国产5G BAW滤波器的新突破

2019-10-15
14:00:15
来源: 半导体行业观察


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半导体行业观察综合自



国金证券





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本土无线设备射频前端MEMS滤波芯片供应商诺思(天津)微系统有限公司日前宣布,公司推出了全球首款高功率容量BAW滤波器。据了解,该器件工作在5G n41的子频段,支持8w的平均输入功率,,具有低带内插损(Typical 1.5)和高带外抑制(B1/B3/2.4G&5G Wi-Fi频段/5GLTE频段Typical 60dB)等特点,能够满足基站产品(-40—95度,长期功率8w,10年)的应用场景需求,有助于解决5G小尺寸,高性能和高功率的业界痛点问题。


诺思方面表示,该滤波器相对于传统的腔体和陶瓷滤波器,在功率水平相当的基础上,大大缩小了尺寸和重量,同时又具备很高的成本优势。按照他们的说法,这个产品有利于协助运营商和设备制造商增加容量,提高信号质量,提升现有网络频谱的利用率。


资料显示,诺思(天津)微系统有限公司成立于2011年,总部设于天津,总注册资本人民币3亿元,是中国首家FBAR生产企业,公司从事无线设备射频前端MEMS滤波芯片、模块、应用方案的设计、研发、制造和销售,核心产品具有国际领先水平。现在公司在天津和南昌都分别开设了工厂:其中天津工厂位于天津市经济技术开发区,总投资7.5亿元人民币,已投产一条晶圆生产线和一条工艺研发线。厂房和研发中心总占地面积2.7万平方米;而南昌工厂位于南昌高新区,总投资20亿元人民币,建有两条晶圆生产线。厂房和研发中心总占地面积5万平方米。预计2017年底开始投产。



5G时代,BAW滤波器大有可为









SAW滤波器也有自己的局限。SAW在1.5GHz以下使用非常合适,但是在工作频率超过1.5GHz时,SAW的Q值开始下降,到2.5GHz时,SAW的选择性已经只能用在一些要求比较低的场合。然而,目前的无线通讯协议已经早就工作大于2.5GHz的频段(例如4G TD-LTE的Band 41)等,这时候SAW就不够用了,必须使用体声波(BAW)滤波器。


表面波(SAW)器件只能做在如钽酸锂或铌酸锂这样特殊的单晶基底上。而BAW器件可以做在可选的任意基底上,比如硅就可以做为很好的基底,因而可以直接利用主流IC制造厂现有的工艺、设备和基底结构。制作BAW所需的大多数工序可以直接在标准IC生产设备上完成,而不需要任何改变。光刻也不是问题,0.8微米的特征尺寸就足够了。一个BAW器件所需的光刻步骤在5个到10个之间。BAW中的缺陷密度也是次要问题,相当大的颗粒也不会导致谐振器失效。


最关键的工序是足够高品质的压电层淀积。尽管压电层是多晶的,但要求所有晶粒的C轴方向完全一致。方向不一致的晶粒会严重降低压电耦合因子和品质因子。BAW器件所用材料最流行的有氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PZT)。


SAW滤波器与 BAW滤波器的区别:SAW是声表面波滤波器,在输入端由压电效应把无线信号转换为声信号在介质表面传播,在输出端由逆压电效应将声信号转换为无线信号;BAW是体声波,采用FBAR技术,原理基本同SAW,唯一的区别是声信号在介质内部传输,故体积可以做的更小(介质的介电常数大于空气);BAW相对来说性能可能更好一些,Q 值,相位噪声,体积小等,同时加工起来更难,属于超精细加工。BAW有3层,上下为金属电极,中间为压电材料,谐振在2G左右的厚度大概为(0.1um(电极),3um(压电层),0.1um(电极)),所以加工难度较大,成本目前还是较高。


与SAW相比,BAW性能更好,成本也更高,但是当频段越来越多,甚至开始使用载波聚合的时候,就必须得用BAW技术才能解决频段间的相互干扰问题。


不同于SAW滤波器,BAW滤波器内的声波垂直传播。对使用石英晶体作为基板的BAW谐振器来说,贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励,使声波从顶部表面反弹至底部,以形成驻声波。而板坯厚度和电极质量(mass)决定了共振频率。在BAW滤波器大显身手的高频,其压电层的厚度必须在几微米量级,因此,要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。


为使声波不散漫到基板上,通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格(Bragg)反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的BAW或BAW-SMR器件。另一种方法,称为薄膜体声波谐振器(FBAR),它是在有源区下方蚀刻出空腔,以形成悬浮膜。


不同类型的手机中采用的滤波器类型和数量都是不一样的,比如在功能机时代,只需要普通的SAW滤波器就足够了;就算是3G手机时代,对BAW滤波器和 TC-SAW滤波器的需求也不大。但是到了4G时代,一款智能手机必须要对多个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收路径进行滤波,同时还要对WiFi、蓝牙和GPS接收器等的接收路径进行滤波,而高端智能手机可能需要用到滤波器的地方会更多。这些频带范围都不相同,又不能相互干扰,这必然需要更多的滤波器来对这些信号进行隔离。


而SAW滤波器由于本身的局限性,一般只适用于1.5GHz以下的应用。另外它也易受温度变化的影响。高于1.5GHz时,TC-SAW和BAW滤波器则更具性能优势。BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小,这使得它非常适合要求非常苛刻的 3G和4G应用。还有就是即便在高宽带设计中,BAW对温度变化也没有那么敏感,同时它还具有极低的插入损耗和非常陡峭的滤波器边缘。“BAW的集成化更高、性能更好、带宽的抑制能力更强,而且它为大于2GHz的LTE频带进行了优化。”




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