【干货】全球声学滤波器技术发展趋势

由 judy 提交于周三, 12 十二月 2018 - 09:56

作者：曹明霞

| 出自：战略研究室

中国科学院上海微系统与信息技术研究所

之前我们曾简要分析过声学滤波器市场格局，可点击<a href="http://murata.eetrend.com/article/2018-12/1002313.html">《声学滤波器市场格局分析》</a>查看，本文将对声学滤波器的技术发展趋势进行阐述。

一、TC-SAW

对于声表面波器件来说，对温度非常敏感。在较高温度下，衬底材料的硬度易于下降，声波速度也因此下降。由于保护频带越来越窄，并且消费设备的指定工作温度范围较大（通常为-20℃至85℃），因此这种局限性的影响越来越严重。

一种替代方法是使用温度补偿（TC-SAW）滤波器，它是在IDT的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层。温度未补偿SAW器件的频率温度系数（TCF）通常约为-45ppm/℃，而TC-SAW滤波器则降至-15到-25ppm/℃。但由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层，所以，TC-SAW滤波器更复杂、制造成本也相对更高。

目前TC-SAW技术越来越成熟，国外大厂基本都有推出相应产品，在手机射频前端取得不少应用，而国内的工艺仍需要摸索。

二、高频SAW

普通SAW基本上是2GHz以下，村田开发出克服以往声表面波弱点的 I.H.P.SAW（Incredible High Performance-SAW）。村田意将SAW技术发挥到极致（4GHz以下），目前量产的频率可达3.5GHz。
<img alt="图I.H.P.SAW的基本结构" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="9a20e6f0-f4f8-45bf-a409-20e4cffe3b26" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%EF%BC%9AI.H.P.SAW%E7%9A%84%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E7%BB%93%E6%9E%84.png" />
<center>
图I.H.P.SAW的基本结构
</center>

I.H.P.SAW可以实现与BAW相同或高于BAW的特性，并兼具了BAW的温度特性、高散热性的优点，具体如下：

（1）高Q值：在1.9GHz频带上的谐振器试制结果显示，其Q值特性的峰值超过了3000，比以往Qmax为1000左右的SAW得到了大幅度的改善。
<img alt=" 高Q值" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="56d7e858-0dc4-4e9e-8fca-be97fe2179c1" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%EF%BC%9A%20%E9%AB%98Q%E5%80%BC.png" />
（2）低TCF：它通过同时控制线膨胀系数和声速来实现良好的温度特性。以往SAW的TCF转换量非常大（约为-40ppm/℃），而 I.H.P.SAW可将其改善至±8ppm/℃以下。

（3）高散热性：向RF滤波器输入大功率信号后IDT会产生热量，输入更大功率则可能因IDT发热而破坏电极，从而导致故障。 I.H.P.SAW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。低TCF和高散热性两种效果，使其在高温下也能稳定工作。

三、新型体声波滤波器

目前市面上的体声波滤波器基本上基于多晶薄膜工艺。而初创公司Akoustis Technologies, Inc.发明的Bulk ONE™ BAW技术是采用单晶AlN-on-SiC谐振器，据称性能能够提升30%。
<img alt="单晶硅BAW技术针对高频应用" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="50c50dce-20a2-4d26-b7dd-40cde80b7ac9" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3%EF%BC%9A%E5%8D%95%E6%99%B6%E7%A1%85BAW%E6%8A%80%E6%9C%AF%E9%92%88%E5%AF%B9%E9%AB%98%E9%A2%91%E5%BA%94%E7%94%A8.png" />
<center>
图单晶硅BAW技术针对高频应用
</center>
<img alt="单晶硅BAW技术针对高频应用" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="10a54945-0732-4315-a02d-f5ac4aa83e68" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4_10.png" />
Akoustis技术公司(前称为Danlax,Corp.)是根据美国内华达州法律于2013年4月10日注册成立，总部设在北卡罗来纳州的亨茨维尔。2015年4月15日，公司更名为Akoustis技术公司。2017年3月，登陆纳斯达克。

目前Akoustis已经宣布推出了三款商用滤波器产品：第一款是用于三频WiFi路由器应用的商用5.2 GHz BAW RF滤波器；第二款是针对雷达应用的3.8 GHz BAW RF滤波器；第三款AKF -1652是针对未来4G LTE和5G移动设备5.2 GHz BAW RF滤波器

四、封装微型化

滤波器的封装微型化主要是指的是采用晶圆级封装技术。

Qorvo的CuFlig互联技术使用铜柱凸点代替线焊。晶圆级封装滤波器取消了陶瓷封装，可以实现尺寸更小，设备更轻薄。
<img alt="CuFlip技术相对于线焊的比较优势" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b93fbcd7-48e2-404e-b2f7-0c2d33b7f716" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5%EF%BC%9ACuFlip%E6%8A%80%E6%9C%AF%E7%9B%B8%E5%AF%B9%E4%BA%8E%E7%BA%BF%E7%84%8A%E7%9A%84%E6%AF%94%E8%BE%83%E4%BC%98%E5%8A%BF.png" />
<center>
图CuFlip技术相对于线焊的比较优势
</center>

RF360公司DSSP（Die-Sized SAW Packaging，裸片级声表封装）和TFAP技术（Thin-Film Acoustic Packaging，薄膜声学封装技术)，实现了产品微型化，并可提供2in1，甚至4in1的滤波器模组。

不同产品类别的新的标准封装尺寸：双工器1.8mm*1.4mm，2in1滤波器：1.5mm*1.1mm，单一滤波器：1.1mm*0.9mm。
<img alt="RF360声表滤波器、双工器和多工器的微型化" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="dc89117e-99a5-4c5b-b2f5-c74fa6bc552b" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE6%EF%BC%9ARF360%E5%A3%B0%E8%A1%A8%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E5%99%A8%E3%80%81%E5%8F%8C%E5%B7%A5%E5%99%A8%E5%92%8C%E5%A4%9A%E5%B7%A5%E5%99%A8%E7%9A%84%E5%BE%AE%E5%9E%8B%E5%8C%96.png" />
<center>
图RF360声表滤波器、双工器和多工器的微型化
</center>
<img alt="DSSP封装图解" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="876cb513-3732-4c21-9996-39ddd136d692" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE7%EF%BC%9A%20DSSP%E5%B0%81%E8%A3%85%E5%9B%BE%E8%A7%A3.png" />
<center>
图 DSSP封装图解
</center>
<img alt="采用TFAP技术的BAW滤波器" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="835f1dae-2859-45f8-9b8c-c3b25cf23b15" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE8%EF%BC%9A%E9%87%87%E7%94%A8TFAP%E6%8A%80%E6%9C%AF%E7%9A%84BAW%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E5%99%A8.png" />
<center>
图  采用TFAP技术的BAW滤波器
</center>

五、射频前端集成化模块化

国际大厂一直致力于射频前端的集成化及模块化，比如高通RF360方案；Murata将滤波器、RF开关、匹配电路等一体化的模块；Qorvo RF Fusion解决方案等。

高通POP3D设计采用先进的3D封装技术，单一封装内集成了单芯片多模功率放大器和天线开关（AS），并将滤波器和双工器集成到一个单一基底中，然后将基底置于基础组件之上，整合成一个单一的“3D”芯片组组合，从而降低了整体的复杂性，摒弃了当今射频前端模块中常见的引线接合。
<img alt="高通射频POP 3D设计CMOS前端" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="c935f176-fdc0-4ff1-8735-87f18d889dc8" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE9%EF%BC%9A%E9%AB%98%E9%80%9A%E5%B0%84%E9%A2%91POP%203D%E8%AE%BE%E8%AE%A1CMOS%E5%89%8D%E7%AB%AF.png" />
<center>
图高通射频POP 3D设计CMOS前端
</center>

Qorvo RFFusion解决方案包含三种模块化解决方案，实现高、中、低频段频谱区域全覆盖。各模块都集成了功率放大器 (PA)、开关和滤波器。
<img alt="Qorvo 多模块组成的 2017 RF Fusion解决方案" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="2404605d-28ab-413f-88cf-27fd76c9b9e9" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE10%EF%BC%9A%20Qorvo%20%E5%A4%9A%E6%A8%A1%E5%9D%97%E7%BB%84%E6%88%90%E7%9A%84%202017%20RF%20Fusion%E8%A7%A3%E5%86%B3%E6%96%B9%E6%A1%88.png" />
<center>
图 Qorvo 多模块组成的 2017 RF Fusion解决方案
</center>

本文转载自：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1544579911&ver=1283…战略研究室</a>