声表面波滤波器技术的发展状况Word格式文档下载.docx
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20世纪90年代以来,掀起了SAW器件的第二次应用
高潮,目前每个手机上包含有2~6个SAW滤波器,世界移动通信用小型RFSAW滤波器每年
需求约4.3亿只。
随着Internet的迅猛发展,全球上网的用户愈来愈多,但目前通过电话上网的最大缺点
是带宽太窄(几十KHz),下载速度极慢,而CATV的网络频率资源丰富,不少商家因而均在
开发基于CATV网的宽带多媒体数据广播系统(如VOD等),通过CATV上网可使信息传输速
度提高几十倍以上,在这些系统中都要用到高性能的SAW滤波器来解决邻频抑制问题。
另
外,在汽车电子市场、无线LAN及数字电视的传输系统中,也需要大量的中频SAW滤波器。
可见,SAW滤波器的市场前景十分可观。
除了SAW滤波器以外通常还可使用介质滤波器、LC滤波器等;
近年来,利用体声波
(BAW:
BulkAcousiticWave)的滤波器也已实现商业化了。
表1所示为滤波器的种类和特征。
SAW滤波器在1~3GHz频段与它们存在竞争,但SAW滤波器最大的优势是具有陡峭的频率选
择性。
而且,在对电极进行设计时,可以方便实现平衡或不平衡的转换设计。
近年来,在原
有基础之上,通过各种研究使SAW滤波器在小型化、高频宽带化、集成化、耐高功率等方
面取得了很大进展,价格进一步降低。
现在,在发送、接收用滤波器基本实现了全部使用SAW
滤波器。
表1、滤波器的种类和特征特征
高稳定性;
低损耗;
耐高功率
低价格;
低损耗
小型;
高选择度;
SAW滤波器平衡或不平衡输入输出
生产成本高;
耐BAW滤波器高功率
滤波器的种类介质滤波器LC滤波器使用的频带300M~30GHz300M~30GHz
在生产SAW滤波器的厂商中,市场分额在前3位的是EPCOS、村田制作所、富士通MediaDevice。
EPCOS公司2019年的SAW器件的销售额为370百万欧元,2019年销售额为409百万欧元,同比增长11%。
EPCOS的生产规模很大,既有中频SAW滤波器的生产,也有射频(RF)滤波器的生产,同时研发水平居世界领先水平。
与其竞争对手相比,EPCOS的突出优势还在于其半导体工业,它将SAW和BAW的制造结合起来,于2019年2月完成了应用在W-CDMABand上的BAW−SAW组合双工器。
中国估计大约有40家SAW滤波器的大批量供应商。
CETC德清华蓥电子有限公司、南京电子研究所、CETC26所、Shoulder电子有限公司等是生产规模比较大的单位。
但国内的SAW元件生产量只占到全球共计SAW元件供应量的1%到3%,而且大部分是低价位的产品,在手机RF滤波器方面还无法与国外厂家竞争。
在研发设计能力方面,CETC26所居于国内领先水平。
2声表面波滤波器的发展状况
2.1小型片式化发展
SAW滤波器的小型片式化,是移动通信和其它便携式产品提出的基本要求。
随着功能集成度的增加和体积的减小的需求,推动了RFSAW滤波器的改进。
为缩小SAW滤波器的体积,通常采取三方面的措施:
一是优化设计器件用芯片,设法使其做得更小;
二是改进器件的封装形式,现在已经由传统的圆形金属壳封装改为方形或长方形扁平金属封装或LCCC(无引线陶瓷芯片载体)表面贴装的形式;
三是将不同功能的SAW滤波器封装在一起,构成组合型器件以减小占用PCB的面积,如应用于1.9GHzPCS终端60MHz带宽的双频段SAW滤波器以及近来富士通公司开发的双制式(可支持模拟和数字两种模式)便携式手机用SAW滤波器,均装有两个滤波器。
图1SAW滤波器外壳改进过程
SAW器件封装技术的不断改进,使得SAW滤波器的体积越来越小。
二十世纪九十年代前广泛采用有引脚的金属外壳封装SAW器件。
为了降低成本,后来大量用塑封外壳封装电视机用SAW滤波器。
这两种外壳都存在一个缺点,就是需要在PCB板上下面作引脚孔。
为了满足元器件自动贴片要求,无引脚的陶瓷表贴(SMD)外壳得到了大量使用,同时体积也大为减小。
先前的SMD器件需要点焊线,后来出现了倒装焊(flipchip)技术,不需要有点焊线,因此为进一步实现CSP(芯片尺寸封装)打下了基础。
由这类小型化的技术,已经将尺寸为1.35×
1.05mm2的SAW滤波器实现了商业化。
在一个外壳中装载数个滤波器的复合产品也已实现了小型化,现在,尺寸为2.0×
1.6mm2SAW双工器也已实现了商业化。
然而,韩国三星采用的另外一种片式封装技术(wafer-level-packaged—WLP)能得到更小尺寸的滤波器。
它采用芯片内联技术和片-片间粘合技术取得了超小型SAWRF滤波器,其尺寸为1.0×
0.8×
0.25mm3。
该方式封装的滤波器性能与通常的倒装焊封装滤波器相同,密封
测试表明它适合用于移动电话。
在生产成本、体积及进一步集成方面该片式封装技术具有更大优势。
2.2高频、宽带化
为适应电子整机高频、宽带化的要求,SAW滤波器也必须提高工作频率和拓展带宽。
研究表明,当压电基材选定之后,SAW滤波器的工作频率则由IDT电极条宽度所决定,IDT电极条愈窄,频率愈高。
采用半导体0.2~0.35μm级的精细加工工艺,可制作出2~3GHz的SAW滤波器。
提高工作频率的手段主要从两方面考虑:
1、提高细线条加工的设备能力;
2、利用声表面波传播速度更高的压电材料。
曝光设备和光刻技术是制作高频SAW滤波器的关键设备。
目前实验室可以制作0.1μm的线条,SAW滤波器的频率可以达到10GHz。
腐蚀方法是制作GHz滤波器的又一关键技术。
干法刻蚀法,尤其是反应离子刻蚀(RIE),是非常适合于RFSAW器件的,用BCl3气体,能干净的蚀刻Al或掺杂的Al膜,不会出现过腐蚀或腐蚀不完全情况。
利用传播更快的声表面波波动模式或传播速度更高的压电材料是提高滤波器工作频率的另一个手段。
最近在四硼酸锂中,发现了纵向漏波(LLSAW),也就是说,其质点运动在表面几乎与波矢量平行。
由于与体波纵波强烈相关,它的速率非常快,被称为PSAW或HVPSAW。
切型是−43º
Y−X+90º
,速率为Vf=7000m/s,ΔV/V=0.7%。
在YZ-LN基片上,当Al膜厚度h/λ达到7.8%时,也会出现纵漏波,速率为Vf=6100m/s。
这么快的速度对制作高频器件非常有吸引力。
图2是利用YZ-LN基片上纵向漏波设计的中心频率为5.25GHz、-6.2dB带宽为343MHz、损耗为-3.23dB的射频滤波器。
图25.25GHz射频SAW滤波器频率响应
压电薄膜用于SAW器件已经有很长的历史了,这使得非压电基片也得到了应用。
为了方便分析,可对每层介质进行波的求解,再利用边界条件转换,得到SAW和漏波的解。
玻璃上加氧化锌膜(ZnO)膜制成的器件已经用于TVIF滤波器。
最近技术进步,采用了速度更快的蓝宝石基片,使蓝宝石加氧化锌用于高频器件,1.5GHzIIDT滤波器插损仅为1.3dB。
同样在蓝宝石基片上还采用了氮化铝薄膜。
另一个高速非压电基片是金刚石,SAW速率可达11000m/s,它可以在硅基片上生长,这对于SAW滤波器和IC集成非常有利。
加上ZnO薄膜后,SAW速率会有所降低。
但根据厚度,在速率和ΔV/V之间应该有个折衷考虑,一般地讲,Vf值在7000~10000m/s,ΔV/V值在1~2%。
加上SiO2薄膜后TCD可降到零。
图3是采用SiO2/ZnO/
金刚石基片制作的5GHZ和10GHZSAW滤波器频响。
图3(a)是用干法刻蚀制作0.5μm线宽得到的一个时钟恢复滤波器,实际中心频率为4.978GHz、Q值650、损耗13dB。
与采用一般的水晶基片相比,其制作容限增加,同时器件的功率承受能力提高。
图3(b)是采用5次谐波制作的10GHz滤波器,其线宽为0.8μm。
(a)(b)
图3采用SiO2/ZnO/金刚石基片制作的RF滤波器频响
随着通讯系统的发展,拓展SAW滤波器的带宽是必要的。
为此,通常从优化设计IDT的电极结构入手。
比如将IDT按串联和并联形式连接成梯形结构,采用0.4μm以下的精细加工技术,就可制作出用于无线局域网(LAN)的2.5GHz梯形结构谐振式SAW滤波器,带宽达100MHz;
在多模式滤波器中,采用纵向连接的滤波器带宽要比横向耦合型滤波器大一些,因此被广泛用于蜂窝电话和寻呼机的RF滤波,而后者具有陡削的窄带特性,可用于个人数字蜂窝(PDC)和模拟电话的中频(IF)滤波。
图4孔径方向的假指加权
有希望得到的最宽带宽Ladder结构RF滤波器是日本千叶大学Ken.Ya.Hashimoto小组研究的超宽带RF低损耗滤波器。
采用15oYXLiNbO3基片Cu-grating电极设计了一个由4极阻抗元构成的梯形滤波器,15oYXLiNbO3基片具有大的SH-波机电耦合系数。
但不幸的是该切型激励的横波模式也很强。
为了抑制横波模式产生的假响应,采用了孔径方向的假指加权(图
4),另外在芯片表面涂覆一层粘性膜吸收掉表面RayleighSAW产生的假响应。
得到了中心频
率1GHz、−3dB相对带宽19%,损耗0.6dB的宽带低损耗滤波器。
图5(a)、(b)分别是采用和没采用孔径方向假指加权得到的频响比较。
(a)采用孔径方向的假指加权频响(b)没有采用孔径方向的假指加权频响
图5孔径方向假指加权频响的比较
2.3降低滤波器插入损耗
早期SAW滤波器的最大缺陷是插入损耗大,一般在15dB以上,这对于要求低功耗的通信设备特别是接收前端是无法接受的。
为满足现代通信系统以及其它用途的要求,人们通过开发高性能的压电材料和改进IDT设计,使器件的插入损耗降低到3~4dB,最低可达1dB。
在众多压电材料研究成果中,最引人注目的是日本村田制作所发明的ZnO/蓝宝石层状结构基片材料,利用这种基片材料,该所已制造出1.5GHzPDC用射频SAW滤波器,其插入损耗仅1.2dB。
作为滤波器的特性,我们希望在特定的通带频率上,通过滤波器的电信号的能量损耗为0。
而事实上能量损耗为0是不可能达到的,但我们可以通过各种选取来实现低损耗的SAW滤波器。
分析SAW滤波器产生能量损失的主要原因有以下几种:
a.电极电阻损耗
阻抗损耗是由IDT及它与外部电极相连接的汇流条的电阻引起的。
由于IDT的指条宽度(或周期)是由滤波器的中心频率及压电基片的声速来决定的,同时IDT的金属膜厚度与IDT的周期有很大的关联,所以电极电阻在RF滤波器时尤为突出。
将电极电阻变小的有效办法是将每个电极指间的线宽变大、尽量增加电极膜厚度、减小IDT的声孔径等。
b.声表面波的传播损耗
声表面波传播损耗原意是指伴随着声表面波传播时的能量减少,这里还包含有声表面波在传播过程中转换成体声波的能量损耗。
提高基片表面的加工质量可以减小声表面波传播时的能量。
另外,在由声表面波向体声波转换的过程中,由于声表面波的传播路径极易产生声阻抗不连续的部分,因此,现在在设计纵向耦合双模谐振滤波器(DMS-LCRF)时改变相邻IDT连接处指条的电极宽度,尽量保持传播路径上声阻抗连续,将传播损耗抑制到最小值(图
6)。
图6周期调制DMS-LCRF结构
c.匹配失配损耗
RF低损耗SAW滤波器的输入输出端口阻抗与所使用的电路的端口阻抗如果有不匹配的情况,将引起电信号反射的能量损耗。
SAW滤波器的阻抗特性大多由所使用的压电基片的机电耦合系数和IDT的静电容量来决定,能够比较容易的进行调整。
但是,在通带范围的全部区域内要使阻抗特性恒定是非常困难的,所以要对压电基片的常数、IDT的结构、布线及封装等有含有的寄生元件成分进行模拟,将输入、输出的阻抗特性调整到最匹配的状态。
2.4提高滤波器带外抑制
理想状态的滤波器是在从各种频率信号中滤出特定的频率信号,而将特定频率以外的信号完全除去。
虽然SAW滤波器中IDT结构的最优化是提高带外抑制的主要手段,但在RFSAW滤波器设计时还得利用其它手段对特殊频段加以抑制。
这也是SAW滤波器较其他方式的滤波器在近端抑制方面的优势。
(1)通过SAW谐振器添加陷波器
通过SAW谐振器添加陷波器是对特定的频率进行高衰减化的方法之一。
在滤波器通带附近要求高抑制时这种方法特别有效。
使SAW谐振频率与通带范围一致,衰减最大时的反谐振频率与阻带一致,这样,通带内的插损不会产生恶化,就能实现高带外抑制。
(2)有效利用电磁耦合
SAW滤波器电磁耦合是指输入电信号不经过SAW滤波器中IDT声电变换而直接到达输出端。
其原因是在输入、输出电端子间由电容耦合及布线之间互相的电感产生的耦合,及输入、输出IDT的通用接地上的电感成分造成了电磁耦合。
在中频滤波器中,要尽量降低这类影响,提高带外抑制。
但在RFSAW滤波器中,由于外壳的减小和电感电容的杂散分布对RF的电磁耦合更大,对杂散分布的准确分析比减小电磁耦合更为重要,对电极的配置、布线、封装等进行分析并最优化设计,利用好电磁耦合也可以提高带外抑制。
2.5耐功率性的改善
在实际应用中,RFSAW滤波器(特别是用于发射的SAW滤波器)的功率承受能力是一个重要指标。
SAW滤波器的输入IDT将电信号转换成SAW在表面传播,输出IDT接收SAW再转换成电信号。
因此,SAW引起IDT电极指条的位移。
如果对SAW滤波器施加大的电功率,应力迁移(通过应力引起的原子移动)会引起电极破坏,出现空洞或断裂,使滤波器的功能丧失(图7)。
图7IDT电极指条的位移(a);
大功率烧毁电极指条(b)
为了解决这个问题,我们研究了提高电极膜的耐迁移性的方法。
具体的方法是,采用比Al更难发生迁移的薄膜材料,如Al/Ti、Al/Cu/Al、Al/Ti/Al等叠层膜。
而且,在电极中添加别的材料也可有效抑制迁移,添加Cu或Ti。
无论采用哪种材料,所使用的材料都会引起电极阻抗的变大,因此,必须要控制叠层膜厚和添加量。
图8三层膜的结构
图9承受时间和输入RF功率的比对
单层Al-Cu膜能提高SAW滤波器的功率承受能力,最近研究表明:
Cu被插入Al-Cu膜之间的三层膜结构更好。
图8给出了这种观点。
在这种结构的膜中,不同的金属被插入Al-Cu膜之间。
如果中间层的金属是机械性强的,那么通过真空的冲击和Al膜的移动被这个中间层阻止了。
我们试了多种金属作为中间层,发现Cu是最合适的。
图9给出了承受时间和输入RF功率的比对。
与现在使用的单层Al-Cu膜相比,承受时间大幅度提高。
在1W的功率水平下,获得了足足500000小时的承受时间。
Cu最适合作中间层的原因是,CuAl2没有对于机械应力非常困难的高温退火。
另外,SAW滤波器的IDT结构也是影响功率承受能力的重要因素。
RF低损耗滤波器结构通常有交错对插换能器(IIDT)结构、纵向耦合双模谐振滤波器(LCRF)和阻抗元滤波器(IEF)。
LCRF滤波器虽然损耗小,但近端抑制和功率承受能力两项指标在RF前端双工系统使用还有些问题,而阻抗元(IEF)滤波器具有损耗小、近端抑制高和功率承受能力大的优点。
IEF不依靠从一个换能器传输到另一个换能器的SAW,滤波器通带中产生的SAW非常小;
同时其IDT孔径小、指条数多。
因此,IEF滤波器是所有SAW滤波器中承受功率最高的。
综上所述,Ladder结构适于低插损、宽带、高功率耐受力的要求。
LCRF结构适于低功率应用中低插损和高带外抑制要求。
最近,IIDT结构由于插损大,很少用于RF。
2.6对集成化的研究
蜂窝电话不断增加功能部件,手机生产商也不断提高要求前端中的RF集成度以保持它们产品的体积大小。
RF集成化的迅猛而持续的变革将是一个让人兴奋的领域。
分立元件和功能块将被模块化所取代。
这些模块在体积、成本和性能方面都将优于先前的分立元件。
集成化的最后结果可能是所有器件组成一个单一的无线射频模块。
但是,这个模块中将会包含多种技术混合的多芯片组,而不是单一芯片。
在这些技术中,Si、GaAs、SAW器件将对优化器件性能起到举足轻重的作用。
SAW滤波器封装的进一步发展就是基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术和倒装焊技术,将SAW芯片与其它多芯片集成,实现多功能的模块。
目前已经有包括SAW滤波器的射频功放模块在手机上使用。
图10所示为一种典型的GSM功放模块(外模成型前)。
其体积的减小仅仅是这两年才办到。
在图10的左图中,上边和下边的芯片模块分别是低频和高频GaAs三级放大器;
中间较大的芯片是CMOS控制器。
所有芯片用引线键合连接。
图10的右图是采用了一种新的倒装焊芯片封装技术,这种技术拥有更高的集成度。
这种模块中附加的芯片是无源GaAs输出匹配元件;
注意在这种模块中大部分分立元件已经消失了。
图10一种典型的GSM模块尺寸的减小
如今的手机一般具有多模式、多媒体功能,可以工作在世界上主要网络的频段中,甚至可以使用如GPS、蓝牙,广域网等。
尽管手机的功能不断增加,但是其体积和成本都在不断明显减小,当然这和集成化程度分不开;
CDMA单频段功放模块目前可以做到3×
3mm2,
GSM四波段功放模块可以做到5×
5mm2。
目前的CDMA模块已经集成了包括SAW双工器及功率放大器,而在GSM中,天线开关和发射滤波器已经整合到功放模块中。
将来的模块化发展趋势将会是多标准的,同时也是多频段的。
因此对SAW/BAW滤波器制造厂商来说手机的滤波器市场将会出现一个由分立元件主导转变为模块化主导的局面。
手机市场的增长从未出现减缓。
这种疯狂的增长率和巨大的市场潜力将会吸引更多的投资,并且将会推动降低手机中元件成本减小体积的技术改进。
因此我们可以预言对射频前端的集成化的要求将会不断持续下去。
在这个领域的一些比较明显的趋势是:
RF模块集成化程度会与来越高,最终的目标是一个无线射频模块。
目前剩下的分立元件,滤波器等将会被纳入到这些模块中。
模块将会是多波段,多种非蜂窝状电话功能标准的。
由于3G和4G标准的加入,甚至是非蜂窝电话标准的加入,如WLAN,Bluetooth,和WiMax。
因此,RF器件将来会变得更加复杂。
2.7设计模型的进一步完善
SAW器件的发展除了与工艺水平提高有关外,还与器件的分析模型和优化设计手段有很大关系。
声表面波器件看似结构简单、制作工艺也不如IC复杂,但要精确分析器件的性能却是一件非常复杂的事情。
需要在满足一定电学边界条件和一定力学边界条件下求解压电基片上的耦合波动方程。
SAW求解问题的数学实质是特定边界条件下二阶非齐次线性偏微分方程求解。
Green函数方法是解决这类问题的一个普遍适用方法。
然而精确求解Green是非常复杂、且计算量非常大。
最具代表性的是Milsom等人的一维格林函数(Green’sfunction)理论,汪承灏等人将其推广为适合任意表面源分布激发的广义格林函数理论,可以将指条的质量加载等考虑在内。
为了加快运算速度达到优化设计目的,人们建立了大量的唯象模型来模拟器件的性能,如:
等效电路模型、COM模型、P矩阵模型等。
模型所用的参数都必须由第一类的精确理论或实验来确定。
这些参数的可信度决定了这些模型分析SAW器件的准确度。
一维COM模型和P矩阵模型已经成熟用于一般器件设计,其计算和优化速度快,但预计的器件响应与实际还有偏差。
图11利用简化的Green函数模拟优化结果和实际器件测试对比
最近COMDEV公司采用简化的Green函数模型,并在此基础上直接优化的处理方法,可以用于SAW和LSAW器件的设计。
其兼顾了计算时间和优化的准确性。
一般来说,LCR(纵向耦合谐振)滤波器的设计要求复杂的非线性优化。
其优化效果依赖于优化算法的优劣和使用的模型的准确度。
图11是COMDEV采用该方法优化的结果和实
际器件测试的对比。
可以看出:
采用简化的Green函数模型模拟十分准确,而优化的结果对带外抑制改善很大,明显去掉了一般LCR滤波器高端过度带的台阶。
最近二维P矩阵模型或二维COM模型的使用,在SPUDT中频滤波器设计中发挥了很大作用,可以预计包括二阶效应如衍射、横波模式的器件响应。
图12是一维和二维P矩阵模型分析一个SLANT-SPUDT滤波器结果的比较,从图中可以看出二维P矩阵模型分析比一维P矩阵分析更准确。
图12一维和二维P矩阵模型模拟SLANT/SPUDT滤波器性能比较
3结束语
SAW技术发展到今天,为现代电子通讯作出了很大贡献。
同时也面临其它技术的竞争:
在移动通信中已经部分采用零中频技术,而在2GHz以上频段SAW滤波器面临FBAR的竞争。
如何发挥SAW的技术优势,发展SAW滤波器市场,需要在以下几个方面加以考虑:
a)对于中频SAW滤波器,我们还得开发新的设计技术和工艺技术,在保持性能不变的条件下,进一步减小体积,以适应整机小型化的需要。
Murata公司开发了一种新技术,在PZT上制作了世界上最小的中频SAW滤波器(中心频率40MHz,带宽6MHz,体积仅
3.8mm×
3.8mm×
2mm),它利用基片的边缘反射代替通常的金属条反射器,大大减小了SAW谐振滤波器的体积。
b)对于指标要求高的系统还得依赖SAW中频滤波器,因此需要继续提高中频SAW滤波器的性能指标,在设计中更加完善各种二阶效应的分析和补偿,提高带外
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- 表面波 滤波器 技术 发展 状况