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打破SAW和BAW瓶颈,射频滤波器迎来新突破

http://www.ec.hc360.com2020年07月29日14:33 来源:半导体行业观察T|T

    随着5G的落地和普及,对相关芯片元器件的数量和质量要求越来越高,特别是射频前端,包括功率放大器(PA)、双工器(Duplexer和Diplexer)、射频开关(Switch)、滤波器(Filter)、低噪放大器(LNA)等组成部分。这其中,设计难度最大的非滤波器莫属了,目前,全球范围内能够设计具备优良性能并实现量产的5G射频滤波器厂商很少,相应的技术门槛很高。

    据YoleDevelopment统计,2018年射频滤波器的市场规模是31亿美元,2025年将上升到约51亿美元。

    目前,射频滤波器主要有两种技术,即声表面波(SAW)和BAW(体声波)。然而,这两种技术都有一定的局限性。SAW的最大问题是对温度过于敏感,温度变化会影响频率,温度带来的变化叫做TCF(频率温度系数),但是,这种温度的敏感是可以改善的,方法就是通过TC-SAW(温度补偿型SAW)加上温度补偿层。

    BAW是高端滤波器技术,它的实现过程特别复杂,而且需要很多步骤才能搭建一个声学上需要的“腔”。

    新材料技术助力SAW

    为了改善射频滤波器的性能,Soitec公司推出了POI衬技术。据Soitec滤波器业务经理ChristopheDidier介绍,基于POI衬底的SAW优势就是能源效率更高,比TC-SAW的能源损耗更小,所以相对于传统SAW和TC-SAW,频率会更高、带宽更广。另外,相对于BAW来说,基于POI衬底的SAW工艺流程更简单且成本更低。因为可以将很多个滤波器集成在同一个芯片上,所以面积也更小。它的生产流程跟SAW很相似,但是比TC-SAW和BAW都要简单。

    POI衬底的结构是这样的:在最顶部是一层大概几百纳米厚的单晶压电层,在它之下是一层氧化埋层,大概也是几百纳米厚,底部的基底是高电阻率硅材料。

    据ChristopheDidier介绍,POI用的压电材料和传统SAW滤波器用的材料是一样的,主要包括两种:钽酸锂和铌酸锂。如下图所示,这里的氧化埋层相当于温度补偿层,作用是抑制压电材料,因为压电材料在温度变化时可能会扩张或收缩,从而影响频率,因而需要氧化埋层抑制压电材料,即器件层的钽酸锂或铌酸锂。而底层的高电阻率硅的作用是减少损耗。能够在极薄的压电层限制波能等效(equativewaveenergy)。由于能很好地控制整个压电层,可以在压电层获得更好的等效波传播(equativewavepropagation)。因此,主要的射频前端生产商已经开始生产以POI为衬底的滤波器,主要采用的规格是150mm晶圆的POI,目前,这款POI产品已经在Soitec法国贝宁3厂实现量产。

    

    “在Soitec的发展路线图里,我们计划使用铌酸锂代替钽酸锂,这样可以更好地把握滤波器的带宽,同时,我们也在开发200mm晶圆的POI衬底,以降低总成本。滤波器在5G智能手机上是非常关键的组件,鉴于5G的MIMO、载波聚合等技术的使用,我们预期智能手机在5G时代的射频滤波器面积将会增加50%”,ChristopheDidier说。

    谈到成本,ChristopheDidier表示:“我们要从整个系统视角来看,POI会给系统级的成本带来一些增益。第一、能耗的节约带来的成本增益;第二、赋能更高的集成是降低成本的另一大因素,多个滤波器可集成在同一个芯片上;第三、降低生产成本,基于POI衬底的SAW生产步骤比BAW简单很多,所以也会促进降低成本。”

    另外,Soitec独有的晶圆切割技术SmartCut可以用于不同的材料。作为第一个使用SmartCut技术生产非硅类材料的优化衬底,POI衬底已实现了量产。

    测试对比

    下面通过几组测试数据来说明一下基于POI衬底的SAW性能与优势。第一个系数是品质系数,采用BodeQ来测量中频段的谐振器参数,测出来的参数大于4000。第二个参数是耦合系数,涉及可以实现更高带宽的滤波功能,这里,测出的耦合系数k2大于8%。第三个参数是TCF,这是跟温度相关的、导致频率的变化的一个系数,测得的TCF小于10ppm.K-1。总之,基于POI衬底的SAW滤波器能够让设计师设计出性能更佳的5G滤波架构。

    

    总体来看,TC-SAW是用于低频段和中频段的滤波技术,BAW一般用于中频段和高频段。而在超高频段就比较复杂,比如说会采用LTCC、XBAR、BAW,还有IPD(IntegratedPassiveDevice),目前在超高频段的技术比较复杂,POI衬底主要用于Sub-6GHz频段的滤波器,毫米波频段目前没有应用,ChristopheDidier认为目前谈毫米波段的应用为时尚早。

    

    总之,在5G滤波器方面,基于POI衬底的SAW是取代TC-SAW和BAW的更优解。

    市场拓展

    

    目前,POI衬底已经进入市场,ChristopheDidier表示:“就其价值而言,我们认为POI衬底会成为未来几年的一项行业标准。到2024年,我们预测POI衬底的可服务市场规模将达到100万片晶圆。”

    目前,Soitec在5G生态系统里面正在与国际范围内的很多公司合作,包括中国公司。

    最近,Soitec与高通公司达成了一项关于POI衬底的协议,高通采用了POI衬底,以用于它们的UltraSAW滤波器。这对Soitec来说是一项重要合作协议。

    关于与高通的合作,ChristopheDidier表示:“在选择合作伙伴时,高通非常看重两点:一是要具有创新精神,能够以不断创新的优化衬底带来高价值;二是能够实现创新技术的量产。”

    “而创新和量产始终是Soitec的灵魂,是我们的DNA。过去几年,我们在创新衬底和量产方面都有过实实在在的成绩,比如PD-SOI、RF-SOI和FD-SOI技术。”

责任编辑:黄美婷

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