射頻前端濾波器概述

如圖所示，手機射頻前端的發射部分包括PA、Switch和發射的濾波器，另外還有雙工器、四工器、六工器。在接收通道，除了射頻開關或低噪放之外、還有接收濾波器。因為每增加一個頻段就會增加一個濾波器或一個雙工器，因此，濾波器的數量這些年隨著頻段的增加而大幅度增加。

以一個雙工器為例，雙工器既具有發射的通帶（Tx）也有接收通帶（Rx）。如圖所示，通帶內的插入損耗是比較小的，只有一點幾個dB。主要是因為這種聲學濾波器具有比較高的品質因數，能夠形成一個比較好的“插入損耗”。這里要先說明一下，一個雙工器還并不能簡簡單的理解成是發射和接收兩個濾波器的加和。這是因為：兩個濾波器之間的信號不能互相干擾，還需要做到一個比較好的隔離，這個指標叫做隔離度。

那么聲學濾波器的工作原理是怎么樣的呢？

聲學濾波器主要是有兩大結構：（1）梯形結構（2）DMS結構

由于DMS結構比較特殊，是特殊用在表面波器件上，所以我們本期不做深入的介紹。主要講解一下梯形結構，因為該結構有比較好的功率耐受性能，所以它能夠用在發射端的濾波器設計中。因此，包含發射通帶的雙工器或者多工器當中，必然要用到這種梯形結構，而且這種結構對于表面波或者是體征波來說都是適用的。它主要是由串聯Ys和并聯支路Yp組合而成，這兩個諧振器就可以構成一個最簡單的帶通濾波器。也就是說，這樣一個梯形結構它的核心單元就是這兩個支路的諧振器。但是，由于帶外抑制等性能要求，要由多個串聯或者并聯支路才能滿足應用需求，另外，單個Ys或者Yp的功率耐受性會比較弱，所以我們往往會形成多階。每階的串聯或者并聯支路往往由2個或者3個以上的諧振器構成的濾波器拓撲結構，主要是來滿足客戶對于功率耐受以及帶外抑制等性能的需求。

如圖，我們可以看到諧振器是梯形結構中最核心的單元，那么，我們接下來主要講解一下不同的諧振器。聲學濾波器中主要包含表面波和體波兩種。我們先來講解一下表面波諧振器。

首先介紹非常常規的一種表面波的諧振器，就是在壓電材料42oYX-LiTaO3材料上，(YX是指波是在Y單晶晶圓面上沿X方向傳播)，我們在這個上面做一叉指換能器，因為其形狀類似于兩個手指交叉的樣子，故而稱之為叉指電極。如圖，波長是虛線間的長度，當濾長為2微米左右時，器件工作在2GHz左右。我們知道2GHz附近的頻譜資源是比較擁擠的，聲表面波恰好可以工作在這樣的頻段，尺寸又滿足射頻前端的要求，從而成為這個領域的主要產品形態之一。我們把這種常規的表面波諧振器對應于拓撲結構的設計，就可以形成所謂的Normal SAW濾波器。

接下來，我們看一下有溫度補償效果的TC SAW，我們看兩種TC SAW，默認TC SAW是指在壓電材料上面沉積一層二氧化硅。基本原理是：常規的壓電材料具有負溫度頻漂系數，即頻率隨隨著溫度增高而下降，我們再在這個上面結合一層正溫度系數，比如：二氧化硅，那么就可以形成一種溫度補償的效果，或者說隨著溫度變化，頻率漂移量變小。另外一種TC SAW，我們特殊的稱之為Bonded Wafer TC SAW。主要的原理也是正負溫度系數的材料結合在一起，比如我們選擇Sapphire這種晶圓，但是，這個時候我們要增加一道工序，就是減少壓電材料的厚度，因為表面波，顧名思義，它的聲波能量或者傳播的界面是就在表面，一般是在表面小于一個波長之內，因此，如果不減薄，就不能夠達到溫度補償的效果。目前常規用的20um左右的壓電薄膜材料。

最后一種所謂IHP SAW的性能相對于TC SAW和Normal SAW有大幅度的提高。它的壓電層也是比較薄的材料，然后在其下方做了一個聲學反射層，把一些聲波能量集中到壓電諧振腔和IDT區域之內，從而使品質因素大幅度的提高。另外，如果低聲阻抗材料選擇二氧化硅的話，同時也能夠形成溫度補償的效果，可以說IHP SAW的綜合性能非常優異！

接下來來介紹下體波。FBAR主要用的是氮化鋁薄膜，如圖所示，這個三明治結構是主要的諧振腔。FBAR通過空氣腔形成了一個完美的反射效果，可以把能量全部集中在三明治結構的諧振腔體中。因此，具有非常高的品質因數或者Q值，右側是BAW-SMR，總體上來說比空氣的效果差一些，而且它對工藝要求比較高，特別是對各層厚度、均勻性的控制方面。

最后，我們講解一下關于濾波器的命名，目前這種射頻聲學濾波器主要以諧振器的結構類型來命名，比如用TC SAW形成的濾波器，我們就稱之為TC SAW的濾波器，以此類推。

下面進入到工藝方面，以一個典型Normal SAW制備工藝為例，我們可以看到其前道晶的制備工藝非常簡單，因此，如果能夠滿足產品的需要，比如：性能和可靠性等，考慮到性價比的話，會優先采用表面波技術來實現。右邊是實際制備的濾波器圖形以及叉指電極的形狀。

關于BBAR的制備工序，相對Normal SAW來講制備工序比較多，我們先解一下三明治結構和空腔形成，如上圖所示，諧振器的電極形狀有多邊形的, 也有方塊狀的。

我們再來看一下封裝。我們這里主要看CSP，這種封裝主要是針對分立器件。首先要在晶圓上面植一些球，目前國內普遍做的是金球、因為金球植上去會比較干凈、不需要用藥水進行清理，植完球之后進行切割。然后再將它倒扣在HTCC或者Laminate的基板上。倒扣上去之后要進行覆膜保護，從而形成空腔結構。形成空腔結構之后，這里的諧振器就不會受到外界外界干擾。覆膜完之后會打一個標，把整個器件切下來，就可以作為一個表面切的器件來使用，這是比較常規的一個器件。

射頻前端濾波器發展機遇

近幾年濾波器市場有明顯的增長，國內對濾波器的重視程度逐漸提高，資本雄厚的玩家走IDM的路線，把產線包括前道的晶圓加工、后道的封裝和測試進行整合，與銷售團隊和設計團隊去做自己的品牌。也有一些做細分領域的，比有的做Fab和封裝公司來給設計公司做代工，另外，還有一些做EDA軟件，助推設計公司開發產品。這類軟件主要是是針對表面波器件的設。另外，一些主要的設備，包括表面波設備、AlN薄膜的制備，***、金屬膜的制備和測試設備等目前很多都依賴于進口或者進口的二手設備進行一些改造，因此，這方面也有很多創業的機會。

另外還有一些主要的原材料，比如：壓電材料，特別是HTCC陶瓷材料目前為止還是以國外壟斷為主。對于國內來說，還是有不少的機會可以做一些替代性嘗試。對于一些稍微成熟的公司，可以考慮一些集成化產品的開發，比如DiFEM主要在接收，可以把濾波器做成比較小型化的產品集成到模組中。針對發射方面有PAMiD，主要是將一些發射的濾波器、雙工器集成化，這一類相對來說復雜程度比較高。

射頻前端濾波器面對的挑戰

挑戰一：知識產權。

在濾波器這個產業，專利的門檻比較高，以國外巨頭壟斷為主，想要突破還是比較困難的。

我們可以把濾波器按照封裝形式來分，分為CSP和晶圓級。也可以按工作模式來分，可分為Tx，Rx，雙工器、四工器，多工器等。還可以按照前述技術分類，那么，我們在談及專利時，我們先看Normal SAW中的Rx濾波器，這種濾波器在專利上基本沒有問題，然后，Tx的專利相對來說也沒有什么問題，但是，Tx由于有功率耐受性的要求，所以現在在國內還沒有大量出貨，而Rx由于對功率耐受性的要求相對來講比較低，所以，我們可以講Rx已經能夠實現國產化，在大量出貨中。

如果Normal SAW再往上走，比如到雙工器就會涉及到隔離度的指標，雙工器并不是簡單的一個Tx和Rx的加和，還要求在這兩個之間的信號傳輸時不要形成干擾。因此，如何做好隔離度需要有一些專利，然后，像FBAR中的空腔結構、電極形狀以及IHP SAW等方面都需要做一些專利方面工作。對于晶圓件封裝，本身是有一些專利的，我們如果需要做一些晶圓級封裝的Tx/Rx濾波器或者雙工器的話，至少我們需要在上面做一些自主的知識產權的規劃和布局。

挑戰二：多工器

Source: Warder, P. and Link, A., 2015. Golden Age for Filter Design

我們以四工器為例。四工器的原理相當于是把兩個雙工器放在一起。這里面可以進一步的推廣，就像雙工器那樣、四工器肯定也不是簡單的兩個雙工器的加和。這里面涉及的變量，相對來說會比較多，復雜程度也會比較大。如上圖所示的結構是Band4 Tx跟Rx做在2個die上面，Band25的Tx和Rx做在一個上面，我們也可以把兩個雙工分別做在1顆Die上面，此外，這樣一個四工器，它的指標包括插損、VSWR、隔離度IL、Band Rejections和Harmonics等等總共超過100個，因此對于設計來講要做的Trade-off會比較多！

審核編輯：湯梓紅