射频前端滤波器概述和挑战 声学滤波器的工作原理

射频前端滤波器概述

如图所示，手机射频前端的发射部分包括PA、Switch和发射的滤波器，另外还有双工器、四工器、六工器。在接收通道，除了射频开关或低噪放之外、还有接收滤波器。因为每增加一个频段就会增加一个滤波器或一个双工器，因此，滤波器的数量这些年随着频段的增加而大幅度增加。

以一个双工器为例，双工器既具有发射的通带（Tx）也有接收通带（Rx）。如图所示，通带内的插入损耗是比较小的，只有一点几个dB。主要是因为这种声学滤波器具有比较高的品质因数，能够形成一个比较好的“插入损耗”。这里要先说明一下，一个双工器还并不能简简单的理解成是发射和接收两个滤波器的加和。这是因为：两个滤波器之间的信号不能互相干扰，还需要做到一个比较好的隔离，这个指标叫做隔离度。

那么声学滤波器的工作原理是怎么样的呢？

声学滤波器主要是有两大结构：（1）梯形结构（2）DMS结构

由于DMS结构比较特殊，是特殊用在表面波器件上，所以我们本期不做深入的介绍。主要讲解一下梯形结构，因为该结构有比较好的功率耐受性能，所以它能够用在发射端的滤波器设计中。因此，包含发射通带的双工器或者多工器当中，必然要用到这种梯形结构，而且这种结构对于表面波或者是体征波来说都是适用的。它主要是由串联Ys和并联支路Yp组合而成，这两个谐振器就可以构成一个最简单的带通滤波器。也就是说，这样一个梯形结构它的核心单元就是这两个支路的谐振器。但是，由于带外抑制等性能要求，要由多个串联或者并联支路才能满足应用需求，另外，单个Ys或者Yp的功率耐受性会比较弱，所以我们往往会形成多阶。每阶的串联或者并联支路往往由2个或者3个以上的谐振器构成的滤波器拓扑结构，主要是来满足客户对于功率耐受以及带外抑制等性能的需求。

如图，我们可以看到谐振器是梯形结构中最核心的单元，那么，我们接下来主要讲解一下不同的谐振器。声学滤波器中主要包含表面波和体波两种。我们先来讲解一下表面波谐振器。

首先介绍非常常规的一种表面波的谐振器，就是在压电材料42oYX-LiTaO3材料上，(YX是指波是在Y单晶晶圆面上沿X方向传播)，我们在这个上面做一叉指换能器，因为其形状类似于两个手指交叉的样子，故而称之为叉指电极。如图，波长是虚线间的长度，当滤长为2微米左右时，器件工作在2GHz左右。我们知道2GHz附近的频谱资源是比较拥挤的，声表面波恰好可以工作在这样的频段，尺寸又满足射频前端的要求，从而成为这个领域的主要产品形态之一。我们把这种常规的表面波谐振器对应于拓扑结构的设计，就可以形成所谓的Normal SAW滤波器。

接下来，我们看一下有温度补偿效果的TC SAW，我们看两种TC SAW，默认TC SAW是指在压电材料上面沉积一层二氧化硅。基本原理是：常规的压电材料具有负温度频漂系数，即频率随随着温度增高而下降，我们再在这个上面结合一层正温度系数，比如：二氧化硅，那么就可以形成一种温度补偿的效果，或者说随着温度变化，频率漂移量变小。另外一种TC SAW，我们特殊的称之为Bonded Wafer TC SAW。主要的原理也是正负温度系数的材料结合在一起，比如我们选择Sapphire这种晶圆，但是，这个时候我们要增加一道工序，就是减少压电材料的厚度，因为表面波，顾名思义，它的声波能量或者传播的界面是就在表面，一般是在表面小于一个波长之内，因此，如果不减薄，就不能够达到温度补偿的效果。目前常规用的20um左右的压电薄膜材料。

最后一种所谓IHP SAW的性能相对于TC SAW和Normal SAW有大幅度的提高。它的压电层也是比较薄的材料，然后在其下方做了一个声学反射层，把一些声波能量集中到压电谐振腔和IDT区域之内，从而使品质因素大幅度的提高。另外，如果低声阻抗材料选择二氧化硅的话，同时也能够形成温度补偿的效果，可以说IHP SAW的综合性能非常优异！

接下来来介绍下体波。FBAR主要用的是氮化铝薄膜，如图所示，这个三明治结构是主要的谐振腔。FBAR通过空气腔形成了一个完美的反射效果，可以把能量全部集中在三明治结构的谐振腔体中。因此，具有非常高的品质因数或者Q值，右侧是BAW-SMR，总体上来说比空气的效果差一些，而且它对工艺要求比较高，特别是对各层厚度、均匀性的控制方面。

最后，我们讲解一下关于滤波器的命名，目前这种射频声学滤波器主要以谐振器的结构类型来命名，比如用TC SAW形成的滤波器，我们就称之为TC SAW的滤波器，以此类推。

下面进入到工艺方面，以一个典型Normal SAW制备工艺为例，我们可以看到其前道晶的制备工艺非常简单，因此，如果能够满足产品的需要，比如：性能和可靠性等，考虑到性价比的话，会优先采用表面波技术来实现。右边是实际制备的滤波器图形以及叉指电极的形状。

关于BBAR的制备工序，相对Normal SAW来讲制备工序比较多，我们先解一下三明治结构和空腔形成，如上图所示，谐振器的电极形状有多边形的, 也有方块状的。

我们再来看一下封装。我们这里主要看CSP，这种封装主要是针对分立器件。首先要在晶圆上面植一些球，目前国内普遍做的是金球、因为金球植上去会比较干净、不需要用药水进行清理，植完球之后进行切割。然后再将它倒扣在HTCC或者Laminate的基板上。倒扣上去之后要进行覆膜保护，从而形成空腔结构。形成空腔结构之后，这里的谐振器就不会受到外界外界干扰。覆膜完之后会打一个标，把整个器件切下来，就可以作为一个表面切的器件来使用，这是比较常规的一个器件。

射频前端滤波器发展机遇

近几年滤波器市场有明显的增长，国内对滤波器的重视程度逐渐提高，资本雄厚的玩家走IDM的路线，把产线包括前道的晶圆加工、后道的封装和测试进行整合，与销售团队和设计团队去做自己的品牌。也有一些做细分领域的，比有的做Fab和封装公司来给设计公司做代工，另外，还有一些做EDA软件，助推设计公司开发产品。这类软件主要是是针对表面波器件的设。另外，一些主要的设备，包括表面波设备、AlN薄膜的制备，***、金属膜的制备和测试设备等目前很多都依赖于进口或者进口的二手设备进行一些改造，因此，这方面也有很多创业的机会。

另外还有一些主要的原材料，比如：压电材料，特别是HTCC陶瓷材料目前为止还是以国外垄断为主。对于国内来说，还是有不少的机会可以做一些替代性尝试。对于一些稍微成熟的公司，可以考虑一些集成化产品的开发，比如DiFEM主要在接收，可以把滤波器做成比较小型化的产品集成到模组中。针对发射方面有PAMiD，主要是将一些发射的滤波器、双工器集成化，这一类相对来说复杂程度比较高。

射频前端滤波器面对的挑战

挑战一：知识产权。

在滤波器这个产业，专利的门槛比较高，以国外巨头垄断为主，想要突破还是比较困难的。

我们可以把滤波器按照封装形式来分，分为CSP和晶圆级。也可以按工作模式来分，可分为Tx，Rx，双工器、四工器，多工器等。还可以按照前述技术分类，那么，我们在谈及专利时，我们先看Normal SAW中的Rx滤波器，这种滤波器在专利上基本没有问题，然后，Tx的专利相对来说也没有什么问题，但是，Tx由于有功率耐受性的要求，所以现在在国内还没有大量出货，而Rx由于对功率耐受性的要求相对来讲比较低，所以，我们可以讲Rx已经能够实现国产化，在大量出货中。

如果Normal SAW再往上走，比如到双工器就会涉及到隔离度的指标，双工器并不是简单的一个Tx和Rx的加和，还要求在这两个之间的信号传输时不要形成干扰。因此，如何做好隔离度需要有一些专利，然后，像FBAR中的空腔结构、电极形状以及IHP SAW等方面都需要做一些专利方面工作。对于晶圆件封装，本身是有一些专利的，我们如果需要做一些晶圆级封装的Tx/Rx滤波器或者双工器的话，至少我们需要在上面做一些自主的知识产权的规划和布局。

挑战二：多工器

Source: Warder, P. and Link, A., 2015. Golden Age for Filter Design

我们以四工器为例。四工器的原理相当于是把两个双工器放在一起。这里面可以进一步的推广，就像双工器那样、四工器肯定也不是简单的两个双工器的加和。这里面涉及的变量，相对来说会比较多，复杂程度也会比较大。如上图所示的结构是Band4 Tx跟Rx做在2个die上面，Band25的Tx和Rx做在一个上面，我们也可以把两个双工分别做在1颗Die上面，此外，这样一个四工器，它的指标包括插损、VSWR、隔离度IL、Band Rejections和Harmonics等等总共超过100个，因此对于设计来讲要做的Trade-off会比较多！

审核编辑：汤梓红