打破SAW和BAW瓶颈，射频滤波器迎来新突破

随着5G的落地和普及，对相关芯片元器件的数量和质量要求越来越高，特别是射频前端，包括功率放大器(PA)、双工器(Duplexer和Diplexer)、射频开关(Switch)、滤波器(Filter)、低噪放大器(LNA)等组成部分。这其中，设计难度最大的非滤波器莫属了，目前，全球范围内能够设计具备优良性能并实现量产的5G射频滤波器厂商很少，相应的技术门槛很高。

据Yole Development统计，2018年射频滤波器的市场规模是31亿美元，2025年将上升到约51亿美元。

目前，射频滤波器主要有两种技术，即声表面波（SAW）和BAW（体声波）。然而，这两种技术都有一定的局限性。SAW的最大问题是对温度过于敏感，温度变化会影响频率，温度带来的变化叫做TCF（频率温度系数），但是，这种温度的敏感是可以改善的，方法就是通过TC-SAW（温度补偿型SAW）加上温度补偿层。

BAW是高端滤波器技术，它的实现过程特别复杂，而且需要很多步骤才能搭建一个声学上需要的“腔”。

新材料技术助力SAW

为了改善射频滤波器的性能，Soitec公司推出了POI衬底技术。据Soitec滤波器业务经理Christophe Didier介绍，基于POI衬底的SAW优势就是能源效率更高，比TC-SAW的能源损耗更小，所以相对于传统SAW和TC-SAW，频率会更高、带宽更广。另外，相对于BAW来说，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。它的生产流程跟SAW很相似，但是比TC-SAW和BAW都要简单。

POI衬底的结构是这样的：在最顶部是一层大概几百纳米厚的单晶压电层，在它之下是一层氧化埋层，大概也是几百纳米厚，最底部的基底是高电阻率硅材料。

据Christophe Didier介绍，POI用的压电材料和传统SAW滤波器用的材料是一样的，主要包括两种：钽酸锂和铌酸锂。如下图所示，这里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时可能会扩张或收缩，从而影响频率，因而需要氧化埋层抑制压电材料，即器件层的钽酸锂或铌酸锂。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（equative wave energy）。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波传播（equative wave propagation）。因此，主要的射频前端生产商已经开始生产以POI为衬底的滤波器，主要采用的规格是150mm晶圆的POI，目前，这款POI产品已经在Soitec法国贝宁3厂实现量产。

“在Soitec的发展路线图里，我们计划使用铌酸锂代替钽酸锂，这样可以更好地把握滤波器的带宽，同时，我们也在开发200mm晶圆的POI衬底，以降低总成本。滤波器在5G智能手机上是非常关键的组件，鉴于5G的MIMO、载波聚合等技术的使用，我们预期智能手机在5G时代的射频滤波器面积将会增加50%”，Christophe Didier说。

谈到成本，Christophe Didier表示：“我们要从整个系统视角来看，POI会给系统级的成本带来一些增益。第一、能耗的节约带来的成本增益；第二、赋能更高的集成是降低成本的另一大因素，多个滤波器可集成在同一个芯片上；第三、降低生产成本，基于POI衬底的SAW生产步骤比BAW简单很多，所以也会促进降低成本。”

另外，Soitec独有的晶圆切割技术Smart Cut可以用于不同的材料。作为第一个使用Smart Cut技术生产非硅类材料的优化衬底，POI衬底已实现了量产。

测试对比

下面通过几组测试数据来说明一下基于POI衬底的SAW性能与优势。第一个系数是品质系数，采用Bode Q来测量中频段的谐振器参数，测出来的参数大于4000。第二个参数是耦合系数，涉及可以实现更高带宽的滤波功能，这里，测出的耦合系数k2大于8%。第三个参数是TCF，这是跟温度相关的、导致频率的变化的一个系数，测得的TCF小于10 ppm.K-1。总之，基于POI衬底的SAW滤波器能够让设计师设计出性能更佳的5G滤波架构。

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衬底主要用于Sub-6GHz频段的滤波器，毫米波频段目前没有应用，Christophe Didier认为目前谈毫米波段的应用为时尚早。

总之，在5G滤波器方面，基于POI衬底的SAW是取代TC-SAW和BAW的更优解。

市场拓展

目前，POI衬底已经进入市场，Christophe Didier表示：“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。”

目前，Soitec在5G生态系统里面正在与国际范围内的很多公司合作，包括中国公司。

最近，Soitec与高通公司达成了一项关于POI衬底的协议，高通采用了POI衬底，以用于它们的UltraSAW滤波器。这对Soitec来说是一项重要合作协议。

关于与高通的合作，Christophe Didier表示：“在选择合作伙伴时，高通非常看重两点：一是要具有创新精神，能够以不断创新的优化衬底带来高价值；二是能够实现创新技术的量产。”

“而创新和量产始终是Soitec的灵魂，是我们的DNA。过去几年，我们在创新衬底和量产方面都有过实实在在的成绩，比如PD-SOI、RF-SOI和FD-SOI技术。”

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