铌酸锂的应用-射频滤波器

无线通信技术在过去的几十年中，迅速发展，通信行业经历了从2G、3G、4G到5G的巨大跨越。滤波器作为选频滤波器件，直接决定了通信设备的工作频段和带宽，在射频前端芯片中扮演了举足轻重的角色。伴随5G通信极高的数据传输能力而来的是对滤波器高带宽需求。如今，对各种通信制式的支持，使得现代智能手机中需要的滤波器多达几十个。日益拥挤5G、Sub-6GHz通信频带，对射频系统提出了更严苛的要求，低插损、高带宽、高滚降系数和低温漂的滤波器成为了通信行业的迫切需求。

射频滤波器的定义

在通信设备中，射频信号处理单元负责信号的发送与接收，包含射频收发器、天线、射频前端等。其中，射频前端由一系列组件构成，包含功率放大器（PA）、滤波器（Filters）、开关（Switch）、双工器（Diplexer/Duplexer，由2个滤波器组成）、低噪声放大器（LNA）等，分别对应不同的射频信号处理功能。

射频滤波器又名“射频干扰滤波器”，是消费电子中必不可缺的重要元器件之一。射频滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路，主要负责对通信通道中的信号频率进行滤波。滤波器允许符合特定频率的信号通过，同时抑制其他不需要的频率信号，可解决不同频段和通信系统之间产生的信号干扰问题，广泛应用于基站和终端设备的射频信号处理系统中。从射频信号处理系统的布局来看，在射频发射路径中，滤波器位于功率放大器的后侧；在射频接收路径中，滤波器位于低噪声放大器的前侧。



射频信号处理系统图

射频滤波器的关键性能指标

射频滤波器性能的优劣直接影响通讯系统的通信质量。Q值、带宽、阻带抑制度、插入损耗、延迟时间等是衡量滤波器性能的指标。其中，Q值和插入损耗是选择滤波器的最常用、最主要的性能指标。

射频滤波器的关键性能指标

射频滤波器的分类

按照射频滤波器的应用场景分类，滤波器可分为通信基站滤波器和手机滤波器。不同应用场景对滤波器的要求不同，因此手机滤波器与基站滤波器的体积、制造工艺、适用宽带、成本、功率容量等特征存在明显差异。基站滤波器更注重高稳定性、大带宽、大功率等指标，而手机滤波器对价格、体积（手机射频滤波器尺寸为毫米级别，基站射频滤波器为厘米级别）更为敏感。

射频滤波器分类（按应用场景分类）

按照射频滤波器的工艺材料分类，滤波器可分为可分为声学滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器，其中声学滤波器（SAW、BAW）是目前手机应用的主流滤波器。根据技术不同，声学滤波器又可分为声表滤波器（SAW滤波器）和体声波滤波器（BAW滤波器）两种。其中，SAW滤波器产品包括普通的SAW、具有温度补偿特性的TC-SAW滤波器及高频I.H.P-SAW；BAW滤波器产品包括BAW-SMR和FBAR。

声学滤波器分类（按工艺材料分类）

总体来看 ，SAW一般用于低频段和中频段，BAW一般用于中频段和高频段。

不同滤波器技术对应的频段和性能区间

SAW滤波器简介

声表面波（Surface Acoustic Wave）滤波器（简称：SAW滤波器）是采用铌酸锂、石英晶体、压电陶瓷等压电材料，通过压电效应和表面波传播的物理特性所制成的一种滤波专用器件。SAW滤波器早期多应用于以电视机为代表的视听类家电产品，在90年代之后，随着通信产业的快速发展，SAW滤波器的产量与需求直线上升，并广泛应用于手机等移动通信终端设备。此外，SAW滤波器采用半导体平面工艺制作，具有良好的一致性和重复性，并可实现低成本批量生产。

知识链接：铌酸锂的优异性能（一）：压电效应

SAW滤波器的基本原理是在输入端通过压电效应将电信号转为声信号在介质表面上传播，而在输出端由逆压电效应将声信号转为电信号。

SAW滤波器工作原理示意图

SAW滤波器产品包括普通SAW滤波器、具有温度补偿特性的TC-SAW滤波器以及高性能的高频SAW滤波器，后两者属于普通SAW滤波器的升级产品。普通SAW的工作频率一般在2.5GHz以下，成本较低，但其热稳定性和高频性能较差。为了提升普通SAW的热稳定性，TC-SAW滤波器方案被开发。现阶段TC-SAW技术愈加成熟，海外厂商相继推出应用于手机射频前端的产品，并取得较好的应用成果，而中国在该领域的仍需进一步探索。为了克服普通SAW低频与散热性能差的弱点，日本MuRata研发了I.H.P-SAW滤波器，其工作频率可达3.5GHz，并兼具BAW的温度特性和高散热性优点，可部分替代BAW滤波器。

不同SAW滤波器的对比

BAW滤波器简介

体声波（Bulk Acoustic Wave）滤波器（简称：BAW滤波器）的工作频率范围在1.5GHz-6GHz，最高可达10GHz。BAW滤波器的尺寸大小会随着频率升高而缩小，适用于要求更高的4G、5G通讯。与SAW滤波器相比，BAW滤波器更适合于高频率，并具备对温度变化不敏感、插入损耗小、带外衰减大等优势。

BAW滤波器的基本结构是由两个金属电极夹着压电薄膜组成。BAW滤波器的工作原理与SAW滤波器相似，不同的是BAW滤波器的声波以垂直方向传播，贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属电极对声波实施激励，声波在压电薄膜里从顶部表面震荡反弹至底部，以形成大于2.5GHz频段的驻波。

BAW滤波器工作原理示意图

BAW滤波器的谐振频率取决于电极质量与薄膜压电层的厚度。应用于高频率场景的BAW滤波器的压电衬底厚度必须在微米量级，因此载体基板需要采用难度较高的薄膜沉积和微机械加工技术（MEMS），制造成本高。

SAW和BAW滤波器的对比

SAW和BAW滤波器具备良好的频带选择性、高Q值、低插入损耗等性能，成为手机应用的主流滤波器类型。然而，两者在工作原理、技术特性、适用频段、制作流程等方面各具差异。以下表格从多个维度对SAW与BAW滤波器进行对比：

SAW和BAW滤波器对比

传统SAW/TC-SAW的频率通常小于2.5 GHz，IHP-SAW使用高声速层/衬底部分弥补了这一缺点，但也仅能达到3.5 GHz。SAW对温度过于敏感，温度变化会影响频率，但这种温度的敏感是可以改善的，这种温度带来的变化叫做TCF，衡量单位是ppm.K，改善方法就是通过TC-SAW（温度补偿型SAW）加上一层温度补偿层。 BAW器件则可以工作在约1~7GHz，BAW器件利用了厚度方向的纵波，纵波声速较高，而其频率由厚度决定，使用μm级别的薄膜就可以实现约GHz的频率，目前主流的BAW器件使用的是AlN的薄膜。BAW的工艺非常复杂，需要很多步骤才能搭建一个声学上需要的“腔”，因此成本非常高。另一方面，基于AlN薄膜BAW滤波器的声学和欧姆损耗随着工作频率急剧上升，这将导致滤波器插入损耗的增加。更为关键的是，5G NR频段N78、N79和N77分别需要500、600和900 MHz的带宽。其要求的分数带宽（FBW）>10%，对目前市场上主流的基于AlN的BAW滤波器而言是难以实现的，因其带宽受限于AlN的机电耦合系数。

基于铌酸锂薄膜（POI）衬底的SAW滤波器（TF-SAW）

POI（Piezoelectric-On-Insulator）是一种绝缘衬底上的压电材料，类似于绝缘体上的硅（SOI），POI衬底在最顶层是一层大概几百纳米厚的单晶的压电层（铌酸锂或钽酸锂），在它之下是一层氧化埋层，大概也是几百纳米厚度，在最底下基底的部分是高电阻率硅材料。

POI结构示意图

POI衬底主要用于构建最新一代的4G / 5G表面声波(SAW)滤波器，提供内置温度补偿，并实现在单芯片上集成多个滤波器。POI的氧化埋层相当于温度补偿层，作用是抑制压电材料，因为压电材料在温度变化的时候可能会扩张或者收缩，从而影响到频率，因而需要氧化埋层抑制压电材料，即器件层的铌酸锂或钽酸锂。而底层的高电阻率硅的作用是减少损耗。能够在极薄的压电层限制波能等效。而由于能很好地控制整个压电层，可以在压电层获得更好的等效的波传播。

通过对比可以看到，基于POI衬底的SAW技术优势就是能源效率更高，比TC-SAW的能源损耗更小。所以它相对于SAW和TC-SAW，获得了更高频率、更广带宽。相对BAW来说，这种基于POI衬底的SAW工艺流程更简单且成本更低。因为可以将很多个滤波器集成在同一个芯片上，所以面积也更小。从生产角度来讲，它的生产流程跟SAW是相似的，但是比TC-SAW和BAW都要简单很多。

POI：用于SAW滤波器的理想衬底

总体来看，TC-SAW是用于低频段和中频段的滤波技术，BAW一般用于中频段和高频段。而在超高频段就比较复杂，比如说会采用LTCC、XBAR、BAW，还有IPD（Integrated Passive Device），目前在超高频段的技术比较复杂。POI衬底的SAW可以解决中频段和高频段这两个频段的技术难题，在5G滤波器方面成为取代TC-SAW和BAW的更优解决方案。

早在2020年，Soitec滤波器业务经理Christophe Didier就曾介绍：“就其价值而言，我们认为POI衬底会成为未来几年的一项行业标准。到2024年，我们预测 POI衬底的可服务市场规模将达到100万片晶圆。”

基于铌酸锂薄膜（POI）衬底的XBAR滤波器

铌酸锂（LiNbO3）拥有的高压电性，低损耗特性有助于实现高带宽、低插损的滤波器，这一点已经在SAW器件上得以体现，薄膜的出现意味着有望实现高频率器件。高频和高带宽双特性的加持，使LiNbO3有望成为可用于5G频段的高性能谐振器与滤波器。

LiNbO3晶体具有高度各向异性，除了材料本身以外，还需要关注其切向。特定声学模式的激发与特定切向是密切相关的，因为当切向变化的时候，其材料参数也发生了变化。其中最为关键的是与压电效应有关的参数。 下表中显示了LiNbO3的几种常见切向的压电应力常数：e33、e15和e16。

几种常见切向的LiNbO3的压电应力常数

基于铌酸锂薄膜（POI）衬底的体声波谐振器/滤波器，其频率和带宽都与5G NR完美契合。基于铌酸锂薄膜衬底的XBAR器件可实现现有的SAW和AlN BAW无法企及的高频率和高耦合系数，同时实现相对较高的Q。这些特性，使得这一技术有望在未来广泛应用于高性能的5G频段的谐振器/滤波器。

基于铌酸锂薄膜的XBAR滤波器的性能

射频滤波器的市场规模

5G技术的引入导致大量频段被集成到一部智能手机，直接带来射频芯片用量的急剧增加。在2G时代，手机频段数是4个；3G时代，手机频段数上升到6个；在4G时代，千元手机频段数就达到了8-20个，旗舰手机频段数在17-30个，需要20-40个滤波器，10个开关；到了5G时代，频段数将达到50个，需要70-80个滤波器和15个开关。

除了手机移动终端，其他包括5G基站，物联网连接终端等场景也需要用到大量的射频滤波器。

随着通讯技术的发展，滤波器逐步成为射频前端中价值量最大的部分，3G时代占比33%，预计今年占比会提升至66%。SAW滤波器用量目前占比最大，在4G、5G中，SAW滤波器占整个滤波器的60~70%。BAW、IPD、LTCC占剩下的20~30%。

手机用的滤波器之前国产化率不高的一大重要原因是海外SAW滤波器厂商的专利申请时间为2000~2005年（以2002年以前为主），专利保护期为20年，目前大部分专利保护期已过，国内厂商出现后来居上的机会。但并非国内厂商在专利限制这块以后的发展畅通无阻，生产和工艺端的一些专利限制还是有，不过这方面追溯起来不太容易。

BAW的专利出来较晚，国内厂商很难绕过，且目前国内客户不太能接受国内BAW滤波器产品，村田的TF-SAW面市后可与BAW抗衡，TF-SAW专利分散，大多专利集中在要在中国开展业务的厂商手中，而BAW的专利主要集中在博通和Qorvo手中，后续国内厂商更可能往TF-SAW方面发展。

根据Resonant统计，2016-2020年全球射频滤波器市场规模从50亿美元增长至150亿美元。2016年至2020年平均复合增长率为31.6%，2020年至2025年平均复合增长率为15%，预计到2025年市场规模有望超过302亿美元。

审核编辑：刘清