声表面波滤波器技术的发展状况

声表面波滤波器技术的发展状况吴江曹亮（中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆400060）1引言声表面波(SAW)是一种沿物体表面传播的弹性波。SAW技术是上世纪60年代末期才发展起来的一门新兴科学技术，它是超声学和电子学相结合的一门学科。由于可以用制造半导体的光刻技术大批量生产质量很好的SAW芯片，各种SAW器件很快推出并投入实际应用。用SAW去模拟电子学的各种功能，可使SAW器件实现小型化和多功能，从而在雷达、通信、导航、识别和电子战等领域获得了广泛的应用。SAW滤波器以极陡的过度带使CATV的邻频传输得以实现，与隔频传输相比，频谱利用率提高了一倍。电视接收机如果不采用SAW滤波器，不可能工作得这么稳定可靠。在20世纪70年代中期，SAW滤波器成功应用于电视机中频处理，掀起了SAW器件的第一次应用高潮，至今每台电视机均有SAW滤波器。进入80年代末之后，由于电子信息特别是通信产业的高速发展，为SAW滤波器提供了一个广阔的市场空间，致使其产量和需求呈直线上升趋势。移动通信系统的发射端（TX）和接收端（RX）必须经过滤波器滤波后才能发挥作用，由于其工作频段一般在800MHz～2GHz、带宽为17～30MHz，故要求滤波器具有低插损、高阻带抑制和高镜像衰减、承受功率大、低成本、小型化等特点。由于在工作频段、体积和性能价格比等方面的优势，SAW滤波器在移动通信系统的应用中独占鳌头，这是压电陶瓷滤波器和单片晶体滤波器所望尘莫及的。20世纪90年代以来，掀起了SAW器件的第二次应用高潮，目前每个手机上包含有2～6个SAW滤波器，世界移动通信用小型RFSAW滤波器每年需求约4.3亿只。随着Internet的迅猛发展，全球上网的用户愈来愈多，但目前通过电话上网的昀大缺点是带宽太窄（几十KHz），下载速度极慢，而CATV的网络频率资源丰富，不少商家因而均在开发基于CATV网的宽带多媒体数据广播系统（如VOD等），通过CATV上网可使信息传输速度提高几十倍以上，在这些系统中都要用到高性能的SAW滤波器来解决邻频抑制问题。另外，在汽车电子市场、无线LAN及数字电视的传输系统中，也需要大量的中频SAW滤波器。可见，SAW滤波器的市场前景十分可观。除了SAW滤波器以外通常还可使用介质滤波器、LC滤波器等；近年来，利用体声波(BAW：BulkAcousiticWave)的滤波器也已实现商业化了。表1所示为滤波器的种类和特征。SAW滤波器在1~3GHz频段与它们存在竞争，但SAW滤波器昀大的优势是具有陡峭的频率选择性。而且，在对电极进行设计时，可以方便实现平衡或不平衡的转换设计。近年来，在原有基础之上，通过各种研究使SAW滤波器在小型化、高频宽带化、集成化、耐高功率等方面取得了很大进展，价格进一步降低。现在，在发送、接收用滤波器基本实现了全部使用SAW滤波器。表1、滤波器的种类和特征滤波器的种类使用的频带特征介质滤波器300M~30GHz高稳定性;低损耗;耐高功率LC滤波器300M~30GHz低价格;低损耗SAW滤波器10M~3GHz高稳定性;小型;高选择度;平衡或不平衡输入输出BAW滤波器1.5G~5GHz高稳定性;小型;生产成本高;耐高功率在生产SAW滤波器的厂商中，市场分额在前3位的是EPCOS、村田制作所、富士通MediaDevice。EPCOS公司2005年的SAW器件的销售额为370百万欧元，2006年销售额为409百万欧元，同比增长11%。EPCOS的生产规模很大，既有中频SAW滤波器的生产，也有射频（RF）滤波器的生产，同时研发水平居世界领先水平。与其竞争对手相比，EPCOS的突出优势还在于其半导体工业，它将SAW和BAW的制造结合起来，于2007年2月完成了应用在W-CDMABand上的BAW−SAW组合双工器。中国估计大约有40家SAW滤波器的大批量供应商。CETC德清华蓥电子有限公司、南京电子研究所、CETC26所、Shoulder电子有限公司等是生产规模比较大的单位。但国内的SAW元件生产量只占到全球共计SAW元件供应量的1%到3%，而且大部分是低价位的产品，在手机RF滤波器方面还无法与国外厂家竞争。在研发设计能力方面，CETC26所居于国内领先水平。2声表面波滤波器的发展状况2.1小型片式化发展SAW滤波器的小型片式化，是移动通信和其它便携式产品提出的基本要求。随着功能集成度的增加和体积的减小的需求，推动了RFSAW滤波器的改进。为缩小SAW滤波器的体积，通常采取三方面的措施：一是优化设计器件用芯片，设法使其做得更小；二是改进器件的封装形式，现在已经由传统的圆形金属壳封装改为方形或长方形扁平金属封装或LCCC（无引线陶瓷芯片载体）表面贴装的形式；三是将不同功能的SAW滤波器封装在一起，构成组合型器件以减小占用PCB的面积，如应用于1.9GHzPCS终端60MHz带宽的双频段SAW滤波器以及近来富士通公司开发的双制式（可支持模拟和数字两种模式）便携式手机用SAW滤波器，均装有两个滤波器。图1SAW滤波器外壳改进过程SAW器件封装技术的不断改进，使得SAW滤波器的体积越来越小。二十世纪九十年代前广泛采用有引脚的金属外壳封装SAW器件。为了降低成本，后来大量用塑封外壳封装电视机用SAW滤波器。这两种外壳都存在一个缺点，就是需要在PCB板上下面作引脚孔。为了满足元器件自动贴片要求，无引脚的陶瓷表贴（SMD）外壳得到了大量使用，同时体积也大为减小。先前的SMD器件需要点焊线，后来出现了倒装焊（flipchip）技术，不需要有点焊线，因此为进一步实现CSP（芯片尺寸封装）打下了基础。由这类小型化的技术，已经将尺寸为1.35×1.05mm2的SAW滤波器实现了商业化。在一个外壳中装载数个滤波器的复合产品也已实现了小型化，现在，尺寸为2.0×1.6mm2SAW双工器也已实现了商业化。然而,韩国三星采用的另外一种片式封装技术（wafer-level-packaged—WLP）能得到更小尺寸的滤波器。它采用芯片内联技术和片-片间粘合技术取得了超小型SAWRF滤波器，其尺寸为1.0×0.8×0.25mm3。该方式封装的滤波器性能与通常的倒装焊封装滤波器相同，密封测试表明它适合用于移动电话。在生产成本、体积及进一步集成方面该片式封装技术具有更大优势。2.2高频、宽带化为适应电子整机高频、宽带化的要求，SAW滤波器也必须提高工作频率和拓展带宽。研究表明，当压电基材选定之后，SAW滤波器的工作频率则由IDT电极条宽度所决定，IDT电极条愈窄，频率愈高。采用半导体0.2～0.35μm级的精细加工工艺，可制作出2～3GHz的SAW滤波器。提高工作频率的手段主要从两方面考虑：1、提高细线条加工的设备能力；2、利用声表面波传播速度更高的压电材料。曝光设备和光刻技术是制作高频SAW滤波器的关键设备。目前实验室可以制作0.1μm的线条，SAW滤波器的频率可以达到10GHz。腐蚀方法是制作GHz滤波器的又一关键技术。干法刻蚀法，尤其是反应离子刻蚀（RIE），是非常适合于RFSAW器件的，用BCl3气体，能干净的蚀刻Al或掺杂的Al膜，不会出现过腐蚀或腐蚀不完全情况。利用传播更快的声表面波波动模式或传播速度更高的压电材料是提高滤波器工作频率的另一个手段。昀近在四硼酸锂中，发现了纵向漏波（LLSAW），也就是说，其质点运动在表面几乎与波矢量平行。由于与体波纵波强烈相关，它的速率非常快，被称为PSAW或HVPSAW。切型是−43ºY−X+90º，速率为Vf=7000m/s，ΔV/V=0.7%。在YZ-LN基片上，当Al膜厚度h/λ达到7.8%时，也会出现纵漏波，速率为Vf=6100m/s。这么快的速度对制作高频器件非常有吸引力。图2是利用YZ-LN基片上纵向漏波设计的中心频率为5.25GHz、-6.2dB带宽为343MHz、损耗为-3.23dB的射频滤波器。图25.25GHz射频SAW滤波器频率响应压电薄膜用于SAW器件已经有很长的历史了，这使得非压电基片也得到了应用。为了方便分析，可对每层介质进行波的求解，再利用边界条件转换，得到SAW和漏波的解。玻璃上加氧化锌膜(ZnO)膜制成的器件已经用于TVIF滤波器。昀近技术进步，采用了速度更快的蓝宝石基片，使蓝宝石加氧化锌用于高频器件，1.5GHzIIDT滤波器插损仅为1.3dB。同样在蓝宝石基片上还采用了氮化铝薄膜。另一个高速非压电基片是金刚石，SAW速率可达11000m/s，它可以在硅基片上生长，这对于SAW滤波器和IC集成非常有利。加上ZnO薄膜后，SAW速率会有所降低。但根据厚度，在速率和ΔV/V之间应该有个折衷考虑，一般地讲，Vf值在7000～10000m/s，ΔV/V值在1～2%。加上SiO2薄膜后TCD可降到零。图3是采用SiO2/ZnO/金刚石基片制作的5GHZ和10GHZSAW滤波器频响。图3(a)是用干法刻蚀制作0.5μm线宽得到的一个时钟恢复滤波器，实际中心频率为4.978GHz、Q值650、损耗13dB。与采用一般的水晶基片相比，其制作容限增加，同时器件的功率承受能力提高。图3(b)是采用5次谐波制作的10GHz滤波器，其线宽为0.8μm。(a)(b)图3采用SiO2/ZnO/金刚石基片制作的RF滤波器频响随着通讯系统的发展，拓展SAW滤波器的带宽是必要的。为此，通常从优化设计IDT的电极结构入手。比如将IDT按串联和并联形式连接成梯形结构，采用0.4μm以下的精细加工技术，就可制作出用于无线局域网（LAN）的2.5GHz梯形结构谐振式SAW滤波器，带宽达100MHz；在多模式滤波器中，采用纵向连接的滤波器带宽要比横向耦合型滤波器大一些，因此被广泛用于蜂窝电话和寻呼机的RF滤波，而后者具有陡削的窄带特性，可用于个人数字蜂窝（PDC）和模拟电话的中频（IF）滤波。图4孔径方向的假指加权有希望得到的昀宽带宽Ladder结构RF滤波器是日本千叶大学Ken.Ya.Hashimoto小组研究的超宽带RF低损耗滤波器。采用15oYXLiNbO3基片Cu-grating电极设计了一个由4极阻抗元构成的梯形滤波器，15oYXLiNbO3基片具有大的SH-波机电耦合系数。但不幸的是该切型激励的横波模式也很强。为了抑制横波模式产生的假响应，采用了孔径方向的假指加权（图4），另外在芯片表面涂覆一层粘性膜吸收掉表面RayleighSAW产生的假响应。得到了中心频率1GHz、−3dB相对带宽19%，损耗0.6dB的宽带低损耗滤波器。图5（a）、(b)分别是采用和没采用孔径方向假指加权得到的频响比较。(a)采用孔径方向的假指加权频响(b)没有采用孔径方向的假指加权频响图5孔径方向假指加权频响的比较2.3降低滤波器插入损耗早期SAW滤波器的昀大缺陷是插入损耗大，一般在15dB以上，这对于要求低功耗的通信设备特别是接收前端是无法接受的。为满足现代通信系统以及其它用途的要求，人们通过开发高性能的压电材料和改进IDT设计，使器件的插入损耗降低到3～4dB，昀低可达1dB。在众多压电材料研究成果中，昀引人注目的是日本村田制作所发明的ZnO/蓝宝石层状结构基片材料，利用这种基片材料，该所已制造出1.5GHzPDC用射频SAW滤波器，其插入损耗仅1.2dB。作为滤波器的特性，我们希望在特定的通带频率上，通过滤波器的电信号的能量损耗为0。而事实上能量损耗为0是不可能达到的，但我们可以通过各种选取来实现低损耗的SAW滤波器。分析SAW滤波器产生能量损失的主要原因有以下几种：a.电极电阻损耗阻抗损耗是由IDT及它与外部电极相连接的汇流条的电阻引起的。由于IDT的指条宽度（或周期）是由滤波器的中心频率及压电基片的声速来决定的，同时IDT的金属膜厚度与IDT的周期有很大的关联，所以电极电阻在RF滤波器时尤为突出。将电极电阻变小的有效办法是将每个电极指间的线宽变大、尽量增加电极膜厚度、减小IDT的声孔径等。b.声表面波的传播损耗声表面波传播损耗原意是指伴随着声表面波传播时的能量减少，这里还包含有声表面波在传播过程中转换成体声波的能量损耗。