新一代基板技術實現5G射頻濾波器突破

作者 : 邵樂峰,EE Times China

4G時代濾波器數量約在60~80個,5G時代濾波器數量將達到120~150個,而基於POI優化基板,新型SAW濾波器能夠提供內置溫度補償,並可實現在單晶片上整合多個濾波器。

作為行動通訊系統的核心元件之一,負責將手機發射和接收的無線電訊號從不同頻段中分離出來的濾波器(Filter),與功率放大器(PA)、雙工器(Duplexer和Diplexer)、射頻開關(Switch)和低雜訊放大器(LNA)共同組成了射頻前端(RFFE)系統。由於5G終端設計日趨複雜,市調機構預計,三年內該市場的年複合成長率(CAGR)至少為12%,達到180億美元。而在2019年底,該數字約為130億美元(包括3G和4G)。

日前,法國半導體業者Soitec宣佈與高通(Qualcomm Technologies, Inc.)簽署合作協定,為其新一代4G/5G ultraSAW射頻濾波器供應壓電(POI)基板。高通方面認為ultraSAW對於進一步提升其先進射頻前端產品組合和驍龍5G數據機及射頻系統的性能至關重要,並正在多條產品線中整合該技術,包括功率放大器模組(PAMiD)、前端模組(FEMiD)、分集模組(DRx)、Wi-Fi分離器、GNSS分離器和射頻多工器。

POI是以Soitec專利技術──150mm Smart Cut──打造的創新型優化基板。以高阻矽作為基底、上覆氧化埋層,並以一層極薄且均勻的單晶壓電層覆蓋頂部。考慮到要實現高速資料傳輸,4G和5G網路需要使用更多的頻段。因此,智慧型手機必須整合更大量且性能更佳的濾波器,以確保訊號完整性及通訊可靠性。

舉例來說,4G時代濾波器數量約在60~80個,5G時代濾波器數量將達到120~150個,而基於POI優化基板,新型SAW濾波器能夠提供內置溫度補償,並可實現在單晶片上整合多個濾波器。市場研究機構Yole Développement的資料顯示,隨著5G市場的快速興起,射頻濾波器的市場規模可望從2018年的31億美元,快速擴張到2025年的51億美元。

RF濾波器有兩種主要技術,一是表面聲波(SAW),另一種是體聲波(BAW)。其中,溫度補償型SAW (TC-SAW)濾波技術一般用於低頻段和中頻段,BAW多用於中頻段和高頻段,而在超高頻段中就比較複雜,會採用包括LTCC、XBAR、BAW、整合被動元件(Integrated Passive Device,IPD)在內的多種技術技術。

 

 

Soitec濾波器業務經理Christophe Didier的看法是,SAW對溫度過於敏感,而溫度變化(即頻率溫度係數,TCF)會影響頻率,但可以透過「TC-SAW+溫度補償層」的做法加以改善;BAW是高階濾波器技術,缺點是實現過程特別複雜,需要很多步驟才能實現一個聲學上需要的「腔」。

相較於BAW和TC-SAW濾波器,基於POI基板的SAW之能源效率、頻率和頻寬都更高,比TC-SAW的能源損耗更小。此外,如果從系統角度來看待成本問題,那麼,相對BAW和TC-SAW來說,基於POI基板的SAW製程更簡單;高整合度可以將多個濾波器整合在同一個晶片上,面積更小;Soitec獨有的晶圓切割技術Smart Cut還可以對原材料進行多次使用,從而生產出更多的POI基板,這些都有助於降低系統成本。

「因此,整體來說,基於POI優化基板的SAW是在5G濾波器方面取代TC-SAW和BAW的更理想解決方案;」Didier預測,就其價值而言,POI基板會成為未來幾年的一項產業標準,2024年POI基板的可服務市場規模將達到100萬片晶圓。但他也同時表示,POI基板目前主要用於Sub-6GHz頻段的濾波器,現在談毫米波段的應用為時尚早。

POI中的壓電材料和當前在SAW濾波器中所使用的材料是一樣的,主要是鉭酸鋰和鈮酸鋰。而氧化埋層相當於溫度補償層,作用是抑制壓電材料,因為壓電材料在溫度變化的時候可能會擴張或者收縮,從而影響到頻率,因而需要氧化埋層抑制壓電材料,即元件層的鉭酸鋰或鈮酸鋰。

而底層的高電阻率矽能夠在極薄的壓電層限制波能等效(equative wave energy),從而減少損耗。而由於能妥善控制整個壓電層,可以在壓電層獲得更好的等效的波傳播(equative wave propagation)。因此,主要的射頻前端生產商已經開始生產以150mm POI為基板的濾波器,此款POI產品目前在Soitec法國貝南3廠已實現量產。

Didier表示,根據產品藍圖,Soitec正在開發200mm晶圓的POI基板,並計畫使用鈮酸鋰代替鉭酸鋰,從而在更好地掌握濾波器頻寬的基礎上降低總成本;他表示:「濾波器在5G智慧型手機上是非常關鍵的元件,有鑑於5G MIMO、載波聚合等技術的使用,我們預期智慧型手機在5G時代的射頻濾波器面積將會增加50%。」

為了展示基於POI基板的SAW性能與優勢,Didier向媒體提供了幾組測試資料加以說明。第一個是品質因數,1.6GHz頻率下測量中頻段諧振器參數時,Bode Q最大值大於4000;第二個是涉及實現更高頻寬濾波功能的耦合係數,在頻率大於1.6GHz時,耦合係數k2大於8%;第三個是跟溫度相關並會導致頻率變化的係數TCF,測試結果表明TCF小於10 ppm.K-1。

而高通方面的測試資料也顯示,Qualcomm ultraSAW濾波器能夠在600MHz至2.7GHz頻率範圍內提供諸多高性能支援,例如出色的發射、接收和交叉隔離能力、高頻率選擇性、品質因數高達5000、極低插入損耗(提升整整1dB)、出色的溫度穩定性(維持在個位數的ppm/°K範圍內的極低溫度漂移)。

 

本文原刊於EE Times China網站

 

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