复朴投资被投企业「汉天下电子」荣获“2020年度硬核中国芯·最具潜力IC设计企业”!

2020.12.03

11月3日,由芯师爷主办、深福保集团冠名的“2020年度硬核中国芯领袖峰会暨评选颁奖盛典”圆满落幕。在“2020年硬核中国芯”评选中,复朴投资被投企业-汉天下凭借其卓越的产品性能以及优异的市场表现,一举斩获“2020年度最具潜力IC设计企业”奖。

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“2020硬核中国芯”评选活动获得近150家半导体企业积极参评;评选期间共计40万电子工程师、近40位业内专家评委参与评分,力争评选出2020年最具代表性的中国芯片企业和产品,以表彰国内优秀半导体企业,激励国产企业加大IC产品与技术研发力度。

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荣获奖项

2020年度最具潜力IC设计企业

关于汉天下

一、企业概况

苏州汉天下电子有限公司成立于2015年7月,是一家从事无线通信射频前端芯片及模块的设计、研发、生产和销售的公司。总部位于苏州工业园区,在北京、深圳、香港和绍兴分别设有研发、销售、商务和生产中心,核心产品为应用于4G/5G移动终端的基于MEMS技术的体声波(BAW)滤波器芯片及射频模组。团队取得并拥有射频滤波器芯片的多项核心知识产权,是国内率先全面掌握BAW滤波器量产技术的公司。曾承担国家02专项——基于MEMS工艺的高性能滤波器等关键核心芯片的开发及规划应用(2017-2019)。

二、事业描述

5G移动通信是新一代信息技术产业发展的重中之重,是我国信息技术产业沿着“跟跑、并跑、领跑”路径加速实现自主可控的重要板块。滤波器芯片是射频前端模块最大的业务板块,也是5G产业的核心器件之一,主要起保留特定频段的信号和滤除特定频段外信号的作用。滤波器芯片的工作频段直接决定了终端可支持的通信模式,其收发信号的强度和稳定性直接影响了终端用户的体验。因此,滤波器芯片制造的核心技术水平决定了我国无线通讯的发展水平。目前该芯片广泛应用于智能手机、无线路由器、卫星导航系统、平板电脑、智能手表及其他物联网应用等市场,其中,手机是滤波器芯片最大的应用领域。

到目前为止,基于声表面波(SAW、TC-SAW)和体声波(BAW)技术的声学滤波器由于综合了体积小、插入损耗低以及带外抑制高等特点,成为移动通信的主流滤波方案。SAW滤波器在2G/3G时代占据滤波器市场的主导地位,到了4G/5G时代,在频率大于2GHz时,其性能不能满足苛刻频段的要求;而基于MEMS工艺的BAW滤波器本身具有性能优势,如更高的带外抑制及更低的插入损耗,适合要求苛刻的4G应用(包括载波聚合以及VoLTE等)及采用更高频率的5G Sub-6GHz应用。

由于国外起步发展较早,围绕核心技术形成了较完善的专利布局,目前声学滤波器芯片市场主要被美日巨头占领,并依托在滤波器领域的领先地位进而控制整个射频前端模块市场,其设计研发及生产是整个中国亟待解决的、受制于人的卡脖子技术。例如,华为2020年上市的P40手机,虽然其大部分元器件主要采购自中国大陆和亚洲地区,但必要的核心射频前端模块仍旧由美国厂商提供,在美国制裁之下承受层层重压。开发完全自主知识产权的高性能射频滤波器芯片并实现产业化,为国家高端芯片制造提供技术储备,同时为高性能射频滤波器的产业化提供保障已经刻不容缓。

目前国内涉及BAW滤波器领域的高校院所以及公司企业大多处于实验研发阶段,或未能突破某些重点设计、工艺环节,在短期内很难掌握全套技术。汉天下始终坚持以5G射频滤波器芯片的产业化为核心目的,围绕新一代无线通讯对高工作频段、高性能射频滤波器芯片的迫切需求,拟在已有的BAW滤波器设计及制造的技术和长期积累的产品研发经验的基础上,开展5G射频滤波器芯片的产业化研究,打破国外巨头长期以来的技术垄断。

三、核心团队

集成电路行业素有技术密集、人才密集和资金密集三个密集特征;同时,公司核心产品BAW滤波器的研发也需要设计、工艺和物理模型三者之间不断迭代才能达到预期性能指标。公司核心团队由杨清华博士领衔,基于以上两个维度进行组建和打造,成员专业覆盖器件研发、工艺开发、封装测试等全部相关岗位,组织结构合理。核心团队来自于清华大学、中科大和上海交大等著名高校及美国高等学府,在集成电路和MEMS领域均深耕10年以上,具有在Avago、Skyworks、Global Foundries等海外知名企业及中科院、中芯国际、中兴微、展讯等国内顶级科研院所和公司的研发和管理经验。

杨清华(创始人、董事长兼总经理),清华大学本科,中科院微电子所博士,教授级高工,汉天下创始人兼董事长,北京邮电大学兼职教授,国家“万人计划”领军人才,享受国务院特殊津贴,曾任中科院微电子所副研究员和硕士生导师;专家型创新创业领军人才,具备扎实的微电子学理论基础,对半导体行业有深刻的理解和独到的战略眼光以及对市场的判断能力;曾先后承担参与国家02、03专项等10多项国家级项目的研究和攻关,发表论文10余篇,知识产权专利超过50项,提出的核心基础理论收录于行业顶尖国际期刊IEEE等;

作为集成电路领域的领军人物,杨清华博士在射频前端领域中取得了众多突破性科研成果并成功转化;曾经带领射频功率放大器(PA)团队攻克了CMOS在射频领域的技术难关,成功研发当时国内第一款且唯一一款CMOS PA芯片,累计出货量超过35亿颗,荣获包括北京市科学技术奖在内的多个省部级奖项;2015年,针对高端射频滤波器芯片长期被国外垄断困境,杨清华博士带领MEMS滤波器团队展开技术攻坚,成功研发了具有完全自主知识产权的4G/5G用高性能BAW滤波器芯片;团队拥有关于BAW谐振器、滤波器、振荡器的多项核心技术,成功填补国内空白。

杨清华博士先后荣获国家百千万人才工程-“有突出贡献中青年专家”称号、国家“创新人才推进计划”科技创新创业人才、北京市“高创计划”科技创新创业领军人才、苏州“姑苏创新创业领军人才”-重大创新团队、苏州市首批顶尖人才(团队)、苏州工业园区“重大领军人才”、贵州百千万人才引进工程-百人领军人才、贵州省人民政府特殊津贴、贵州省第十批“优秀青年科技人才”等数十项国家级和省部级荣誉;同时兼任国家科技部入库专家、北京半导体行业协会理事、北京市科委科技项目评审专家等多项社会职务。

赖志国(CTO,首席技术官),清华大学本科,美国麻省大学博士;曾在美国知名射频公司Newlans和Skyworks担任射频前端研发工程师,具有15年以上的射频滤波器研发经验;主要负责滤波器的设计和测试工作,其中前者包括电学模型建立、版图绘制软件包开发、设计平台搭建以及电路结构的设计和优化等,后者包括测试平台搭建、测试流程制定以及测试数据分析等。

唐兆云(执行兼工艺研发副总),中国科技大学博士,中科院微电子所研究员,发表SCI等高水平学术论文10余篇,累计申请专利超过200项,授权发明专利100余项;曾在新加坡Global Foundries、中科院微电子所、中芯国际和长江存储等知名企业和研究机构担任一线生产工艺集成方面的工程师和研发总监,具有14年以上的半导体器件和工艺的研发与制造经验;主要负责滤波器的工艺研发和生产,包括各个工艺模块的开发、工艺流程的整合与优化以及产线资源的调配等。

四、技术概况

汉天下自2013年研发立项到2015年正式成立公司至今,经过六年多的开发和实践,汉天下已攻克全部关键工艺并系统掌握器件结构与性能参数的关系,累计投入自筹研发费用近2亿元,核心技术为完全独立的自主研发,创新性地整合了压电效应、惯性质量负载效应、高c轴取向的AlN压电薄膜的沉积技术、边界微结构控制横向声波泄露技术、基于Mason模型的电路设计等多种技术,在滤波器电路设计、纵波模式下声电参数的高效提取、谐振器单元的制造、滤波器封装、布图设计等层面上成功实现了技术创新和科技成果的转化。

经详细对比测试,汉天下的滤波器性能已超越国内同类产品,且与国外巨头同类产品比肩。以Band 40(以下简称“B40”)滤波器插入损耗值为例,目前国内大部分同类产品维持在1.5dB以上,而汉天下B40滤波器可以达到更低的1.2dB,对比同类型竞争对手性能有较大提升,并与垄断滤波器市场之一的美国公司Qorvo同类产品一致。截至目前,公司共申请知识产权专利39项。其中,发明专利27项,已授权2项,实审阶段21,进入受理流程4;实用新型专利授权4项,受理1项;集成电路布图设计7项,已全部授权;成功突围发达国家对我国实施的技术垄断和专利封锁,多项专利已直接应用到产品中,并取得显著的经济和社会效益。自产品面向市场以来,公司已向30多家客户供货,累计销售近两千万颗,产品可靠性高,市场反应良好,受到客户一致好评。

五、产业化进展

基于MEMS加工工艺的BAW滤波器芯片采用了大量非标准化加工步骤,制造难度远高于传统IC芯片。目前国内外BAW滤波器生产企业均采用IDM模式(设计与制造一体化,即企业建有自己的芯片生产线),需要企业在研发同时进行重资产投入以建设生产线,对企业的研发和生产进程快速推进以及资金良性循环不利,同时企业在生产线方面的投入短期甚至中期内都难以带来盈利和创收,反而成为企业发展的掣肘。

汉天下目前采用CIDM模式,具体为:在前期研发环节,汉天下凭借其在技术方面的领先优势,完全自主完成芯片的设计工作;在加工制造环节,汉天下选择与晶圆代工厂进行深度合作并派驻研发人员直接进入代工厂的生产线,与代工厂科技人员一起研发、调试参数以及技术指导,整个工艺线上的核心设备由汉天下提供,且该条生产线归汉天下专用,由代工厂使用并完成生产制造;此模式有效避免了传统IDM模式中管理成本高、运营费用高、资本回报率低等问题,同时保证了公司对产品生产、研发的全程控制同时,也保证了公司工艺团队掌握核心的技术。

公司BAW滤波器芯片产品各项技术指标和量产指标在国内领先,且可与国际大厂商媲美:

1、沉积出的AlN压电薄膜的薄膜非均匀性≤±0.2%,薄膜应力≤±100MPa,(002)晶面半高宽≤1.4°,表面粗糙度≤2nm;

2、谐振器品质因数高达2000,机电耦合系数在6.2%-6.8%之间;

3、滤波器典型通带插损小于1.5dB,通带回波损耗大于15dB,近阻带抑制超过40dB;4、双工器典型TX-RX隔离度超过55dB;

5、滤波器产品良率超过80%。

2019年,公司先后完成了适用于2.4GHz WiFi频段以及LTE Band 40的滤波器芯片的研发、小试、中试和小批量量产,并为小米、华为、酷派、伏羲等手机厂商,日海智能、美格智能等物联网应用商提供服务。

2020年上半年,完成了适配5G技术的全频段n41滤波器以及LTE Band 3双工器芯片的研发及小试工作,即将进入中试及小批量量产阶段。同时,LTE Band 7双工器和Band 1+Band 3四工器的设计工作也已完成,即将进入流片阶段。另外,适用于5G高频段的n79滤波器芯片以及5GHz WiFi频段的滤波器芯片的设计工作也在进行中,预计2020年Q3完成设计,年底推出工程样品。

公司科技人员已精通体声波谐振器的设计研发、工艺实现和测试验证过程中的关键问题及解决方案,掌握BAW滤波器器件关键结构的设计及制造与器件性能的关系,熟知与流片、封装等工艺团队的协作沟通,具有研发、中试和小批量生产的能力,完成了从实验室的科研试验到工厂的小批量重复生产及产品销售的过程。

六、发展前景

射频领域是电子和半导体领域毛利率较高的行业之一,同时较为稳定。随着5G时代到来,未来一部5G智能手机可能需要90个以上滤波器。据权威市场研究机构Yole预计,到2022年滤波器市场将从2016年的52亿美元增长至163亿美元,占整个射频前端市场价值的72%,目前Avago及Qorvo占据了90%以上的滤波器市场,仅需实现6%的进口替代,未来公司就将成为一个销售额10亿美元以上级别的公司。

目前整个射频滤波器行业内的价格呈两极分化态势。两家掌握核心技术的美国企业(Avago及Qorvo)牢牢占据高端市场,其具备的性能优势使之价格高居不下;同时小部分低端滤波器企业虽然产品性能不足,但其以低廉的价格仍旧为其争取了一定的低端市场。汉天下所研发的滤波器正是凭借其比肩欧美巨头同类产性能的产品品质和更有竞争力的价格定位,锁定了介于高端市场与低端市场中间广阔的空白地带。在达到近乎相同性能的前提下,汉天下产品的价格较之进口的射频MEMS滤波器低20%以上,为公司争取到了更为广大的客户群体;同时在与进口的TC-SAW工艺滤波器相比时,汉天下可以与竞争对手做到价格相当,但是在产品性能方面的优势显而易见。

未来3年,公司将陆续推出所有中高频的4G/5G射频滤波器芯片,同时开展射频前端模组的研发。通过保证产品的质量和企业的信誉度以实现工厂到市场的过程。公司除负责前期设计、中期验证、后期测试及数据分析、整个工艺流程的管理外,将新增物理模型的完善、多物理场下的仿真和设计、射频模组(滤波器、功放、低噪放、开关)设计等方向助力5G射频芯片的产业化发展。

作为5G产业的核心器件之一,滤波器芯片国产化的成功研发可弥补我国在4G/5G通讯产业供应链缺口,带动国内射频核心滤波器的设计和制造能力快速赶超国际最先进水平,满足国内市场对高性能滤波器的迫切需求,彻底改变我国在此领域长期全部依赖进口的现状,为当前高端MEMS芯片核心技术的升级发展奠定坚实的科学及产业基础,在创造良好经济效益的同时,为国家构建信息安全体系的关键环节,提升我国5G产业话语权做出贡献。

关于5G n41射频滤波器芯片

①产品性能

更高的品质因数、更低的插入损耗以及更高的带外抑制值都是衡量滤波器性能的重要指标。汉天下研发的射频MEMS滤波器,产品性能经测试验证,产品性能已经完全超越国内同类产品,并且与国外巨头同类产品比肩。

目前国内大部分同类产品滤波器芯片的插入损耗维持在2dB以上,而汉天下研发的5G n4滤波器预估量产后可以达到更低的1.5dB,在本已趋近于性能极限的插损中再次取得突破,对比同类型竞争对手性能有较大提升;而对于WiFi频段的抑制值,汉天下所研发的产品能够达到40dB,比肩垄断滤波器市场之一的美国Qorvo公司同类产品。

②价格竞争力

射频领域是电子和半导体领域毛利率较高的行业之一,同时较为稳定。目前整个射频滤波器行业内的价格呈两极分化态势。两家掌握核心技术的美国企业(Avago及Qorvo)牢牢占据高端市场,其具备的性能优势使之价格高居不下;同时小部分低端滤波器企业虽然产品性能不足,但其以低廉的价格仍旧为其争取了一定的低端市场。

汉天下所研发的滤波器正是凭借其比肩欧美巨头同类产性能的产品品质和更有竞争力的价格定位,锁定了介于高端市场与低端市场中间广阔的空白地带。根据成本分析,在产品性能相当的情况下,汉天下产品的价格较之进口的射频MEMS滤波器低20%以上,为公司争取到了更为广大的客户群体;同时在与进口的TC-SAW工艺滤波器相比时,汉天下可以与竞争对手做到价格相当,但是在产品性能方面的优势显而易见。

③技术创新

1)设计层面:

l自主开发了一套全自动设计平台,一键导入脚本即可实现从版图到电磁仿真的准备工作,提高了设计效率,同时也大大降低了因手动操作带来的不必要的失误;

l创新性地结合了压电效应和惯性质量负载效应,在同一滤波器芯片中实现了不同谐振频率的谐振器,在工作频段中引入多个谐振极点;

l在BAW谐振器的通用Mason模型基础上,引入了寄生效应改良电路模型;将改良的Mason模型与声电联合仿真技术结合实现了更接近实际场景的仿真模拟,实现了声电参数的更加精准的提取;

l将BAW谐振器与电容器的单片集成,利用该单片集成结构保证滤波器特征的同时,节省了滤波器体积,有效地减小了双工器以及射频通信模块的体积。

2)工艺层面:

l采用直充牺牲层再释放的工艺方法,制造空腔型薄膜体声波谐振器单元;

l在谐振器顶电极的周边引入一圈凹槽和凸起结构,同时制作延伸边界形成屋檐和空气桥结构,抑制能量损耗,使器件达到更高的品质因数;

l通过将底电极侧壁修整成为小角度斜坡,保证了附近AlN的生长质量,防止AlN由陡峭侧壁导致的薄膜内部孔洞,从而保证了谐振器的器件性能;

l采用聚焦离子束技术实现了频率修正技术,大幅度提高晶圆上滤波器芯片的频率一致性;

l采用金-金扩散键合的晶圆级封装技术,大幅降低了封装成本,且已具备大规模量产条件,封装工艺良率达到90%以上。

④客户服务

汉天下拥有一支经验丰富、专业高效的销售及技术支持团队,能够迅速响应客户需求并高效排除问题。当前移动通信背景下LTE(移动通信)和WiFi(无线网络)共存时,整体射频前端的性能都会受到较大影响,而汉天下为客户提供的产品,经由技术支持团队根据客户需求调试后,可以使客户WiFi灵敏度有显著改善的提升;同时汉天下提供的产品可以使客户WiFi的吞吐速率提高约35%。在与客户长期稳定的合作关系中,汉天下逐渐摸索出不同客户群体对于性能需求的不同侧重点,并且根据客户需求开发更具针对性的产品,同时汉天下始终保持前进动力,不断完善针对客户的专属技术支持方案。

⑤市场销量

汉天下射频滤波器芯片自2019年下半年进入批量出货以来累计出货20kk pcs,其中BAW滤波器累计出货15kk pcs;SAW双工器出货5kk pcs;截止目前共有量产客户40家,2020年受疫情影响,于7月份正式恢复起量,每月保持4kk左右出货量。滤波器的整体销售模式需要先经过前期客户测试,然后小批量试产并进行交付,在此过程中保持与客户长期紧密的合作,彻底通过客户市场验证后再进行大批量出货。

此次参评产品5G n41 BAW滤波器芯片目前已完成全部客户方验证工作及小批量试产试制,计划9月初进入正式量产阶段,量产后乐观预计出货量可达8kk pcs/月-10kk pcs/月,爆发期最高可达12kk pcs/月。


文来源:芯师爷

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莫丽静
Lisa.Mo

管理合伙人
Managing Partner

莫丽静女士担任德同资本运营合伙人。她于2008年加入德同资本,之前曾任瑞士制表企业中国区负责人。在出国深造MBA之前她曾任香港上市公司董事长执行助理。
莫丽静女士拥有法国10大商学院之一-马赛高商的工商管理硕士学位,以及华东理工大学的高分子材料工程学士学位。