射頻濾波器是射頻前端芯片市場份額最大的細(xì)分領(lǐng)域。RF濾波器包括了SAW（聲表面濾波器）、BAW（體聲波濾波器）、陶瓷濾波器（LTCC濾波器）、IPD（Integrated Passive Devices）等。全面屏及手機輕薄化，頻率資源擁擠化，高性能的濾波器愈發(fā)重要。
AW、BAW濾波器是目前手機應(yīng)用的主流濾波器。衡量濾波器性能的指標(biāo)有兩個：Q值和插入損耗。Q值越高，表明濾波器可以實現(xiàn)更好的濾波功能。插入損耗是指通帶信號經(jīng)過濾波器之后的信號功率衰減，當(dāng)插入損耗達(dá)到1dB，則信號功率衰減達(dá)到20%。從這兩大指標(biāo)來看，SAW和BAW濾波器憑借優(yōu)良的頻帶選擇性、高Q值、低插入損耗等特性，已成為射頻濾波器的主流選擇。
移動無線數(shù)據(jù)和4G LTE網(wǎng)絡(luò)的快速增長導(dǎo)致了對新頻段以及通過載波聚合來組合頻段的需求不斷增長。3G網(wǎng)絡(luò)只使用了大約五個頻段，LTE網(wǎng)絡(luò)使用的頻段有40多個，隨著5G的到來，頻段的使用數(shù)量將會進一步增加。互聯(lián)設(shè)備必須要跨多個頻段來發(fā)送蜂窩信號、Wi-Fi信號、藍(lán)牙信號和GPS信號，同時還要避免干擾，這就需要濾波器發(fā)揮其作用。
目前國外廠商在SAW濾波器領(lǐng)域的技術(shù)已較為成熟，并構(gòu)建了專利壁壘，形成Murata、Qualcomm、TAIYOYUDEN等數(shù)家國際廠商的供給壟斷格局。國內(nèi)SAW濾波器廠商的研發(fā)與產(chǎn)品市場應(yīng)用時間相對較短，技術(shù)與產(chǎn)品性能同大型國際廠商之間仍存在差距，急需加強技術(shù)研發(fā)投入突破技術(shù)壁壘，逐步提升行業(yè)的國產(chǎn)化程度。
根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，BAW濾波器主要以美國的Qorvo、Broadcom為主，2018年壟斷了全球95%以上的市場份額。國內(nèi)BAW濾波器尚處于起步階段，僅有少數(shù)公司和科研機構(gòu)有BAW樣品提供。
根據(jù)《射頻濾波器介紹》，SAW和TC-SAW濾波器適用于2.5GHz以下的低頻段。在2.5GHz以上的中高頻段，BAW濾波器為首選。但是在更高頻的SUB-6G頻段及毫米波頻段，SAW、BAW濾波器已經(jīng)不能滿足需求，需要使用到IPD、LTCC等濾波器。因此在未來5G通信時期，對BAW、IPD、LTCC等中高頻濾波器的需求量將持續(xù)增加。
SAW濾波器是聲表面波（Surface Acoustic Wave）濾波器的簡稱，其本質(zhì)是采用石英晶體、壓電陶瓷等壓電材料，利用其壓電效應(yīng)和聲表面波傳播的物理特性而制成的一種濾波專用器件，廣泛應(yīng)用于電視機及錄像機中頻電路中以取代LC中頻濾波器，使圖像、聲音的質(zhì)量大大提高。一個基本的SAW濾波器由壓電材料(piezoelectric substrate)和兩個Interdigital Transducers(IDT)組成。
IDT是由交叉排列的金屬電極組成，一側(cè)的IDT把電信號轉(zhuǎn)成聲波，另一側(cè)的IDT把接收到的聲波再轉(zhuǎn)成電信號。IDT之所以能夠?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)成聲波，其原因在于IDT下方的壓電材料。壓電是指某些晶體受到外部壓力時會產(chǎn)生電壓，相反地，如果某些晶體兩面存在電壓，晶體形狀會輕微變形。SAW濾波器常用的壓電材料有鈮酸鋰（LiTaO3），鈮酸鋰（LiNbO3），SiO2等。
SAW濾波器的主要特點是：設(shè)計靈活性大、模擬/數(shù)字兼容、群延遲時間偏差和頻率選擇性優(yōu)良、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、抗電磁干擾性能好、可靠性高、制作的器件體積小、重量輕且能實現(xiàn)多種復(fù)雜的功能。
SAW濾波器的特征和優(yōu)點，正適應(yīng)了現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)備及便攜式電話輕薄短小化和高頻化、數(shù)字化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之處是：熱穩(wěn)定性較差，高頻特性有待改善。
根據(jù)化合物半導(dǎo)體技術(shù)介紹，BAW濾波器最基本結(jié)構(gòu)是兩個金屬電極夾著壓電薄膜(Quartz substrate在2GHz下厚度為2um)，聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波。
BAW濾波器不同于SAW濾波器，BAW濾波器內(nèi)的聲波垂直傳播，貼嵌于石英基板頂、底兩側(cè)的金屬對聲波實施激勵，使聲波從頂部表面反彈至底部，以形成駐聲波在大于2.5GHZ的頻段，BAW壓電層的厚度必須在幾微米量級，因此，要在載體基板上采用薄膜沉積和微機械加工技術(shù)實現(xiàn)諧振器結(jié)構(gòu)。
為了把電磁波的能量局限在濾波器體內(nèi)，可以使用BAW-SMR技術(shù)或FBAR。BAW-SMR技術(shù)通過堆疊不同材質(zhì)的薄層形成一個DBR的反射器，而FBAR技術(shù)則在有源區(qū)下方蝕刻出空腔以實現(xiàn)懸浮膜。BAW濾波器在高頻段可實現(xiàn)低插入損耗和高Q值，成為高性能射頻系統(tǒng)的首選。
為了把聲波留在壓電薄膜里震蕩，震蕩結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境之間必須有足夠的隔離才能得到最小損失和最大Q值。聲波在固體里傳播速度為~5000m/s，即固體的聲波阻抗大約為空氣的105倍，所以99.995%的聲波能量會在固體和空氣邊界處反射回來，跟原來的波一起形成駐波。而震蕩結(jié)構(gòu)的另一面，壓電材料的聲波阻抗和其他襯底的差別不大，所以不能把壓電層直接沉積在襯底上。方法二：
其一，在震蕩結(jié)構(gòu)下方形成Bragg reflector，把聲波反射到壓電層里面。反射板由數(shù)層高低交替阻抗層組成，且每層的厚度是聲波的λ/4，這樣大部分波會反射回來和原來的波疊加。整體效果相當(dāng)于和空氣接觸，大部分聲波被反射回來，這種結(jié)構(gòu)稱為BAW-SMR。
其二，可采用FBAR技術(shù)。當(dāng)前主流的FBAR結(jié)構(gòu)主要有三種：空氣隙型、硅反面刻蝕型和固態(tài)裝配型。
壓電材料方面，石英作為常見的壓電材料，在高電壓和高壓力的情況下表現(xiàn)出線性反應(yīng)，但還沒有合適的方法把石英做成薄膜沉積硅襯底上。合適的BAW壓電材料需要高機電耦合系數(shù)，低機電損耗，高熱穩(wěn)定性，還要符合IC工藝技術(shù)。目前最常用的BAW壓電材料有AlN（氮化鋁），PZT(鋯鈦酸鉛)，ZnO(氧化鋅)等。
雖然SAW和TC-SAW濾波器非常適合約1.5GHz以內(nèi)的應(yīng)用，但高于1.5GHz時，BAW濾波器性能優(yōu)勢開始凸顯。BAW濾波器的尺寸隨頻率升高而縮小，適合要求非常苛刻的3G和4G應(yīng)用。此外，即便在高寬帶設(shè)計中，BAW對溫度變化并不敏感，同時還具有極低的損耗和非常陡峭的濾波器裙邊。看完這篇文章，對SAW和BAW濾波器的了解是否更深一點了呢？
