薄膜體聲波（FBAR）濾波器研究現(xiàn)狀

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所　段宗明

薄膜體聲波（FBAR）濾波器研究現(xiàn)狀

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所段宗明

介紹了薄膜體聲波（FBAR）濾波器的基本原理、結(jié)構(gòu)及其性能特點(diǎn)，對(duì)國外產(chǎn)業(yè)界的研究進(jìn)展及市場情況進(jìn)行了概述，并對(duì)國內(nèi)在該領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。

FBAR；濾波器；發(fā)展

1.概述

薄膜體聲波FBAR（thin Film Bulk Acoustic Resonators）技術(shù)，也稱體聲波BAW（BulkAcousticWave）技術(shù)，是壓電效應(yīng)的一種典型應(yīng)用。FBAR器件的出現(xiàn)源于上世紀(jì)60年代科學(xué)家為了拓展石英晶體的高頻段應(yīng)用所展開的研究，第一個(gè)真正意義上的FBAR器件出現(xiàn)于1980年，Lakin和wang實(shí)現(xiàn)了在Si片上生長ZnO制成基波諧緒論振頻率為500MHz的薄膜諧振器。1990年，Krishnaswamy和Rosenbaum等首次將FBAR結(jié)構(gòu)的濾波器擴(kuò)展到GHz頻段。由于缺乏市場需求及可靠的技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，F(xiàn)BAR諧振器的研究沒能得到大量資金的投入而發(fā)展緩慢。隨著移動(dòng)通信技術(shù)步入GHz時(shí)代，傳統(tǒng)陶瓷雙工器和SAW（surface Acoustic Wave）雙工器均難以勝任，前者由于體積較大與移動(dòng)終端的微型化背道而馳，后者則由于功率容量較低高頻性能受限從而只能在低頻段應(yīng)用。目前，移動(dòng)無線工作頻率逐漸推高，市場的需求驅(qū)動(dòng)著產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界尋求新的解決方案，擁有優(yōu)異性能的FBAR濾波器逐漸成為研究熱門對(duì)象。

2.FBAR基本原理與性能特點(diǎn)

2.1基本原理和結(jié)構(gòu)

FBAR的基本原理壓電效應(yīng)產(chǎn)生體聲波在壓電層中傳播，其傳播距離為聲波半波長或半波長的奇數(shù)倍時(shí)，F(xiàn)BAR將產(chǎn)生諧振，其存在兩個(gè)諧振點(diǎn)：串聯(lián)諧振頻率fs，此時(shí)FBAR阻抗最小；并聯(lián)諧振頻率fp，此時(shí)FBAR阻抗最大。FBAR諧振器具有非常高的Q值，因此可以用于設(shè)計(jì)高性能濾波器。

當(dāng)FBAR正常工作時(shí)，交變電場激勵(lì)起的聲波必須限制在壓電振蕩堆中。為此我們需要在壓電振蕩堆的上下?lián)碛辛己玫穆暡ǚ瓷浣缑妫宰畲笙薅鹊臏p少能量的損耗。根據(jù)不同的放射界面及其制作工藝，F(xiàn)BAR擁有三種典型結(jié)構(gòu)：硅反面刻蝕型、空氣隙型及固態(tài)裝配型。硅反面刻蝕型FBAR是在硅基底部刻蝕出一個(gè)窗口，使得壓電振蕩堆的下界面和空氣相通，達(dá)到聲波全反射的目的?？諝庀缎虵BAR是利用硅基上刻蝕出一空氣槽，而后在空氣槽上制作諧振器，Q值高，與集成電路工藝兼容。固態(tài)裝配型與前兩者不同，采用布拉格反射層，在壓電振蕩堆下間隔淀積若干層高低交替的阻抗層來反射聲波，其機(jī)械牢固性非常優(yōu)秀，但Q值相對(duì)較低。

圖1　FBAR三種典型結(jié)構(gòu)

2009年2月Avago公司宣布淘汰以前的固嵌式諧振器（Solidly MountedResonator，SMR）技術(shù)，之后的所有產(chǎn)品全部采用FBAR技術(shù)（空氣隙型）。對(duì)于空氣隙型，由于其制作簡單及和CMOS工藝兼容的特點(diǎn)，許多國家都將其作為實(shí)現(xiàn)集成化的最佳選擇，這是FBAR的主流發(fā)展方向。

2.2性能特點(diǎn)

FBAR的主要應(yīng)用包括：濾波器、振蕩器、雙工器等。以最常用的濾波器為例，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中， SAW器件由于其低廉的價(jià)格和優(yōu)異的性能，SAW濾波器在第二代通信系統(tǒng)GSM中占據(jù)了絕對(duì)的統(tǒng)治地位。但是隨著移動(dòng)通信步入GHz頻段，SAW濾波器由于其本身工作頻段較低等原因限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。FBAR濾波器則適應(yīng)更高頻段的應(yīng)用需求。

表1給出的是FBAR濾波器、介質(zhì)濾波器、聲表濾波器的性能對(duì)比?？梢钥闯鯢BAR濾波器工作于0.5～10GHz頻段，帶外抑制度可以達(dá)到50dB，Q值可以達(dá)到1000，尺寸最小等，幾乎所有的指標(biāo)都優(yōu)于其他兩種類型的濾波器。

表1　三種濾波器性能比較

3.國外研究現(xiàn)狀

1999年，安捷倫（Agilent）公司的Ruby等人經(jīng)過長達(dá)10年的研究，終于成功研發(fā)出應(yīng)用于1900MHz頻段的薄膜體聲波雙工器，并于2001開始進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。2005年，Agilent半導(dǎo)體事業(yè)部出售給安華高（Avago）科技，F(xiàn)BAR產(chǎn)品線也都?xì)w于Avago名下，到2006年1月份，Avago的FBAR濾波器的出貨量已達(dá)2億余只，主要針對(duì)手機(jī)和數(shù)據(jù)卡市場，并宣稱前十大CDMA US PCS手機(jī)和前五大WCDMA手機(jī)分別已有九款和四款采用了其FBAR濾波器與雙工器產(chǎn)品。2014年5月16日，Avago推出了最新應(yīng)用在LTE Band41（2496-2690MHz）的最新產(chǎn)品ACPF-7141，其插損≤2.1dB，帶外抑制≥35dB。

除Agilent公司以外，英飛凌（Infineon）、恩志葡（NXP）、超群（TriQuint）、愛普科斯（EPCOS）意法半導(dǎo)體（ST）以及括韓國Samsung在內(nèi)的公司都對(duì)FBAR技術(shù)投入了相關(guān)的研究并推出相應(yīng)的產(chǎn)品。盡管如此，目前市場上FBAR產(chǎn)品供應(yīng)商主要有Avago、TriQuint，其中Avago的產(chǎn)品性能優(yōu)于TriQuint。

2009年底，Avago公司宣布FBAR濾波器全球供貨己超過10億只。根據(jù)德國WTC市調(diào)公司在2007年的市場分析，F(xiàn)BAR的市場占有率：Avago為74%，Infineon為23%，Avago FBAR市場占有率遙遙領(lǐng)先于其它公司。

4.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)FBAR技術(shù)研究主要還是集中在高校和科研院所。浙江大學(xué)早在1994年就開始FBAR工藝方面的研究，2006年制備出了高模FBAR原型器件。2008年中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研究了基于薄膜體聲波諧振器的梯形結(jié)構(gòu)射頻濾波器的設(shè)計(jì)。除此之外，還有天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、電子科技大學(xué)等也都FBAR方面投入了研究。

2011年，龐慰教授依托天津大學(xué)建立了一條6英寸FBAR產(chǎn)線，該線采用空氣隙結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)產(chǎn)品已用于手機(jī)射頻模組。依托國家項(xiàng)目，天津大學(xué)聯(lián)合國內(nèi)中電科13所正在籌劃建立8英寸產(chǎn)線。

2013年10月，中電科13所報(bào)道了自主設(shè)計(jì)、采用空氣隙型結(jié)構(gòu)加工的S波段4節(jié)FBAR濾波器芯片，突破了高c軸取向ALN壓電薄膜淀積技術(shù)、精密空氣腔制作技術(shù)。中心頻率2340MHz，中心插損3.8dB，3dB帶寬25MHz，矩形系數(shù)達(dá)2.24：1，帶外翹起在35dB以下，輸入輸出阻抗均為50Ω。

圖2　　FBAR濾波器（a）傳輸響應(yīng)曲線（b）芯片結(jié)構(gòu)圖

中電科26所也對(duì)FBAR濾波器進(jìn)行了研究，通過代工設(shè)計(jì)開發(fā)出了2.4GHz濾波器，帶外抑制度在35dB左右。產(chǎn)業(yè)界方面，華為、中興也都關(guān)注FBAR的研究開發(fā)。Avago-華為-浙江大學(xué)曾經(jīng)就FBAR進(jìn)行三方合作研發(fā)，主要是提高功率和實(shí)現(xiàn)多模手機(jī)的多工器集成。國內(nèi)還有中電科24所、13所、55所以及士蘭微、國民技術(shù)研究所和公司也都與浙江大學(xué)、天津大學(xué)展開過交叉合作，但到目前為止，仍未看到滿足工程應(yīng)用的好的實(shí)質(zhì)性成果。

5.總結(jié)

FABR技術(shù)仍未達(dá)到成熟階段，其在GHz頻段優(yōu)異的性能使得該項(xiàng)技術(shù)擁有非常大的潛力，在下一代移動(dòng)通信射頻系統(tǒng)將會(huì)替代SAW器件，具有廣闊的市場前景。未來3-5年內(nèi)FBAR將趨于成熟，但仍然是以FBAR分立器件為主。作為集成技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可能是：在硅基片上首先進(jìn)行射頻前端有源電路如LNA、PA、Mixer等電路的設(shè)計(jì)，通過TSV等高級(jí)SIP封裝技術(shù)，將FBAR濾波器、振蕩器等器件與射頻收發(fā)前端芯片系統(tǒng)集成，從而進(jìn)一步減小系統(tǒng)體積、成本和功耗。

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段宗明，工程師，主要研究方向?yàn)樯漕l集成電路設(shè)計(jì)。