鈮酸鋰的應(yīng)用-射頻濾波器

無線通信技術(shù)在過去的幾十年中，迅速發(fā)展，通信行業(yè)經(jīng)歷了從2G、3G、4G到5G的巨大跨越。濾波器作為選頻濾波器件，直接決定了通信設(shè)備的工作頻段和帶寬，在射頻前端芯片中扮演了舉足輕重的角色。伴隨5G通信極高的數(shù)據(jù)傳輸能力而來的是對濾波器高帶寬需求。如今，對各種通信制式的支持，使得現(xiàn)代智能手機(jī)中需要的濾波器多達(dá)幾十個。日益擁擠5G、Sub-6GHz通信頻帶，對射頻系統(tǒng)提出了更嚴(yán)苛的要求，低插損、高帶寬、高滾降系數(shù)和低溫漂的濾波器成為了通信行業(yè)的迫切需求。

射頻濾波器的定義

在通信設(shè)備中，射頻信號處理單元負(fù)責(zé)信號的發(fā)送與接收，包含射頻收發(fā)器、天線、射頻前端等。其中，射頻前端由一系列組件構(gòu)成，包含功率放大器（PA）、濾波器（Filters）、開關(guān)（Switch）、雙工器（Diplexer/Duplexer，由2個濾波器組成）、低噪聲放大器（LNA）等，分別對應(yīng)不同的射頻信號處理功能。

射頻濾波器又名“射頻干擾濾波器”，是消費電子中必不可缺的重要元器件之一。射頻濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路，主要負(fù)責(zé)對通信通道中的信號頻率進(jìn)行濾波。濾波器允許符合特定頻率的信號通過，同時抑制其他不需要的頻率信號，可解決不同頻段和通信系統(tǒng)之間產(chǎn)生的信號干擾問題，廣泛應(yīng)用于基站和終端設(shè)備的射頻信號處理系統(tǒng)中。從射頻信號處理系統(tǒng)的布局來看，在射頻發(fā)射路徑中，濾波器位于功率放大器的后側(cè)；在射頻接收路徑中，濾波器位于低噪聲放大器的前側(cè)。



射頻信號處理系統(tǒng)圖

射頻濾波器的關(guān)鍵性能指標(biāo)

射頻濾波器性能的優(yōu)劣直接影響通訊系統(tǒng)的通信質(zhì)量。Q值、帶寬、阻帶抑制度、插入損耗、延遲時間等是衡量濾波器性能的指標(biāo)。其中，Q值和插入損耗是選擇濾波器的最常用、最主要的性能指標(biāo)。

射頻濾波器的關(guān)鍵性能指標(biāo)

射頻濾波器的分類

按照射頻濾波器的應(yīng)用場景分類，濾波器可分為通信基站濾波器和手機(jī)濾波器。不同應(yīng)用場景對濾波器的要求不同，因此手機(jī)濾波器與基站濾波器的體積、制造工藝、適用寬帶、成本、功率容量等特征存在明顯差異。基站濾波器更注重高穩(wěn)定性、大帶寬、大功率等指標(biāo)，而手機(jī)濾波器對價格、體積（手機(jī)射頻濾波器尺寸為毫米級別，基站射頻濾波器為厘米級別）更為敏感。

射頻濾波器分類（按應(yīng)用場景分類）

按照射頻濾波器的工藝材料分類，濾波器可分為可分為聲學(xué)濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器，其中聲學(xué)濾波器（SAW、BAW）是目前手機(jī)應(yīng)用的主流濾波器。根據(jù)技術(shù)不同，聲學(xué)濾波器又可分為聲表濾波器（SAW濾波器）和體聲波濾波器（BAW濾波器）兩種。其中，SAW濾波器產(chǎn)品包括普通的SAW、具有溫度補償特性的TC-SAW濾波器及高頻I.H.P-SAW；BAW濾波器產(chǎn)品包括BAW-SMR和FBAR。

聲學(xué)濾波器分類（按工藝材料分類）

總體來看 ，SAW一般用于低頻段和中頻段，BAW一般用于中頻段和高頻段。

不同濾波器技術(shù)對應(yīng)的頻段和性能區(qū)間

SAW濾波器簡介

聲表面波（Surface Acoustic Wave）濾波器（簡稱：SAW濾波器）是采用鈮酸鋰、石英晶體、壓電陶瓷等壓電材料，通過壓電效應(yīng)和表面波傳播的物理特性所制成的一種濾波專用器件。SAW濾波器早期多應(yīng)用于以電視機(jī)為代表的視聽類家電產(chǎn)品，在90年代之后，隨著通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，SAW濾波器的產(chǎn)量與需求直線上升，并廣泛應(yīng)用于手機(jī)等移動通信終端設(shè)備。此外，SAW濾波器采用半導(dǎo)體平面工藝制作，具有良好的一致性和重復(fù)性，并可實現(xiàn)低成本批量生產(chǎn)。

知識鏈接：鈮酸鋰的優(yōu)異性能（一）：壓電效應(yīng)

SAW濾波器的基本原理是在輸入端通過壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)為聲信號在介質(zhì)表面上傳播，而在輸出端由逆壓電效應(yīng)將聲信號轉(zhuǎn)為電信號。

SAW濾波器工作原理示意圖

SAW濾波器產(chǎn)品包括普通SAW濾波器、具有溫度補償特性的TC-SAW濾波器以及高性能的高頻SAW濾波器，后兩者屬于普通SAW濾波器的升級產(chǎn)品。普通SAW的工作頻率一般在2.5GHz以下，成本較低，但其熱穩(wěn)定性和高頻性能較差。為了提升普通SAW的熱穩(wěn)定性，TC-SAW濾波器方案被開發(fā)。現(xiàn)階段TC-SAW技術(shù)愈加成熟，海外廠商相繼推出應(yīng)用于手機(jī)射頻前端的產(chǎn)品，并取得較好的應(yīng)用成果，而中國在該領(lǐng)域的仍需進(jìn)一步探索。為了克服普通SAW低頻與散熱性能差的弱點，日本MuRata研發(fā)了I.H.P-SAW濾波器，其工作頻率可達(dá)3.5GHz，并兼具BAW的溫度特性和高散熱性優(yōu)點，可部分替代BAW濾波器。

不同SAW濾波器的對比

BAW濾波器簡介

體聲波（Bulk Acoustic Wave）濾波器（簡稱：BAW濾波器）的工作頻率范圍在1.5GHz-6GHz，最高可達(dá)10GHz。BAW濾波器的尺寸大小會隨著頻率升高而縮小，適用于要求更高的4G、5G通訊。與SAW濾波器相比，BAW濾波器更適合于高頻率，并具備對溫度變化不敏感、插入損耗小、帶外衰減大等優(yōu)勢。

BAW濾波器的基本結(jié)構(gòu)是由兩個金屬電極夾著壓電薄膜組成。BAW濾波器的工作原理與SAW濾波器相似，不同的是BAW濾波器的聲波以垂直方向傳播，貼嵌于石英基板頂、底兩側(cè)的金屬電極對聲波實施激勵，聲波在壓電薄膜里從頂部表面震蕩反彈至底部，以形成大于2.5GHz頻段的駐波。

BAW濾波器工作原理示意圖

BAW濾波器的諧振頻率取決于電極質(zhì)量與薄膜壓電層的厚度。應(yīng)用于高頻率場景的BAW濾波器的壓電襯底厚度必須在微米量級，因此載體基板需要采用難度較高的薄膜沉積和微機(jī)械加工技術(shù)（MEMS），制造成本高。

SAW和BAW濾波器的對比

SAW和BAW濾波器具備良好的頻帶選擇性、高Q值、低插入損耗等性能，成為手機(jī)應(yīng)用的主流濾波器類型。然而，兩者在工作原理、技術(shù)特性、適用頻段、制作流程等方面各具差異。以下表格從多個維度對SAW與BAW濾波器進(jìn)行對比：

SAW和BAW濾波器對比

傳統(tǒng)SAW/TC-SAW的頻率通常小于2.5 GHz，IHP-SAW使用高聲速層/襯底部分彌補了這一缺點，但也僅能達(dá)到3.5 GHz。SAW對溫度過于敏感，溫度變化會影響頻率，但這種溫度的敏感是可以改善的，這種溫度帶來的變化叫做TCF，衡量單位是ppm.K，改善方法就是通過TC-SAW（溫度補償型SAW）加上一層溫度補償層。 BAW器件則可以工作在約1~7GHz，BAW器件利用了厚度方向的縱波，縱波聲速較高，而其頻率由厚度決定，使用μm級別的薄膜就可以實現(xiàn)約GHz的頻率，目前主流的BAW器件使用的是AlN的薄膜。BAW的工藝非常復(fù)雜，需要很多步驟才能搭建一個聲學(xué)上需要的“腔”，因此成本非常高。另一方面，基于AlN薄膜BAW濾波器的聲學(xué)和歐姆損耗隨著工作頻率急劇上升，這將導(dǎo)致濾波器插入損耗的增加。更為關(guān)鍵的是，5G NR頻段N78、N79和N77分別需要500、600和900 MHz的帶寬。其要求的分?jǐn)?shù)帶寬（FBW）>10%，對目前市場上主流的基于AlN的BAW濾波器而言是難以實現(xiàn)的，因其帶寬受限于AlN的機(jī)電耦合系數(shù)。

基于鈮酸鋰薄膜（POI）襯底的SAW濾波器（TF-SAW）

POI（Piezoelectric-On-Insulator）是一種絕緣襯底上的壓電材料，類似于絕緣體上的硅（SOI），POI襯底在最頂層是一層大概幾百納米厚的單晶的壓電層（鈮酸鋰或鉭酸鋰），在它之下是一層氧化埋層，大概也是幾百納米厚度，在最底下基底的部分是高電阻率硅材料。

POI結(jié)構(gòu)示意圖

POI襯底主要用于構(gòu)建最新一代的4G / 5G表面聲波(SAW)濾波器，提供內(nèi)置溫度補償，并實現(xiàn)在單芯片上集成多個濾波器。POI的氧化埋層相當(dāng)于溫度補償層，作用是抑制壓電材料，因為壓電材料在溫度變化的時候可能會擴(kuò)張或者收縮，從而影響到頻率，因而需要氧化埋層抑制壓電材料，即器件層的鈮酸鋰或鉭酸鋰。而底層的高電阻率硅的作用是減少損耗。能夠在極薄的壓電層限制波能等效。而由于能很好地控制整個壓電層，可以在壓電層獲得更好的等效的波傳播。

通過對比可以看到，基于POI襯底的SAW技術(shù)優(yōu)勢就是能源效率更高，比TC-SAW的能源損耗更小。所以它相對于SAW和TC-SAW，獲得了更高頻率、更廣帶寬。相對BAW來說，這種基于POI襯底的SAW工藝流程更簡單且成本更低。因為可以將很多個濾波器集成在同一個芯片上，所以面積也更小。從生產(chǎn)角度來講，它的生產(chǎn)流程跟SAW是相似的，但是比TC-SAW和BAW都要簡單很多。

POI：用于SAW濾波器的理想襯底

總體來看，TC-SAW是用于低頻段和中頻段的濾波技術(shù)，BAW一般用于中頻段和高頻段。而在超高頻段就比較復(fù)雜，比如說會采用LTCC、XBAR、BAW，還有IPD（Integrated Passive Device），目前在超高頻段的技術(shù)比較復(fù)雜。POI襯底的SAW可以解決中頻段和高頻段這兩個頻段的技術(shù)難題，在5G濾波器方面成為取代TC-SAW和BAW的更優(yōu)解決方案。

早在2020年，Soitec濾波器業(yè)務(wù)經(jīng)理Christophe Didier就曾介紹：“就其價值而言，我們認(rèn)為POI襯底會成為未來幾年的一項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。到2024年，我們預(yù)測 POI襯底的可服務(wù)市場規(guī)模將達(dá)到100萬片晶圓?！?/p>

基于鈮酸鋰薄膜（POI）襯底的XBAR濾波器

鈮酸鋰（LiNbO3）擁有的高壓電性，低損耗特性有助于實現(xiàn)高帶寬、低插損的濾波器，這一點已經(jīng)在SAW器件上得以體現(xiàn)，薄膜的出現(xiàn)意味著有望實現(xiàn)高頻率器件。高頻和高帶寬雙特性的加持，使LiNbO3有望成為可用于5G頻段的高性能諧振器與濾波器。

LiNbO3晶體具有高度各向異性，除了材料本身以外，還需要關(guān)注其切向。特定聲學(xué)模式的激發(fā)與特定切向是密切相關(guān)的，因為當(dāng)切向變化的時候，其材料參數(shù)也發(fā)生了變化。其中最為關(guān)鍵的是與壓電效應(yīng)有關(guān)的參數(shù)。 下表中顯示了LiNbO3的幾種常見切向的壓電應(yīng)力常數(shù)：e33、e15和e16。

幾種常見切向的LiNbO3的壓電應(yīng)力常數(shù)

基于鈮酸鋰薄膜（POI）襯底的體聲波諧振器/濾波器，其頻率和帶寬都與5G NR完美契合。基于鈮酸鋰薄膜襯底的XBAR器件可實現(xiàn)現(xiàn)有的SAW和AlN BAW無法企及的高頻率和高耦合系數(shù)，同時實現(xiàn)相對較高的Q。這些特性，使得這一技術(shù)有望在未來廣泛應(yīng)用于高性能的5G頻段的諧振器/濾波器。

基于鈮酸鋰薄膜的XBAR濾波器的性能

射頻濾波器的市場規(guī)模

5G技術(shù)的引入導(dǎo)致大量頻段被集成到一部智能手機(jī)，直接帶來射頻芯片用量的急劇增加。在2G時代，手機(jī)頻段數(shù)是4個；3G時代，手機(jī)頻段數(shù)上升到6個；在4G時代，千元手機(jī)頻段數(shù)就達(dá)到了8-20個，旗艦手機(jī)頻段數(shù)在17-30個，需要20-40個濾波器，10個開關(guān)；到了5G時代，頻段數(shù)將達(dá)到50個，需要70-80個濾波器和15個開關(guān)。

除了手機(jī)移動終端，其他包括5G基站，物聯(lián)網(wǎng)連接終端等場景也需要用到大量的射頻濾波器。

隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，濾波器逐步成為射頻前端中價值量最大的部分，3G時代占比33%，預(yù)計今年占比會提升至66%。SAW濾波器用量目前占比最大，在4G、5G中，SAW濾波器占整個濾波器的60~70%。BAW、IPD、LTCC占剩下的20~30%。

手機(jī)用的濾波器之前國產(chǎn)化率不高的一大重要原因是海外SAW濾波器廠商的專利申請時間為2000~2005年（以2002年以前為主），專利保護(hù)期為20年，目前大部分專利保護(hù)期已過，國內(nèi)廠商出現(xiàn)后來居上的機(jī)會。但并非國內(nèi)廠商在專利限制這塊以后的發(fā)展暢通無阻，生產(chǎn)和工藝端的一些專利限制還是有，不過這方面追溯起來不太容易。

BAW的專利出來較晚，國內(nèi)廠商很難繞過，且目前國內(nèi)客戶不太能接受國內(nèi)BAW濾波器產(chǎn)品，村田的TF-SAW面市后可與BAW抗衡，TF-SAW專利分散，大多專利集中在要在中國開展業(yè)務(wù)的廠商手中，而BAW的專利主要集中在博通和Qorvo手中，后續(xù)國內(nèi)廠商更可能往TF-SAW方面發(fā)展。

根據(jù)Resonant統(tǒng)計，2016-2020年全球射頻濾波器市場規(guī)模從50億美元增長至150億美元。2016年至2020年平均復(fù)合增長率為31.6%，2020年至2025年平均復(fù)合增長率為15%，預(yù)計到2025年市場規(guī)模有望超過302億美元。

審核編輯：劉清