Substrato IC - Substrato piezoelettrico isolato per 4G/5G RF front-end filtro

Lo sviluppo di reti avanzate 4G e 5G nella banda di frequenza inferiore ai 6GHz richiede agli operatori e ai produttori di telefoni cellulari di adottare nuove funzioni e nuove tecnologie PCB.

Per sfruttare la maggiore larghezza di banda dei dati che la nuova rete fornirà, la comunicazione in radiofrequenza tra la stazione base e l'apparecchiatura utente deve basarsi su impostazioni di banda di frequenza più complesse. Pertanto, la complessità del modulo front-end RF è aumentata drasticamente e più di cento filtri devono essere integrati per supportare tutte le modalità di comunicazione.

Esistono varie tecnologie disponibili per far fronte alla crescente domanda del mercato dei filtri, ma la maggior parte di esse non può soddisfare i requisiti più rigorosi delle reti 5G. Tuttavia, l'uso di un nuovo tipo di substrato piezoelettrico-isolato (POI) può produrre componenti di filtro ad onde acustiche superficiali integrate ad alte prestazioni (SAW) che possono soddisfare i requisiti delle reti 5G. Questi filtri possono essere applicati ai moduli front-end dello smart phone insieme a amplificatori di potenza, interruttori e sintonizzatori di antenna realizzati utilizzando substrati RF-ROI.

Le sfide 5G dei moduli front-endIl più ampio spettro di radiofrequenza 5G può raggiungere velocità di dati 20 volte più veloci rispetto al 4G. Allo stesso tempo, il numero di dispositivi online aumenterà esponenzialmente, con conseguente densità di connessione mille volte superiore a quella attuale. La nascita di questo nuovo standard riguarderà tutti i dispositivi che utilizzano le reti mobili.

Al fine di fornire velocità di dati superiori a 20Gb/s, i filtri ad onde acustiche devono affrontare le complesse sfide delle reti 5G: più bande, larghezze di banda più grandi, frequenze più alte e molti supporti per diverse modalità di aggregazione carrier (CA) e design di antenne MIMO. Combinazione di bande.

Per soddisfare questi nuovi requisiti, la selettività del segnale deve essere più precisa. Pertanto, è importante che il risonatore abbia un fattore di coefficiente di temperatura molto basso (TCF), solitamente inferiore a 10ppm/K; pur avendo un elevato fattore Q, Bode Q è generalmente superiore al 2000. Inoltre, al fine di supportare diverse funzioni di aggregazione dei vettori e MIMO, la soppressione fuori banda deve essere considerata più attentamente.

L'ottimizzazione dei consumi energetici del modulo front-end è ancora una questione chiave. La perdita di inserimento dei suoi componenti deve essere limitata in modo che il segnale possa viaggiare il più possibile sotto lo stesso livello di potenza, mentre l'apparecchiatura deve essere in grado di utilizzare l'energia in modo efficiente.

I componenti interni dei moduli front-end per smartphone sono aumentati drasticamente, limitando notevolmente lo spazio disponibile. Più di 60 filtri sono stati installati negli attuali telefoni cellulari di fascia alta ed è prevedibile che ci saranno più di 100 filtri nella prossima generazione. Ogni filtro è mirato a una specifica banda di radiofrequenza e richiede caratteristiche progettuali e prestazionali uniche. Integrare un numero così elevato di componenti diversi in uno spazio molto limitato presenta molte sfide per i team di progettazione e produzione. Per questi motivi, il fattore di forma, la dissipazione del calore e il miglioramento delle prestazioni sono diventati le caratteristiche chiave del filtro interno del modulo front-end.

Domanda di mercatoFinora, la selezione del segnale degli smartphone ha adottato principalmente due tecniche di filtraggio. I materiali piezoelettrici generano onde sonore che possono viaggiare liberamente sulla superficie del materiale (SAW: onda acustica superficiale) o tra strati attivi (BAW: onda acustica bulk).

L'attuale filtro SAW è molto adatto per la banda di frequenza 4G bassa e media, ma è difficile soddisfare i requisiti più elevati di 5G (alto TCF, basso fattore Q, basso coefficiente di accoppiamento) e frequenza. A causa dell'elevata espansione termica del suo substrato (solitamente tantalato di litio o niobato di litio), la risposta in frequenza del filtro SAW è sensibile ai cambiamenti di temperatura. Nell'ultima fase del processo di produzione del dispositivo, l'aggiunta di uno strato aggiuntivo alla parte superiore dello strato metallico può compensare il problema di sensibilità alla temperatura in una certa misura, ma allo stesso tempo il nuovo strato influenzerà l'efficienza di accoppiamento e le prestazioni finali del filtro.

Il filtro BAW può mantenere buone prestazioni alle frequenze più elevate, ma la dimensione non può essere sottile come il filtro SAW, che è una grande sfida per l'integrazione dei moduli. Inoltre, il suo processo di produzione è più complicato e anche i multiplexer e duplexer che possono essere integrati sullo stesso chip sono limitati.

Poiché è impossibile scendere a compromessi su determinati indicatori di prestazione, Soitec ha sviluppato un nuovo tipo di substrato per aiutare operatori e produttori di telefonia mobile ad affrontare le sfide in risposta ai requisiti più rigorosi delle nuove funzioni di rete 5G. Il substrato POI è costituito da un sottile strato di materiale piezoelettrico monocristallo (attualmente tantalato di litio monocristallo) che copre uno strato di biossido di silicio e un substrato ad alta resistività, come mostrato nella Figura 1a. Lo spessore dello strato superiore di tantalato di litio è generalmente compreso tra 0,3 e 1 μm. Questo substrato POI a film sottile è realizzato utilizzando il processo Smart-Cut⢠di Soitec, che garantisce un'elevata uniformità dello strato di bordo e una produzione di massa di alta qualità. Questa struttura può guidare l'onda sonora sulla superficie del substrato e concentrare la sua energia nello strato sottile di tantalato di litio sulla parte superiore con perdita minima (Figura 1b). Con questo nuovo tipo di substrato, i progettisti di filtri possono utilizzare materiali di substrato con coefficienti di accoppiamento migliori (k2) e coefficienti di espansione termica più bassi, progettando così risonatori con fattori di alta qualità a frequenze più elevate, sensibilità a bassa temperatura e larghezze di banda più grandi. Filtro. Allo stesso tempo, più filtri possono essere integrati sullo stesso chip. Il substrato POI comprende uno strato di materiale piezoelettrico, uno strato di ossigeno sepolto e uno strato di silicio. Lo strato sottile piezoelettrico con elevata uniformità limita l'energia delle onde guidate e raggiunge caratteristiche acustiche ad alte prestazioni. Lo strato di ossigeno sepolto guida solo le onde ad alta velocità in modo mirato e sopprime i materiali piezoelettrici, riducendo così l'espansione termica e quindi la sensibilità alla temperatura. Questa struttura può raggiungere una maggiore selettività del segnale e stabilità di frequenza quando cambia temperatura. Poiché i produttori di componenti filtranti non hanno più bisogno di aggiungere uno strato spesso sulla parte superiore per limitare il materiale piezoelettrico, rispetto a TC-SAW, semplifica anche il processo di produzione e migliora l'efficienza di accoppiamento. I filtri SAW che utilizzano substrati POI possono ottenere perdite di inserzione estremamente basse, consentendo ai produttori di dispositivi di gestire efficacemente il consumo energetico. Rispetto ad altre soluzioni, il filtro SAW basato su POI presenta i vantaggi di un elevato fattore Q, un elevato accoppiamento a filtri ad alta larghezza di banda, TCF estremamente basso e filtri altamente integrati sullo stesso chip. Inoltre, vale la pena notare che la progettazione del filtro basata sul substrato POI è molto simile alla tecnologia richiesta per la progettazione del filtro SAW basata sul wafer piezoelettrico sfuso; Allo stesso tempo, il processo di produzione richiede solo pochi semplici passaggi (la deposizione standard dello strato metallico viene utilizzata per il corpo principale) .Progettazione del risonatore SAW e filtro basato su POIWe misurato e caratterizzato le prestazioni effettive dei risonatori SAW basati su wafer di tantalato di litio e POI a film sottile, e i risultati hanno mostrato il miglioramento delle prestazioni del substrato POI. In questo esperimento, viene utilizzato un risonatore dipolo monoporta, con un totale di 120 coppie interdigitali e 20 elettrodi su ogni lato per ottenere immagini a specchio. L'apertura acustica è impostata su 40 Î", la distanza tra l'interdigitale e l'elettrodo è di 1,2 μm e il rapporto metallo/spaziatura è di 0,5. Il substrato POI utilizzato nell'esperimento ha le seguenti caratteristiche: strato di 600nm di spessore (YX)/42°LiTaO3 collegato con strato di biossido di silicio di spessore 500nm collegato con strato di silicio ad alta resistività (100).

Coefficiente di accoppiamento k2Il coefficiente di accoppiamento k2 del POI può raggiungere l'8,13%, mentre il wafer LiTaO3 sfuso del dispositivo TC-SAW tradizionale è solo il 5,98% (vedere Figura 3). k2 è calcolato da 1-fr2/fa2 (dove fr è la frequenza di risonanza e fa è la frequenza anti-risonante). L'alto k2 del substrato POI consente la progettazione di un filtro di larghezza di banda larga per coprire alcune delle nuove bande di frequenza 5G (fino al 6% di larghezza di banda della frequenza centrale).

Risultati di misurazione della risonanza k2 per substrati sfusi e POI. Un altro significativo miglioramento delle prestazioni del substrato POI è mostrato nel fattore Bode Q durante l'anti-risonanza. Nelle stesse condizioni, il fattore Q del LiTaO3 sfuso è 935 e il risultato del substrato POI è 2200, in modo che il filtro SAW possa competere con il filtro BAW nella banda L e nella banda C.