總結(jié)射頻濾波器所用的壓電材料的技術(shù)現(xiàn)狀

摘要：射頻濾波器是當(dāng)前5G通訊建設(shè)所需的核心器件，而壓電晶體則是制造射頻濾波器的基礎(chǔ)材料。本文就當(dāng)前射頻濾波器所用的壓電材料的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，對當(dāng)前國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡要總結(jié)。

1 引言

當(dāng)前，第五代移動通信技術(shù)（5G）正在闊步前行，人類將開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機深度交互的新時代。2020年3月，工信部發(fā)布的《工業(yè)和信息化部關(guān)于推動5G加快發(fā)展的通知》中強調(diào)，要“加快5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署、加大基站站址資源支持、加強電力和頻率保障”。

5G時代，智能終端需要接收（5G/4G/3G/2G）多個頻段，同時還要對WIFI/GPS等信號進(jìn)行處理，需要在收發(fā)鏈路中使用多個濾波器避免信號互相干擾。射頻濾波器能夠在通信系統(tǒng)中對通信鏈路中的信號頻率進(jìn)行選擇和控制，將帶外干擾和噪聲濾除。

5G通訊對濾波器提出了高頻帶選擇性、高品質(zhì)因子（Q）、低插入損耗等要求，當(dāng)前主流技術(shù)路線產(chǎn)品是聲表面波（SAW）濾波器、溫度補償型聲表面波濾波器（TC-SAW）和薄膜體聲波濾波器（FBAR）。

2 常見射頻濾波器

SAW濾波器是利用壓電材料表面的聲波來濾除雜波的濾波器。該類產(chǎn)品插入損耗低、抑制性能優(yōu)良、成本低，主要聚焦于10MHz-3GHz之間的頻段應(yīng)用，但易受溫度變化的影響。為改善SAW的溫度特性，在其表層增加溫度補償薄膜制成TC-SAW濾波器。該類產(chǎn)品比普通的SAW濾波器結(jié)構(gòu)和工藝更復(fù)雜，其制造成本也相對較高。

FBAR是體聲波（BAW）濾波器的薄膜化和微機電系統(tǒng)（MEMS）化技術(shù)分支，是利用在頻率元件晶體腔體內(nèi)部傳播的聲波來實現(xiàn)濾波的一類濾波器。

FBAR的工作頻率可高達(dá)10GHz，能承受更大的功率，具有更高的可靠性和Q值，且對溫度變化的敏感度低，適合高頻率、大帶寬要求的5G通信濾波。但其制造需要使用較高難度的薄膜沉積與微機械加工技術(shù)，價格也是SAW濾波器的數(shù)倍。

隨著5G通訊的大力發(fā)展，以及物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備和其他近場連接方式的增加，射頻濾波器市場的將獲得空前巨大的發(fā)展空間。

當(dāng)前智能手機仍是濾波器的消費藍(lán)海（約占市場的80%），且由于消費者對高質(zhì)量通信的依賴，5G手機的消費市場將擁有更廣闊的消費前景。據(jù)統(tǒng)計，要實現(xiàn)2G+3G+4G+5G全球通，可能需要支持90多個頻段，而一個頻段通常需要兩個濾波器，這也意味著一部5G手機可能需要上百個濾波器。

目前，一款4G手機需要用到的濾波器數(shù)量僅為30多個，5G時期全球射頻濾波器市場空間將達(dá)到4G時期的2～3倍。

而價格方面，4G時代單部手機射頻器件價值平均在7.5美金，5G通訊對射頻器件的尺寸、頻率、帶寬提出了更高要求，F(xiàn)BAR的需求將大幅度增加，預(yù)計單臺手機中濾波器的價值將達(dá)到8~12美元。據(jù)預(yù)測，全球射頻濾波器市場規(guī)模將在2020年增至130億美金，到2022年濾波器市場將增至163億美元。

縱觀移動通訊用射頻濾波器產(chǎn)業(yè)鏈，上游的關(guān)鍵原材料主要包括兩大類，一個是壓電晶片（SAW常用的壓電材料是鉭酸鋰、鈮酸鋰等，F(xiàn)BAR常用的壓電材料是氮化鋁等），另一類是陶瓷基板，上游材料產(chǎn)業(yè)鏈主要集中在日本。

中游為器件制造環(huán)節(jié)，主要集中在日本和美國。下游市場主要受智能手機、VR設(shè)備、車載終端等移動智能終端需求的推動，其中智能手機中射頻濾波器用量最大，應(yīng)用企業(yè)主要在中國。

3 射頻濾波器用壓電材料

3.1 鉭酸鋰晶體

鉭酸鋰（Lithium tantalate，簡稱LT）是一種三方晶系的化學(xué)晶體，化學(xué)式LiTaO3，作為一種非線性光學(xué)材料，其應(yīng)用范圍十分廣泛。LT以其優(yōu)良的非線性光學(xué)效應(yīng)、壓電效應(yīng)和光折變效應(yīng)被廣泛用于高頻寬帶濾波器、二次諧波發(fā)生器、電光調(diào)Q元件、激光倍頻器等，在軍事、民用領(lǐng)域有著廣泛的用途。

在射頻濾波器領(lǐng)域，因其卓越的壓電性質(zhì)而被大量用作SAW濾波器的襯底材料，特別是在制作頻率3GHz以下SAW器件襯底中具有絕對的優(yōu)勢，沒有其他材料可替代其地位。

3.2 鈮酸鋰晶體

與鉭酸鋰類似，鈮酸鋰（Lithium niobate，簡稱LN）也是三方晶系的化學(xué)晶體，屬鈦鐵礦型結(jié)構(gòu)。經(jīng)過畸化處理的鈮酸鋰晶體具有壓電、鐵電、光電、非線性光學(xué)、熱電等多性能的材料，在軍事、民用領(lǐng)域有著廣泛的用途，可用于制造調(diào)Q開關(guān)、光電調(diào)制等；

摻加一定量的鐵和其他金屬雜質(zhì)的LN晶體，可用作全息記錄介質(zhì)材料、二次諧波發(fā)生器、相位光柵調(diào)解器、大規(guī)模集成光學(xué)系統(tǒng)、高頻寬道帶濾波器等。LN也可作為壓電襯底在制造SAW濾波器中廣泛應(yīng)用，其用量僅次于LT。

鉭酸鋰和鈮酸鋰晶體的制備通常都采用提拉法，直接從熔體中拉制出具有各種截面形狀晶體，鉭酸鋰晶體通常使用碳酸鋰和氧化鉭混合制備而成，鈮酸鋰晶體通常使用碳酸鋰、五氧化二鈮為原料制備而成。

3.3 氮化鋁

氮化鋁（AlN）是一種六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的共價鍵化合物。通常狀態(tài)下為灰色或灰白色，具有高熱導(dǎo)率、高溫絕緣性、介電性能好、高溫下材料強度大以及熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點。AlN在射頻濾波器中有兩方面的應(yīng)用。其中一種是作為壓電薄膜用于制造薄膜體聲波濾波器（FBAR）。

由于AlN沿c軸取向壓電效應(yīng)明顯，在電極材料上制備ｃ軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜可獲得高性能薄膜體聲波器件。AlN薄膜通常采用金屬化合物氣相沉積、脈沖激光沉積、磁控濺射等方法制備。另一方面應(yīng)用場景是作為一種高溫耐熱陶瓷用作射頻濾波器的基板。

AlN熱導(dǎo)率高，較氧化鋁陶瓷高5倍以上，同時其膨脹系數(shù)低，與硅性能一致。使用氮化鋁陶瓷為主要原材料制造而成的基板，具有高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、高強度、耐腐蝕等特性，是理想的散熱基板和封裝材料。

氮化鋁粉體的制備方法很多，目前國內(nèi)外研究的主要有以下幾種方法：鋁粉直接氮化法、Al2O3碳熱還原法、自蔓延高溫合成法、溶膠-凝膠法、等離子化學(xué)合成法、化學(xué)氣相沉積法等。氮化鋁粉體在制備過程中容易氧化和水解，從而影響制品的純度和品質(zhì)，因此采取適當(dāng)措施來抑制和防止其氧化和水解，成為氮化鋁粉體制備技術(shù)當(dāng)中的重要環(huán)節(jié)和今后研究的重點。

其他還有多種壓電材料也可用于射頻濾波器的制造，包括石英、鈮酸鉀、四硼酸鋰、鍺酸鎵鍶和鎵鑭系列等，隨著人們的不斷探索，多種優(yōu)異性能的壓電晶體也不斷被挖掘開發(fā)，但現(xiàn)階段用于制造SAW濾波器的壓電材料中用量最大的仍是鉭酸鋰和鈮酸鋰，而用于制造FBAR的壓電材料中用量最大的則是氮化鋁。其中石英是最早用于制造SAW濾波器的壓電晶體，但由于其自身機電耦合系數(shù)的限制，難以應(yīng)用于高頻、寬帶的射頻濾波器，已逐步被淘汰。

4 射頻濾波器壓電材料發(fā)展現(xiàn)狀

LT、LN晶體較大的壓電系數(shù)可以制作低插入損耗的SAW濾波器，但其光透過和高熱釋電等性能也給SAW器件的制作工藝帶來很多不便。在SAW或BAW器件生產(chǎn)過程中，高熱釋電系數(shù)使得晶片表面很容易形成大量靜電荷，這些電荷會在叉指電極間、晶片間自發(fā)釋放。

當(dāng)靜電場足夠高時，靜電荷釋放容易損傷晶片，燒毀叉指電極，特別是在制作高頻和細(xì)指條產(chǎn)品時尤為明顯。此外，在傳統(tǒng)壓電晶片上進(jìn)行光刻工藝時，材料的透光性導(dǎo)致晶片背面形成漫散射，從而降低了光刻電路的襯度，導(dǎo)致失真的線寬。

針對SAW器件制作中存在的這些問題，近年來國際上興起對LN、LT晶片進(jìn)行化學(xué)還原的工藝。經(jīng)處理過的LN和LT晶片，基本上都呈黑色，因此也稱為黑片。雖然LT黑片有效地減少了晶片的熱釋電效應(yīng)，但過黑的LT晶片會對SAW濾波器的插入損耗造成影響，還易導(dǎo)致晶片的加工性差。

晶片電阻率在1010Ω·cm量級范圍內(nèi)，可同時兼顧晶片可加工性和防靜電損傷的特點。

相較于氧化鋁陶瓷基板，受制于生產(chǎn)工藝要求高、價格偏高等因素的影響，現(xiàn)階段氮化鋁陶瓷基板應(yīng)用范圍相對較窄，主要應(yīng)用于高端電子領(lǐng)域。

但隨著電子信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)不斷升級，PCB基板小型化、功能集成化成為趨勢，市場對基板的散熱性與耐高溫性要求不斷提升，氮化鋁陶瓷基板的發(fā)展將迎來機遇，將在通信、消費電子、LED、軌道交通、新能源等各個領(lǐng)域得到應(yīng)用。

現(xiàn)階段，國際上生產(chǎn)LT和LN晶體的主要國家在日本，日本的許多大型企業(yè)如住友化學(xué)株式會社、日本信越化學(xué)工業(yè)株式會社等都大規(guī)模生產(chǎn)LT、LN晶體，而AlN的主要生產(chǎn)廠商也是集中在日本，如京瓷和TDK等。

目前，日本在射頻濾波器用壓電材料的制備和生產(chǎn)方面處于領(lǐng)先，無論是技術(shù)工藝水平還是產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量都占據(jù)龍頭地位。與壓電晶體類似，日本企業(yè)在國際氮化鋁陶瓷基板市場中同樣處于壟斷地位，此外中國臺灣地區(qū)也有部分產(chǎn)能。

隨著中國電子信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，技術(shù)水平不斷提高，國內(nèi)市場對射頻濾波器的需求快速上升，在市場的拉動下，進(jìn)入行業(yè)布局的企業(yè)開始增多。

射頻濾波器產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)整體非常復(fù)雜，所涉及的材料、曝光、光刻、工藝參數(shù)等細(xì)微變化都會極大影響產(chǎn)品性能。為了最大化的保證最優(yōu)設(shè)計結(jié)果，國外龍頭企業(yè)多采用IDM（集成器件制造）模式，企業(yè)具備器件設(shè)計、材料制備、晶圓及基板制造、封裝和可靠性測試等各環(huán)節(jié)的能力。

此外，國際大廠對濾波器的制造工藝和知識產(chǎn)權(quán)的掌控也處于領(lǐng)先地位，以LT和LN晶體的發(fā)明專利為例，當(dāng)前全球范圍內(nèi)專利總數(shù)排名前15的企業(yè)中，有9家日本的公司，而中國企業(yè)只有1家。因此國內(nèi)企業(yè)應(yīng)加大創(chuàng)新研發(fā)投入，合理布局專利，建立完整系統(tǒng)的知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略體系。

現(xiàn)階段我國射頻濾波器生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)薄弱。國內(nèi)制造廠家并不完全具備寬槽犧牲層材料平坦化、超薄片減薄拋光、Mo薄膜小角度干法刻蝕、高精度/高取向度和高均勻性壓電薄膜制備等多種核心制造技術(shù)，難以進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)加工，或者產(chǎn)品批次一致性差，需進(jìn)行大量的研發(fā)投入和技術(shù)摸索。

經(jīng)不完全統(tǒng)計，我國2019年鉭酸鋰單晶的產(chǎn)量約為23萬噸，國內(nèi)能夠生產(chǎn)供射頻濾波器用的壓電材料的廠商主要有中國電科26所、浙江天通、上海召業(yè)、德清華瑩等。

5 結(jié)語

據(jù)了解，中國電科26所生產(chǎn)的鉭酸鋰、鈮酸鋰晶體，雖然其晶體的黑化還原等高端技術(shù)仍不如日本企業(yè)，在部分特殊應(yīng)用環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用仍需進(jìn)口，但在移動通訊領(lǐng)域，其產(chǎn)能基本可滿足企業(yè)自身射頻濾波器產(chǎn)品的制造需求。這說明隨著我國產(chǎn)業(yè)的升級改造，射頻濾波器用壓電材料的產(chǎn)能也得到了逐步的提升。

包括射頻濾波器在內(nèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在度過一個歷史性的艱難階段。本次新型冠狀病毒肺炎疫情也導(dǎo)致了SAW濾波器的漲價和供不應(yīng)求，在國產(chǎn)化替代需求和國家政策的推動下，國內(nèi)射頻濾波器企業(yè)也吹響了自主可控的旋律，正在圍繞關(guān)鍵材料壓電晶片的黑化還原劑設(shè)計、有限元分析及高Q值結(jié)構(gòu)、復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)層應(yīng)力補償?shù)群诵募夹g(shù)進(jìn)行攻關(guān)突破，以期盡快實現(xiàn)彎道超車。

本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《中國標(biāo)準(zhǔn)化》2020年S1期，版權(quán)歸《中國標(biāo)準(zhǔn)化》編輯部所有。

作者：湯朔，薛超 中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院

編輯：jq