集成電路基板 - 4G/5G射頻前端濾波器用絕緣壓電基片

在低於6GHz頻段部署先進的4G和5.G網絡要求運營商和手機製造商採用新功能和新技術 PCB科技.

為了利用新網絡將提供的更大數據頻寬，基站和用戶設備之間的射頻通信必須依賴於更複雜的頻帶設定。 囙此，射頻前端模塊的複雜性急劇增加，需要集成100多個濾波器以支持所有通信模式。

有多種科技可用於應對不斷增長的篩檢程式市場需求，但大多數科技無法滿足5G網絡更嚴格的要求。 然而，使用新型壓電絕緣（POI）基板可以生產出高性能的集成表面聲波（SAW）濾波器組件，可以滿足5G網絡的要求。 這些濾波器可以與使用RF-ROI基板製作的功率放大器、開關和天線調諧器一起應用於智能手機前端模塊。

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, 線上設備的數量將成倍增長, 導致連接密度比現在高1000倍. 這一新標準的誕生將影響所有使用移動網絡的設備.

為了提供超過20Gb的資料速率/s, 聲波濾波器需要應對5G網絡的複雜挑戰：更多頻段, 更大的頻寬, 更高頻率, and many support for different carrier aggregation (CA) modes and MIMO天線設計. 波段組合.

為了達到這些新的要求，訊號選擇性需要更加精確。 囙此，重要的是使諧振器具有非常低的溫度係數（TCF），通常小於10ppm/K； 雖然Q因數較高，但Bode Q通常高於2000。 此外，為了支持不同的載波聚合和MIMO功能，需要更仔細地考慮帶外抑制。

前端模塊的能耗優化仍然是一個關鍵問題。 必須限制其組件的插入損耗，以便訊號能够在相同功率水准下盡可能遠地傳輸，同時設備必須能够高效地使用能量。

智能手機前端模塊的內部組件急劇增加，極大地限制了可用空間。 現時的高端手機已經安裝了60多個篩檢程式，可以預見，下一代將有100多個篩檢程式。 每個濾波器都針對特定的射頻頻段，需要獨特的設計和效能特徵。 在非常有限的空間內集成如此大量的不同組件對設計和製造團隊提出了許多挑戰。 囙此，形狀因數、散熱和效能改善已成為前端模塊內部篩檢程式的關鍵特性。

Market demand
So far, 智能手機的訊號選擇主要採用了兩種濾波科技. Piezoelectric 材料 generate sound waves that can travel freely on the surface of the 材料 (SAW: surface acoustic wave) or between active layers (BAW: bulk acoustic wave).

現時的SAW濾波器非常適合中低4G頻段，但很難滿足5G（高TCF、低Q因數、低耦合係數）和頻率的更高要求。 由於其基板（通常為鉭酸鋰或鈮酸鋰）的高熱膨脹，SAW濾波器的頻率回應對溫度變化很敏感。 在器件製造過程的最後一步中，在金屬層的頂部添加額外的一層可以在一定程度上補償溫度敏感性問題，但同時新的一層會影響濾波器的耦合效率和最終效能。

BAW濾波器可以在更高的頻率下保持良好的效能，但其尺寸不能像SAW濾波器那樣薄，這對模塊集成是一個巨大的挑戰。 此外，其制造技術更為複雜，可集成在同一晶片上的多工器和雙工器也受到限制。

Film POI
Since it is impossible to compromise on certain performance indicators, Soitec開發了一種新型基板，以幫助運營商和手機製造商應對新5G網路功能更嚴格的要求. The POI substrate consists of a thin layer of single crystal piezoelectric 材料 (currently single crystal lithium tantalate) covering a silicon dioxide layer and a high resistivity substrate, 如圖1a所示. 鉭酸鋰頂層厚度一般在0.3和1m米. 這種薄膜POI基板是使用Soitec的智慧切割工藝製成的, 確保了板層的高度均勻性和高品質的批量生產. 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). 使用這種新型基板, filter designers can use substrate 材料 with better coupling coefficients (k2) and lower thermal expansion coefficients, 從而在更高頻率下設計具有高品質因數的諧振器, 低溫敏感性, 和更大的頻寬. 濾器. 同時, 多個濾波器可以集成在同一個晶片上.
POI基板包括壓電材料層, 埋置氧層和矽層. 具有高度均勻性的壓電薄層限制了導波的能量，並實現了高性能的聲學特性. 埋置的氧層僅以有針對性的管道引導高速波，並抑制壓電材料, 從而减少熱膨脹，從而降低溫度敏感性. 這種結構可以在溫度變化時實現更高的訊號選擇性和頻率穩定性. 由於篩檢程式組件製造商不再需要在頂部添加厚層來約束壓電材料, 與TC-SAW相比, 它還簡化了製造過程，提高了耦合效率.
SAW濾波器使用 POI基板 可以實現極低的插入損耗, 使設備製造商能够有效管理能源消耗. 與其他解決方案相比, 基於POI的SAW濾波器具有高Q因數的優點, 高耦合到高頻寬濾波器, 極低TCF, 和同一晶片上的高度集成濾波器.
此外, 值得注意的是，基於POI基板的濾波器設計與基於塊體壓電晶片的SAW濾波器設計所需的科技非常相似； 同時, 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, 結果表明，POI基板的效能得到了改善. 在本實驗中, 使用偶極子單埠諧振器, 共有120對叉指對，每側20個電極，實現鏡像. 聲學孔徑設定為40λ, 叉指與電極之間的距離為1.2m米, 還有金屬/間距比為0.5. 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%, 而傳統TC-SAW器件的大塊LiTaO3晶片只有5.98% (see Figure 3). k2根據1-fr2計算/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).

散裝和 POI基板.
POI基板效能的另一個顯著改善表現在反共振期間的Bode Q因數中. 在相同條件下, 大塊LiTaO3的Q因數為935, POI基板的結果為2200, 囙此，SAW濾波器可以在L波段和C波段與BAW濾波器競爭.