没有过不去的槛，5G射频滤波器迎来重大突破

作为移动通信系统的核心组件之一，负责将手机发射和接收的无线电信号从不同频段中分离出来的滤波器(Filter)，与功率放大器(PA)、双工器(Duplexer和Diplexer)、射频开关(Switch)和低噪放大器(LNA)共同组成了射频前端(RFFE)系统。由于5G终端设计日趋复杂，市调机构预计三年内该市场的年复合增长率至少为12%，达到180亿美元。而在2019年底，这一数字约为130亿美元(包括3G和4G)。

日前，法国Soitec半导体公司宣布与Qualcomm Technologies, Inc.签署合作协议，为其新一代4G/5G ultraSAW射频滤波器供应压电(POI)衬底。高通方面认为ultraSAW对于进一步提升其先进射频前端产品组合和骁龙5G调制解调器及射频系统的性能至关重要，并正在多条产品线中集成该技术，包括功率放大器模组(PAMiD)、前端模组(FEMiD)、分集模组(DRx)、Wi-Fi分离器、GNSS分离器和射频多工器。

POI是通过Soitec专利技术150mm Smart Cut打造的创新型优化衬底。以高阻硅作为基底、上覆氧化埋层，并以一层极薄且均匀的单晶压电层覆盖顶部。考虑到要实现高速数据传输，4G和5G网络需要使用更多的频带。因此，智能手机必须集成更大量且性能更佳的滤波器，以确保信号完整性及通信可靠性。例如，4G时代滤波器数量约在60-80个，5G时代滤波器数量将达到120-150个，而基于POI优化衬底，新型SAW滤波器能够提供内置温度补偿，并可实现在单芯片上集成多个滤波器。 

来自Yole Development的数据显示，随着5G市场的快速兴起，射频滤波器的市场规模有望从2018年的31亿美元快速上升到2025年的51亿美元。

射频(RF)滤波器有两种主要技术，一项是SAW(声表面波)，另一项是体声波(BAW)。其中，温度补偿型SAW(TC-SAW)滤波技术一般用于低频段和中频段，BAW多用于中频段和高频段，而在超高频段中就比较复杂，会采用包括LTCC、XBAR、BAW、集成被动器件(IPD, Integrated Passive Device)在内的多种技术技术。

Soitec滤波器业务经理Christophe Didier的看法是，SAW对温度过于敏感，而温度变化(即频率温度系数，TCF)会影响频率，但可以通过“TC-SAW(温度补偿型SAW)+温度补偿层”的做法加以改善；BAW是高端滤波器技术，缺点是实现过程特别复杂，需要很多步骤才能实现一个声学上需要的“腔”。

相对于BAW和TC-SAW滤波器，基于POI衬底的SAW的能源效率、频率和带宽都更高，比TC-SAW的能源损耗更小。此外，如果从系统角度来看待成本问题，那么，相对BAW和TC-SAW来说，基于POI衬底的SAW工艺流程更简单；高集成度可以将多个滤波器集成在同一个芯片上，面积更小；Soitec独有的晶圆切割技术Smart Cut还可以对原材料进行多次使用，从而生产出更多的POI衬底，这些都有助于降低系统成本。

“因此，总体来说，基于POI优化衬底的SAW是在5G滤波器方面取代TC-SAW和BAW的更优的解决方案。”Christophe Didier预测就其价值而言，POI衬底会成为未来几年的一项行业标准，2024年POI衬底的可服务市场规模将达到100万片晶圆。但他也同时表示，POI衬底目前主要用于Sub-6GHz频段的滤波器，现在谈毫米波段的应用还为时尚早。

POI中的压电材料和当前在SAW(声表面波)滤波器中所使用的材料是一样的，主要是钽酸锂和铌酸锂。而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的时候可能会扩张或者收缩，从而影响到频率，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能够在极薄的压电层限制波能等效(equative wave energy)，从而减少损耗。而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的波传播(equative wave propagation)。因此，主要的射频前端生产商已经开始生产以150mm POI为衬底的滤波器，此款POI产品目前在Soitec法国贝宁3厂已实现量产。

Christophe Didier表示，根据发展路线图，Soitec正在开发200mm晶圆的POI衬底，并计划使用铌酸锂代替钽酸锂，从而在更好地把握滤波器带宽的基础上降低总成本。“滤波器在5G智能手机上是非常关键的组件，鉴于5G 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%”他说。

为了展示基于POI衬底的SAW性能与优势，Christophe Didier向媒体提供了几组测试数据加以说明。第一个是品质因数，1.6GHz频率下测量中频段谐振器参数时，Bode Q最大值大于4000；第二个是涉及实现更高带宽滤波功能的耦合系数，在频率大于1.6GHz时，耦合系数k²大于8%；第三个是跟温度相关并会导致频率变化的系数TCF，测试结果表明TCF小于10 ppm.K^-1。

而高通方面的测试数据也显示，Qualcomm ultraSAW滤波器能够在600MHz至2.7GHz频率范围内提供诸多高性能支持，例如出色的发射、接收和交叉隔离能力、高频率选择性、品质因数高达5000、极低插入损耗(提升整整1dB)、出色的温度稳定性(维持在个位数的ppm/开尔文范围内的极低温度漂移)

来源：Qualcomm Technologies实验室的校准测试，该测试将Qualcomm ultraSAW预商用器件与竞品比较