Подложка ИС - 4G / 5G передний край радиочастотного фильтра с изоляционной пьезоэлектрической базой

Развертывание современных сетей 4G и 5G в частотном диапазоне суб-6 ГГц требует от операторов и производителей мобильных телефонов внедрения новых функций и новых технологий печатных плат.

Для того чтобы воспользоваться преимуществами большей пропускной способности данных, которую обеспечит новая сеть, радиочастотная связь между базовой станцией и пользовательским оборудованием должна опираться на более сложные настройки частотного диапазона. В связи с этим резко возросла сложность фронтального радиочастотного модуля, в который необходимо интегрировать более сотни фильтров для поддержки всех режимов связи.

Существуют различные технологии, позволяющие удовлетворить растущий спрос на рынке фильтров, однако большинство из них не могут удовлетворить более жесткие требования сетей 5G. Однако использование нового типа подложки с пьезоэлектрической изоляцией (POI) позволяет создавать высокопроизводительные интегрированные компоненты фильтров на основе поверхностных акустических волн (ПАВ), отвечающие требованиям сетей 5G. Эти фильтры могут применяться в модулях фронтальных устройств смартфонов вместе с усилителями мощности, коммутаторами и антенными тюнерами, изготовленными с использованием подложек RF-ROI.

Задачи 5G для фронтальных модулей

Более широкий радиочастотный спектр 5G позволяет достичь скорости передачи данных, в 20 раз превышающей скорость 4G. В то же время количество онлайн-устройств будет расти в геометрической прогрессии, в результате чего плотность соединений будет в тысячу раз выше, чем сейчас. Появление нового стандарта затронет все устройства, использующие мобильные сети.

Чтобы обеспечить скорость передачи данных более 20 Гбит/с, акустическим волновым фильтрам необходимо решать сложные задачи сетей 5G: большее количество диапазонов, большая полоса пропускания, более высокие частоты, поддержка различных режимов агрегации несущих (CA) и конструкций антенн MIMO. Объединение полос частот.

Для выполнения этих новых требований селективность сигнала должна быть более точной. Поэтому важно, чтобы резонатор имел очень низкий коэффициент температурного коэффициента (TCF), обычно менее 10ppm/K; при этом обладал высоким Q-фактором, Bode Q обычно выше 2000. Кроме того, для поддержки различных функций агрегации несущих и MIMO необходимо более тщательно подходить к вопросу внеполосного подавления.

Оптимизация энергопотребления фронтального модуля по-прежнему остается ключевой проблемой. Вносимые потери его компонентов должны быть ограничены, чтобы сигнал мог пройти как можно большее расстояние при том же уровне мощности, а само оборудование должно эффективно использовать энергию.

Внутренние компоненты фронтальных модулей смартфонов значительно увеличились, что существенно ограничивает доступное пространство. В современных мобильных телефонах высокого класса установлено более 60 фильтров, а в следующем поколении, по прогнозам, их будет более 100. Каждый фильтр предназначен для работы в определенном диапазоне радиочастот и требует уникальных конструктивных и эксплуатационных характеристик. Интеграция такого большого количества различных компонентов в очень ограниченном пространстве ставит перед разработчиками и производственниками множество задач. По этим причинам форм-фактор, теплоотвод и повышение производительности стали ключевыми характеристиками внутреннего фильтра фронтального модуля.

Рыночный спрос

До сих пор при выделении сигналов в смартфонах использовались в основном два метода фильтрации. Пьезоэлектрические материалы генерируют звуковые волны, которые могут свободно распространяться по поверхности материала (SAW: surface acoustic wave) или между активными слоями (BAW: bulk acoustic wave).

Существующий SAW-фильтр хорошо подходит для низкого и среднего диапазона частот 4G, но ему трудно удовлетворить более высокие требования 5G (высокий TCF, низкий Q-фактор, низкий коэффициент связи) и частоты. Из-за высокого теплового расширения подложки (обычно танталата или ниобата лития) частотная характеристика SAW-фильтра чувствительна к изменениям температуры. На последнем этапе изготовления устройства добавление дополнительного слоя поверх металлического может в некоторой степени компенсировать проблему температурной чувствительности, но в то же время новый слой влияет на эффективность связи и конечные характеристики фильтра.

BAW-фильтр может сохранять хорошие характеристики на более высоких частотах, но его размеры не могут быть такими же тонкими, как у SAW-фильтра, что является большой проблемой для интеграции в модуль. Кроме того, процесс его изготовления более сложен, а количество мультиплексоров и дуплексоров, которые могут быть интегрированы в одну микросхему, также ограничено.

Пленочные POI

Поскольку невозможно идти на компромисс по некоторым показателям, компания Soitec разработала новый тип подложки, чтобы помочь операторам и производителям мобильных телефонов решить поставленные задачи в ответ на более жесткие требования новых сетевых функций 5G. Подложка POI состоит из тонкого слоя монокристаллического пьезоэлектрического материала (в настоящее время - монокристаллического танталата лития), покрытого слоем диоксида кремния и подложкой с высоким удельным сопротивлением, как показано на рис. 1а. Толщина верхнего слоя танталата лития обычно составляет от 0,3 до 1 мкм. Эта тонкопленочная подложка POI изготовлена по технологии Smart-Cut™ компании Soitec, которая обеспечивает высокую однородность слоя платы и качественное серийное производство. Такая структура позволяет направлять звуковую волну по поверхности подложки и концентрировать ее энергию в тонком слое танталата лития сверху с минимальными потерями (рис. 1б). Благодаря этому новому типу подложек разработчики фильтров могут использовать материалы подложек с лучшими коэффициентами связи (k2) и меньшими коэффициентами теплового расширения, что позволяет создавать резонаторы с высокими коэффициентами добротности на высоких частотах, низкой температурной чувствительностью и большей полосой пропускания. Фильтр. Одновременно на одном кристалле можно интегрировать несколько фильтров.

Подложка POI включает в себя слой пьезоэлектрического материала, слой погребенного кислорода и слой кремния. Тонкий пьезоэлектрический слой с высокой однородностью ограничивает энергию направляемых волн и позволяет достичь высоких акустических характеристик. Заглубленный кислородный слой целенаправленно направляет только высокоскоростные волны и подавляет пьезоэлектрические материалы, снижая тем самым тепловое расширение и, соответственно, температурную чувствительность. Такая структура позволяет достичь более высокой селективности сигнала и стабильности частоты при изменении температуры. Поскольку производителям компонентов фильтров больше не нужно добавлять сверху толстый слой для ограничения пьезоэлектрического материала, по сравнению с TC-SAW, это также упрощает процесс производства и повышает эффективность соединения.

ПАВ-фильтры, использующие подложки POI, позволяют достичь чрезвычайно низких вносимых потерь, что дает возможность производителям устройств эффективно управлять энергопотреблением. По сравнению с другими решениями, ПАВ-фильтр на основе POI обладает такими преимуществами, как высокая добротность, высокая связь с широкополосными фильтрами, чрезвычайно низкий TCF и высокая степень интеграции фильтров на одном кристалле.

Кроме того, следует отметить, что конструкция фильтра на основе подложки POI очень похожа на технологию, необходимую для проектирования ПАВ-фильтра на основе объемной пьезоэлектрической пластины; при этом процесс изготовления требует всего нескольких простых шагов (для изготовления основного корпуса используется стандартное осаждение металлического слоя).

Проектирование ПАВ-резонатора и фильтра на основе ПОИ

Мы измерили и охарактеризовали реальные характеристики ПАВ-резонаторов на основе пластин танталата лития и тонкопленочного ПОИ, и результаты показали улучшение характеристик подложки ПОИ. В данном эксперименте использовался дипольный однопортовый резонатор, имеющий в общей сложности 120 междигитальных пар и 20 электродов с каждой стороны для получения зеркального отображения. Акустическая апертура установлена на уровне 40 λ, расстояние между межцифровыми парами и электродами составляет 1,2 мкм, а отношение металл/промежуток - 0,5. Подложка ПОИ, использованная в эксперименте, имеет следующие характеристики: слой толщиной 600 нм (YX)/42°LiTaO3, соединенный со слоем диоксида кремния толщиной 500 нм, соединенным со слоем кремния с высоким удельным сопротивлением (100).

Коэффициент связи k2

Коэффициент связи k2 для ПОИ может достигать 8,13%, в то время как для объемной пластины LiTaO3 традиционного устройства TC-SAW он составляет всего 5,98% (см. рис. 3). k2 рассчитывается как 1-fr2/fa2 (где fr - резонансная частота, fa - антирезонансная частота). Высокий k2 подложки POI позволяет создать широкополосный фильтр для покрытия некоторых новых частотных диапазонов 5G (полоса пропускания до 6% от центральной частоты).

Результаты измерения резонансного k2 для объемной и POI-подложки.

Еще одно значительное улучшение характеристик подложки POI проявляется в коэффициенте добротности Боде при антирезонансе. При тех же условиях Q-фактор объемного LiTaO3 составляет 935, а результат подложки POI - 2200, так что SAW-фильтр может конкурировать с BAW-фильтром в L- и C-диапазонах.  печатных плат