簡(jiǎn)述高性能聲學(xué)濾波器技術(shù)研究進(jìn)展

摘要：聲學(xué)濾波器是當(dāng)前射頻前端模塊中最核心元器件之一。隨著第五代（5G）移動(dòng)通信技術(shù)的深入推進(jìn)，對(duì)濾波器的技術(shù)要求也不斷提高。近年來(lái)，在一些新架構(gòu)、新材料和先進(jìn)建模技術(shù)的加持下，聲學(xué)濾波器技術(shù)屢有突破，已研制出多種高性能聲學(xué)濾波器。

該文對(duì)高性能聲表面波（SAW）和聲體波（BAW）濾波器技術(shù)（包括Ultra-SAW、LowDrif和NoDrift、I.H.P SAW、XBAR、XBAW濾波器等）的研究情況進(jìn)行了介紹與評(píng)述。最后對(duì)未來(lái)聲學(xué)濾波器將面臨的技術(shù)問(wèn)題做了簡(jiǎn)要總結(jié)。

0 引言

濾波器能濾除信號(hào)通道中不需要的頻率分量，同時(shí)保留需要的頻率分量。因此，從電子通信發(fā)展的初期，濾波器就在信號(hào)處理電路中發(fā)揮著重要的作用，并隨著通信技術(shù)的發(fā)展而取得不斷進(jìn)步。

目前，在移動(dòng)通信中所使用的頻段數(shù)量已從2000年初的4個(gè)頻段大幅增加到如今的40多個(gè)頻段，特別是在第五代（5G）移動(dòng)通信和其他新無(wú)線傳輸技術(shù)，如大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）和多載波聚合（MCA）技術(shù)等引入后，需支持的無(wú)線通信頻段也越來(lái)越多。

頻段數(shù)越多則要求濾波器數(shù)量也越多。雖然實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的濾波器種類(lèi)較多，但基于性能、尺寸和成本方面的綜合考慮，聲學(xué)濾波器已成為目前射頻（RF）信號(hào)通路中的主要技術(shù)。

一般而言，聲學(xué)濾波器包括聲表面波（SAW）和聲體波（BAW）濾波器，可在低頻（約400MHz）和高頻（高達(dá)6GHz）下進(jìn)行工作。SAW濾波器能滿足最高1.9 GHz標(biāo)準(zhǔn)濾波器應(yīng)用，包括第一代（1G）至第三代（3G）移動(dòng)通信等標(biāo)準(zhǔn)頻段，以及部分第四代（4G）頻段；

而B(niǎo)AW濾波器可處理的頻率高達(dá)6GHz，在頻率高于1.9 GHz的4G頻段和5G頻段（sub-6GHz）的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更明顯。因此，這兩種聲學(xué)濾波器在當(dāng)代移動(dòng)通信設(shè)備中具有互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，共存使用，成為其RF信號(hào)通路中的關(guān)鍵組成部分。

隨著RF濾波器數(shù)量的增長(zhǎng)及RF前端性能要求的不斷提高，也要求聲學(xué)濾波器具有更高的性能（如低插入損耗、寬帶寬、高溫度穩(wěn)定性及帶外抑制能力等）。

近年來(lái)，為適應(yīng)新的應(yīng)用需求，在一些新架構(gòu)、新材料和先進(jìn)建模技術(shù)的加持下，通過(guò)引入新的封裝方法不斷減小尺寸，已研制出很多高性能聲學(xué)濾波器，持續(xù)在RF系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的一些高性能聲學(xué)濾波器技術(shù)的研究情況進(jìn)行了分析與評(píng)述。

1 SAW濾波器技術(shù)

雖然如今的SAW濾波器技術(shù)已很成熟，但在RF前端市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，近年來(lái)仍在持續(xù)發(fā)展。常規(guī)的SAW濾波器由于本身的局限性，在頻率約2.5GHz時(shí)，其僅限于中等性能需求的應(yīng)用，且其性能易受溫度變化的影響。

2018年，Yuichi Takamine等研制出一種被稱(chēng)為“超高性能 SAW（I.H.P．SAW）”的濾波器，將SAW技術(shù)發(fā)揮到接近4GHz，目前該公司量產(chǎn)的頻率可達(dá)3.5GHz。這種濾波器具有高品質(zhì)因數(shù)（Q）值、低頻率溫度系數(shù)（TCF）和高散熱性的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)與BAW濾波器相同或高于BAW濾波器的特性。

其最大Ｑ值為3000，TCF小于±8×10-6/℃，同時(shí)，這種濾波器可將電極產(chǎn)生的熱量高效地從基板一側(cè)散發(fā)出去，可將通電時(shí)的溫度上升幅度降至以往SAW的一半以下。

2019年，Alina-Cristina Bunea等利用GaN/Si諧振器（見(jiàn)圖1）設(shè)計(jì)出一種工作頻率高達(dá)5GHz的微波SAW帶通濾波器。圖1中，hmet，hGaN分別為金屬層和GaN層的厚度，W為寬度，S為間距。模擬結(jié)果顯示，在5.5GHz時(shí)該濾波器的插入損耗為10.4dB，3dB帶寬為8MHz。

2020年，美國(guó)高通公司突破性地推出了一種面向4G和5G移動(dòng)終端應(yīng)用的被稱(chēng)為“UltraSAW”的濾波器。

這種濾波器具有優(yōu)異的高頻率選擇性和極低插入損耗，其Q≈5000（比BAW濾波器的Q值高），且其溫度穩(wěn)定性較好，溫度漂移極低。UltraSAW濾波器采用了由法國(guó)Soite公司提供的一種被稱(chēng)為絕緣體基壓電材料（POI）作為襯底。

POI襯底材料以高阻硅作為基底，中層為氧化埋層，頂部是一層薄且均勻的單晶壓電層，通過(guò)Soitec自主研發(fā)的SmartCut工藝制成。利用POI襯底可改善濾波器的品質(zhì)因數(shù)、耦合系數(shù)及頻率溫度系數(shù)等性能。

2020年，上海微系統(tǒng)研究所將LiNbO3單晶薄膜與高聲速、高導(dǎo)熱的支撐襯底進(jìn)行異質(zhì)集成，并利用這種POI襯底結(jié)構(gòu)制作了一種高性能的SAW濾波器。圖3為該濾波器的測(cè)試結(jié)果。

其中心頻率約為2.29GHz，3dB相對(duì)帶寬約為9.9%，通帶內(nèi)最小插入損耗為1.38dB，帶外抑制約為40dB。利用這種異質(zhì)集成技術(shù)來(lái)研制射頻濾波器，可進(jìn)一步提高射頻SAW濾波器的工作頻率和綜合性能。

由于SAW濾波器易受溫度的影響，特別是當(dāng)溫度升高時(shí)，其基片材料的剛度逐漸變小，聲速降低。因此，在此使用場(chǎng)合下，通常的替代解決方案是使用溫度補(bǔ)償型（TC-SAW）濾波器。目前實(shí)現(xiàn)TC SAW濾波器的方式有：

1）將壓電基片與具有低熱膨脹系數(shù)（TEC）的基片（如藍(lán)寶石或Si）進(jìn)行鍵和，以改善器件的TEC。

2）在具有負(fù)聲速溫度系數(shù)（TCV）的基片上沉積正TCV的輔助材料（如SiO2）。

兩種TC-SAW濾波器的基本結(jié)構(gòu)形式和常用的材料類(lèi)型。由于SiO2不是壓電材料，在制備過(guò)程中，SiO2特性（如彈性溫度系數(shù)（TEC））會(huì)因材料制取條件而急劇變化，故較薄的SiO2對(duì)于器件性能表現(xiàn)更好。

美國(guó)Qorvo公司目前解決溫度漂移問(wèn)題的方法之一是采用該公司特有的LowDrift和NoDrift技術(shù)。利用這些技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了低插入損耗，還可確保溫度波動(dòng)時(shí)的可靠性能。

在-30～+85℃時(shí)，LowDrift濾波器的TCF為（-15～-25）×10-6/℃，NoDrift濾波器 的TCF約為0。2020年，報(bào)道了利用化學(xué)機(jī)械拋光SiO2薄膜工藝來(lái)制備滿足TC-SAW要求的高密度、無(wú)孔隙平坦SiO2薄膜的方法，并在此基礎(chǔ)上研制出一種濾波器樣品，其常溫中心頻率為136.2MHz，在-55～+85℃內(nèi)頻率漂移僅388.2kHz，其TCF僅-2.035×10-6/℃。

常規(guī)的TC-SAW結(jié)構(gòu)都屬于多層結(jié)構(gòu)，因其排線的固有波導(dǎo)特性將在諧振器中產(chǎn)生很強(qiáng)的橫向模式。通常橫向模式會(huì)使通帶產(chǎn)生過(guò)度的頻率波紋，繼而導(dǎo)致更高的通帶損耗，也使生產(chǎn)率降低。為此，美國(guó)加利福利亞大學(xué)的研究人員提出一種新的諧振器結(jié)構(gòu)來(lái)抑制TC-SAW器件中的橫向寄生效應(yīng)。

諧振器結(jié)構(gòu)中，將聲波諧振器的波導(dǎo)進(jìn)行彎曲，其彎曲角度（θ）為諧振器叉指換能器（IDT）區(qū)域的長(zhǎng)度與半徑（ρ）之比。當(dāng)SAW諧振器被彎曲后，仍可進(jìn)行誘導(dǎo)基本模式，但因輻射損耗增加，高次橫向模式將被泄露掉。

與其他橫向模式抑制方法相比，這種新諧振器彎曲方法只是改變結(jié)構(gòu)的外形，工藝流程無(wú)需進(jìn)行特殊處理。這種方法比電極切趾法更有效，其原因是切趾法會(huì)因諧振器邊緣處TC-SAW孔徑的減小而使有效耦合降低。

2 BAW濾波器技術(shù)

從近兩年全球5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的部署情況來(lái)看，已包含第一階段3～5.9GHz的sub-6G頻段，以及下一階段24GHz以上的毫米波頻段。

因此，通過(guò)利用更高頻段及頻段重組來(lái)實(shí)現(xiàn)5G移動(dòng)通信，使聲學(xué)濾波器面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)。與SAW濾波器技術(shù)相比，在高頻范圍下，BAW濾波器技術(shù)的通帶插損小，選擇性高，可承受高功率的時(shí)間長(zhǎng)，靜電放電（ESD）保護(hù)好，且溫度特性穩(wěn)定。

雖然在20世紀(jì)60年代BAW濾波器已有相關(guān)研究，但直到90年代才體現(xiàn)出其在吉赫茲頻段應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，因微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等制備工藝的成熟，BAW濾波器的研究與應(yīng)用也取得了良好進(jìn)展，但其重點(diǎn)研究工作仍圍繞寬帶化、高功率化、高溫度穩(wěn)定性及小型化等方向進(jìn)行開(kāi)展。

1995年，K.M.Lakin等對(duì)實(shí)現(xiàn)BAW濾波器的聲諧振器進(jìn)行了分類(lèi)。根據(jù)聲能反射方式和結(jié)構(gòu)方式的不同，BAW濾波器的聲諧振器可分為薄膜體聲波諧振器（FBAR）及固體裝配型（SMR，又稱(chēng)為固貼型）BAW諧振器。FBAR濾波器可提供更大的帶寬，具有更好的濾波性能。

SMR型濾波器因其結(jié)構(gòu)中有一條導(dǎo)熱通路通向襯底，可通過(guò)襯底進(jìn)行散熱，但其Q值相對(duì)較低。而FBAR濾波器由于諧振器結(jié)構(gòu)里有氣隙，因?yàn)榭諝馐遣涣紵釋?dǎo)體，因此導(dǎo)熱能力相對(duì)較弱。

如Qorvo公司開(kāi)發(fā)的SMR型BAW濾波器，其諧振器結(jié)構(gòu)中的聲發(fā)射層很薄，與下方的Si基板直接相連，從而使濾波器內(nèi)產(chǎn)生的熱量能有效地從壓電諧振器散開(kāi)，并通過(guò)反射層傳遞至基板。

Qorvo公司使用SMR諧振器結(jié)構(gòu)的器件每瓦發(fā)射功率的溫度只上升20℃，而使用FBAR結(jié)構(gòu)時(shí)，每瓦發(fā)射功率的溫度則上升70℃。因此，SMR濾波器更能滿足系統(tǒng)在大功率和高溫條件下對(duì)插入損耗和帶外衰減的要求。

為滿足5G通信技術(shù)發(fā)展要求，美國(guó)Resonant Inc.公司于2019年2月研制了一種新型的高性能FBAR型濾波器。該濾波器采用XBAR的諧振器進(jìn)行制作，具有很大的耦合系數(shù)，在5GHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)500MHz的大帶寬，且在31GHz時(shí)，Q》500。典型的XBAR諧振器采用厚400nm的單晶ZY-LiNbO3薄晶片進(jìn)行制作。

利用此諧振器制作的XBAR濾波器可支持5G或WiFi高達(dá)7000MHz（802.11ax）頻段，且?guī)挸^(guò)1000ＭＨｚMHz（相對(duì)帶寬為18%）。同時(shí)，這種濾波器還可以在整個(gè)頻段上實(shí)現(xiàn)低損耗（《1.5dB），并能抑制相鄰頻率的干擾（》50dB）。

Akoustis技術(shù)公司是一家新興的專(zhuān)門(mén)提供高頻RF BAW濾波器的集成器件企業(yè)，其利用獨(dú)有的XBAR專(zhuān)利技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了基于單晶壓電薄膜的商用3～7GHz FBAR濾波器產(chǎn)品。該公司在BAW濾波器制作過(guò)程中使用了高純度單晶壓電AIN材料。

與使用物理氣相沉積（PVD）法制備的多晶AIN相比，通過(guò)外延生長(zhǎng)的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）法制備的單晶AIN具有更高的固有晶體質(zhì)量，能改善聲波速度和壓電機(jī)械耦合系數(shù)，從而獲得高帶寬、高工作頻率和高輸出功率。圖9為Akoustis技術(shù)公司采用的BAW諧振器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)類(lèi)型結(jié)構(gòu)對(duì)比。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)代通信技術(shù)不斷演進(jìn)，給RF濾波器的發(fā)展帶來(lái)良好的機(jī)遇。近年來(lái)，在4G和5G通信技術(shù)的連續(xù)推動(dòng)下，聲學(xué)濾波器技術(shù)不斷創(chuàng)新，器件進(jìn)一步朝向小型化、高頻化及集成化等方向邁進(jìn)。

一些高性能器件（如I.H.P SAW、UltraSAW、XBAR、XBAW等）技術(shù)給業(yè)界注入了新的活力，使聲學(xué)濾波器持續(xù)在射頻前端通信領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

當(dāng)前，聲學(xué)濾波器技術(shù)已步入到面向5G的Sub-6G頻段范圍的研究層面，同時(shí)，針對(duì)更高頻段范圍的下一代通信技術(shù)（6G）的應(yīng)用研究也受到業(yè)界的關(guān)注。

除進(jìn)一步減小器件的物理尺寸、降低成本和提高頻率外，仍期望器件的性能能得到提高。因此，聲學(xué)濾波器的未來(lái)發(fā)展必將面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，即進(jìn)一步減少輻射損耗、溫度穩(wěn)定性、增強(qiáng)功率耐受性及開(kāi)發(fā)新材料等技術(shù)問(wèn)題。

本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《壓電與聲光》2020年第5期，版權(quán)歸《壓電與聲光》編輯部所有。

李暉，米佳，胡少勤，李左翰，邱海蓮

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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