IC基板 - 4 G／5 G RFフロントエンドフィルタ用の絶縁圧電基板

サブ6 GHz周波数帯における先進4 Gおよび5 Gネットワークの展開はオペレータと携帯電話メーカーが新しい機能と新しい採用を必要とする PCB技術.

新しいネットワークが提供するより大きなデータ帯域幅を利用するために、基地局とユーザ機器との間の無線周波数通信は、より複雑な周波数帯域設定に依存しなければならない。したがって、RFフロントエンドモジュールの複雑さは劇的に増加し、100以上のフィルタがすべての通信モードをサポートするために統合される必要がある。

成長しているフィルタ市場需要に対処するために利用できる様々な技術があります、しかし、それらの大部分は5 Gネットワークのより厳しい要件を満たすことができません。しかし、新しいタイプの圧電絶縁（POI）基板の使用は、5 Gネットワークの要件を満たすことができる高性能集積弾性表面波（SAW）フィルタ部品を製造することができる。これらのフィルタは、RF - ROI基板を使用して作られた電力増幅器、スイッチ、およびアンテナチューナと共に、スマートフォンフロントエンドモジュールに適用することができる。

5G challenges of front-end modules
5G's wider radio frequency spectrum can achieve data rates that are 20 times faster than 4G. 同時に, オンラインデバイスの数は指数関数的に増加する, それが現在より1000倍高い接続密度をもたらす. この新しい標準の誕生は、モバイルネットワークを使うすべての装置に影響を及ぼします.

20 GBを超えるデータ料金を提供するために/s, 音響波フィルタは5 Gネットワークの複雑な課題に対処する必要がある, より大きなバンド幅, 高周波, and many support for different carrier aggregation (CA) modes and MIMOアンテナ設計. バンドコンビネーション.

これらの新しい要件を達成するためには、信号の選択性をより正確にする必要がある。したがって、共振器を10 ppm／k未満の非常に低い温度係数因子（TCF）とすることが重要であるQ値は高いが、一般的にはBode Qは2000より高い。さらに、異なるキャリア集約とMIMO機能をサポートするためには、帯域外抑制をより慎重に考慮する必要がある。

フロントエンドモジュールのエネルギー消費の最適化は依然として重要な課題である。機器の挿入損失は、信号が同じ電力レベルで可能な限り遠ざけるように制限されなければならず、一方、機器はエネルギーを効率的に使用することができなければならない。

スマートフォンフロントエンドモジュールの内部コンポーネントは、大幅に利用可能なスペースを制限する劇的に増加している。現在のハイエンドの携帯電話には60以上のフィルタが設置されており、次世代には100台以上のフィルタがあることが予測できる。各々のフィルタは、特定のラジオ周波数帯を目標として、独特の設計およびパフォーマンス特性を必要とする。非常に限られたスペースのそのような多数の異なるコンポーネントを集積することは、設計および製造チームのための多くの挑戦を提示する。これらの理由から、フォームファクタ、放熱、性能向上はフロントエンドモジュールの内部フィルタの重要な特性となっている。

Market demand
So far, スマートフォンの信号選択は主に2つのフィルタリング技術を採用している. 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).

現在のSAWフィルタは、低および中4 G周波数帯域に非常に適しているが、5 G（高TCF、低Q係数、低結合係数）および周波数のより高い要求を満たすことは困難である。基板（通常タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウム）の高い熱膨張により、SAWフィルタの周波数応答は温度変化に敏感である。デバイス製造プロセスの最後のステップでは、金属層の頂部に余分な層を追加することによって、温度感受性問題をある程度まで補償することができるが、同時に、新しい層は、フィルタの結合効率および最終性能に影響を及ぼす。

BAWフィルタは、より高い周波数で良好な性能を維持することができるが、モジュールの集積のための大きな課題であるSAWフィルタほど薄いことはできない。また、製造工程が複雑化し、同一チップ上に集積化可能なマルチプレクサやデュプレクサも制限されている。

Film POI
Since it is impossible to compromise on certain performance indicators, SOITECは、新しい5 Gネットワーク機能のより厳しい要件に応じて、オペレータと携帯電話メーカーが課題を満たすのを助ける新しいタイプの基板を開発しました. 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, 図1 Aに示すように. タンタル酸リチウムの上部層の厚さは、一般的に0の間である.3と1は1 / 4. この薄膜POI基板は、ソテックのスマートカット, 基板層の高均一性と高品質大量生産を保証する. 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). この新しいタイプの基板で, filter designers can use substrate materials with better coupling coefficients (k2) and lower thermal expansion coefficients, これにより高周波数で高品質の共振器を設計する, 低温感度, と大きなバンド幅. フィルタ. 同時に, 複数のフィルタを同一チップ上に集積することができる.
POI基板は圧電材料層を含む, 埋込み酸素層およびシリコン層. 高い均一性を有する圧電薄層は導波のエネルギーを制限し、高性能音響特性を得る. 埋込み酸素層は、ターゲット波で高速波のみを誘導し、圧電材料を抑制する, これにより、熱膨張及び温度感受性を低減する. この構造は温度変化時の信号選択性と周波数安定性を達成できる. フィルタ部品製造者はもはや圧電材料を拘束するために上部に厚い層を追加する必要がないので, TC - SAWと比較して, また、製造プロセスを簡素化し、結合効率を改善する.
SAWフィルタ POI基板 非常に低い挿入損失を達成できる, デバイスメーカーが効果的にエネルギー消費を管理するのを可能にする. 他の解決法に比べて, POIベースのSAWフィルタは高Q値の利点を有する, 広帯域フィルタへの高結合, 非常に低いTCF, 同一チップ上の高集積フィルタ.
加えて, POI基板に基づくフィルタ設計は、バルク圧電ウェハに基づくSAWフィルタ設計に必要な技術と非常に類似していることは注目に値する同時に, 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, POI基板の性能向上を示した。. この実験では, ダイポール単一ポート共振器を使用する, 鏡像を達成するために、合計120のinterdigital. 音響アパーチャは40, インターデジタルと電極の間の距離は1である.- 1 / 2, そして、金属/間隔比率は0です.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 %, 伝統的なTC−SAWデバイスのバルクLiTaO 3ウエハは、わずか5である.98% (see Figure 3). K 2は、1 - fr 2から計算されます/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).

バルクと3 Kの共鳴K 2測定結果 POI基板.
POI基板の性能のもう一つの重要な改善は、反共振の間のBODE Qファクタに示される. 同じ条件で, バルクLiTaO 3のQ因子は935である, POI基板の結果は2200である, SAWフィルタがLバンドとCバンドのBAWフィルタと競合できるように.