Substrat IC - Substrat piezoelektrik terpisah untuk penapis bahagian depan 4G/5G RF

Penggunaan rangkaian 4G dan 5G maju dalam band frekuensi sub-6GHz memerlukan operator dan penghasil telefon bimbit untuk mengadopsi fungsi baru dan teknologi PCB baru.

Untuk mengambil keuntungan lebar kawasan data yang lebih besar yang akan diberikan rangkaian baru, komunikasi frekuensi radio antara stesen asas dan peralatan pengguna mesti bergantung pada tetapan kawasan frekuensi yang lebih kompleks. Oleh itu, kompleksiti modul bahagian depan RF telah meningkat secara dramatis, dan lebih dari seratus penapis perlu disertai untuk menyokong semua mod komunikasi.

Terdapat berbagai teknologi yang tersedia untuk menghadapi permintaan pasar penapis yang meningkat, tetapi kebanyakan daripada mereka tidak dapat memenuhi keperluan yang lebih ketat rangkaian 5G. Namun, penggunaan jenis baru substrat piezoelectric-insulated (POI) boleh menghasilkan komponen penapis gelombang akustik permukaan terkait prestasi tinggi (SAW) yang boleh memenuhi keperluan rangkaian 5G. Penapis ini boleh dilaksanakan pada modul bahagian depan telefon pintar bersama dengan penyampai kuasa, tukar, dan tuner antena yang dibuat menggunakan substrat RF-ROI.

cabaran 5G bagi spektrum frekuensi radio lebih luas modul5G boleh mencapai kadar data yang 20 kali lebih cepat daripada 4G. Pada masa yang sama, bilangan peranti online akan meningkat secara eksponensial, menghasilkan ketepatan sambungan yang seribu kali lebih tinggi daripada sekarang. Kelahiran piawai baru ini akan mempengaruhi semua peranti yang menggunakan rangkaian bimbit.

Untuk menyediakan kadar data yang melebihi 20Gb/s, penapis gelombang akustik perlu menghadapi cabaran kompleks rangkaian 5G: lebih banyak bands, lebar bands yang lebih besar, frekuensi yang lebih tinggi, dan banyak sokongan untuk mod agregasi pembawa (CA) berbeza dan rancangan antena MIMO. Kombinasi band.

Untuk mencapai keperluan baru ini, selektif isyarat perlu lebih tepat. Oleh itu, penting untuk membuat resonator mempunyai faktor koeficien suhu yang sangat rendah (TCF), biasanya kurang dari 10ppm/K; semasa mempunyai faktor Q yang tinggi, Bode Q biasanya lebih tinggi dari 2000. Selain itu, untuk menyokong agregasi pembawa berbeza dan fungsi MIMO, penghalangan luar-band perlu dianggap lebih berhati-hati.

Pengoptimizasi konsumsi tenaga modul bahagian depan masih isu kunci. Kehilangan penyisipan komponen mesti terbatas sehingga isyarat boleh mengembara sejauh mungkin di bawah aras kuasa yang sama, sementara peralatan mesti boleh menggunakan tenaga secara efektif.

Komponen dalaman modul bahagian depan telefon pintar telah meningkat secara dramatis, mengatasi ruang yang tersedia. Lebih dari 60 penapis telah dipasang dalam telefon bimbit berakhir tinggi semasa, dan terduga bahawa akan ada lebih dari 100 penapis dalam generasi berikutnya. Setiap penapis ditujukan pada band frekuensi radio khusus dan memerlukan reka unik dan ciri-ciri prestasi. Mengintegrasi sejumlah besar komponen berbeza dalam ruang yang sangat terbatas menghasilkan banyak cabaran untuk pasukan desain dan penghasilan. Untuk sebab-sebab ini, faktor bentuk, penyebaran panas dan peningkatan prestasi telah menjadi ciri-ciri utama penapis dalaman modul bahagian depan.

Demi pasar Sejauh ini, pemilihan isyarat telefon pintar telah mengadopsi dua teknik penapisan. Bahan-bahan piezoelektrik menghasilkan gelombang bunyi yang boleh berjalan secara bebas di permukaan bahan (SAW: gelombang akustik permukaan) atau antara lapisan aktif (BAW: gelombang akustik besar).

Penapis SAW semasa sangat sesuai untuk band frekuensi 4G rendah dan tengah, tetapi sukar untuk memenuhi keperluan yang lebih tinggi 5G (TCF tinggi, faktor Q rendah, koeficien sambungan rendah) dan frekuensi. Sebab pengembangan panas tinggi substratnya (biasanya lithium tantalate atau lithium niobate), respons frekuensi penapis SAW sensitif kepada perubahan suhu. Dalam langkah terakhir proses penghasilan peranti, menambah lapisan tambahan ke atas lapisan logam boleh mengembalikan masalah sensitiviti suhu ke tingkat tertentu, tetapi pada masa yang sama lapisan baru akan mempengaruhi efisiensi sambungan dan prestasi akhir penapis.

Penapis BAW boleh menyimpan prestasi yang baik pada frekuensi yang lebih tinggi, tetapi saiz tidak boleh menjadi halus seperti penapis SAW, yang merupakan cabaran besar untuk integrasi modul. Selain itu, proses penghasilannya lebih rumit, dan multiplexer dan duplexer yang boleh disertai pada cip yang sama juga terbatas.

Film POISince ia adalah mustahil untuk kompromi pada indikator prestasi tertentu, Soitec telah mengembangkan jenis substrat baru untuk membantu operator dan penghasil telefon bimbit memenuhi cabaran sebagai balas kepada keperluan yang lebih ketat bagi fungsi rangkaian 5G baru. Substrat POI terdiri dari lapisan tipis bahan piezoelektrik kristal tunggal (kini tantalat lithium kristal tunggal) yang menutupi lapisan dioksid silikon dan substrat resistiti tinggi, seperti yang dipaparkan dalam Gambar 1a. Ketempatan lapisan atas lithium tantalat adalah secara umum antara 0.3 dan 1 μm. Substrat POI filem tipis ini dibuat menggunakan proses Smart-Cut Soitec, yang memastikan keseluruhan tinggi lapisan papan dan produksi massa berkualiti tinggi. Struktur ini boleh memimpin gelombang bunyi di permukaan substrat dan berkonsentrasi tenaga dalam lapisan tipis lithium tantalat di atas dengan kehilangan minimal (Figur 1b). Dengan jenis substrat baru ini, penjana penapis boleh menggunakan bahan substrat dengan koeficien sambungan yang lebih baik (k2) dan koeficien pengembangan panas lebih rendah, dengan itu merancang resonator dengan faktor kualiti tinggi pada frekuensi yang lebih tinggi, sensitiviti suhu rendah, dan lebar band yang lebih besar. Penapis. Pada masa yang sama, penapis berbilang boleh disertai pada cip yang sama. Substrat POI termasuk lapisan bahan piezoelektrik, lapisan oksigen terkubur dan lapisan silikon. Lapisan kurus piezoelektrik dengan uniformiti tinggi mengatasi tenaga gelombang yang dipandu dan mencapai ciri-ciri akustik prestasi tinggi. Lapisan oksigen terkubur hanya memimpin gelombang kelajuan tinggi dengan cara yang ditetapkan dan menekan bahan-bahan piezoelektrik, dengan itu mengurangkan pengembangan panas dan dengan itu sensitiviti suhu. Struktur ini boleh mencapai selektif isyarat dan kestabilan frekuensi yang lebih tinggi bila suhu berubah. Kerana penghasil komponen penapis tidak lagi perlu menambah lapisan tebal di atas untuk mengendalikan bahan piezoelektrik, dibandingkan dengan TC-SAW, ia juga mempermudahkan proses penghasilan dan meningkatkan efisiensi sambungan. Penapis SAW menggunakan substrat POI boleh mencapai kehilangan penyisihan yang sangat rendah, membolehkan penghasil peranti untuk mengendalikan penggunaan tenaga secara efektif. Berbanding dengan penyelesaian lain, penapis SAW berdasarkan POI mempunyai keuntungan faktor Q tinggi, sambungan tinggi dengan penapis lebar bandu tinggi, TCF sangat rendah, dan penapis yang terintegrasi tinggi pada cip yang sama. Selain itu, ia layak diperhatikan bahawa desain penapis berdasarkan substrat POI sangat mirip dengan teknologi yang diperlukan untuk desain penapis SAW berdasarkan wafer piezoelektrik besar; pada masa yang sama, proses penghasilan hanya memerlukan beberapa langkah sederhana (depositi lapisan logam piawai digunakan untuk tubuh utama) .Design resonator SAW dan penapis berdasarkan POIWe mengukur dan mengukur prestasi sebenar resonator SAW berdasarkan wafer lithium tantalate dan POI-film tipis, dan keputusan menunjukkan penambahan prestasi substrat POI. Dalam eksperimen ini, resonator dipol-port tunggal digunakan, dengan total 120 pasangan interdigital dan 20 elektrod di setiap sisi untuk mencapai imej cermin. Buka akustik ditetapkan ke 40 λ, jarak antara interdigital dan elektrod adalah 1.2 μm, dan nisbah logam/jarak adalah 0.5. Substrat POI yang digunakan dalam eksperimen mempunyai ciri-ciri yang berikut: 600nm tebal (YX)/42°LiTaO3 lapisan terhubung dengan lapisan silikon dioksida tebal 500nm terhubung dengan lapisan silikon resistiti tinggi (100).

Koeficen pasang k2Koeficen pasang k2 POI boleh mencapai 8. 13%, sementara wafer LiTaO3 besar peranti TC- SAW tradisional hanya 5. 98% (lihat Gambar 3). k2 dihitung dari 1-fr2/fa2 (di mana fr adalah frekuensi resonan dan fa adalah frekuensi anti resonan). K2 tinggi substrat POI membolehkan desain penapis lebar bandu besar untuk menutupi beberapa bands frekuensi 5G baru (sehingga lebar bandu 6% frekuensi tengah).

Hasil pengukuran k2 resonansi untuk substrat besar dan POI. Perbaikan lain yang signifikan dalam prestasi substrat POI dipaparkan dalam faktor Q Bode semasa anti-resonans. Dalam syarat yang sama, faktor Q bagi LiTaO3 besar ialah 935, dan hasil substrat POI ialah 2200, sehingga penapis SAW boleh bersaing dengan penapis BAW dalam band L dan band C.