Substrat De Boîtier IC - Substrat piézoélectrique isolé pour filtre frontal RF 4g / 5g

Le déploiement de réseaux 4G et 5G avancés dans la bande inférieure à 6 GHz nécessite l'adoption de nouvelles fonctionnalités et de nouvelles technologies de PCB par les opérateurs et les fabricants de téléphones mobiles.

Pour tirer parti de la plus grande bande passante de données que le nouveau réseau fournira, les communications RF entre les stations de base et les équipements des utilisateurs devront dépendre de paramètres de bande de fréquences plus complexes. Par conséquent, la complexité du module frontal RF augmente considérablement, nécessitant l'intégration de plus d'une centaine de filtres pour prendre en charge tous les modes de communication.

Diverses technologies sont disponibles pour répondre à la demande croissante du marché des filtres, mais la plupart d’entre elles ne peuvent pas répondre aux exigences plus strictes des réseaux 5G. Cependant, l'utilisation d'un nouveau substrat piézoélectrique isolant (poi) permet de produire des composants de filtre saw (Surface Acoustic Wave) intégrés haute performance qui répondent aux exigences des réseaux 5G. Ces filtres peuvent être appliqués au module frontal du smartphone avec des amplificateurs de puissance, des commutateurs et des tuners d'antenne réalisés à l'aide de substrats RF - roi.

Le défi de la 5G pour les modules frontaux le spectre radio plus large de la 5G peut atteindre des débits de données 20 fois plus rapides que la 4G. Dans le même temps, le nombre d'appareils en ligne augmentera exponentiellement, ce qui entraînera une densité de connexion mille fois supérieure à ce qu'elle est aujourd'hui. La naissance de cette nouvelle norme affectera tous les appareils utilisant le Web mobile.

Pour fournir des débits de données supérieurs à 20 GB / s, les filtres acoustiques doivent relever les défis complexes des réseaux 5G: plus de bandes de fréquences, plus de bande passante, plus de fréquences et de nombreux supports pour différents modes d’agrégation de porteuses (CA) et conceptions d’antennes MIMO. Combinaisons de bandes.

Pour répondre à ces nouvelles exigences, la sélectivité du signal doit être plus précise. Il est donc important de donner au résonateur un facteur de coefficient de température (TCF) très faible, typiquement inférieur à 10 ppm / k; Tout en ayant un facteur Q élevé, Bode Q est généralement supérieur à 2000. De plus, pour supporter différentes fonctions d'agrégation de porteuses et de MIMO, la réjection hors bande doit être considérée plus attentivement.

L'optimisation de la consommation d'énergie des modules frontaux reste un enjeu clé. Les pertes d'insertion de ses composants doivent être limitées pour que le signal puisse se propager le plus possible au même niveau de puissance, tandis que le dispositif doit pouvoir utiliser efficacement l'énergie.

Les composants internes du module frontal du smartphone ont considérablement augmenté, limitant considérablement l'espace disponible. Plus de 60 filtres ont été installés sur les téléphones haut de gamme actuels et plus de 100 autres sont à prévoir pour la prochaine génération. Chaque filtre est spécifique à une bande de fréquences radio et nécessite des caractéristiques de conception et de performance uniques. L'intégration d'un si grand nombre de composants différents dans un espace très limité pose de nombreux défis aux équipes de conception et de fabrication. Pour ces raisons, le facteur de forme, la dissipation thermique et l'amélioration des performances sont devenus des caractéristiques clés des filtres internes des modules frontaux.

Demande du marché jusqu'à présent, la sélection du signal pour les smartphones utilise principalement deux techniques de filtrage. Les ondes acoustiques générées par le Matériau piézoélectrique peuvent se propager librement à la surface du matériau (SAW: Surface Acoustic Wave) ou entre les couches actives (Baw: Bulk Acoustic Wave).

Les filtres saw actuels sont bien adaptés aux bandes 4G basses et moyennes, mais ont du mal à répondre aux exigences plus élevées de la 5G (TCF élevé, faible facteur Q, faible coefficient de couplage) et des fréquences. La réponse en fréquence du filtre saw est sensible aux variations de température en raison de la forte dilatation thermique de son substrat, généralement du Tantalate de lithium ou du Niobate de lithium. L'ajout d'une couche supplémentaire au - dessus de la couche métallique lors de la dernière étape du processus de fabrication du dispositif peut compenser dans une certaine mesure les problèmes de sensibilité à la température, mais en même temps, une nouvelle couche affecte l'efficacité de couplage et les performances finales du filtre.

Les filtres Baw peuvent conserver de bonnes performances à des fréquences plus élevées, mais leur taille ne peut pas être aussi fine qu'un filtre Saw, ce qui représente un énorme défi pour l'intégration de modules. De plus, son procédé de fabrication est plus complexe et les multiplexeurs et duplexeurs pouvant être intégrés sur une même puce sont également limités.

En raison de l'impossibilité de faire des compromis sur certains indicateurs de performance, soitec a développé un nouveau type de substrat pour aider les opérateurs et les fabricants de téléphones mobiles à répondre aux exigences plus strictes des nouvelles fonctionnalités de réseau 5G. Le substrat poi est constitué d'une couche mince d'un matériau piézoélectrique monocristallin (actuellement du Tantalate de lithium monocristallin) recouvrant une couche de silice et d'un substrat à haute résistivité, comme représenté sur la figure 1a. L'épaisseur de la couche supérieure de Tantalate de lithium est généralement comprise entre 0,3 et 1 µm. Ce substrat poi en film mince est fabriqué selon le procédé Smart cutâ® de soitec, qui garantit un haut niveau d'uniformité de la couche de plaque et une production en série de haute qualité. Une telle structure permet de diriger les ondes acoustiques à la surface du substrat et de concentrer leur énergie dans la couche mince de Tantalate de lithium au sommet avec un minimum de pertes (figure 1B). Avec ce nouveau type de substrat, les concepteurs de filtres peuvent utiliser un matériau de substrat avec un meilleur coefficient de couplage (k2) et un coefficient de dilatation thermique plus faible, ce qui permet de concevoir des résonateurs avec un facteur de qualité élevé, une sensibilité à basse température et une bande passante plus large à des fréquences plus élevées. Le filtre Simultanément, plusieurs filtres peuvent être intégrés sur une même puce. Le substrat poi comprend une couche de Matériau piézoélectrique, une couche d'oxygène enterré et une couche de silicium. La couche mince piézoélectrique avec une grande uniformité limite l'énergie de l'onde guidée et permet des propriétés acoustiques performantes. La couche d'oxygène enterrée guide les ondes à grande vitesse uniquement de manière ciblée et inhibe le Matériau piézoélectrique, réduisant ainsi la dilatation thermique et donc la sensibilité à la température. Une telle structure permet une sélectivité du signal et une stabilité de fréquence plus élevées lorsque la température varie. Étant donné que les fabricants d'éléments de filtre n'ont plus besoin d'ajouter une couche épaisse sur le dessus pour contraindre le Matériau piézoélectrique, il simplifie également le processus de fabrication et améliore l'efficacité du couplage par rapport au TC - saw. Les filtres saw utilisant des substrats poi peuvent atteindre des pertes d'insertion extrêmement faibles, permettant aux fabricants de dispositifs de gérer efficacement la consommation d'énergie. Par rapport aux autres solutions, les filtres saw à base de poi présentent les avantages d'un facteur Q élevé, d'un couplage élevé avec des filtres à large bande passante, d'un TCF extrêmement faible et d'une intégration élevée des filtres sur la même puce. En outre, il est intéressant de noter que la conception des filtres à base de substrats poi est très similaire à la technologie requise pour la conception des filtres saw à base de plaquettes piézoélectriques massives; Dans le même temps, le processus de fabrication ne nécessite que quelques étapes simples (le corps est déposé avec une couche métallique standard). Conception de résonateurs et de filtres saw à base de poi nous avons mesuré et caractérisé les performances réelles des Résonateurs à ondes acoustiques de surface à base de plaques de Tantalate de lithium et de poi à couche mince, et les résultats ont montré une amélioration des performances des substrats de poi. Dans cette expérience, un résonateur dipôle à port unique a été utilisé, avec un total de 120 paires interdigitées et 20 électrodes de chaque côté, pour obtenir une image miroir. L'ouverture acoustique est réglée à 40 angströms, la distance entre le doigt de fourche et l'électrode est de 1,2 angströms et le rapport métal / espacement est de 0,5. Le substrat poi utilisé dans l'expérience présente les caractéristiques suivantes: une couche de litao 3 de 600 nm d'épaisseur (yx) / 42° est connectée à une couche de silice de 500 nm d'épaisseur et une couche de silice est connectée à une couche de silicium haute résistivité (100).

Le coefficient de couplage K2 du coefficient de couplage k2poi peut atteindre 8,13% contre seulement 5,98% pour une plaquette LiTaO3 massive d'un dispositif TC - saw classique (voir figure 3). K2 est calculé à partir de 1 FR2 / fa2 (où fr est la fréquence de résonance et fa la fréquence d'antirésonance). Le K2 élevé du substrat poi permet de concevoir des filtres à large bande passante pour couvrir certaines des nouvelles bandes 5G (jusqu'à 6% de la bande passante de la fréquence centrale).

Résultats des mesures de résonance K2 pour les substrats en masse et poi. Une autre amélioration significative des performances des substrats poi est montrée dans le facteur Q de Bode lors de l'anti - résonance. Dans les mêmes conditions, le facteur Q du litao 3 massif est 935 et le résultat pour le substrat poi est 2200, de sorte que le filtre saw peut concurrencer le filtre Baw dans les bandes l et C.