多层压电薄膜的声表面波滤波器
技术描述
5G 通信对单个射频前端器件的性能、功耗和频谱利用效率等方面都提出了更高的要求,如今铌酸锂/钽酸锂等单晶SAW正广泛应用于移动通信终端，但对于新涌现的更高的需求却已捉襟见肘。 得益于晶体离子切片技术的成熟，使得百纳米级别厚度的压电单晶薄膜可以键合在另一块绝缘衬底上，同时还可保留单晶体的压电性能。本项目的设计采用铌酸锂/钽酸锂作为薄膜材料，设计结构从上到下依次为金属电极层、钽酸锂薄膜层、二氧化硅层以及硅基底层。其中，金属电极层又包括叉指电极部分和反射栅结构，反射栅则采用开式结构对泄漏到叉指电极两侧的声波能量进行反射限制。利用水平剪切波的模态来实现谐振和选频效果。同时采用其他的赝叉指的金属结构设计抑制水平剪切波的杂散模式，使得滤波器有更加良好的电性能。
技术优势
伴随着移动终端设备持续增长，使得通信频谱日益拥挤，传输速率不能满足新型应用需求。为了增大通信带宽，提高传输速率增强系统灵敏度，作为射频前端的重要频率选择器件的滤波器需要率先实现技术优化。在满足高速率高带宽的同时，还必须保证高滚降、低插损、高抑制、低温漂和小体积等特性。多层压电薄膜设计技术就是朝该方向优化的一个有效实现路径。 相较于传统的声表面波结构结构，多层压电薄膜的设计结构在谐振器关键指标Q值上有明显的优势，而高Q值对于减小滤波器的带内插损及提高近带抑制等关键指标有重要提升作用。且用多层膜技术设计的滤波器性能非常接近体声波滤波器，但成本却比体声波滤波器更低。 另外，多层薄膜结构通过合理设计不同层的厚度等参数可以极大的减小温度变化所产生的性能漂移，从而有助于系统系统实现较高的温度稳定性。 目前的行业情况来看，日本村田率先开发了多层薄膜波导结构的 IHP SAW 滤波器，该技术实现了高 Q 值、低温漂等优良特性，而国内目前只有极少数的厂商具备开发TF-SAW的能力且目前大部分尚处于样品阶段还没有大规模量产，市场缺口极大。
效果指标
射频前端2020年市场规模约为220亿美元（折合1530亿元），滤波器市场规模约为150亿美元（折合1043亿元），在刚刚结束的2023年，全球滤波器市场规模增长到225亿美元，增长率19%，预计到2025年，射频前端市场规模将达到400亿美元，滤波器市场规模保守估计将达到280亿美元。滤波器市场中，SAW/TC-SAW滤波器的占比约为40%，高于100亿美金。 声表面波滤波器之所以具有吸引力，因为典型的声波波长比相同频率的电磁波波长小大约五个数量级。所以特别适合实现各种小型化应用。其中包括移动通信，物联网，wifi等短距通信，其中手机终端的应用由于更新换代频繁，每换代一次手机内的滤波器就得增加相应的频段，所以是一个累加的市场。对于SAW/BAW滤波器而言，移动终端设备（手机）市场占比80%，其他物联网设备占比20%，其他的还有移动射频基站等。