摘要：射頻濾波器是當前5G通訊建設所需的核心器件，而壓電晶體則是制造射頻濾波器的基礎材料。本文就當前射頻濾波器所用的壓電材料的技術現狀進行了描述，對當前國內外產業發展現狀進行簡要總結。

1 引言

當前，第五代移動通信技術（5G）正在闊步前行，人類將開啟萬物廣泛互聯、人機深度交互的新時代。2020年3月，工信部發布的《工業和信息化部關于推動5G加快發展的通知》中強調，要“加快5G網絡建設部署、加大基站站址資源支持、加強電力和頻率保障”。

5G時代，智能終端需要接收（5G/4G/3G/2G）多個頻段，同時還要對WIFI/GPS等信號進行處理，需要在收發鏈路中使用多個濾波器避免信號互相干擾。射頻濾波器能夠在通信系統中對通信鏈路中的信號頻率進行選擇和控制，將帶外干擾和噪聲濾除。

5G通訊對濾波器提出了高頻帶選擇性、高品質因子（Q）、低插入損耗等要求，當前主流技術路線產品是聲表面波（SAW）濾波器、溫度補償型聲表面波濾波器（TC-SAW）和薄膜體聲波濾波器（FBAR）。

2 常見射頻濾波器

SAW濾波器是利用壓電材料表面的聲波來濾除雜波的濾波器。該類產品插入損耗低、抑制性能優良、成本低，主要聚焦于10MHz-3GHz之間的頻段應用，但易受溫度變化的影響。為改善SAW的溫度特性，在其表層增加溫度補償薄膜制成TC-SAW濾波器。該類產品比普通的SAW濾波器結構和工藝更復雜，其制造成本也相對較高。

FBAR是體聲波（BAW）濾波器的薄膜化和微機電系統（MEMS）化技術分支，是利用在頻率元件晶體腔體內部傳播的聲波來實現濾波的一類濾波器。

FBAR的工作頻率可高達10GHz，能承受更大的功率，具有更高的可靠性和Q值，且對溫度變化的敏感度低，適合高頻率、大帶寬要求的5G通信濾波。但其制造需要使用較高難度的薄膜沉積與微機械加工技術，價格也是SAW濾波器的數倍。

隨著5G通訊的大力發展，以及物聯網接入設備和其他近場連接方式的增加，射頻濾波器市場的將獲得空前巨大的發展空間。

當前智能手機仍是濾波器的消費藍海（約占市場的80%），且由于消費者對高質量通信的依賴，5G手機的消費市場將擁有更廣闊的消費前景。據統計，要實現2G+3G+4G+5G全球通，可能需要支持90多個頻段，而一個頻段通常需要兩個濾波器，這也意味著一部5G手機可能需要上百個濾波器。

目前，一款4G手機需要用到的濾波器數量僅為30多個，5G時期全球射頻濾波器市場空間將達到4G時期的2～3倍。

而價格方面，4G時代單部手機射頻器件價值平均在7.5美金，5G通訊對射頻器件的尺寸、頻率、帶寬提出了更高要求，FBAR的需求將大幅度增加，預計單臺手機中濾波器的價值將達到8~12美元。據預測，全球射頻濾波器市場規模將在2020年增至130億美金，到2022年濾波器市場將增至163億美元。

縱觀移動通訊用射頻濾波器產業鏈，上游的關鍵原材料主要包括兩大類，一個是壓電晶片（SAW常用的壓電材料是鉭酸鋰、鈮酸鋰等，FBAR常用的壓電材料是氮化鋁等），另一類是陶瓷基板，上游材料產業鏈主要集中在日本。

中游為器件制造環節，主要集中在日本和美國。下游市場主要受智能手機、VR設備、車載終端等移動智能終端需求的推動，其中智能手機中射頻濾波器用量最大，應用企業主要在中國。

3 射頻濾波器用壓電材料

3.1 鉭酸鋰晶體

鉭酸鋰（Lithium tantalate，簡稱LT）是一種三方晶系的化學晶體，化學式LiTaO3，作為一種非線性光學材料，其應用范圍十分廣泛。LT以其優良的非線性光學效應、壓電效應和光折變效應被廣泛用于高頻寬帶濾波器、二次諧波發生器、電光調Q元件、激光倍頻器等，在軍事、民用領域有著廣泛的用途。

在射頻濾波器領域，因其卓越的壓電性質而被大量用作SAW濾波器的襯底材料，特別是在制作頻率3GHz以下SAW器件襯底中具有絕對的優勢，沒有其他材料可替代其地位。

3.2 鈮酸鋰晶體

與鉭酸鋰類似，鈮酸鋰（Lithium niobate，簡稱LN）也是三方晶系的化學晶體，屬鈦鐵礦型結構。經過畸化處理的鈮酸鋰晶體具有壓電、鐵電、光電、非線性光學、熱電等多性能的材料，在軍事、民用領域有著廣泛的用途，可用于制造調Q開關、光電調制等；

摻加一定量的鐵和其他金屬雜質的LN晶體，可用作全息記錄介質材料、二次諧波發生器、相位光柵調解器、大規模集成光學系統、高頻寬道帶濾波器等。LN也可作為壓電襯底在制造SAW濾波器中廣泛應用，其用量僅次于LT。

鉭酸鋰和鈮酸鋰晶體的制備通常都采用提拉法，直接從熔體中拉制出具有各種截面形狀晶體，鉭酸鋰晶體通常使用碳酸鋰和氧化鉭混合制備而成，鈮酸鋰晶體通常使用碳酸鋰、五氧化二鈮為原料制備而成。

3.3 氮化鋁

氮化鋁（AlN）是一種六方纖鋅礦結構的共價鍵化合物。通常狀態下為灰色或灰白色，具有高熱導率、高溫絕緣性、介電性能好、高溫下材料強度大以及熱膨脹系數低等優點。AlN在射頻濾波器中有兩方面的應用。其中一種是作為壓電薄膜用于制造薄膜體聲波濾波器（FBAR）。

由于AlN沿c軸取向壓電效應明顯，在電極材料上制備ｃ軸擇優取向的AlN薄膜可獲得高性能薄膜體聲波器件。AlN薄膜通常采用金屬化合物氣相沉積、脈沖激光沉積、磁控濺射等方法制備。另一方面應用場景是作為一種高溫耐熱陶瓷用作射頻濾波器的基板。

AlN熱導率高，較氧化鋁陶瓷高5倍以上，同時其膨脹系數低，與硅性能一致。使用氮化鋁陶瓷為主要原材料制造而成的基板，具有高熱導率、低膨脹系數、高強度、耐腐蝕等特性，是理想的散熱基板和封裝材料。

氮化鋁粉體的制備方法很多，目前國內外研究的主要有以下幾種方法：鋁粉直接氮化法、Al2O3碳熱還原法、自蔓延高溫合成法、溶膠-凝膠法、等離子化學合成法、化學氣相沉積法等。氮化鋁粉體在制備過程中容易氧化和水解，從而影響制品的純度和品質，因此采取適當措施來抑制和防止其氧化和水解，成為氮化鋁粉體制備技術當中的重要環節和今后研究的重點。

其他還有多種壓電材料也可用于射頻濾波器的制造，包括石英、鈮酸鉀、四硼酸鋰、鍺酸鎵鍶和鎵鑭系列等，隨著人們的不斷探索，多種優異性能的壓電晶體也不斷被挖掘開發，但現階段用于制造SAW濾波器的壓電材料中用量最大的仍是鉭酸鋰和鈮酸鋰，而用于制造FBAR的壓電材料中用量最大的則是氮化鋁。其中石英是最早用于制造SAW濾波器的壓電晶體，但由于其自身機電耦合系數的限制，難以應用于高頻、寬帶的射頻濾波器，已逐步被淘汰。

4 射頻濾波器壓電材料發展現狀

LT、LN晶體較大的壓電系數可以制作低插入損耗的SAW濾波器，但其光透過和高熱釋電等性能也給SAW器件的制作工藝帶來很多不便。在SAW或BAW器件生產過程中，高熱釋電系數使得晶片表面很容易形成大量靜電荷，這些電荷會在叉指電極間、晶片間自發釋放。

當靜電場足夠高時，靜電荷釋放容易損傷晶片，燒毀叉指電極，特別是在制作高頻和細指條產品時尤為明顯。此外，在傳統壓電晶片上進行光刻工藝時，材料的透光性導致晶片背面形成漫散射，從而降低了光刻電路的襯度，導致失真的線寬。

針對SAW器件制作中存在的這些問題，近年來國際上興起對LN、LT晶片進行化學還原的工藝。經處理過的LN和LT晶片，基本上都呈黑色，因此也稱為黑片。雖然LT黑片有效地減少了晶片的熱釋電效應，但過黑的LT晶片會對SAW濾波器的插入損耗造成影響，還易導致晶片的加工性差。

晶片電阻率在1010Ω·cm量級范圍內，可同時兼顧晶片可加工性和防靜電損傷的特點。

相較于氧化鋁陶瓷基板，受制于生產工藝要求高、價格偏高等因素的影響，現階段氮化鋁陶瓷基板應用范圍相對較窄，主要應用于高端電子領域。

但隨著電子信息產業技術不斷升級，PCB基板小型化、功能集成化成為趨勢，市場對基板的散熱性與耐高溫性要求不斷提升，氮化鋁陶瓷基板的發展將迎來機遇，將在通信、消費電子、LED、軌道交通、新能源等各個領域得到應用。

現階段，國際上生產LT和LN晶體的主要國家在日本，日本的許多大型企業如住友化學株式會社、日本信越化學工業株式會社等都大規模生產LT、LN晶體，而AlN的主要生產廠商也是集中在日本，如京瓷和TDK等。

目前，日本在射頻濾波器用壓電材料的制備和生產方面處于領先，無論是技術工藝水平還是產品質量和產量都占據龍頭地位。與壓電晶體類似，日本企業在國際氮化鋁陶瓷基板市場中同樣處于壟斷地位，此外中國臺灣地區也有部分產能。

隨著中國電子信息產業快速發展，技術水平不斷提高，國內市場對射頻濾波器的需求快速上升，在市場的拉動下，進入行業布局的企業開始增多。

射頻濾波器產業鏈結構整體非常復雜，所涉及的材料、曝光、光刻、工藝參數等細微變化都會極大影響產品性能。為了最大化的保證最優設計結果，國外龍頭企業多采用IDM（集成器件制造）模式，企業具備器件設計、材料制備、晶圓及基板制造、封裝和可靠性測試等各環節的能力。

此外，國際大廠對濾波器的制造工藝和知識產權的掌控也處于領先地位，以LT和LN晶體的發明專利為例，當前全球范圍內專利總數排名前15的企業中，有9家日本的公司，而中國企業只有1家。因此國內企業應加大創新研發投入，合理布局專利，建立完整系統的知識產權戰略體系。

現階段我國射頻濾波器生產工藝基礎薄弱。國內制造廠家并不完全具備寬槽犧牲層材料平坦化、超薄片減薄拋光、Mo薄膜小角度干法刻蝕、高精度/高取向度和高均勻性壓電薄膜制備等多種核心制造技術，難以進行大規模的生產加工，或者產品批次一致性差，需進行大量的研發投入和技術摸索。

經不完全統計，我國2019年鉭酸鋰單晶的產量約為23萬噸，國內能夠生產供射頻濾波器用的壓電材料的廠商主要有中國電科26所、浙江天通、上海召業、德清華瑩等。

5 結語

據了解，中國電科26所生產的鉭酸鋰、鈮酸鋰晶體，雖然其晶體的黑化還原等高端技術仍不如日本企業，在部分特殊應用環境領域的應用仍需進口，但在移動通訊領域，其產能基本可滿足企業自身射頻濾波器產品的制造需求。這說明隨著我國產業的升級改造，射頻濾波器用壓電材料的產能也得到了逐步的提升。

包括射頻濾波器在內的半導體產業正在度過一個歷史性的艱難階段。本次新型冠狀病毒肺炎疫情也導致了SAW濾波器的漲價和供不應求，在國產化替代需求和國家政策的推動下，國內射頻濾波器企業也吹響了自主可控的旋律，正在圍繞關鍵材料壓電晶片的黑化還原劑設計、有限元分析及高Q值結構、復合薄膜結構層應力補償等核心技術進行攻關突破，以期盡快實現彎道超車。

本文內容轉載自《中國標準化》2020年S1期，版權歸《中國標準化》編輯部所有。

作者：湯朔，薛超 中國電子技術標準化研究院

編輯：jq