5G射頻前端“POI襯底SAW濾波器”大熱，可取代TC-SAW和BAW

最近，高通與Soitec達(dá)成協(xié)議，Soitec將為高通的射頻濾波器大規(guī)模生產(chǎn)POI襯底，以用于智能手機(jī)射頻前端模塊。今年初高通發(fā)布的ultraSAW濾波器技術(shù)正是基于Soitec POI襯底。

01 什么是POI襯底？

Soitec濾波器業(yè)務(wù)經(jīng)理Christophe Didier在近期的媒體說(shuō)明會(huì)上，對(duì)包括電子發(fā)燒友網(wǎng)在內(nèi)的行業(yè)媒體詳解了POI襯底的技術(shù)和市場(chǎng)前景。

POI襯底在最頂層是一層大概幾百納米厚的單晶的壓電層，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。

來(lái)源：Soitec

POI用的壓電材料和當(dāng)前一般使用在SAW（聲表面波）濾波器用的材料一樣，主要包括兩種材料，分別是鉭酸鋰和鈮酸鋰。而這里的氧化埋層相當(dāng)于溫度補(bǔ)償層，作用是抑制壓電材料，因?yàn)閴弘姴牧显跍囟茸兓臅r(shí)候可能會(huì)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，即器件層的鉭酸鋰或鈮酸鋰。

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(gè)壓電層，可以在壓電層獲得更好的等效的波傳播。

因此，主要的射頻前端生產(chǎn)商已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)以POI為襯底的濾波器，主要采用的規(guī)格是直徑150毫米的POI，此款POI產(chǎn)品作為第一個(gè)使用Smart CutTM技術(shù)生產(chǎn)非硅類材料的優(yōu)化襯底，目前在Soitec法國(guó)貝寧3廠已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

從未來(lái)的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，Soitec計(jì)劃使用鈮酸鋰代替鉭酸鋰，從而更好地把握濾波器的帶寬，同時(shí)也在開(kāi)發(fā)直徑200毫米的POI襯底，以降低總體成本。

02 POI襯底SAW優(yōu)勢(shì)顯著

濾波器有不同的類型，包括SAW、BAW、XBAR等，而POI襯底的SAW以其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)在5G架構(gòu)上能夠取代TC-SAW（溫度補(bǔ)償型SAW）和BAW。

Christophe Didier解析，SAW對(duì)溫度過(guò)于敏感，溫度變化會(huì)影響頻率，但這種溫度的敏感是可以改善的，這種溫度帶來(lái)的變化叫做TCF，衡量單位是ppm.K，改善方法就是通過(guò)TC-SAW（溫度補(bǔ)償型SAW）加上一層溫度補(bǔ)償層。

來(lái)源：Soitec

另外一項(xiàng)濾波器技術(shù)BAW（體聲波），它的過(guò)程特別復(fù)雜，需要很多步驟才能搭建一個(gè)聲學(xué)上需要的“腔”。

通過(guò)對(duì)比可以看到，基于POI襯底的SAW技術(shù)優(yōu)勢(shì)就是能源效率更高，比TC-SAW的能源損耗更小。所以它相對(duì)于SAW和TC-SAW，獲得了更高頻率、更廣帶寬。相對(duì)BAW來(lái)說(shuō)，這種基于POI襯底的SAW工藝流程更簡(jiǎn)單且成本更低。因?yàn)榭梢詫⒑芏鄠€(gè)濾波器集成在同一個(gè)芯片上，所以面積也更小。從生產(chǎn)角度來(lái)講，它的生產(chǎn)流程跟SAW是相似的，但是比TC-SAW和BAW都要簡(jiǎn)單很多。

通過(guò)幾組測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看基于POI襯底的SAW性能與優(yōu)勢(shì)：

第一個(gè)系數(shù)是品質(zhì)系數(shù)，采用Bode Q來(lái)測(cè)量中頻段的諧振器的參數(shù)，測(cè)出來(lái)的參數(shù)是大于4000。

第二個(gè)參數(shù)是耦合系數(shù)，耦合系數(shù)涉及到可以實(shí)現(xiàn)更廣帶寬的濾波功能，這里耦合系數(shù)k2測(cè)出來(lái)是大于8%。

第三個(gè)參數(shù)是TCF（頻率溫度系數(shù)），這是跟溫度相關(guān)的、導(dǎo)致頻率變化的一個(gè)系數(shù)，我們測(cè)得的TCF是小于10 ppm.K-1。

相較于TC-SAW一般用于低頻段和中頻段的濾波技術(shù)，BAW則一般用于中頻段和高頻段，POI襯底的SAW可以解決中頻段和高頻段這兩個(gè)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。

03 市場(chǎng)前景

濾波器在5G智能手機(jī)上是非常關(guān)鍵的組件，鑒于5G的MIMO、載波聚合等技術(shù)的使用，預(yù)計(jì)智能手機(jī)在5G時(shí)代的前端模塊的濾波器面積將會(huì)增加50%。

根據(jù)Yole Development的數(shù)據(jù)，射頻濾波器未來(lái)的市場(chǎng)規(guī)模從2018年的31億美元有望上升到2025年的約51億美元。就POI襯底的價(jià)值而言，Christophe Didier認(rèn)為POI襯底將會(huì)成為未來(lái)幾年的一項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。到2024年預(yù)計(jì)POI襯底的可服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到100萬(wàn)片的晶圓。

審核編輯 ：李倩