三类5G主流射频滤波器:Saw、Baw-SMR、Fbar区别在哪里

2020-8-27 11:21 1181 19

5G主流射频滤波器Saw、Baw-SMR、Fbar分别有什么优势、技术层是怎样的?

Baw滤波器smr什么意思啊smr和Fbar哪个好
smr与Baw-SMR对比怎样 Baw的工作原理Fbar有什么不同


声表面波滤波器(Saw Filter)

Saw是一种沿着固体表面传播的声波,一个基本的Saw滤波器是由压电材料和两个IDT(interdigital transducer)组成。IDT核心作用在能量转换,在输出端把接收的声波转变成电信号,在输入端把接收的电信号转变成声波。这种转变主要依赖中间的压电材料,压电材料的晶体受到外界压力时会发生形变,晶体内原子间距离发生变化,打破原来的正负电荷平衡,晶体表面产生电压,相反当晶体两端受到电压时,晶体也会发生形变。Saw滤波器常用的压电材料有LiTaO3,LiNbO3,SiO2。

当Saw滤波器工作时,输入端IDT接收电压信号使压电材料产生机械压力并以声波形式沿着表面传播,而垂直方向上的声波幅度快速衰落,输出端IDT接收水平方向的声波,并转换为电信号。叉指换能器(IDT)由输入及输出埠的IDT电极组成。当在输出埠外加电压时,输入端的IDT电极会产生逆压电效应,将电压讯号转换为声能讯号,激发表面声波,并在压电基板上传播。当表面声波传至输出埠的IDT电极时,输出端的IDT电极会产生正压电效应,将接收之声波还原为电压信号。

Saw的频率基本可以参考公式:F = V/λ,其中V是Saw的速率,大约为3100m/s,λ是IDT电极间距。从公式可以看出Saw滤波器的频率与IDT电极间距成反比,频率越高,IDT电极间距越小。在IDT小间距下,电流密度太大会导致电子迁移和发热问题,所以Saw滤波器不太适合2.5GHz以上的频率。Saw滤波器对温度变化也敏感,性能随温度升高而变差,温度升高时,基片材料的刚度变小,声波速度变小。

温度补偿滤波器(TC-SawFilter)就是为了改善滤波器的温度性能,在IDT上增加保护涂层改善其温度特性,使其在温度升高时,刚度增加,改善温度特性的同时也会使得滤波器成本上升。

体声波滤波器(Baw-SMR Filter)

与Saw滤波器不同,声波在Baw滤波器中是垂直传播的。Baw滤波器采用石英晶体作为基板,基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜,压电薄膜在2GHz下的厚度只有2um,声波在压电层内震荡形成驻波,发生共振的频率由平板的厚度和电极的质量决定。为把声波留在压电层内震荡,震荡结构与外界环境必须有足够的隔离才能得到较小的插入损耗和较高的Q值。为防止声波进入基板层,在震荡结构下方增加布拉格反射层(Braggreflector),把声波反射到压电层里面,这就是Baw-SMR(固体安装谐振器Baw)。

借助Baw技术,可以开发出异常陡峭过滤裙边的窄带滤波器。Baw滤波器的尺寸也随着频率的增加而缩小,对温度变化也不敏感,非常适合在高频(频率大于1.5GHz)下运用。Baw滤波器可以处理高达6GHz的频率,并可用于1.9GHz以上的许多新的LTE频段。Baw滤波器的工艺比Saw/TC-Saw复杂,价格也更昂贵。

薄膜腔体谐振滤波器(Fbar)

Fbar与之前的滤波器不同,采用硅底板,借助MEMS技术和薄膜技术制造而来,包含硅反面刻蚀型(Membrane type)和空气隙型(Airgap type)。(1)硅反面刻蚀型,这种Fbar是基于MEMS的体硅(Si)微加工技术,将Si片反面刻蚀,在压电震荡堆的下表面形成空气—金属交界面从而限制声波于压电震荡堆之内。此技术的缺点是由于大面积移除Si衬底,导致机械牢度降低。(2)空气隙型,这种Fbar是基于MEMS的表面微加工技术,在硅片的上表面形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法制备空气腔以形成空气—金属交界面。

Fbar滤波器与Saw滤波器相比,具备高Q值,工作频率可高达10GHz,温度特性好,插入损耗小,高功率容量等优点。Fbar是目前唯一可以与RFIC和MMIC集成的射频滤波器解决方案,且能以更低的价格提供更佳的性能,具有非常强的市场竞争力。

Baw与Saw的比较

目前滤波器技术包括Saw滤波器及Baw滤波器两大技术方向。其中Saw滤波器包括普通Saw、TC-Saw、IHP Saw滤波器;Baw滤波器包括普通Baw滤波器、Fbar滤波器、XBAR滤波器。

Saw滤波器是当前消费电子产品大规模使用的滤波器元件,其成本和复杂程度较低,主要适用于低频段通讯。而Baw滤波器价格稍高,主要应用于高频段通讯。

比起Saw滤波器,Baw滤波器因其较高的工作频率和功率容量优势而得到广泛认可。其中,Saw滤波器较多应用在4G领域。而在5G时代,单晶及多晶Baw滤波器受到广泛应用。Baw滤波器的低功耗,高隔离度和CMOS兼容性使其成为射频通信领域的要器件。

总体而言,Baw滤波器的成本高于Saw滤波器,而温度敏感性、插入损耗特性以及频段和宽带表现方面,Baw滤波器性能则显著优于Saw滤波器。为解决温度漂移问题,TC-Saw可实现以较低的成本达到较高的温度稳定性,也被广泛应用于4G设备中。在5G时代,收到频率因素影响,Baw滤波器将更多地被应用于终端设备中。

目前,Saw滤波器主要应用场景为低频率频段,Baw滤波器则主要应用于高频率频段。美国、欧洲目前对于高频率频段的应用更为频繁。

比起Saw滤波器,Baw滤波器因其较高的工作频率和功率容量优势而得到广泛认可。各种滤波器技术可使用在军事、汽车等领域,其中,Saw滤波器较多应用在4G领域。而在5G时代,单晶及多晶Baw滤波器受到广泛应用。Baw滤波器的低功耗,高隔离度和CMOS兼容性使其成为RF通信领域的主要器件。


Saw滤波器经历了普通Saw、TC-Saw、TF-Saw三个技术世代

不同种类的Saw滤波器晶模面积有所不同。TF-Saw滤波器晶模面积较低,TC-Saw滤波器晶模面积中等,而Saw滤波器的晶模面积较高。而TF-Saw滤波器晶模成本较高,TC-Saw和Saw滤波器晶模成本更低。

宽频带滤波应用以LTCC方案为主

LTCC(低温共烧陶瓷)滤波器可以满足更高频率和更宽带宽的5GNR应用需求。LTCC滤波器的显著优点是尺寸小、性能优良、可靠性高、成本低,缺点是Q值低,非常适合更宽带宽和更高频率的应用。5G的发展伴随着更多更高的频段,同时也有更大带宽的需求,Saw和Baw滤波器已不能很好的满足5G对高频高带宽的需求,恰好LTCC滤波器具备相当宽松的裙边特性,可满足5G sub-6GHz中的频段n77、n78对宽带宽要求。且与Saw滤波器相比,LTCC具备更高的功率处理能力,正好满足5G sub-6标准中HPUE的要求。随着5G更大带宽的需求,在一定条件下需要使用适合大带宽的LTCC滤波器,5G发展的同时为LTCC滤波器带来发展机遇。

5G时代,Baw滤波器渗透率不断攀升

Saw滤波器适用于低频段,Baw滤波器适用于高频段,2G/3G/4G时代,Saw滤波器凭借较低成本优势主导射频滤波器市场,占据射频滤波器市场大部分的市场份额。近些年来,通信技术的不断发展带动频带从低频向高频发展,在高频具有性能优势的Baw滤波器逐渐兴起,市场份额不断攀升。根据Yole预测数据显示,2015年,Baw(包括SMR和Fbar)滤波器的市场渗透率为30%,2019年Baw滤波器市场渗透率将达到44%。5G时代来临,5G手机出货量和市场渗透率的提升将带动Baw滤波器市场渗透率的继续上升,Yole预测到2022年,Baw滤波器将占据射频滤波器市场61%的市场份额,成为滤波器市场的主流。

据Akoustis公司预测,2019年到2020年Fbar收入将由24.60亿美元增长至28.12亿美元,而Baw滤波器收入将从8.20亿美元增长至9.96亿美元。

市场占比:Baw升高,Saw下降

5G 典型候选频段主要包括 6GHz、15GHz、18GHz、28GHz、38GHz、45GHz、60GHz 和 72GHz 等,频段越高,信道传播路损越大。高频通信,意味着Baw滤波器需求量将快速提升。

在高频通信领域,Baw被更加多的厂商所接受。Baw滤波器内部的由两个金属电极夹着压电薄膜形成,声波在压电薄膜中垂直传播,形成大于2.5Ghz的驻波。Baw滤波器可实现高频段、低插入损耗和高Q值,是高性能射频系统的首选。目前某些手机中同时拥有2G、3G、4G、WIFI、蓝牙等通信制式,则可为了降低整体成本部分选择Saw滤波器,但在高频通信,尤其是未来5G要求的3Ghz以上的频谱时,则必须采用Baw滤波器。

目前市场上Saw和TC-Saw的使用率还较高,其中,TC-Saw Bonded在2016年开始广泛应用,而TC-Saw Multi-Layer则在2017年开始投入应用。据智研咨询预测,2020年中国Saw滤波器产量仅为8亿元,而需求达到162亿元。产量不及需求量的10%。

WIFI与LTE共存的频段以Baw滤波器方案为主

世界各地区对高频段滤波器的需求也不断上升,据TriQuint统计,北美、欧洲和日本市场对于TC-Saw和Baw滤波器的需求量均较大,需求频段多样。中国也在逐步提升其Baw滤波器频段的需求。其中,全球各市场均对WIFI与LTE共存滤波器有一定需求。例如Band 7、Band 38、Band 40、Band41等频段中,WIFI网络与LTE网络的频段相近,为了隔离两者之间的干扰,往往需要使用高性能Baw滤波器。

以Qorvo为例,Baw滤波器的资本效益不断提升。随着技术革新,滤波器尺寸不断减小,预计资金投入与产出比将在2020年降至50%左右。

Qorvo预测,Baw技术发展路径将以尺寸及频率为重点。目前,Baw已从2017年的6至8寸晶圆缩小至Micro-Baw级别,实现微小化和高频化的技术更新,未来还将推出栈式谐振器等技术。

高端滤波器逐渐使用WLP封装替代CSP封装形式

技术变化作为一个先行指标,能跟上技术变化的厂商有可能在下一轮新需求启动的时候率先抢占市场份额。

滤波器厂商目前已纷纷根据EPCOS的封装技术改进推出CSP封装技术,其体积小、重量轻,输出输入端口数增多,电性能也更好。但随着Saw器件向高频、小型化方向发展,尺寸更小的晶圆级封装技术(WLP)开始出现。采用WLP封装技术的Saw滤波器尺寸最小为0.8×0.6×0.3立方毫米,双工器尺寸最小为1.8×1.2×0.3立方毫米。单频器件WLP级封装面积为CSP级封装面积的50%,双工器尺寸相同。WLP封装工艺比CSP更为先进,采用3D光刻工艺,国外仅有日本TDK-EPCOS在2011年开始量产。

晶圆级封装直接在晶圆上进行大多数或是全部的封装测试程序,之后再进行切割(singulation)制成单颗组件,封装尺寸几乎与芯片相同,具备可靠性高、电磁兼容性好等优点。WLP封装兼具较小封装尺寸与较佳电性表现的优势,目前多用于低脚数消费性IC的封装应用。

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