半導(dǎo)體領(lǐng)域中的SAW濾波器類型及實(shí)際應(yīng)用

胡多凱

（中國電子科技集團(tuán)第十三研究所，河北 石家莊 050050）

0 引 言

近年來，隨著5G技術(shù)落地，半導(dǎo)體領(lǐng)域朝著精密化與高頻化方向發(fā)展的趨勢(shì)越來越明晰，有關(guān)聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）濾波器性能、類型以及應(yīng)用的研究越來越受到行業(yè)人員關(guān)注。在半導(dǎo)體晶圓制造和封裝測(cè)試中，SAW濾波器技術(shù)的高性能應(yīng)用十分重要，是打破技術(shù)瓶頸、實(shí)現(xiàn)多元化突破的關(guān)鍵。在此背景下，本文研究了半導(dǎo)體領(lǐng)域中SAW濾波器技術(shù)的應(yīng)用。

1 半導(dǎo)體領(lǐng)域中SAW濾波器類型

1.1 SAW簡述

SAW是沿著基底表面?zhèn)鞑サ穆暡愋?，其振幅?huì)隨著深度的增加呈現(xiàn)出明顯的衰減趨勢(shì)。SAW濾波器可通過壓電基板上的叉指式換能器（Interdigital Transducer，IDT）進(jìn)行電磁波和聲波的轉(zhuǎn)換，其中頻率指標(biāo)f的求解公式為：

式中，v是聲波的速度，λ表示IDT周期。實(shí)際上，SAW的傳輸速度與基底部材料有關(guān)。例如，在石英半導(dǎo)體材料的切割中，技術(shù)人員需要將SAW的速度控制在3 100 m/s，器件部分的最佳頻率設(shè)計(jì)為10 MHz～ 2 GHz。

1.2 不同類型的SAW濾波器

目前，經(jīng)常使用的SAW濾波器類型主要包括梳狀叉指式換能器（Interdigitated Interdigital Transducer，IIDT）、缺陷微帶結(jié)構(gòu)（Defected Microstrip Structure，DMS）與Ladder。其中IIDT型SAW濾波器采用的轉(zhuǎn)換器類型為交指型，濾波器的損耗值為3～4 dB，在相關(guān)裝置的使用過程中，需要有外部電路進(jìn)行匹配，以實(shí)現(xiàn)對(duì)阻抗的有效控制。

DMS型SAW濾波器能夠彌補(bǔ)IIDT濾波器存在的缺點(diǎn)，通過在光柵之間設(shè)置IDT完成對(duì)基礎(chǔ)架構(gòu)的建設(shè)，并通過諧振組合模式加寬工作寬帶。在具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，DMS濾波器能夠?qū)斎肱c輸出進(jìn)行控制，以平衡設(shè)置的方法調(diào)取放大器，完成平衡型設(shè)計(jì)，并通過耦合作用降低插入損耗[1]。Ladder型濾波器也被稱為梯型濾波器，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是端口處的SAW諧振器。通過SAW諧振器之間的電耦合特性，降低損耗。此外，Ladder型濾波器的使用可提供更高的使用功率。

1.3 半導(dǎo)體中SAW濾波器的性能比較

不同類型SAW濾波器在插入損耗、頻率衰減、帶寬、平衡設(shè)計(jì)、高功率耐久性以及三階截距點(diǎn)等性能參數(shù)上存在明顯不同，詳情如表1所示。

表1 不同種類SAW濾波器性能比較分析

通過對(duì)表1的分析可知，與IIDT濾波器比較，DMS和Ladder類型濾波器的插入損耗較低，其中Ladder濾波器的插入損耗最??；針對(duì)寬帶性能比較，Ladder濾波器也能夠?qū)崿F(xiàn)更寬的寬帶，其帶寬明顯好于IIDT濾波器；在高功率作業(yè)條件下，Ladder型濾波器與IIDT型濾波器明顯優(yōu)于DMS型濾波器；然而值得注意的是，Ladder濾波器無法實(shí)現(xiàn)平衡型設(shè)計(jì)。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，SAW技術(shù)得到改進(jìn)，行業(yè)人員對(duì)Ladder型濾波器進(jìn)行了升級(jí)，提出了Ladder-lattice型濾波器。改進(jìn)后的SAW濾波器性能得到明顯提升，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 半導(dǎo)體領(lǐng)域中SAW濾波器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 SAW濾波器的應(yīng)用現(xiàn)狀描述

SAW濾波器的主要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活、兼容性較強(qiáng)，并且延遲時(shí)間短、阻抗誤差小，抗干擾性能良好?，F(xiàn)階段，SAW濾波器被廣泛應(yīng)用在通信系統(tǒng)設(shè)備、移動(dòng)終端設(shè)備的半導(dǎo)體芯片中，使得裝置的外觀更加輕薄、性能更加可靠。然而，在SAW濾波器的應(yīng)用過程中也存在一些不足。例如，SAW濾波器所使用的基片材料價(jià)格較貴，并且對(duì)基片制造工藝要求十分嚴(yán)格，應(yīng)做好基片的定向、切割、研磨以及拋光要求。

考慮到基片結(jié)晶工藝的技術(shù)特點(diǎn)和相關(guān)制造工藝的復(fù)雜性，目前在半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)中，主要技術(shù)被荷蘭與日本等制造業(yè)發(fā)達(dá)的國家壟斷。以日本富士通信息技術(shù)有限公司為例，其壟斷了全球40%以上的移動(dòng)電話用小型射頻（Radio Frequency，RF）SAW濾波器市場(chǎng)，目前該公司RF設(shè)備年產(chǎn)量在1.5億只以上，其最小的產(chǎn)品已經(jīng)做到了2.5 mm×2 mm，重量為22 mg，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了專利諧振器型濾波器設(shè)計(jì)與組裝一體化，提高了SAW濾波器的使用性能。根據(jù)日本三洋電器公司報(bào)道，其年產(chǎn)SAW濾波器裝置超過8 000萬只，并且在我國深圳設(shè)有組裝廠，能夠提供40余種標(biāo)準(zhǔn)性產(chǎn)品的表面安裝方案，使得相關(guān)產(chǎn)品在半導(dǎo)體市場(chǎng)上具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

2.2 SAW濾波器相關(guān)技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，SAW濾波器相關(guān)技術(shù)相對(duì)成熟，在技術(shù)的具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，有學(xué)者對(duì)低電壓驅(qū)動(dòng)F-P腔可調(diào)諧SAW濾波器進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并研究了鏡像信息、高次諧波、發(fā)射漏泄信號(hào)以及各類雜波對(duì)電子信息設(shè)備造成的影響，同時(shí)提出了對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行抑制的有效方法[2]。

通過研究SAW濾波器的實(shí)際應(yīng)用可知，對(duì)其晶體材料進(jìn)行升級(jí)，使用精細(xì)化加工技術(shù)，能夠完成對(duì)SAW濾波器的片式化設(shè)計(jì)，減輕材料重量。現(xiàn)階段，基于最新晶體材料的使用，SAW濾波器片的重量僅為0.2 g，其上限頻率也提升到2.5 GHz～3 GHz，使得其在抵抗電磁干擾方面具有較強(qiáng)的性能。得益于電子信息與通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，SAW濾波器具有更加廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，年產(chǎn)量超過了7億個(gè)以上，其中應(yīng)用在移動(dòng)通信小型RF射頻裝置中的SAW濾波器便達(dá)了5億個(gè)以上。

此外，SAW濾波器也被應(yīng)用在通信系統(tǒng)中的輸出端口與輸入端口中。實(shí)際上，只有通過高性能的SAW濾波器，通信系統(tǒng)的發(fā)射端與接收端的性能方可充分展現(xiàn)。在移動(dòng)通信領(lǐng)域，要求SAW濾波器的工作頻段為800 MHz～2 GHz，同時(shí)對(duì)帶寬的要求是17～30 MHz，因此要求濾波器具有較低的插入損耗，并且高功率下的耐久性能良好。滿足這一條件的SAW濾波器為Ladder型濾波器，其插入損耗僅為1～3dB，而且生產(chǎn)成本較低，具有體積小、抑制性能強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

隨著全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量激增，在此背景下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行升級(jí)，提高數(shù)據(jù)信息下載與傳輸效率顯得尤為重要。而社區(qū)共用電視天線系統(tǒng)（Communlty Anteua Television，CATV）具有豐富的網(wǎng)絡(luò)頻率，部分商家憑借其優(yōu)勢(shì)綜合利用光纖到戶系統(tǒng)（Fiber To The Home，F(xiàn)TTH）構(gòu)建了寬帶多媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)，其中會(huì)應(yīng)用到半導(dǎo)體芯片。為解決相鄰頻段產(chǎn)生的抑制干擾問題，行業(yè)人員提出將高性能SAW濾波器應(yīng)用在該領(lǐng)域中，使得系統(tǒng)在阻抗、傳輸和溫度上展現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。何君、李明月在《半導(dǎo)體技術(shù)》上發(fā)表了“超寬禁帶AlN材料及其器件應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)”一文，文章對(duì)超寬禁帶材料的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并證明了該種類型材料在半導(dǎo)體器件中具有較強(qiáng)的使用性能，如阻抗特性、傳輸特性以及溫度特性[3]。

2.3 未來SAW濾波器的發(fā)展趨勢(shì)

2.3.1 技術(shù)路徑與發(fā)展方向

SAW濾波器在電子元器件上的應(yīng)用越來越廣泛，推動(dòng)了半導(dǎo)體行業(yè)高速發(fā)展。隨著通信元器件微型化發(fā)展，小型片式化SAW濾波器已經(jīng)成為發(fā)展主要趨勢(shì)。在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，為縮小SAW濾波器的體積，通常應(yīng)用的技術(shù)路徑包括以下3種。一是對(duì)元器件使用的芯片進(jìn)行優(yōu)化，將其做到2 nm以下；二是對(duì)元器件的封裝方法進(jìn)行調(diào)整，由傳統(tǒng)的圓形金屬殼封裝方案調(diào)整為無引線陶瓷封裝載體（Leadless Ceramic Chip Carrier，LCCC）表面貼裝，即使用無引線陶瓷芯片載體；三是將不同類型的SAW濾波器組合封裝，實(shí)現(xiàn)縮小面積的目的?，F(xiàn)階段，在1.9 GHz過程控制系統(tǒng)（Process Control System，PCS）中使用了60 MHz帶寬的雙頻段SAW濾波器，該類型濾波器在日本富士通雙帶便攜式移動(dòng)終端中也獲得了實(shí)踐應(yīng)用。

傳統(tǒng)SAW濾波器的最大缺陷是插入損耗較大，一般為3～4 dB。隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，行業(yè)人員開發(fā)應(yīng)用了較高性能的基片材料，并且對(duì)濾波器的架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得半導(dǎo)體器件的插入損耗降低到1 dB左右。在基片材料改進(jìn)中，最令人矚目的是ZnO/藍(lán)寶石基片材料，通過該種材料的投入應(yīng)用，射頻用SAW濾波器的插入損耗達(dá)到了1.2 dB。

在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)領(lǐng)域中，隨著光纖環(huán)形激光器的開發(fā)與應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SAW濾波器設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化。毛黎明等學(xué)者研究了光纖環(huán)形激光器，并且構(gòu)建了基于該激光器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感系統(tǒng)，為SAW濾波器的升級(jí)提供了技術(shù)參考[4]。相關(guān)人員可使用0.4 μm以下的精細(xì)化加工技術(shù)，并配合使用光纖環(huán)形激光器，利用其特殊的諧振腔-光纖復(fù)合諧振腔完成優(yōu)化設(shè)計(jì)流程[5]。相關(guān)技術(shù)應(yīng)用后，可制作出基于局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）的2.5 GHz諧振式SAW濾波器，其帶寬可達(dá)到100 MHz以上。

2.3.2 新材料的應(yīng)用

隨著工藝技術(shù)進(jìn)步，LBO和Langasite被半導(dǎo)體行業(yè)中SAW設(shè)計(jì)人員所關(guān)注，其優(yōu)勢(shì)是機(jī)電耦合系數(shù)與LiTaO3類似，材料性能良好，并且在圓角切割工藝中與石英晶振具有相同的零溫度系數(shù)[6,7]。然而LBO容易在酸性條件下溶解，因此在LBO材料的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員需要改變其制程條件。例如，在LBO表面電鍍SiO2預(yù)防酸水腐蝕。需要特別說明的是，LBO新材料對(duì)制程具有較高敏感性，因此在陡峭且具有選擇性的IF lliters產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)謹(jǐn)慎使用該材料[8,9]。

2.3.3 小型化與模塊化

隨著新的構(gòu)裝技術(shù)應(yīng)用，SAW濾波器的成品尺寸具有小型化與微型化的特點(diǎn)，其成品尺寸已經(jīng)接近物理極限。例如，覆晶技術(shù)在SAW濾波器中使用后，其產(chǎn)品尺寸接近原始設(shè)計(jì)值。鑒于塑料封裝方案應(yīng)用，SAW表面構(gòu)裝技術(shù)也具有了低成本發(fā)展的趨勢(shì)，并且具有了鮮明的模塊化特征。例如，LTCC模塊產(chǎn)品對(duì)SAW濾波器的需求量增加，德國西門子（Siemens）和美國艾特公司（Actel）已經(jīng)開始使用SAW濾波器相關(guān)搭載品，這一發(fā)展趨勢(shì)使得SAW濾波器的制造商不再是傳統(tǒng)意義上的產(chǎn)品供應(yīng)者，而是兼具了模塊生產(chǎn)商和制造工廠的功能[10]。

3 結(jié) 論

本文總結(jié)了半導(dǎo)體領(lǐng)域中SAW濾波器的應(yīng)用，對(duì)濾波器的具體類型進(jìn)行了詳細(xì)說明，并論述了SAW濾波器的特點(diǎn)以及在各領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)展望了濾波器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其高頻化、微型化特征進(jìn)行了深入探討，能夠?yàn)樾袠I(yè)有關(guān)人員提供理論參考。