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1、 2020 年 8 月|如有更改,恕不另行通知 1/10 白皮书白皮书 前沿前沿 BAW 滤波器技术及其对滤波器技术及其对 5G 的影响的影响 摘要摘要 5G 的全球推广以及物联网的迅速扩展,向 RF 滤波提出了新的挑战。Qorvo 的体声波(BAW)滤波器技术持续演进,以克服这些挑战。其中,BAW 滤波器正在不断发展,来支持更高的频率和更高的带宽,适应新的 5G 与 Wi-Fi 频段扩展。复杂的多滤波器模块(多路复用器和天线复用器)被用以攻克 RF,特别是 5G 系统中的难题。此外,较小的 uBAW(micro-BAW)尺寸有助于将复杂的 RF 前端(RFFE)架构压缩到手机和物联网(IoT
2、)设备的有限空间中。同时,Qorvo 的 BAW 技术有助于缓解与更高频率和更小外形尺寸相关的散热问题。简介简介 Qorvo 的 BAW RF 滤波器在无线设备和基础设施中发挥着不可或缺的作用。它们可确保在数量不断增长的频段间实现隔离,并获得更低的插损,以支持设备性能要求。然而,5G 的全球推广以及 Wi-Fi 等其它无线标准的演进,带给滤波技术全新的挑战,且超越了传统声学滤波器的能力。因此,欲解决这些新难题,需要 BAW 技术的重大进步。更高的频率。更高的频率。5G 和其它 RF 标准,包括 Wi-Fi和增强型授权辅助接入(eLAA),使用的频率高达 7GHz,远超传统声学滤波器的支持范围。
3、更高的带宽。更高的带宽。5G 需要更高的带宽以实现更大的数据速度和网络容量。因此,BAW 滤波器必须支持分配给 5G 频带的扩展带宽。更低的插损。更低的插损。自 5G 问世以来,对具有更低插损滤波器的需求不断提升。更低损耗的滤波器件意味着更卓越的性能,这是达到 5G 无线系统规格所必须的。更高的抗扰性。更高的抗扰性。伴随额外 5G 频谱的重新规划和拥堵现象,必须采用滤波器技术以促进共存。散热与可靠性。散热与可靠性。随着更高频率范围的出现,散热问题也随之而来。BAW 滤波器作为最佳的小尺寸散热技术,有助于加强滤波器和 RF 系统的可靠性。尺寸缩减。尺寸缩减。随着 RFFE 复杂度不断提高,BAW
4、滤波器必须变得更小、集成度更高,以适应设备中的有限空间。复杂的滤波要求。复杂的滤波要求。多路复用器和天线转换器等多滤波器模块的采用率不断提高,以满足载波聚合(CA)的要求,也由此给滤波器的性能要求带来了新的挑战。精确仿真。精确仿真。为确保滤波器能够在短时间内按要求的规格实现生产,需要在仿真和建模方面达到前所未有的精度。白皮书:前沿 BAW 滤波器技术及其对 5G 的影响 2020 年 8 月|如有更改,恕不另行通知 2/10 BAWBAW的关键特性的关键特性 BAW 谐振器的基本结构由夹在两个金属薄膜电极之间的压电材料薄膜层组成。两个电极间的电压或电场会激发声波(请参见图 1)。声波在两个电极
5、的表面之间反弹,从而在上电极的顶表面和下电极的底表面间形成声腔。谐振频率与薄膜厚度和材料特性成反比;它既取决于压电层的厚度,又取决于电极的厚度和材料特性。BAW 固贴式谐振器(SMR)中,位于压电层与电极层下方的低声阻抗和高声阻抗交替固体层充当了声学布拉格反射器,将能量限制在垂直方向上。布拉格层提供的反射率接近自由表面的性能。谐振器的周边经过设计,可以横向限制声能,最大程度地减少声波泄漏并抑制不需要的模式。BAW 滤波器的 RF 特性与压电、介电和金属膜的厚度及材料特性直接相关。通过基于计量学和电学测量的优化薄膜沉积与离子铣削,可以实现精确的厚度。借助离子铣削去除少量的顶层薄膜可以实现更高的谐
6、振频率。BAW 的最常用的压电材料是氮化铝(AlN)。AIN 提供了性能、可靠性和可制造性间的最佳平衡。AlN 压电层必须具有高水平的晶向,以实现最佳的机电耦合。图1.BAW SMR 滤波器截面图。滤波器的插损由几个因素定义,包括其各个谐振器的损耗。有几种可能的损耗机制,但最经常讨论的是由于声波泄漏引起的能量损耗,如图 2 所示。但是,大部分损耗来自材料中的粘性损耗。钝化 上电极 压电材料 底电极 固贴式谐振器(SMR)布拉格层(反射器堆栈)基板 白皮书:前沿 BAW 滤波器技术及其对 5G 的影响 2020 年 8 月|如有更改,恕不另行通知.3/10 图2.SMR BAW中可能的声波泄漏机
7、制。机电耦合的重要性机电耦合的重要性 为满足 5G 和更高频率 Wi-Fi 的高频带通要求,卓越的耦合必不可少。滤波器带通可达到的宽度由机电耦合系数 k2eff决定。最大化 k2eff是薄膜 BAW 设计的最大挑战之一。BAW 谐振器的 k2eff从其阻抗响应测量的谐振和反谐振频率中获得。谐振器层的设计可以大大增强或降低耦合性。滤波器拓扑结构滤波器拓扑结构 谐振器网络可以设计实现各种滤波器特性。BAW 滤波器可以分为两大类拓扑结构:梯形和晶格。晶格为一种平衡拓扑,而梯形则是非平衡拓扑(见图 3)。每种拓扑结构都有其各自的优缺点;然而,梯形拓扑结构最为常见。为了获得所需的带宽,分流元件被调整到比
8、分压元件更低的频率。带外抑制由元件数量和净电容分压器决定。针对所需的抑制功能,通常存在一个最佳的拓扑结构。泄漏泄漏 泄漏泄漏 泄漏泄漏 压电材料 钝化 布拉格层(反射器堆栈)基板 白皮书:前沿 BAW 滤波器技术及其对 5G 的影响 2020 年 8 月|如有更改,恕不另行通知 4/10 图3.梯形、网格和梯形-晶格配置 高频高频BAW 5G 使用的新频段远高于 4G LTE 的传统频段,并且超出 BAW 滤波器惯常支持的范围,其中包括新的 5G 频率范围 1(FR1)和频率范围 2(FR2),如下图 4 所示;Wi-Fi 频谱的上限也被扩展至 7GHz 以上。为不断革新 BAW 技术以支持更
9、高的频率,需要解决几个技术挑战。如:图4.主要无线标准的频段 梯形配置梯形配置 晶格配置晶格配置 梯形梯形-晶格配置晶格配置 BAW 分压谐振器 BAW 分流谐振器 传输响应(S21)频率(MHz)授权频段授权频段 非授权频段非授权频段 授权频段授权频段 非授权频段非授权频段 授权频段授权频段 非授权频段非授权频段 410 至 7,125 MHz(包括 n77、n78、n79);24.25 至 52.6GHz(包括 n257、n258、n259、n260、n261)白皮书:前沿 BAW 滤波器技术及其对 5G 的影响 2020 年 8 月|如有更改,恕不另行通知.5/10 创建更薄的层。创建更
10、薄的层。拥有创建更薄层,同时准确控制厚度与均匀性的能力,对于支持更高的频率至关重要。由于厚度同频率成反比,层厚决定了滤波器的频率响应。在高频下,这些层必须极薄。厚度的微小变化也会对滤波器的频率响应产生重大影响;仅仅几纳米的变化便可能造成不可接受的响应偏差。例如,5 GHz 滤波器上一纳米的钨就会导致大约 10 MHz 的频率偏移。Qorvo 的 BAW 工程师利用过去 10 年生产和销售超过 200 亿个 BAW 滤波器的丰富经验来解决这些挑战。将损耗降至最低。将损耗降至最低。由于多种不同的原因,在较高的频率下保持声学滤波器的低谐振器损耗变得更加困难。首先,材料损耗通常会随着频率升高而增加。此
11、外,由于谐振器内的层变得更薄以支持更高频操作,谐振器的面积必须变得更小,从而保持相同的电容。不幸的是,这意味着谐振器周长与面积的比值增加,使得谐振器更容易由于声波泄漏产生横向损耗。克服上述挑战需要对谐振器结构进行细致的工程设计,并对基础物理学有清晰的理解。Qorvo 的 BAW 工程师已经消除了这些障碍,从而获得了更低的插损和更陡峭的滤波器带缘。带宽的增加带宽的增加 为 5G 新分配更高频段的一个关键优势是其所提供的带宽比低频段的带宽大得多。5G 利用这些额外的带宽来提供更高的数据速率并增加网络容量。因此,5G BAW 滤波器不仅要能够在比前一代滤波器更高的频率下工作,而且还必须有能力以更大的
12、带宽支持这些频率。增加滤波器带宽需要增强压电耦合。使用掺钪(Sc)的 AlN 压电层是克服这一问题的关键然而,与普通 AlN 相比,滤波器的制造变得更具挑战性。影响 BAW 谐振器中压电耦合的关键因素在于压电材料、压电层质量、电极配置、声学反射器和寄生效应。实现压电层的完美沉积具有一定挑战性。高度可调的脉冲直流磁控溅射工艺已被证明是实现高质量大批量生产理想压电层的最佳选择。电极配置也会显著影响耦合。相对于压电层的电极厚度必须进行优化,来满足滤波器的频率和性能要求。对于每种电极材料,均存在一个最佳的厚度比,以产生最高的耦合系数(k2eff)。用于 5G 频段 n77(3.3-4.2 GHz)、n
13、78(3.3-3.8 GHz)和 n79(4.4-5 GHz)的滤波器需要较宽的带宽,并从优化的耦合中显著受益。在为 CA 应用设计多路复用器时,也需要增强耦合。通过采用掺有 Sc 的 AlN,滤波器设计人员可在保持损耗不变的情况下提高耦合度,如下图 5 所示。选择合适的 Sc 百分比,可以在滤波器带缘陡峭度和带宽之间获得良好的折衷。滤波器带宽的提升要求滤波器带宽的提升要求滤波器中谐振器间的滤波器中谐振器间的 耦合增强。耦合增强。白皮书:前沿 BAW 滤波器技术及其对 5G 的影响 2020 年 8 月|如有更改,恕不另行通知 6/10 图5.BAW谐振器在不同Sc%下的耦合和相对声学损耗 散
14、热问题与可靠性散热问题与可靠性 5G 推动了对更小巧、更时尚设备的需求。为了保持这些设备的可靠性,滤波器必须能够有效地消散运行过程中产生的热量。随着 BAW 滤波器向更高的频率发展,这一点变得更具挑战性。谐振器面积缩小、层变薄,因此谐振器的整体体积减小,增加了设备中的功率密度。滤波器必须更有效地散热,以维持可接受的工作温度。幸运的是,BAW 的结构有助于缓解这一问题,如图 6 所示。BAW 滤波器通过固体反射层将热量散发至基板。由于在较高的频率下,反射层较薄,因此该散热路径会变短,从而提高了滤波器的散热能力。图6.BAW滤波器的散热路径 钪含量%相对声学损耗 压电层 声学 反射器 硅 热量 白
15、皮书:前沿 BAW 滤波器技术及其对 5G 的影响 2020 年 8 月|如有更改,恕不另行通知.7/10 尺寸缩减尺寸缩减 如图 7 所示,由于增添了新的频段以及 4x4 MIMO 等全新要求,5G 促使 RFFE 的复杂度继续迅速增高。与此同时,随着智能手机制造商将更多的功能(如更大的电池和更复杂的摄像头)塞进手机中,分配给 RFFE 的空间实际上正在缩小。图7.采用CA滤波技术的移动设备前端模块 这些趋势意味着,包括滤波器在内的所有 RF 组件不断面临着小型化和高集成度的压力。物联网的发展也增加了对微型物联网设备中小型滤波器及其它 RF 组件的需求。Qorvo 的 uBAW(如图 8 所
16、示)是其持续缩减滤波器尺寸策略中的关键一步。在传统的晶圆级封装(WLP)BAW 滤波器中,谐振器占滤波器总面积的不到一半。包括Cu-Sn化合物输入-输出柱状晶在内的滤波器外围约占总面积的40%。通过将柱状晶放置于 WLP 上层的顶部,则 uBAW 几乎完全消除了该外围区域,如此便可将滤波器的总尺寸平均减少30%。一个基于 uBAW 来减小滤波器尺寸的实例是 Qorvo QPQ2200Q;这是一款完全 50 欧姆阻抗匹配且经过车载测试的 Wi-Fi 与 LTE 共存滤波器,占板面积仅为 1.1 x 0.9 x 0.585mm。图8.传统WLP BAW与uBAW的简化截面图。塑封化合物 BAW 裸
17、片(倒装)BAW 裸片(倒装)聚合物结构 聚合物结构 铜金属 互连工艺 层压板 层压板 传统 BAW uBAW 白皮书:前沿 BAW 滤波器技术及其对 5G 的影响 2020 年 8 月|如有更改,恕不另行通知 8/10 复杂滤波器:多路复用器与天线复用器复杂滤波器:多路复用器与天线复用器 近年来,将多个滤波器组合在一起的复杂模块已成为重要的 RFFE 元件,并在 5G 中发挥更大的作用。多路复用器多路复用器被用于支持载波聚合(CA)。CA 通过组合通常位于不同频段的零散频谱片断来提供更高的数据速率。多路复用器包括支持每个聚合载波的上行和下行链路通信所需的所有滤波器,从而允许在所有聚合载波上进
18、行并发操作,同时防止它们之间的干扰。由于每个滤波器的性能都会受到模块中其它滤波器的影响,因此需要掌握相关知识并非常谨慎地设计能在多路复用器中协同工作的滤波器。如无法精细匹配滤波器,多路复用器在插损和隔离性能方面可能不尽人意;例如,信号可能会从发射路径泄漏到接收路径,使接收器失敏。图9.B1、3、7频段多路复用器装置。天线复用器天线复用器解决了另一个日益严峻的挑战:手机可支持的天线数量受到限制。不断增长的小型封装或设备中的频段数量、4x4 MIMO,以及支持诸如超宽带(UWB)之类的标准等趋势,加剧了对每部手机中天线数量的压力。然而,问题在于手机的尺寸和空间限制使得很难在保持适当性能的同时添加更
19、多天线。天线复用器通过允许更多的频段和标准(例如 5G 蜂窝频段、Wi-Fi 和 GPS)共享每根天线,从而减少了添加天线的需求;由此为制造商腾出了更多空间来扩充对消费者更具吸引力的功能,例如附加摄像头和全面屏等。BAW 天线复用器具有较低的插损,以及出色的隔离和功率处理能力,可最大限度地提高辐射功率,降低系统去感的风险。B1+B3+B7六路复用器六路复用器实现载波聚合实现载波聚合 B1_B3_B7 六路复用器 频率(MHz)白皮书:前沿 BAW 滤波器技术及其对 5G 的影响 2020 年 8 月|如有更改,恕不另行通知.9/10 图10.Qorvo天线复用器器件示例 仿真仿真 优化工具在电
20、子设计中无处不在。BAW 滤波器设计优化需要一个可扩展的模型,以精确预测宽频范围内的性能。迅速增加的 RFFE 架构复杂性要求仿真和建模精度达到前所未有的水准。从定义所需的功能到生产最终合格的样品,用来开发复杂集成 RF 模块的时间极短,试错空间十分有限。因此,在设计过程中,能够拥有极其精确的方法来模拟每个功能块的性能至关重要,从而确保最终产品将与模型的性能相匹配。图11.SMR BAW仿真数据与实测数据间的比较 带通 仿真值 实测值 白皮书:前沿 BAW 滤波器技术及其对 5G 的影响 2020 年 8 月|如有更改,恕不另行通知 10/10 如今,Qorvo 的 BAW 工程师可以借助仿真
21、方法准确地得出与最终实测值相匹配的设计结果。先进的 3D 电磁仿真能够深入建模以优化性能,有助于确保最终实测性能与设计性能相匹配,如上图 11 所示。结论结论 Qorvo BAW 滤波器技术的发展脚步从未停歇,针对 5G 全球推广所面对的滤波挑战而构建了强大解决方案。BAW 滤波器也在持续演进,以支持更高的频率和更大的带宽,并不断提升性能。它们正变得越来越小,集成度越来越高,并被集成到越来越多的复杂多路复用器和天线复用器中。高精度的仿真技术推动着新型滤波器和模块的快速研发,以满足更严格的要求。BAW 技术将继续前行,以应对 5G 及其它无线标准的未来挑战。Qorvo US,Inc.|QORVO 为 Qorvo US,Inc.的注册商标