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Der Einsatz fortschrittlicher 4G- und 5G-Netzwerke im Sub-6GHz-Frequenzband erfordert von Betreibern und Mobilfunkherstellern neue Funktionen und neue Leiterplattentechnologien.
Um die größere Datenbandbreite des neuen Netzwerks nutzen zu können, muss die Hochfrequenzkommunikation zwischen Basisstation und Benutzergerät auf komplexere Frequenzbandeinstellungen angewiesen sein. Daher ist die Komplexität des HF-Frontend-Moduls dramatisch gestiegen, und mehr als hundert Filtern müssen integriert werden, um alle Kommunikationsmodi zu unterstützen.
Es gibt verschiedene Technologien zur Bewältigung der wachsenden Nachfrage auf dem Filtermarkt, aber die meisten von ihnen können die strengeren Anforderungen von 5G-Netzwerken nicht erfüllen. Durch die Verwendung eines neuartigen piezoelektrisch isolierten Substrats (POI) können jedoch leistungsstarke integrierte SAW-Filterkomponenten (Integrated Surface Acoustic Wave) erzeugt werden, die die Anforderungen von 5G-Netzwerken erfüllen können. Diese Filter können auf Smartphones-Frontend-Module zusammen mit Leistungsverstärkern, Schaltern und Antennentonern angewendet werden, die mit RF-ROI-Substraten hergestellt werden.
5G challenges of front-end modules
5G's wider radio frequency spectrum can achieve data rates that are 20 times faster than 4G. Zur gleichen Zeit, die Anzahl der Online-Geräte wird exponentiell steigen, Dies führt zu einer tausendmal höheren Verbindungsdichte als jetzt. Die Geburt dieses neuen Standards betrifft alle Geräte, die Mobilfunknetze nutzen.
Um Datenraten über 20Gb bereitzustellen/s, Akustikwellenfilter müssen sich den komplexen Herausforderungen von 5G-Netzen stellen: mehr Bänder, größere Bandbreiten, höhere Frequenzen, and many support for different carrier aggregation (CA) modes and MIMO Antennendesigns. Bandkombination.
Um diese neuen Anforderungen zu erfüllen, muss die Signalselektivität präziser sein. Daher ist es wichtig, dass der Resonator einen sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten (TCF) hat, normalerweise weniger als 10ppm/K; Während Bode Q einen hohen Q-Faktor hat, ist Bode Q in der Regel höher als 2000. Um verschiedene Carrier Aggregations- und MIMO-Funktionen zu unterstützen, muss die Out-of-Band Unterdrückung sorgfältiger berücksichtigt werden.
Die Optimierung des Energieverbrauchs des Frontend-Moduls ist nach wie vor ein zentrales Thema. Die Einfügedämpfung seiner Komponenten muss so begrenzt sein, dass das Signal bei gleicher Leistung so weit wie möglich reisen kann, während das Gerät energieeffizient arbeiten kann.
Die internen Komponenten von Smartphone-Frontend-Modulen haben dramatisch zugenommen und den verfügbaren Platz stark eingeschränkt. Mehr als 60-Filter wurden in aktuellen High-End-Mobiltelefonen installiert, und es ist absehbar, dass es in der nächsten Generation mehr als 100-Filter geben wird. Jeder Filter ist auf ein bestimmtes Hochfrequenzband ausgerichtet und erfordert einzigartige Design- und Leistungsmerkmale. Die Integration einer so großen Anzahl unterschiedlicher Komponenten auf engstem Raum stellt Design- und Fertigungsteams vor viele Herausforderungen. Aus diesen Gründen sind Formfaktor, Wärmeableitung und Leistungsverbesserung zu den Schlüsselmerkmalen des Innenfilters des Front-End-Moduls geworden.
Market demand
So far, Die Signalauswahl von Smartphones hat hauptsächlich zwei Filtertechniken übernommen. Piezoelectric materials generate sound waves that can travel freely on the surface of the material (SAW: surface acoustic wave) or between active layers (BAW: bulk acoustic wave).
Der aktuelle SAW-Filter ist sehr geeignet für das niedrige und mittlere 4G-Frequenzband, aber es ist schwierig, die höheren Anforderungen von 5G (hoher TCF, niedriger Q-Faktor, niedriger Kopplungskoeffizient) und Frequenz zu erfüllen. Aufgrund der hohen thermischen Ausdehnung seines Substrats (in der Regel Lithiumtantalat oder Lithiumniobat) ist der Frequenzgang des SAW-Filters empfindlich gegenüber Temperaturänderungen. Im letzten Schritt des Geräteherstellungsprozesses kann das Hinzufügen einer zusätzlichen Schicht an der Oberseite der Metallschicht das Temperaturempfindlichkeitsproblem bis zu einem gewissen Grad kompensieren, aber gleichzeitig beeinflusst die neue Schicht die Kopplungseffizienz und die endgültige Leistung des Filters.
Der BAW-Filter kann bei höheren Frequenzen eine gute Leistung beibehalten, aber die Größe kann nicht so dünn sein wie der SAW-Filter, was eine große Herausforderung für die Modulintegration darstellt. Darüber hinaus ist sein Herstellungsprozess komplizierter, und die Multiplexer und Duplexer, die auf dem gleichen Chip integriert werden können, sind auch begrenzt.
Film POI
Since it is impossible to compromise on certain performance indicators, Soitec hat eine neue Art von Substrat entwickelt, um Betreibern und Handyherstellern zu helfen, die Herausforderungen zu meistern, die den strengeren Anforderungen neuer 5G-Netzwerkfunktionen entsprechen.. The POI substrate consists of a thin layer of single crystal piezoelectric material (currently single crystal lithium tantalate) covering a silicon dioxide layer and a high resistivity substrate, wie in Abbildung 1a dargestellt. Die Dicke der obersten Schicht von Lithiumtantalat liegt im Allgemeinen zwischen 0.3 und 1 μm. Dieses Dünnschicht-POI-Substrat wird mit dem Smart-Cut-Verfahren von Soitec hergestellt, die hohe Gleichmäßigkeit der Plattenschicht und eine hochwertige Massenproduktion gewährleistet. This structure can guide the sound wave on the surface of the substrate and concentrate its energy in the thin layer of lithium tantalate on the top with minimal loss (Figure 1b). Mit dieser neuen Substratart, filter designers can use substrate materials with better coupling coefficients (k2) and lower thermal expansion coefficients, Dadurch werden Resonatoren mit hohen Qualitätsfaktoren bei höheren Frequenzen konstruiert, niedrige Temperaturempfindlichkeit, und größere Bandbreiten. Filter. Zur gleichen Zeit, Mehrere Filter können auf demselben Chip integriert werden.
Das POI-Substrat enthält eine piezoelektrische Materialschicht, eine vergrabene Sauerstoffschicht und eine Siliziumschicht. Die piezoelektrische Dünnschicht mit hoher Gleichmäßigkeit begrenzt die Energie geführter Wellen und erzielt hohe akustische Eigenschaften. Die vergrabene Sauerstoffschicht leitet nur Hochgeschwindigkeitswellen gezielt und unterdrückt piezoelektrische Materialien, dadurch die thermische Ausdehnung und damit die Temperaturempfindlichkeit reduziert. Diese Struktur kann höhere Signalselektivität und Frequenzstabilität erreichen, wenn sich die Temperatur ändert. Da Hersteller von Filterkomponenten keine dicke Schicht mehr auf der Oberseite hinzufügen müssen, um das piezoelektrische Material einzuschränken, im Vergleich zu TC-SAW, Es vereinfacht auch den Herstellungsprozess und verbessert die Kupplungseffizienz.
SAW-Filter mit POI-Substrate extrem geringe Einfügedämpfung, Gerätehersteller in die Lage versetzen, den Energieverbrauch effektiv zu steuern. Im Vergleich zu anderen Lösungen, Der POI-basierte SAW-Filter hat die Vorteile eines hohen Q-Faktors, hohe Kopplung an Filter mit hoher Bandbreite, extrem niedriger TCF, und hochintegrierte Filter auf demselben Chip.
Darüber hinaus, Es ist erwähnenswert, dass das Filterdesign, das auf dem POI-Substrat basiert, der Technologie sehr ähnlich ist, die für das SAW-Filterdesign auf der Grundlage des piezoelektrischen Bulk-Wafers erforderlich ist; zur gleichen Zeit, the manufacturing process only requires a few simple steps (standard metal layer deposition is used for the main body) .
Design of SAW resonator and filter based on POI
We measured and characterized the actual performance of SAW resonators based on lithium tantalate wafers and thin-film POI, und die Ergebnisse zeigten die Leistungssteigerung des POI-Substrats. In diesem Experiment, Ein Dipol-Single-Port Resonator wird verwendet, mit insgesamt 120 Interdigitalpaaren und 20-Elektroden auf jeder Seite zur Erzielung von Spiegelbildern. Die akustische Blende ist auf 40 Î eingestellt, Der Abstand zwischen Interdigital und Elektrode beträgt 1.2 μm, und das Metall/Abstandsverhältnis ist 0.5. The POI substrate used in the experiment has the following characteristics: 600nm thick (YX)/42°LiTaO3 layer connected with 500nm thick silicon dioxide layer connected with high resistivity silicon layer (100).
Coupling coefficient k2
The coupling coefficient k2 of POI can reach 8.13%, Während der LiTaO3 Wafer des traditionellen TC-SAW Gerätes nur 5 beträgt.98% (see Figure 3). k2 wird aus 1-fr2 berechnet/fa2 (where fr is the resonant frequency and fa is the anti-resonant frequency). The high k2 of the POI substrate enables the design of a large bandwidth filter to cover some of the new 5G frequency bands (up to 6% bandwidth of the center frequency).
Resonanz k2 Messergebnisse für Schüttgut und POI-Substrate.
Eine weitere signifikante Verbesserung der Leistungsfähigkeit des POI-Substrats zeigt sich im Bode Q-Faktor während der Antiresonanz. Unter den gleichen Bedingungen, der Q-Faktor von der Masse LiTaO3 ist 935, und das Ergebnis des POI-Substrats ist 2200, Damit der SAW-Filter mit dem BAW-Filter im L- und C-Band konkurrieren kann.
