中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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五、超小型類LC濾波器
有些場(chǎng)景下，人們對(duì)三維到二維的“拍扁”得到的體積收益還是不滿意，希望進(jìn)一步縮小。承擔(dān)這類場(chǎng)景的濾波器主要是LTCC/HTCC濾波器和IPD濾波器。
高溫共燒陶瓷（HTCC）濾波器以及低溫共燒陶瓷（LTCC）濾波器，主要是將“拍扁”之后的二維平面濾波器進(jìn)行“折疊”，把LC/薄膜類濾波器折成很多層，更近一步的壓縮面積。兩者的工藝基本相同，都是利用多層陶瓷片的堆疊燒結(jié)技術(shù)，將傳統(tǒng)的微帶線或LC濾波器進(jìn)行“折疊”，將濾波器的尺寸進(jìn)一步縮小。
圖：LTCC濾波器原理示意圖
這類濾波器首先將單層電路變成可多達(dá)40層的電路，大幅增加縱向利用率；其次將介電常數(shù)從＜10變成了高可達(dá)40，且電路的上下層均為介質(zhì)覆蓋（微帶濾波器只有一面是介質(zhì)，另一面是空氣），綜合介電常數(shù)大幅提高，因此面積進(jìn)一步下降。因此，與傳統(tǒng)微帶線以及介質(zhì)濾波器相比，LTCC濾波器憑借高密度集成以及靈活的設(shè)計(jì)多樣性在基站、終端設(shè)備以及航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
常用的LTCC濾波器結(jié)構(gòu)大致可分為兩大類，集總參數(shù)式以及分布參數(shù)式，集總參數(shù)式損耗更小，設(shè)計(jì)更靈活，可實(shí)現(xiàn)超過(guò)70%的相對(duì)帶寬，但是其陡峭度較差，近帶抑制不理想；分布式工作頻率更高，可達(dá)到毫米波頻段，且該結(jié)構(gòu)在同階數(shù)情況下，近端抑制優(yōu)于集總結(jié)構(gòu)，近帶陡峭度好，缺點(diǎn)在于對(duì)加工很敏感，對(duì)工藝要求高于集總式濾波器。
集總參數(shù)式LTCC濾波器將多層螺旋電感以及多層MIM電容印刷在多層陶瓷片上，層與層之間以及電感與電容之間通過(guò)金屬（銀）過(guò)孔以及走線相連；在3D空間內(nèi)，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)不同的形式添加LC耦合甚至是二次諧振耦合，形成不同頻率的傳輸零點(diǎn)，設(shè)計(jì)靈活多變。集總參數(shù)結(jié)構(gòu)一般適用于10G以下工作頻率。
圖：LTCC濾波器的基本單元及典型響應(yīng)
分布參數(shù)式LTCC濾波器廣泛應(yīng)用于高頻、毫米波以及邊帶陡峭度需求較高的濾波器設(shè)計(jì)中。由于器件內(nèi)部空間小，頻率高，采用集總參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，獨(dú)立的電感與電容易產(chǎn)生額外的寄生耦合，破壞濾波器特性，因此當(dāng)工作頻率大于10G或需要較好的邊帶陡峭度時(shí)，一般采用1/4λ或1/2λ的帶狀線耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)濾波器特性。通過(guò)在不同諧振單元之間引入電容耦合，調(diào)整信號(hào)在不同路徑下的相位變化，可在高低頻不同位置引入傳輸零點(diǎn)。如結(jié)果圖，分布式LTCC濾波器擁有更好的陡峭度，且損耗較小。
圖：分布參數(shù)式LTCC濾波器示意及響應(yīng)曲線
IPD濾波器是另外一種集成度很高的濾波器。IPD（Integrated Passive Device，集成無(wú)源器件）是通過(guò)集成電路薄膜工藝，在單一襯底（如硅、玻璃等）上直接集成無(wú)源器件（電容、電感等），在高頻/射頻電路、電源管理等有廣泛應(yīng)用。其特點(diǎn)在于，采用半導(dǎo)體工藝，具有很好的加工精度，在高頻下介質(zhì)損耗低，可以獲得更高Q值的電感電容，一致性也非常好；此外非常適合定制化需求，并且可與有源器件共同封裝。
圖：IPD常見(jiàn)的疊層結(jié)構(gòu)
IPD的襯底材料，目前常見(jiàn)的有硅、玻璃等；電感及互聯(lián)過(guò)孔、走線，一般是銅金屬；MIM電容，常見(jiàn)結(jié)構(gòu)是Al/SixNy/Cu，金屬間的介質(zhì)材料常見(jiàn)的是PI/BCB。厚金屬走線通常為3-10um，還可以通過(guò)RDL技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三層厚金屬，減小電感的平面面積；此外，可以在襯底上制作金屬化通孔（如TSV/TGV等），實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)接或者立體電感，立體電感的Q值比平面電感有明顯優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高了die的有效利用率。IPD同樣支持多種封裝形式，非常適合與有源器件集成的SiP方案。
以N77頻段為例，設(shè)計(jì)目標(biāo)通常是插損小于2.0dB，同在在2.7GHz、5.18GHz，ISM，2nd Harmonic 頻率實(shí)現(xiàn)30dB以上的抑制，并且在10GHz左右至少有20dB的抑制。初始設(shè)計(jì)時(shí)，通常是基于電感/電容的頻率響應(yīng)特性，獲得需要的給定帶寬、中心頻率以及帶內(nèi)波動(dòng)的濾波器。之后，根據(jù)IPD的工藝設(shè)計(jì)要求，調(diào)整并實(shí)現(xiàn)需要的電感電容值。
圖：典型IPD濾波器的物理實(shí)現(xiàn)、電路原型和響應(yīng)
對(duì)比LTCC濾波器，LTCC的電容依賴多層陶瓷的物理堆疊，而電感則受限于傳統(tǒng)印刷和燒結(jié)等厚膜工藝，線寬一般在50um-100um，而IPD采用半導(dǎo)體光刻和薄膜工藝，可以利用薄膜材料（如氮化硅）的高介電常數(shù)特性，在較小面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大電容值，而電感線寬一般在10um，并且IPD也可以通過(guò)多層金屬堆疊（如RDL），減少平面占用面積，因此在一些應(yīng)用下（如N77/N79頻段）可以做到和LTCC相當(dāng)甚至更小的面積。劣勢(shì)是LTCC陶瓷散熱會(huì)更好，大功率場(chǎng)景更有優(yōu)勢(shì)；成熟產(chǎn)品，LTCC大規(guī)模生產(chǎn)成本更低。
圖：常見(jiàn)超小型類LC類濾波器
六、聲學(xué)濾波器
“人不是慢慢老去的，人是一瞬間變老的”。濾波器也可以不用慢慢縮小體積，而是一瞬間縮小，只要你深入了解波速v的魔法。
濾波器的諧振依賴于波長(zhǎng)。根據(jù)前面提到的波長(zhǎng)計(jì)算公式λ=v/f，當(dāng)固定頻率f時(shí)，在電磁場(chǎng)范圍內(nèi)，v永遠(yuǎn)在光速附近（電磁波真空波速=光速），因此面積的量級(jí)大致恒定。但對(duì)于聲學(xué)濾波器，通過(guò)彈性波(聲波)進(jìn)行工作，其聲波的波速大致在3000m/s-15000m/s范圍，遠(yuǎn)低于光速的
，兩者的傳播速度相差5個(gè)數(shù)量級(jí)，同樣一個(gè)1GHz的濾波器，電磁場(chǎng)濾波器的波長(zhǎng)為300mm，而聲學(xué)濾波器僅僅為3-15um，這能夠極大程度上降低了濾波器的設(shè)計(jì)尺寸。
因此，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)的提出，聲學(xué)濾波器在手機(jī)、平板、智能穿戴以及物聯(lián)網(wǎng)等對(duì)尺寸和性能要求很嚴(yán)格的終端產(chǎn)品上開(kāi)始大量使用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前單個(gè)手機(jī)里面包含多個(gè)射頻前端接收和發(fā)射模組，濾波器的數(shù)量超過(guò)70顆，絕大部分為聲學(xué)濾波器，以滿足對(duì)高性能和極小體積的需求。
圖：iphone16pro 射頻前端模組
從聲波的傳播方式上分類，聲學(xué)濾波器主要包含聲表面波濾波器（Surface Acoustic Wave Filter，簡(jiǎn)稱SAW）和體聲波濾波器（Bulk Acoustic Wave Filter，BAW）。其中，聲表面波濾波器其聲波沿壓電性襯底表面?zhèn)鞑?，根?jù)不同的工藝和襯底結(jié)構(gòu)類型，可以分為常規(guī)SAW濾波器，溫度補(bǔ)償型SAW濾波器（TC-SAW），薄膜型SAW濾波器（TFSAW/IHPSAW）;體聲波濾波器中，其聲波在上下兩電極之間來(lái)回震蕩，形成駐波，按照其結(jié)構(gòu)的不同，主要分為固態(tài)裝配型（BAW-SMR），空腔型（FBAR），以及激勵(lì)蘭姆波工作模式的XBAR。
圖：聲波類濾波器的分類
對(duì)于聲表面波濾波器，其聲波模式的激發(fā)為通過(guò)獨(dú)特的叉指電極結(jié)構(gòu)，輸入電信號(hào)通過(guò)ITD電極饋入到壓電晶體材料表面，利用逆壓電效應(yīng)在壓電晶體表面產(chǎn)生表面波，形成震蕩，再物理傳遞到輸出端，再通過(guò)壓電效應(yīng)激勵(lì)起電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)從電信號(hào)-機(jī)械信號(hào)-電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換；而體聲波濾波器其諧振方式為通過(guò)在壓電晶體上下表面形成平板電極，聲波在壓電晶體內(nèi)部進(jìn)行傳播。物理結(jié)構(gòu)如圖所示。
圖：SAW濾波器物理結(jié)構(gòu)示意圖
圖：BAW濾波器物理結(jié)構(gòu)示意圖
限于篇幅，本文僅介紹常規(guī)的SAW/BAW濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為梯形結(jié)構(gòu)。SAW和BAW的物理震蕩可以等效為一個(gè)LC串聯(lián)回路+一個(gè)靜態(tài)電容C0（對(duì)于SAW來(lái)說(shuō)C0為插指換能器形成的插指電容；BAW的C0是上下金屬電極形成的平板電容）。因此，相比傳統(tǒng)LC回路，此諧振電路存在兩個(gè)諧振點(diǎn)（對(duì)于串聯(lián)諧振器，其串聯(lián)諧振支路形成極點(diǎn)，并聯(lián)諧振支路形成零點(diǎn)，對(duì)于并聯(lián)諧振器，串聯(lián)支路形成零點(diǎn)，并聯(lián)支路形成極點(diǎn)）。
圖：串聯(lián)諧振回路及響應(yīng)
圖：并聯(lián)到地諧振回路及響應(yīng)
我們把串并聯(lián)回路交替的級(jí)聯(lián)起來(lái)，就能得到SAW或者BAW濾波器的電路響應(yīng)圖。
圖：梯形聲波濾波器及其響應(yīng)
對(duì)于普通SAW濾波器，其叉指生長(zhǎng)在LT/LN晶圓上，其叉指寬度和厚度決定了頻率的上限，受限于常規(guī)DUV光刻分辨率，主流實(shí)現(xiàn)sub-3GHz以下的頻率覆蓋。首先，大部分場(chǎng)景激勵(lì)起來(lái)的模式存在向下能量輻射，且壓電晶圓下方不存在特殊的高/低聲阻抗反射層，因此能量泄露比較嚴(yán)重，其Q值約在600附近；其次，由于LN/LT的熱膨脹系數(shù)不佳，頻率溫度飄移嚴(yán)重，導(dǎo)致高溫下本就不優(yōu)的損耗進(jìn)一步惡化，當(dāng)大功率信號(hào)輸入時(shí)容易燒毀，故普通SAW濾波器的輸入耐受功率在28-30dBm。其優(yōu)勢(shì)在于LN/LT晶圓成本較低，應(yīng)用廣泛。
圖：普通SAW濾波器結(jié)構(gòu)及性能曲線
人們?yōu)榱私鉀Q普通SAW的損耗偏大、溫漂大、功率不佳等問(wèn)題，引入了溫度補(bǔ)償型SAW濾波器（TC-SAW）。TC-SAW濾波器目前包含兩種技術(shù)工藝路線：濺射型TC-SAW和鍵合型TC-SAW。對(duì)于濺射型TC-SAW，主要在常規(guī)SAW叉指電極上濺射一層較厚的具有負(fù)溫度系數(shù)的SIO2層，能夠抵消高低溫帶來(lái)的頻率偏移，使得其濾波器的頻率溫度系數(shù)(TCF)遠(yuǎn)小于常規(guī)SAW濾波器。但相較于常規(guī)SAW濾波器，復(fù)雜化的工藝程序，帶來(lái)了工藝成本的上升和良率的下降。因此，濺射TC-SAW技術(shù)常用于相對(duì)要求較高的雙工器設(shè)計(jì)中。
圖：TCSAW濾波器及其性能曲線
鍵合型TC-SAW，主要是將LN/LT厚度減?。ㄒ话阈∮?0um），在底層鍵合一層Si或藍(lán)寶石晶圓/尖晶石晶圓。一方面，鍵合的襯底具有更好的溫漂特性，能夠?qū)p薄后的壓電材料LT/LN束縛住，降低其溫漂；另一方面，鍵合的襯底相比壓電晶圓的阻抗更高，對(duì)表面向下泄露聲波有一定的反射作用，可以提升Q值。最后，鍵合襯底有著更好的導(dǎo)熱能力，配合提升的Q值和更小的溫漂，使得TC-SAWAW的功率容量相比普通SAW也有提升。
為了進(jìn)一步提升SAW濾波器性能，一種薄膜型濾波器被提出,也被稱為TF-SAW或IHP- SAW。這種SAW相較于傳統(tǒng)的SAW濾波器和兩層鍵合TC-SAW濾波器結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如下圖所示，首先是表面的壓電材料更?。ㄒ话恪?um），很薄的壓電層使得被束縛的能力也進(jìn)一步提升，溫漂更小，達(dá)到了＜15ppm，其次壓電晶圓下方具備多層結(jié)構(gòu)形成高/低聲速阻抗層，具備非常強(qiáng)的反射向下泄露的聲波能量的能力，使其能量更加集中在表面，Q值大幅提升。Q值的提升，溫漂的減小，外加更加薄的表層材料，也使得TF-SAW的功率容量相比于普通SAW和TC-SAW有較大的提升。
圖：TF-SAW濾波器結(jié)構(gòu)示意圖
圖：TF-SAW的向下泄露遠(yuǎn)小于普通SAW
如果有更高的頻率要求和更大的功率要求，體聲波濾波器BAW則更加合適。如下圖所示，固態(tài)裝配型（BAW-SMR）體聲波濾波器主要由上下的平板電極、平板間的壓電材料（目前常用為AlN）、以及下方有多層的高/低聲速反射層（學(xué)名：布拉格反射層）、支撐襯底四個(gè)部分組成。其結(jié)構(gòu)類似于TF-SAW，由于布拉格反射層的強(qiáng)反射，能夠使聲波能量被束縛在平板電容形成的諧振腔中，具備很高的Q值。
空腔型BAW（FBAR）則是另一種技術(shù)路線，借助空氣對(duì)聲波天然反射能力強(qiáng)的特點(diǎn)，用空腔形成高阻抗層，將能量束縛在平板之間。由于FBAR的空腔對(duì)任意聲波均是全反射，因此不像SMR-BAW需要根據(jù)波長(zhǎng)來(lái)調(diào)整反射層的厚度，其插損水平與SMR類型比甚至更優(yōu)，但空氣的散熱能力較固體介質(zhì)更差，因此FBAR的功率容量不如SMR-BAW。
相比于SAW，BAW有幾個(gè)顯著的差異點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)方面，首先由于其諧振頻率決定于平板電容間的壓電晶體AlN的厚度，AlN做厚不易（正?！?um），但是可以做薄（最薄100-200nm量級(jí)），壓電晶體越薄則頻率越高，同時(shí)AlN的聲速相比LT/LN更高，因此BAW可以做到7GHz，比SAW具備更高的頻率上限。其次，區(qū)別于SAW叉指電容細(xì)長(zhǎng)的特點(diǎn)，平板電容有更高的耐擊穿功率，使得BAW的耐受功率普遍更優(yōu)。
缺點(diǎn)方面，首先是加工難度，BAW的頻率決定于AlN的厚度，我們希望濾波器中每個(gè)諧振單元的頻率都具備獨(dú)立調(diào)節(jié)能力，這樣設(shè)計(jì)靈活性更大，性能更優(yōu)。相比于SAW的平面結(jié)構(gòu)一次可以做任意多個(gè)頻率，BAW常規(guī)只能通過(guò)增加光刻次數(shù)來(lái)調(diào)整頻率（一般4種）。這使得同樣難度的濾波器，BAW的光刻次數(shù)遠(yuǎn)大于SAW，帶來(lái)了成本和工藝控制難度的增加；其次，在1GHz以下，BAW頻率較難達(dá)到，SAW比較容易；最后，在1-3G這個(gè)SAW能達(dá)到的區(qū)間，普遍BAW的面積更大。
圖：BAW濾波器的常見(jiàn)分類結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
XBAR(laterally eXcited Bulk Acoustic wave Resonators)濾波器技術(shù)是一種基于橫向激勵(lì)體聲波的新世代濾波器技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的聲表面波濾波器的加工工藝，即在壓電薄膜表面制作周期性IDT電極，通過(guò)IDT電極來(lái)激發(fā)反對(duì)稱型蘭姆波(A1、A3、A5.......)模態(tài)作為工作模態(tài)，這種聲波模態(tài)一般是在較小的歸一化壓電膜厚下振動(dòng)，其具有很高的機(jī)電耦合系數(shù)和聲波波速，從而能夠?qū)崿F(xiàn)在超高頻段甚至毫米波頻段大帶寬濾波器的應(yīng)用，其次XBAR諧振器具有超過(guò)500的品質(zhì)因數(shù)(Q值)，使得XBAR濾波器在很寬的通帶內(nèi)具有較低的插入損耗和較高的矩形系數(shù)；這為聲學(xué)濾波器在sub-6G頻段、毫米波頻段的應(yīng)用提供了新的解決方案。但是，XBAR濾波器技術(shù)依然存在諸多困難和挑戰(zhàn)，首先，它的結(jié)構(gòu)(壓電薄膜遠(yuǎn)離IDT電極一側(cè)需要設(shè)置空氣腔，當(dāng)然也有SMR型的)決定了需要使用MEMS工藝進(jìn)行制造，濾波器器件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，工藝成本很高；其次，組成濾波器拓?fù)涞闹C振器單元的頻率控制工藝也較繁瑣復(fù)雜，生產(chǎn)良率整體不高；再者，在XBAR諧振器的禁帶內(nèi)存在很嚴(yán)重的橫向模式寄生以及在禁帶外一些其他的雜散模態(tài)寄生，如何將這些雜散模式進(jìn)行抑制也是一個(gè)具有挑戰(zhàn)的課題。
由于聲學(xué)濾波器芯片級(jí)的設(shè)計(jì)尺寸，聲學(xué)濾波器在無(wú)線終端、智能穿戴、物聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛、VR/AR設(shè)備、農(nóng)業(yè)和云計(jì)算等方面有超強(qiáng)的應(yīng)用前景。聲學(xué)濾波器正推動(dòng)著射頻前端行業(yè)一次新的工業(yè)革命。
下面將各類聲學(xué)濾波器的特點(diǎn)匯總成下表。
圖：常見(jiàn)聲波類濾波器特點(diǎn)匯總
七、總結(jié)
在對(duì)抗濾波器的不可能三角中，研發(fā)人員和工程師們殫精竭慮，不斷推動(dòng)技術(shù)往前發(fā)展。
我們把各類濾波器匯總在一起，可以看到更清晰的技術(shù)演進(jìn)脈絡(luò)，圍繞著λ=v/f演進(jìn)。從極致性能和功率，但體積不優(yōu)的金屬腔體出發(fā)，通過(guò)介電常數(shù)加載，犧牲性能和功率大幅降低體積，得到介質(zhì)濾波器；再把介質(zhì)濾波器三維變二維折疊起來(lái)，得到平面濾波器；再把平面濾波器折疊起來(lái)，得到的LTCC/IPD濾波器；另辟蹊徑繞過(guò)電磁場(chǎng)，通過(guò)聲速大幅降低波速v，得到聲學(xué)類濾波器。各類濾波器在不可能三角中進(jìn)行取舍，去努力適配應(yīng)用場(chǎng)景，提升網(wǎng)絡(luò)性能。
圖：濾波器“不可能三角”的取舍脈絡(luò)
《黑神話-悟空》里，靈吉菩薩說(shuō)：“人也，獸也，佛也，妖也，眾生自有根器，持優(yōu)劣為次第，可亂來(lái)不得?！睂?duì)濾波器而言，不同種類濾波器自有其“根器”，應(yīng)用視具體場(chǎng)景而定，沒(méi)有絕對(duì)優(yōu)或者劣，以最合適來(lái)排次第，也亂來(lái)不得。本文旨在為不同應(yīng)用場(chǎng)景下的濾波器選型提供參考，最后匯總?cè)黝悶V波器成下圖，希望對(duì)讀者有所幫助。
圖：常見(jiàn)濾波器選擇天梯圖
