“沒有濾波器的智能手機就會喪失通訊功能，變成一塊磚頭。”簡單的一句話，濾波器的重要性可見一斑。然而就是這么一個單個芯片不到1平方毫米的小東西，全國每年200億顆的需求，90%以上卻要從國外進口，特別是高端的高頻濾波器芯片完全依賴進口，極易受制于人。

然而，這一局面正在發生轉變。河南科之誠第三代半導體碳基芯片有限公司已經在高頻濾波器的研發上取得了突破性進展，預計將在新鄉進行量產。


中科院博士成功研發濾波器芯片

作為創新與競爭不斷升級的產業，智能手機集合了通信、芯片、先進制造、信息技術、數據安全、人工智能等多項高科技領域的核心技術。一部5G手機，在通信、WiFi、藍牙頻段要用到幾十個濾波器芯片，而這些芯片大部分需要從國外進口。

當前，在外部壓力不斷加大背景下，芯片作為手機科技的制高點，小米、華為、vivo、OPPO等手機制造企業紛紛投入重金布局，以實現產業鏈的自主可控。

基于此，曾在多家知名企業及機構工作過并有著豐富研發經驗的謝波瑋博士，2017年創辦科之誠，并帶領研發團隊通過多年的研究，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。近日，由該公司研發的金剛石基2Ghz-10GHz高頻射頻濾波器，已經完成核心技術攻關，預計量產后將推動濾波器芯片價格大幅下降。

“2022年全年，中國國內市場手機總體出貨量累計2.72億部。其中，5G手機出貨量2.14億部。因此，濾波器芯片有著龐大的市場空間。”謝波瑋說。


國產高頻濾波器從無到有

濾波器的作用可以比喻為在嘈雜的菜市場內過濾掉其他雜音，只聽到我們想聽到的聲音。在現實生活中，我們周圍的電磁波充斥著各種不同頻段，而濾波器則相當于對頻段進行選擇。在通訊領域，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定的通訊，使我們在不同的通訊應用中保持暢通。

在過去的幾年中，由于材料和專利的限制，我國在濾波器領域的發展受到了很大的制約。一方面，國內無法大規模生產制造濾波器芯片的材料——高品質電子級鈮酸鋰、鉭酸鋰單晶；另一方面，國外長期的發展已經形成了明確的專利壁壘。然而，謝博士和他的團隊通過與中國科學院電工研究所聯合攻關，最終推出了高頻金剛石基射頻濾波器產品，打破了國外在高頻濾波器領域的壟斷。

河南科之誠之所以選擇在新鄉進行轉化，是因為新鄉擁有得天獨厚的產業基礎和政策支持力度。河南省作為全國超硬材料產量最大的省份，占全球的70%以上，已經在全國和全球創下了多項“第一”，形成了以超硬材料及制品為核心、原輔材料和專用設備儀器為基礎、公共技術服務體系為支撐的全產業鏈格局。

謝波瑋介紹，河南是超硬材料大省，金剛石產量占到全球90%以上。近年來，河南省不斷推進金剛石應用領域創新。由科之誠研發的濾波器芯片從中科院到河南落地，為金剛石產業在聲光電領域的應用探索出一個重要方向，將有力推動河南超硬材料產業高質量發展。此外，近年來河南省不斷推進金剛石應用領域創新，為科之誠在該地區設立公司提供了強有力的支持。

這項技術的突破對我國的通訊行業將產生深遠的影響。首先，國產高頻濾波器的量產將大大降低我國對進口濾波器的依賴程度，提高我國的科技獨立性。其次，高頻濾波器的國產化將有望推動濾波器芯片價格大幅下降，提高我國科技產品的競爭力。


低成本促成濾波器產業化

按技術路線劃分，目前市場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，聲表面波濾波器應用廣泛，占據著最大的市場份額。但如果超過了2Ghz，就必須采用體聲波濾波器的技術，其各項性能指標更加優異，但也因制作工藝復雜，成本水漲船高，單個體聲波濾波器芯片的平均成本在10元左右，部分產品的市場價格在20元以上。

一項技術成果適不適合產業化，能否被市場接受，關鍵就在于成本。“我們這項技術創新最大的亮點，不僅在于打破國外高頻濾波器的技術壟斷，更難得的是通過材料創新，實現了以更低成本的聲表面波工藝，生產過去只有體聲波濾波器才能達到的高頻性能，可謂是物美價廉。”謝波瑋說。

事實上，用金剛石晶片制造濾波器芯片早有前人嘗試，雖然產品性能非常好，但單顆芯片成本將會在1000元往上，成本太高，此前只在軍工等特殊產業上有所應用。既然完全用金剛石造芯片難以被市場接受，只用一部分行不行？科之誠的思路是，不完全采用金剛石作為基礎材料，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在上面，作為功能層再進行電路設計。

在實際攻關中，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軸擇優取向薄膜”等技術難點，最終將設想變為了現實。由于新技術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元降到了現在的0.1元，已可以進行規模化生產。

目前，科之誠已經申請了多項專利，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計、半導體工藝、封裝、檢測技術，并完成全工藝流片驗證，這標志著核心技術攻關已經完成。

按照目前的生產工藝，科之誠最終將高頻濾波器芯片的成本控制在了6毛錢左右，這一價格較目前市場上的體聲波濾波器芯片20元的價格擁有著巨大的優勢。“而且隨著產業化水平的提高，這一價格還有不小的下降空間。”據謝波瑋介紹，目前2GHz以上的高頻濾波器的市場規模在300億元以上，將來進入6G通訊時代，市場規模將進一步擴大。據悉，科之誠已經完成首批3000萬元的融資，正在加緊推動產品早日問世。

“公司計劃投資9.6億元，分三期建設金剛石基濾波器芯片產業化項目。”謝波瑋說。初期階段，科之誠計劃投資6000萬元，推出行業對標產品，實現金剛石基高頻濾波器大規模量產。“中期階段，計劃投資3億元，建設硅基金剛石、AIN多層膜晶圓線，并用代工方式生產芯片，同時啟動科創板上市。”謝波瑋說。后期階段，計劃投資6億元，建設濾波器芯片全工藝流程IDM線，打造第三代半導體產業集群。

總的來說，河南科之誠的這一突破是我國在濾波器領域的一個重要里程碑。它不僅打破了國外對高頻濾波器的壟斷，而且為我國的科技事業注入了新的活力。在新鄉進行量產的高頻濾波器，將成為我國科技發展的一個新的基石。我們期待著這一科技成果能在未來為我國科技事業帶來更多的驚喜和突破。