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国产化滤波器迎重要突破 左蓝微电子TC-SAW改变依赖进口格局
电子网2020-09-15 17:57:28财讯网
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中国是全球最大的手机生产基地,凭借着庞大的终端市场需求,手机供应链向中国大陆地区转移已成产业趋势。在5G发展的大背景下,射频滤波器作为射频前端的重要器件,国产化进程亟需加快推进。射频滤波器是射频器件国产化的发展重点,手机没有滤波器意味着通信设备丧失抗干扰能力,无法保障通信的畅通。

图1 左蓝微电子TC-SAW双工器产品图

作为近年来崛起的国产射频前端器件企业,杭州左蓝微电子技术有限公司(简称“左蓝微电子”)近日对外透露,公司研发的温度补偿型声表面波(TC-SAW)滤波器关键技术已取得突破,相关产品已具备量产条件。这一产品的推出意味着国产化滤波器迎来重要突破,将填补我国在高端射频滤波器方面的市场空白,打破国外厂商在该领域的垄断局面。

面向5G频段的TC-SAW需要打破国外市场垄断局面

手机射频滤波器主流的实现方式是声表面波滤波器(SAW)和体声波滤波器(BAW)两种。BAW性能较好,适用于中高频段较多,但是工艺复杂且价格更高,而SAW相对价格较低,但市场上的常规SAW滤波器不能很好的适用于2GHz以上的频段:当频率高于约1GHz时,其选择性降低;在约2.5GHz的频段,其仅限于对性能要求不高的应用,滤波器工作频率随外界温度变化发生一定漂移。基于这些特性原因,在频段越来越拥挤的5G时代,常规SAW不能够很好地满足射频终端对滤波器的要求,研发具备高频率、温度稳定性的滤波器成为发展所需。

图2 SAW与TC-SAW的结构对比

温度补偿型声表面波滤波器(Temperature compensated SAW,简称:TC-SAW)通过覆着或粘接温度补偿层(如图2:常规SAW与TC-SAW的结构对比)对常规SAW滤波器进行性能改进,使得器件的频率温度系数(TCF)降至0到-25ppm/℃,较常规SAW的温度特性(通常约为-45—-60ppm/℃)有了显著提升。

由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层,器件结构更复杂,制造成本相对常规SAW滤波器有所提高,但仍然明显低于BAW滤波器。性能和成本的相对优势,使TC-SAW 滤波器在5G时代迎来了良好的发展机遇。TC-SAW可被广泛应用于手机终端、基站、卫星通信、智能家居、汽车雷达、RFID、雷达系统以及其他无线终端等众多领域。

射频前端芯片市场一直由海外寡头占据绝对份额,其中TC-SAW产品主要被日系厂商垄断,相比之下,国内射频芯片公司由于起步较晚、基础薄弱,较之国际领先企业在技术积累、产业环境、人才培养、创新能力等方面仍有明显滞后,与欧美等厂商存在较大差距。目前国内厂商目前以生产中低端SAW为主,对于有着更高技术要求的TC-SAW和BAW,国内只有少数几家处于技术研究阶段,尤其是TC-SAW的核心技术,中国市场迫切需要实现本地化供货和服务。

左蓝微电子TC-SAW技术填补国产化产品空白

从2016年开始,左蓝微电子便深度布局射频前端器件尤其是滤波器这一细分领域,左蓝团队研发TC-SAW滤波器成功通过相关技术关键点的验证,顺利解决常规声表面波滤波器温度特性不佳、频漂严重等问题,填补了国内TC-SAW方面的技术空白,为我国5G通信的发展打好坚实的产业基础。

图3 工作模式对比

TC-SAW的工艺方法有两种类型:温度补偿层法和键合片法:温度补偿层法一般采用LN作为基底,SiO2作为温度补偿层,工作模式为Rayleigh波,即纵波和垂直剪切波(L&SV waves),优点是机电耦合系数大,缺点是设计和工艺复杂;键合片法一般是LT+Si基板,工作模式为水平剪切波(SH waves)(如图3所示)温度系数小于常规SAW,电性能类似于常规,优点是设计和工艺可借鉴常规SAW,较为简单,但是机电耦合系数比温度补偿层法小。

左蓝微电子掌握了完整的TC-SAW设计技术和完全自主的全套流程设计方案,通过从谐振器到滤波器精准的模态分析设计,能大幅提高滤波器的温度性能。对于声表器件,通过自主开发的设计工具,对滤波器的结构参数快速优化,以达到高性能滤波器的指标。

通过优化验证的谐振器设计能有效抑制谐波。图4展示了谐振器优化设计效果:

图4 优化设计抑制谐波效果

通过实现优化设计,谐波得到抑制,谐振器的Q值得到了有效提升。某谐振器测试Q值如下:Qs=1269,Qp=1467,Qmax=1765。结果如图5所示:

图5 某谐振器Q值

通过仿真可以有效模拟表面温度补偿层厚度对于TCF的影响,从而提出工艺优化的具体实施途径。通过设计仿真和工艺优化相结合,可以制备出具有最佳TCF的TC-SAW滤波器,如图6所示:

图 6 SiO2厚度与TCF测试结果的比较

经过精准仿真得到的TC-SAW滤波器,在高低温下具有优良的性能。目前左蓝自主研发的TC-SAW产品经过不断优化,最优TCF已达-15ppm/0C(如图7所示),相对于传统器件,同时实现了小尺寸、低插损、高工作频率(0.5GHz-3GHz)等优点,设计出的双工器性能曲线如图8所示,比肩国际一流水平。

图7 某滤波器高低温测试TCF结果

图8 TC-SAW双工器性能曲线

在我国无线宽带战略实施和无线通信终端快速发展的背景下,左蓝微电子TC-SAW系列产品的成功研发和批量生产将为5G通信提供多模多频支持,有利于国产高品质、低成本的多模多频移动终端规模化发展,目前,该产品已在高通、MTK和展讯等平台完成性能验证。国产化TC-SAW的规模化生产,对产业链中射频元件提供商、终端设备提供商、设计厂商和业务运营商等相关业务发展有着极大的促进作用,提升产业技术水平和高端滤波器的自主可控能力,促进产业结构升级。

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