射頻前端濾波器概述和挑戰(zhàn) 聲學(xué)濾波器的工作原理

射頻前端濾波器概述

如圖所示，手機(jī)射頻前端的發(fā)射部分包括PA、Switch和發(fā)射的濾波器，另外還有雙工器、四工器、六工器。在接收通道，除了射頻開關(guān)或低噪放之外、還有接收濾波器。因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)頻段就會(huì)增加一個(gè)濾波器或一個(gè)雙工器，因此，濾波器的數(shù)量這些年隨著頻段的增加而大幅度增加。

以一個(gè)雙工器為例，雙工器既具有發(fā)射的通帶（Tx）也有接收通帶（Rx）。如圖所示，通帶內(nèi)的插入損耗是比較小的，只有一點(diǎn)幾個(gè)dB。主要是因?yàn)檫@種聲學(xué)濾波器具有比較高的品質(zhì)因數(shù)，能夠形成一個(gè)比較好的“插入損耗”。這里要先說明一下，一個(gè)雙工器還并不能簡(jiǎn)簡(jiǎn)單的理解成是發(fā)射和接收兩個(gè)濾波器的加和。這是因?yàn)椋簝蓚€(gè)濾波器之間的信號(hào)不能互相干擾，還需要做到一個(gè)比較好的隔離，這個(gè)指標(biāo)叫做隔離度。

那么聲學(xué)濾波器的工作原理是怎么樣的呢？

聲學(xué)濾波器主要是有兩大結(jié)構(gòu)：（1）梯形結(jié)構(gòu)（2）DMS結(jié)構(gòu)

由于DMS結(jié)構(gòu)比較特殊，是特殊用在表面波器件上，所以我們本期不做深入的介紹。主要講解一下梯形結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)有比較好的功率耐受性能，所以它能夠用在發(fā)射端的濾波器設(shè)計(jì)中。因此，包含發(fā)射通帶的雙工器或者多工器當(dāng)中，必然要用到這種梯形結(jié)構(gòu)，而且這種結(jié)構(gòu)對(duì)于表面波或者是體征波來說都是適用的。它主要是由串聯(lián)Ys和并聯(lián)支路Yp組合而成，這兩個(gè)諧振器就可以構(gòu)成一個(gè)最簡(jiǎn)單的帶通濾波器。也就是說，這樣一個(gè)梯形結(jié)構(gòu)它的核心單元就是這兩個(gè)支路的諧振器。但是，由于帶外抑制等性能要求，要由多個(gè)串聯(lián)或者并聯(lián)支路才能滿足應(yīng)用需求，另外，單個(gè)Ys或者Yp的功率耐受性會(huì)比較弱，所以我們往往會(huì)形成多階。每階的串聯(lián)或者并聯(lián)支路往往由2個(gè)或者3個(gè)以上的諧振器構(gòu)成的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要是來滿足客戶對(duì)于功率耐受以及帶外抑制等性能的需求。

如圖，我們可以看到諧振器是梯形結(jié)構(gòu)中最核心的單元，那么，我們接下來主要講解一下不同的諧振器。聲學(xué)濾波器中主要包含表面波和體波兩種。我們先來講解一下表面波諧振器。

首先介紹非常常規(guī)的一種表面波的諧振器，就是在壓電材料42oYX-LiTaO3材料上，(YX是指波是在Y單晶晶圓面上沿X方向傳播)，我們?cè)谶@個(gè)上面做一叉指換能器，因?yàn)槠湫螤铑愃朴趦蓚€(gè)手指交叉的樣子，故而稱之為叉指電極。如圖，波長(zhǎng)是虛線間的長(zhǎng)度，當(dāng)濾長(zhǎng)為2微米左右時(shí)，器件工作在2GHz左右。我們知道2GHz附近的頻譜資源是比較擁擠的，聲表面波恰好可以工作在這樣的頻段，尺寸又滿足射頻前端的要求，從而成為這個(gè)領(lǐng)域的主要產(chǎn)品形態(tài)之一。我們把這種常規(guī)的表面波諧振器對(duì)應(yīng)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，就可以形成所謂的Normal SAW濾波器。

接下來，我們看一下有溫度補(bǔ)償效果的TC SAW，我們看兩種TC SAW，默認(rèn)TC SAW是指在壓電材料上面沉積一層二氧化硅?；驹硎牵撼Ｒ?guī)的壓電材料具有負(fù)溫度頻漂系數(shù)，即頻率隨隨著溫度增高而下降，我們?cè)僭谶@個(gè)上面結(jié)合一層正溫度系數(shù)，比如：二氧化硅，那么就可以形成一種溫度補(bǔ)償?shù)男Ч蛘哒f隨著溫度變化，頻率漂移量變小。另外一種TC SAW，我們特殊的稱之為Bonded Wafer TC SAW。主要的原理也是正負(fù)溫度系數(shù)的材料結(jié)合在一起，比如我們選擇Sapphire這種晶圓，但是，這個(gè)時(shí)候我們要增加一道工序，就是減少壓電材料的厚度，因?yàn)楸砻娌?，顧名思義，它的聲波能量或者傳播的界面是就在表面，一般是在表面小于一個(gè)波長(zhǎng)之內(nèi)，因此，如果不減薄，就不能夠達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。目前常?guī)用的20um左右的壓電薄膜材料。

最后一種所謂IHP SAW的性能相對(duì)于TC SAW和Normal SAW有大幅度的提高。它的壓電層也是比較薄的材料，然后在其下方做了一個(gè)聲學(xué)反射層，把一些聲波能量集中到壓電諧振腔和IDT區(qū)域之內(nèi)，從而使品質(zhì)因素大幅度的提高。另外，如果低聲阻抗材料選擇二氧化硅的話，同時(shí)也能夠形成溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?，可以說IHP SAW的綜合性能非常優(yōu)異！

接下來來介紹下體波。FBAR主要用的是氮化鋁薄膜，如圖所示，這個(gè)三明治結(jié)構(gòu)是主要的諧振腔。FBAR通過空氣腔形成了一個(gè)完美的反射效果，可以把能量全部集中在三明治結(jié)構(gòu)的諧振腔體中。因此，具有非常高的品質(zhì)因數(shù)或者Q值，右側(cè)是BAW-SMR，總體上來說比空氣的效果差一些，而且它對(duì)工藝要求比較高，特別是對(duì)各層厚度、均勻性的控制方面。

最后，我們講解一下關(guān)于濾波器的命名，目前這種射頻聲學(xué)濾波器主要以諧振器的結(jié)構(gòu)類型來命名，比如用TC SAW形成的濾波器，我們就稱之為TC SAW的濾波器，以此類推。

下面進(jìn)入到工藝方面，以一個(gè)典型Normal SAW制備工藝為例，我們可以看到其前道晶的制備工藝非常簡(jiǎn)單，因此，如果能夠滿足產(chǎn)品的需要，比如：性能和可靠性等，考慮到性價(jià)比的話，會(huì)優(yōu)先采用表面波技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。右邊是實(shí)際制備的濾波器圖形以及叉指電極的形狀。

關(guān)于BBAR的制備工序，相對(duì)Normal SAW來講制備工序比較多，我們先解一下三明治結(jié)構(gòu)和空腔形成，如上圖所示，諧振器的電極形狀有多邊形的, 也有方塊狀的。

我們?cè)賮砜匆幌路庋b。我們這里主要看CSP，這種封裝主要是針對(duì)分立器件。首先要在晶圓上面植一些球，目前國(guó)內(nèi)普遍做的是金球、因?yàn)榻鹎蛑采先?huì)比較干凈、不需要用藥水進(jìn)行清理，植完球之后進(jìn)行切割。然后再將它倒扣在HTCC或者Laminate的基板上。倒扣上去之后要進(jìn)行覆膜保護(hù)，從而形成空腔結(jié)構(gòu)。形成空腔結(jié)構(gòu)之后，這里的諧振器就不會(huì)受到外界外界干擾。覆膜完之后會(huì)打一個(gè)標(biāo)，把整個(gè)器件切下來，就可以作為一個(gè)表面切的器件來使用，這是比較常規(guī)的一個(gè)器件。

射頻前端濾波器發(fā)展機(jī)遇

近幾年濾波器市場(chǎng)有明顯的增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)對(duì)濾波器的重視程度逐漸提高，資本雄厚的玩家走IDM的路線，把產(chǎn)線包括前道的晶圓加工、后道的封裝和測(cè)試進(jìn)行整合，與銷售團(tuán)隊(duì)和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)去做自己的品牌。也有一些做細(xì)分領(lǐng)域的，比有的做Fab和封裝公司來給設(shè)計(jì)公司做代工，另外，還有一些做EDA軟件，助推設(shè)計(jì)公司開發(fā)產(chǎn)品。這類軟件主要是是針對(duì)表面波器件的設(shè)。另外，一些主要的設(shè)備，包括表面波設(shè)備、AlN薄膜的制備，***、金屬膜的制備和測(cè)試設(shè)備等目前很多都依賴于進(jìn)口或者進(jìn)口的二手設(shè)備進(jìn)行一些改造，因此，這方面也有很多創(chuàng)業(yè)的機(jī)會(huì)。

另外還有一些主要的原材料，比如：壓電材料，特別是HTCC陶瓷材料目前為止還是以國(guó)外壟斷為主。對(duì)于國(guó)內(nèi)來說，還是有不少的機(jī)會(huì)可以做一些替代性嘗試。對(duì)于一些稍微成熟的公司，可以考慮一些集成化產(chǎn)品的開發(fā)，比如DiFEM主要在接收，可以把濾波器做成比較小型化的產(chǎn)品集成到模組中。針對(duì)發(fā)射方面有PAMiD，主要是將一些發(fā)射的濾波器、雙工器集成化，這一類相對(duì)來說復(fù)雜程度比較高。

射頻前端濾波器面對(duì)的挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn)一：知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

在濾波器這個(gè)產(chǎn)業(yè)，專利的門檻比較高，以國(guó)外巨頭壟斷為主，想要突破還是比較困難的。

我們可以把濾波器按照封裝形式來分，分為CSP和晶圓級(jí)。也可以按工作模式來分，可分為Tx，Rx，雙工器、四工器，多工器等。還可以按照前述技術(shù)分類，那么，我們?cè)谡劶皩＠麜r(shí)，我們先看Normal SAW中的Rx濾波器，這種濾波器在專利上基本沒有問題，然后，Tx的專利相對(duì)來說也沒有什么問題，但是，Tx由于有功率耐受性的要求，所以現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)還沒有大量出貨，而Rx由于對(duì)功率耐受性的要求相對(duì)來講比較低，所以，我們可以講Rx已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，在大量出貨中。

如果Normal SAW再往上走，比如到雙工器就會(huì)涉及到隔離度的指標(biāo)，雙工器并不是簡(jiǎn)單的一個(gè)Tx和Rx的加和，還要求在這兩個(gè)之間的信號(hào)傳輸時(shí)不要形成干擾。因此，如何做好隔離度需要有一些專利，然后，像FBAR中的空腔結(jié)構(gòu)、電極形狀以及IHP SAW等方面都需要做一些專利方面工作。對(duì)于晶圓件封裝，本身是有一些專利的，我們?nèi)绻枰鲆恍┚A級(jí)封裝的Tx/Rx濾波器或者雙工器的話，至少我們需要在上面做一些自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)劃和布局。

挑戰(zhàn)二：多工器

Source: Warder, P. and Link, A., 2015. Golden Age for Filter Design

我們以四工器為例。四工器的原理相當(dāng)于是把兩個(gè)雙工器放在一起。這里面可以進(jìn)一步的推廣，就像雙工器那樣、四工器肯定也不是簡(jiǎn)單的兩個(gè)雙工器的加和。這里面涉及的變量，相對(duì)來說會(huì)比較多，復(fù)雜程度也會(huì)比較大。如上圖所示的結(jié)構(gòu)是Band4 Tx跟Rx做在2個(gè)die上面，Band25的Tx和Rx做在一個(gè)上面，我們也可以把兩個(gè)雙工分別做在1顆Die上面，此外，這樣一個(gè)四工器，它的指標(biāo)包括插損、VSWR、隔離度IL、Band Rejections和Harmonics等等總共超過100個(gè)，因此對(duì)于設(shè)計(jì)來講要做的Trade-off會(huì)比較多！

審核編輯：湯梓紅