南大学毫米波国家重点实验室洪伟教授的课题组提出，已成为国内外研究和产业应用的热点。

SIW 利用金属过孔在介质基片上实现波导的场传播模式，并且同时具备了矩形波导和微带线的优点，包括低插损、低辐射、高 Q 值、高功率容量、小型化，最重要的特点在于能通过现有的 PCB 或 LTCC工艺来制作，可以将无源器件、有源器件和天线等器件集成在同一衬底上，从而使系统体积减小。由于 SIW 与矩形波导相似，因而绝大多数毫米波器件可以由 SIW 结构实现，尺寸重量比腔体器件小，也不存在微带器件的损耗问题，还具有成本低调试简单的特点，适合大批量生产。为减少 SIW结构的尺寸，半模基片集成波导（HMSIW）在保存原基片集成波导特性的基础上将尺寸减少了一半。

SIW 在 5G 毫米波射频系统中具备广泛应用的基础，工艺是该技术的关键要素。在毫米波频段，传统的 PCB 技术因为成本低、设计便捷可广泛应用于基于 SIW 器件的制作，金属通孔可通过微型穿孔或激光切割实现，工艺技术方面需要使金属孔纵向间隔尺寸满足要求，避免高频下辐射的问题。 LTCC 技术也是一种可应用制造 SIW 器件的工艺技术，适用于多层结构和超紧凑器件制作。3D 硅通孔技术和纳米材料、次波长等离子体材料等的发展能使 SIW 技术向更高的频段甚至太赫兹频段发展。

2 射频器件中将更多应用 MEMS 工艺技术
微机电系统 Micro-Electro-Mechanical Systems（MEMS）是利用集成电路制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、控制处理电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统。MEMS 不仅具有集成电路系统的优点，同时还具备微型化、集成化、多样化、批量化等特点，MEMS 利用传统半导体工艺和材料，通过微米技术在芯片上制造微型机械，并将其与对应电路集成为一个整体。运用MEMS 可生产传感器包括硅麦克风、陀螺仪、加速度器等，可生产执行器包括射频、微镜、振动器、滤波器等。

根据 Yole Development 预计，2017-2022 年全球 MEMS 市场的复合年增长率为 8.9%，将从约 130亿美元增长到250 亿美元。预计按照产品线划分占主导地位的仍是惯性传感器和微流量传感器，占比都为 24%左右，其次是压力传感器，占比为 13%，光学传感器和喷墨头，占比都在 10%左右。但射频 RF MEMS 市场增速较快，预计 2017 年-2022 年全球射频MEMS 市场规模年复合增长率为 35%。

全球市、意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、InvenSense、Avago 和 Qorvo、楼氏电子、松下等， BOS 场 MEMS 厂商主要包括博世CH 由于在汽车电子和消费电子市场的布局，营收约占前五大公司合计营收的三分之一，占据行业第一的位置。据赛迪顾问的数据预计 2017 年中国 MEMS 市场规模将达到 400-450 亿元，市场增速平均为 15%-20%，一直快于全球增速，也快于集成电路市场增速。中国 MEMS 设计环节主要公司包括海思半导体、展讯、RDA、全志科技、国民技术、澜起科技等。

3 GaN 等化合物半导体市场具备快速增长前景
硅单晶材料是普通集成电路芯片的主要原料，但是由于材料特性所限，在高频、高压、大电流芯片中很难被广泛应用。化合物半导体包括三五族和四族半导体包括氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）具备优良的射频性能，并具有禁带宽度宽、截止频率高、功率密度大等特点，已在某些民用、军用高性能射频集成电路中使用，在 5G 毫米波高频段射频系统中具备广阔的应用前景。

例如在射频器件 PA 芯片中，目前主要的工艺包括 Si CMOS、GaAs、GaN 等，GaAs 芯片已广泛应用于手机/WiFi 等消费品电子领域，GaN PA 具有最高功率、增益和效率，但成本相对较高、工艺成熟度略低，目前在远距离信号传输和军工电子方面应用较多。根据 Yole Development 数据显示，2010年全球 GaN 射频器件市场规模仅为 6300 万美元，2015 年 2.98 亿美元，2019年 5G 将推动行业快速增长，预计 2020 年将达到约 6.2 亿美元。

目前全球化合物射频芯片设计业呈现 IDM 三寡头的市场格局，2014 年 PA 市场传统砷化镓IDM 厂商 Skyworks、Qorvo、Avago 市场份额分别为 37%、25%、24%。中国化合物半导体市场在 PA Fabless设计领域已有包括锐迪科（RDA）、唯捷创芯（Vanchip）、汉天下（Huntersun）、国民技术、苏州宜确等厂商，还有包括中电科 13 所、55 所等科研院所，代工环节包括三安光电等，封测领域也有长电科技、晶方科技、华天科技等优质企业。

4 铁氧体旋磁材料在开关等器件中具备应用潜力
在 5G 毫米波频段的基站天线射频系统中，Massive MIMO、波束赋形以及载波聚合等技术的应用都需要 RF 天线开关器件。在低频段三极管、FET 管搭建的开关可以满足要求，但在高频段可以选择铁氧体材料或者 PIN 二极管来搭建开关组件。相对于半导体开关，铁氧体开关虽然在小型化、可集成性、开关速度方面有不足，但是在插入损耗与功率容量方面具有明显优势，并且具备很强的可靠性，已在雷达系统中广泛应用，未来在 5G 毫米波频段基站射频系统器件中具备应用潜力。

铁氧体是由铁的氧化物及其他配料烧结而成，一般可分为永磁铁氧体、软磁铁氧体和旋磁铁氧体三种。旋磁铁氧体是指具有旋磁特性的铁氧体材料，旋磁性是指在两个互相垂直的直流磁场和电磁波磁场的作用下，平面偏振的电磁波在材料内部按一定方向的传播过程中，其偏振面会不断绕传播方向旋转的现象。广泛应用于微波通信领域的即是旋磁铁氧体，按照晶体类型划分，旋磁铁氧体可分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型（六角型）铁氧体。铁氧体在微波频段有高电阻率和各向异性的特性，微波信号通过铁氧体具有在不同方向上不同的传播特性，利用该特性可制作方向性器件。隔离器是一个有单向传输特性的二端口器件，在规定方向上传输仅有很小的损耗，而在另一个方向上传输就有很大的损耗，由磁化的铁氧体片、传输线和输入输出连接器组成。环行器是一个有单向传输特性的三端口器件，让器件从 1 到 2，2 到 3，3 到 1 是导通的，而信号反过来从 2 到 1，从 1 到3，从 3 到 2 是隔离的，也由磁化的铁氧体片、传输线和输入输出连接器组成。

隔离器和环行器的主要技术指标包括工作频率范围、插入损耗（Insertion Loss）、反向隔离（Isolation）、输入/输出电压驻波比（VSWR）、输入/输出连接器形式、承受功率、工作温度和尺寸等。隔离器常用在微波信号传输系统中，在功放的输出级使用隔离器可防止设备输出端过大的反射信号对前级的影响；环行器的四端口变形也称为双工器，环行器可用于雷达或通信系统里使收/发信号相互隔离，收发可共用同一个天线。

国内微波铁氧体材料和器件具备规模生产的厂商主要包括中国电子 9 所、14 所、航天 23 所、898厂、899 厂、607 所等军工企业及一些民营合资公司，其中 898、899 厂主要从事铁氧体材料的生产，器件研制主要是中电 9 所、14 所以及航天 23 所等厂商。国内厂商在磁性材料生产方面具备原材料供应、人力成本等优势，在中低端产品市场具备较强竞争力，包括横店东磁、天通股份、宁波韵升、中科三环等企业在永磁铁氧体、软磁铁氧体等产品上已形成较大规模生产能力，但受限于工艺水平和生产设备，在中高端产品上与日本 TDK 公司、法国 Thomson 等世界一流企业还存在较大差距。

目前铁氧体制造工艺与方法主要包括火花等离子烧结（SPS）、自燃烧合成法、自蔓延高温合成法（SHS）、快速燃烧合成技术（FCT）、水热合成法、新型水热合成法、机械合金法、微波烧结工艺等。由于在微波铁氧体器件的研制过程中，不仅包括器件产品研发设计、外壳结构件加工等工序，还存在旋磁铁氧体材料生产、磨抛加工等工艺流程，器件生产涉及的工序流程涵盖电子、通信、化学、材料、机械等多学科应用，加上目前微波铁氧体器件大多面向军工需求，国内市场主要研制生产的企业已经建立较高壁垒。