高性能声学滤波器技术研究进展【2021】

文章来源：MEMS

转载自《压电与声光》2020年第5期，版权归《压电与声光》编辑部所有。

李晖，米佳，胡少勤，李左翰，邱海莲

中国电子科技集团公司第二十六研究所，中国电子科技集团公司第二十四研究所，云南省机电一体化应用技术重点实验室

摘要：声学滤波器是当前射频前端模块中最核心元器件之一。随着第五代（5G）移动通信技术的深入推进，对滤波器的技术要求也不断提高。近年来，在一些新架构、新材料和先进建模技术的加持下，声学滤波器技术屡有突破，已研制出多种高性能声学滤波器。该文对高性能声表面波（SAW）和声体波（BAW）滤波器技术（包括Ultra-SAW、LowDrif™和NoDrift™、I.H.P SAW、XBAR™、XBAW滤波器等）的研究情况进行了介绍与评述。最后对未来声学滤波器将面临的技术问题做了简要总结。

关键词：声学；声波；声表面波（SAW）；体声波（BAW）；滤波器；射频前端模块（RFFEM）；第五代移动通信技术（5G）

0 引言

滤波器能滤除信号通道中不需要的频率分量，同时保留需要的频率分量。因此，从电子通信发展的初期，滤波器就在信号处理电路中发挥着重要的作用，并随着通信技术的发展而取得不断进步。

目前，在移动通信中所使用的频段数量已从2000年初的4个频段大幅增加到如今的40多个频段，特别是在第五代（5G）移动通信和其他新无线传输技术，如大规模多输入多输出（MIMO）和多载波聚合（MCA）技术等引入后，需支持的无线通信频段也越来越多。频段数越多则要求滤波器数量也越多。虽然实现信号处理的滤波器种类较多，但基于性能、尺寸和成本方面的综合考虑，声学滤波器已成为目前射频（RF）信号通路中的主要技术。

一般而言，声学滤波器包括声表面波（SAW）和声体波（BAW）滤波器，可在低频（约400MHz）和高频（高达6GHz）下进行工作。SAW滤波器能满足最高1.9 GHz标准滤波器应用，包括第一代（1G）至第三代（3G）移动通信等标准频段，以及部分第四代（4G）频段；而BAW滤波器可处理的频率高达6GHz，在频率高于1.9 GHz的4G频段和5G频段（sub-6GHz）的应用优势更明显。因此，这两种声学滤波器在当代移动通信设备中具有互补优势，共存使用，成为其RF信号通路中的关键组成部分。

随着RF滤波器数量的增长及RF前端性能要求的不断提高，也要求声学滤波器具有更高的性能（如低插入损耗、宽带宽、高温度稳定性及带外抑制能力等）。近年来，为适应新的应用需求，在一些新架构、新材料和先进建模技术的加持下，通过引入新的封装方法不断减小尺寸，已研制出很多高性能声学滤波器，持续在RF系统中发挥着重要作用。本文对近年来国内外的一些高性能声学滤波器技术的研究情况进行了分析与评述。

1 SAW滤波器技术

虽然如今的SAW滤波器技术已很成熟，但在RF前端市场需求的推动下，近年来仍在持续发展。常规的SAW滤波器由于本身的局限性，在频率约2.5GHz时，其仅限于中等性能需求的应用，且其性能易受温度变化的影响。

2018年，Yuichi Takamine等研制出一种被称为“超高性能 SAW（I.H.P．SAW）”的滤波器，将SAW技术发挥到接近4GHz，目前该公司量产的频率可达3.5GHz。这种滤波器具有高品质因数（Q）值、低频率温度系数（TCF）和高散热性的特点，可实现与BAW滤波器相同或高于BAW滤波器的特性。其最大Ｑ值为3000，TCF小于±8×10^-6/℃，同时，这种滤波器可将电极产生的热量高效地从基板一侧散发出去，可将通电时的温度上升幅度降至以往SAW的一半以下。

2019年，Alina-Cristina Bunea等利用GaN/Si谐振器（见图1）设计出一种工作频率高达5GHz的微波SAW带通滤波器。图1中，h_met，h_GaN分别为金属层和GaN层的厚度，W为宽度，S为间距。模拟结果显示，在5.5GHz时该滤波器的插入损耗为10.4dB，3dB带宽为8MHz。

图1 GaN/Si基SAW谐振器结构的剖面示意图

2020年，美国高通公司突破性地推出了一种面向4G和5G移动终端应用的被称为“UltraSAW”的滤波器。这种滤波器具有优异的高频率选择性和极低插入损耗，其Q≈5000（比BAW滤波器的Q值高），且其温度稳定性较好，温度漂移极低。UltraSAW滤波器采用了由法国Soite公司提供的一种被称为绝缘体基压电材料（POI）作为衬底。如图2所示，POI衬底材料以高阻硅作为基底，中层为氧化埋层，顶部是一层薄且均匀的单晶压电层，通过Soitec自主研发的SmartCut™工艺制成。利用POI衬底可改善滤波器的品质因数、耦合系数及频率温度系数等性能。

图2 用于SAW滤波器制作的POI衬底结构示意图

2020年，上海微系统研究所将LiNbO₃单晶薄膜与高声速、高导热的支撑衬底进行异质集成，并利用这种POI衬底结构制作了一种高性能的SAW滤波器。

图3为该滤波器的测试结果。由图可看出，其中心频率约为2.29GHz，3dB相对带宽约为9.9%，通带内最小插入损耗为1.38dB，带外抑制约为40dB。利用这种异质集成技术来研制射频滤波器，可进一步提高射频SAW滤波器的工作频率和综合性能。

图3 利用异质集成POI技术来制作的SAW滤波器的测试结果

由于SAW滤波器易受温度的影响，特别是当温度升高时，其基片材料的刚度逐渐变小，声速降低。因此，在此使用场合下，通常的替代解决方案是使用温度补偿型（TC-SAW）滤波器。目前实现TC SAW滤波器的方式有：

1）将压电基片与具有低热膨胀系数（TEC）的基片（如蓝宝石或Si）进行键和，以改善器件的TEC。

2）在具有负声速温度系数（TCV）的基片上沉积正TCV的辅助材料（如SiO₂）。

图4为两种TC-SAW滤波器的基本结构形式和常用的材料类型。由图4（b）可看出，由于SiO₂不是压电材料，在制备过程中，SiO₂特性（如弹性温度系数（TEC））会因材料制取条件而急剧变化，故较薄的SiO₂对于器件性能表现更好。

图4 TC-SAW滤波器器件类型及所使用的材料

美国Qorvo公司目前解决温度漂移问题的方法之一是采用该公司特有的LowDrift™和NoDrift™技术。利用这些技术不仅实现了低插入损耗，还可确保温度波动时的可靠性能。如图5所示，在-30～+85℃时，LowDrift™滤波器的TCF为（-15～-25）×10^-6/℃，NoDrift™滤波器 的TCF约为0。2020年，报道了利用化学机械抛光SiO₂薄膜工艺来制备满足TC-SAW要求的高密度、无孔隙平坦SiO₂薄膜的方法，并在此基础上研制出一种滤波器样品，其常温中心频率为136.2MHz，在-55～+85℃内频率漂移仅388.2kHz，其TCF仅-2.035×10^-6/℃。

图5 LowDrift™和 NoDrift™ SAW器件的TCF特点

常规的TC-SAW结构都属于多层结构，因其排线的固有波导特性将在谐振器中产生很强的横向模式。通常横向模式会使通带产生过度的频率波纹，继而导致更高的通带损耗，也使生产率降低。为此，美国加利福利亚大学的研究人员提出一种新的谐振器结构来抑制TC-SAW器件中的横向寄生效应。图6为这种新型谐振器结构示意图。由图可看出，此谐振器结构中，将声波谐振器的波导进行弯曲，其弯曲角度（θ）为谐振器叉指换能器（IDT）区域的长度与半径（ρ）之比。当SAW谐振器被弯曲后，仍可进行诱导基本模式，但因辐射损耗增加，高次横向模式将被泄露掉。与其他横向模式抑制方法相比，这种新谐振器弯曲方法只是改变结构的外形，工艺流程无需进行特殊处理。这种方法比电极切趾法更有效，其原因是切趾法会因谐振器边缘处TC-SAW孔径的减小而使有效耦合降低。

图6 弯曲型谐振器结构示意图

2 BAW滤波器技术

从近两年全球5G移动通信网络技术的部署情况来看，已包含第一阶段3～5.9GHz的sub-6G频段，以及下一阶段24GHz以上的毫米波频段。因此，通过利用更高频段及频段重组来实现5G移动通信，使声学滤波器面临新的技术挑战。与SAW滤波器技术相比，在高频范围下，BAW滤波器技术的通带插损小，选择性高，可承受高功率的时间长，静电放电（ESD）保护好，且温度特性稳定。

虽然在20世纪60年代BAW滤波器已有相关研究，但直到90年代才体现出其在吉赫兹频段应用的优势。近年来，因微机电系统（MEMS）等制备工艺的成熟，BAW滤波器的研究与应用也取得了良好进展，但其重点研究工作仍围绕宽带化、高功率化、高温度稳定性及小型化等方向进行开展。

1995年，K.M.Lakin等对实现BAW滤波器的声谐振器进行了分类。根据声能反射方式和结构方式的不同，BAW滤波器的声谐振器可分为薄膜体声波谐振器（FBAR）及固体装配型（SMR，又称为固贴型）BAW谐振器。FBAR滤波器可提供更大的带宽，具有更好的滤波性能。SMR型滤波器因其结构中有一条导热通路通向衬底，可通过衬底进行散热，但其Q值相对较低。而FBAR滤波器由于谐振器结构里有气隙，因为空气是不良热导体，因此导热能力相对较弱。如Qorvo公司开发的SMR型BAW滤波器，其谐振器结构中的声发射层很薄，与下方的Si基板直接相连，从而使滤波器内产生的热量能有效地从压电谐振器散开，并通过反射层传递至基板。如图7所示，Qorvo公司使用SMR谐振器结构的器件每瓦发射功率的温度只上升20℃，而使用FBAR结构时，每瓦发射功率的温度则上升70℃。因此，SMR滤波器更能满足系统在大功率和高温条件下对插入损耗和带外衰减的要求。

图7 SMR与FBAR滤波器结构的功率和热量处理对比

为满足5G通信技术发展要求，美国Resonant Inc.公司于2019年2月研制了一种新型的高性能FBAR型滤波器。该滤波器采用XBAR™的谐振器进行制作，具有很大的耦合系数，在5GHz时可实现500MHz的大带宽，且在31GHz时，Q>500。典型的XBAR™谐振器采用厚400nm的单晶ZY-LiNbO₃薄晶片进行制作，其结构示意图如图8所示。利用此谐振器制作的XBAR™滤波器可支持5G或WiFi高达7000MHz（802.11ax）频段，且带宽超过1000ＭＨｚMHz（相对带宽为18%）。同时，这种滤波器还可以在整个频段上实现低损耗（<1.5dB），并能抑制相邻频率的干扰（>50dB）。

图8 XBAR™谐振器结构示意图

Akoustis技术公司是一家新兴的专门提供高频RF BAW滤波器的集成器件企业，其利用独有的XBAR™专利技术，开发出了基于单晶压电薄膜的商用3～7GHz FBAR滤波器产品。该公司在BAW滤波器制作过程中使用了高纯度单晶压电AIN材料。与使用物理气相沉积（PVD）法制备的多晶AIN相比，通过外延生长的金属有机化学气相沉积（MOCVD）法制备的单晶AIN具有更高的固有晶体质量，能改善声波速度和压电机械耦合系数，从而获得高带宽、高工作频率和高输出功率。图9为Akoustis技术公司采用的BAW谐振器结构与传统类型结构对比。图9（c）为Akoustis技术公司所采用的BAW谐振器结构。

图9 3种BAW谐振器的截面结构对比

3 结束语

当代通信技术不断演进，给RF滤波器的发展带来良好的机遇。近年来，在4G和5G通信技术的连续推动下，声学滤波器技术不断创新，器件进一步朝向小型化、高频化及集成化等方向迈进。一些高性能器件（如I.H.P SAW、UltraSAW、XBAR™、XBAW等）技术给业界注入了新的活力，使声学滤波器持续在射频前端通信领域发挥重要作用。

当前，声学滤波器技术已步入到面向5G的Sub-6G频段范围的研究层面，同时，针对更高频段范围的下一代通信技术（6G）的应用研究也受到业界的关注。除进一步减小器件的物理尺寸、降低成本和提高频率外，仍期望器件的性能能得到提高。因此，声学滤波器的未来发展必将面临一些技术挑战，即进一步减少辐射损耗、温度稳定性、增强功率耐受性及开发新材料等技术问题。