中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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五、超小型類LC濾波器
有些場景下，人們對三維到二維的“拍扁”得到的體積收益還是不滿意，希望進一步縮小。承擔這類場景的濾波器主要是LTCC/HTCC濾波器和IPD濾波器。
高溫共燒陶瓷（HTCC）濾波器以及低溫共燒陶瓷（LTCC）濾波器，主要是將“拍扁”之后的二維平面濾波器進行“折疊”，把LC/薄膜類濾波器折成很多層，更近一步的壓縮面積。兩者的工藝基本相同，都是利用多層陶瓷片的堆疊燒結技術，將傳統(tǒng)的微帶線或LC濾波器進行“折疊”，將濾波器的尺寸進一步縮小。
圖：LTCC濾波器原理示意圖
這類濾波器首先將單層電路變成可多達40層的電路，大幅增加縱向利用率；其次將介電常數(shù)從＜10變成了高可達40，且電路的上下層均為介質(zhì)覆蓋（微帶濾波器只有一面是介質(zhì)，另一面是空氣），綜合介電常數(shù)大幅提高，因此面積進一步下降。因此，與傳統(tǒng)微帶線以及介質(zhì)濾波器相比，LTCC濾波器憑借高密度集成以及靈活的設計多樣性在基站、終端設備以及航空航天等領域得到廣泛應用。
常用的LTCC濾波器結構大致可分為兩大類，集總參數(shù)式以及分布參數(shù)式，集總參數(shù)式損耗更小，設計更靈活，可實現(xiàn)超過70%的相對帶寬，但是其陡峭度較差，近帶抑制不理想；分布式工作頻率更高，可達到毫米波頻段，且該結構在同階數(shù)情況下，近端抑制優(yōu)于集總結構，近帶陡峭度好，缺點在于對加工很敏感，對工藝要求高于集總式濾波器。
集總參數(shù)式LTCC濾波器將多層螺旋電感以及多層MIM電容印刷在多層陶瓷片上，層與層之間以及電感與電容之間通過金屬（銀）過孔以及走線相連；在3D空間內(nèi)，設計者可以通過不同的形式添加LC耦合甚至是二次諧振耦合，形成不同頻率的傳輸零點，設計靈活多變。集總參數(shù)結構一般適用于10G以下工作頻率。
圖：LTCC濾波器的基本單元及典型響應
分布參數(shù)式LTCC濾波器廣泛應用于高頻、毫米波以及邊帶陡峭度需求較高的濾波器設計中。由于器件內(nèi)部空間小，頻率高，采用集總參數(shù)結構設計時，獨立的電感與電容易產(chǎn)生額外的寄生耦合，破壞濾波器特性，因此當工作頻率大于10G或需要較好的邊帶陡峭度時，一般采用1/4λ或1/2λ的帶狀線耦合結構實現(xiàn)濾波器特性。通過在不同諧振單元之間引入電容耦合，調(diào)整信號在不同路徑下的相位變化，可在高低頻不同位置引入傳輸零點。如結果圖，分布式LTCC濾波器擁有更好的陡峭度，且損耗較小。
圖：分布參數(shù)式LTCC濾波器示意及響應曲線
IPD濾波器是另外一種集成度很高的濾波器。IPD（Integrated Passive Device，集成無源器件）是通過集成電路薄膜工藝，在單一襯底（如硅、玻璃等）上直接集成無源器件（電容、電感等），在高頻/射頻電路、電源管理等有廣泛應用。其特點在于，采用半導體工藝，具有很好的加工精度，在高頻下介質(zhì)損耗低，可以獲得更高Q值的電感電容，一致性也非常好；此外非常適合定制化需求，并且可與有源器件共同封裝。
圖：IPD常見的疊層結構
IPD的襯底材料，目前常見的有硅、玻璃等；電感及互聯(lián)過孔、走線，一般是銅金屬；MIM電容，常見結構是Al/SixNy/Cu，金屬間的介質(zhì)材料常見的是PI/BCB。厚金屬走線通常為3-10um，還可以通過RDL技術，實現(xiàn)三層厚金屬，減小電感的平面面積；此外，可以在襯底上制作金屬化通孔（如TSV/TGV等），實現(xiàn)信號的轉接或者立體電感，立體電感的Q值比平面電感有明顯優(yōu)勢，進一步提高了die的有效利用率。IPD同樣支持多種封裝形式，非常適合與有源器件集成的SiP方案。
以N77頻段為例，設計目標通常是插損小于2.0dB，同在在2.7GHz、5.18GHz，ISM，2nd Harmonic 頻率實現(xiàn)30dB以上的抑制，并且在10GHz左右至少有20dB的抑制。初始設計時，通常是基于電感/電容的頻率響應特性，獲得需要的給定帶寬、中心頻率以及帶內(nèi)波動的濾波器。之后，根據(jù)IPD的工藝設計要求，調(diào)整并實現(xiàn)需要的電感電容值。
圖：典型IPD濾波器的物理實現(xiàn)、電路原型和響應
對比LTCC濾波器，LTCC的電容依賴多層陶瓷的物理堆疊，而電感則受限于傳統(tǒng)印刷和燒結等厚膜工藝，線寬一般在50um-100um，而IPD采用半導體光刻和薄膜工藝，可以利用薄膜材料（如氮化硅）的高介電常數(shù)特性，在較小面積內(nèi)實現(xiàn)較大電容值，而電感線寬一般在10um，并且IPD也可以通過多層金屬堆疊（如RDL），減少平面占用面積，因此在一些應用下（如N77/N79頻段）可以做到和LTCC相當甚至更小的面積。劣勢是LTCC陶瓷散熱會更好，大功率場景更有優(yōu)勢；成熟產(chǎn)品，LTCC大規(guī)模生產(chǎn)成本更低。
圖：常見超小型類LC類濾波器
六、聲學濾波器
“人不是慢慢老去的，人是一瞬間變老的”。濾波器也可以不用慢慢縮小體積，而是一瞬間縮小，只要你深入了解波速v的魔法。
濾波器的諧振依賴于波長。根據(jù)前面提到的波長計算公式λ=v/f，當固定頻率f時，在電磁場范圍內(nèi)，v永遠在光速附近（電磁波真空波速=光速），因此面積的量級大致恒定。但對于聲學濾波器，通過彈性波(聲波)進行工作，其聲波的波速大致在3000m/s-15000m/s范圍，遠低于光速的
，兩者的傳播速度相差5個數(shù)量級，同樣一個1GHz的濾波器，電磁場濾波器的波長為300mm，而聲學濾波器僅僅為3-15um，這能夠極大程度上降低了濾波器的設計尺寸。
因此，隨著通信技術的發(fā)展，特別是隨著5G時代的來臨，多輸入多輸出（MIMO）技術的提出，聲學濾波器在手機、平板、智能穿戴以及物聯(lián)網(wǎng)等對尺寸和性能要求很嚴格的終端產(chǎn)品上開始大量使用，據(jù)統(tǒng)計，當前單個手機里面包含多個射頻前端接收和發(fā)射模組，濾波器的數(shù)量超過70顆，絕大部分為聲學濾波器，以滿足對高性能和極小體積的需求。
圖：iphone16pro 射頻前端模組
從聲波的傳播方式上分類，聲學濾波器主要包含聲表面波濾波器（Surface Acoustic Wave Filter，簡稱SAW）和體聲波濾波器（Bulk Acoustic Wave Filter，BAW）。其中，聲表面波濾波器其聲波沿壓電性襯底表面?zhèn)鞑?，根?jù)不同的工藝和襯底結構類型，可以分為常規(guī)SAW濾波器，溫度補償型SAW濾波器（TC-SAW），薄膜型SAW濾波器（TFSAW/IHPSAW）;體聲波濾波器中，其聲波在上下兩電極之間來回震蕩，形成駐波，按照其結構的不同，主要分為固態(tài)裝配型（BAW-SMR），空腔型（FBAR），以及激勵蘭姆波工作模式的XBAR。
圖：聲波類濾波器的分類
對于聲表面波濾波器，其聲波模式的激發(fā)為通過獨特的叉指電極結構，輸入電信號通過ITD電極饋入到壓電晶體材料表面，利用逆壓電效應在壓電晶體表面產(chǎn)生表面波，形成震蕩，再物理傳遞到輸出端，再通過壓電效應激勵起電信號，實現(xiàn)從電信號-機械信號-電信號的相互轉換；而體聲波濾波器其諧振方式為通過在壓電晶體上下表面形成平板電極，聲波在壓電晶體內(nèi)部進行傳播。物理結構如圖所示。
圖：SAW濾波器物理結構示意圖
圖：BAW濾波器物理結構示意圖
限于篇幅，本文僅介紹常規(guī)的SAW/BAW濾波器拓撲結構為梯形結構。SAW和BAW的物理震蕩可以等效為一個LC串聯(lián)回路+一個靜態(tài)電容C0（對于SAW來說C0為插指換能器形成的插指電容；BAW的C0是上下金屬電極形成的平板電容）。因此，相比傳統(tǒng)LC回路，此諧振電路存在兩個諧振點（對于串聯(lián)諧振器，其串聯(lián)諧振支路形成極點，并聯(lián)諧振支路形成零點，對于并聯(lián)諧振器，串聯(lián)支路形成零點，并聯(lián)支路形成極點）。
圖：串聯(lián)諧振回路及響應
圖：并聯(lián)到地諧振回路及響應
我們把串并聯(lián)回路交替的級聯(lián)起來，就能得到SAW或者BAW濾波器的電路響應圖。
圖：梯形聲波濾波器及其響應
對于普通SAW濾波器，其叉指生長在LT/LN晶圓上，其叉指寬度和厚度決定了頻率的上限，受限于常規(guī)DUV光刻分辨率，主流實現(xiàn)sub-3GHz以下的頻率覆蓋。首先，大部分場景激勵起來的模式存在向下能量輻射，且壓電晶圓下方不存在特殊的高/低聲阻抗反射層，因此能量泄露比較嚴重，其Q值約在600附近；其次，由于LN/LT的熱膨脹系數(shù)不佳，頻率溫度飄移嚴重，導致高溫下本就不優(yōu)的損耗進一步惡化，當大功率信號輸入時容易燒毀，故普通SAW濾波器的輸入耐受功率在28-30dBm。其優(yōu)勢在于LN/LT晶圓成本較低，應用廣泛。
圖：普通SAW濾波器結構及性能曲線
人們?yōu)榱私鉀Q普通SAW的損耗偏大、溫漂大、功率不佳等問題，引入了溫度補償型SAW濾波器（TC-SAW）。TC-SAW濾波器目前包含兩種技術工藝路線：濺射型TC-SAW和鍵合型TC-SAW。對于濺射型TC-SAW，主要在常規(guī)SAW叉指電極上濺射一層較厚的具有負溫度系數(shù)的SIO2層，能夠抵消高低溫帶來的頻率偏移，使得其濾波器的頻率溫度系數(shù)(TCF)遠小于常規(guī)SAW濾波器。但相較于常規(guī)SAW濾波器，復雜化的工藝程序，帶來了工藝成本的上升和良率的下降。因此，濺射TC-SAW技術常用于相對要求較高的雙工器設計中。
圖：TCSAW濾波器及其性能曲線
鍵合型TC-SAW，主要是將LN/LT厚度減?。ㄒ话阈∮?0um），在底層鍵合一層Si或藍寶石晶圓/尖晶石晶圓。一方面，鍵合的襯底具有更好的溫漂特性，能夠?qū)p薄后的壓電材料LT/LN束縛住，降低其溫漂；另一方面，鍵合的襯底相比壓電晶圓的阻抗更高，對表面向下泄露聲波有一定的反射作用，可以提升Q值。最后，鍵合襯底有著更好的導熱能力，配合提升的Q值和更小的溫漂，使得TC-SAWAW的功率容量相比普通SAW也有提升。
為了進一步提升SAW濾波器性能，一種薄膜型濾波器被提出,也被稱為TF-SAW或IHP- SAW。這種SAW相較于傳統(tǒng)的SAW濾波器和兩層鍵合TC-SAW濾波器結構更加復雜，如下圖所示，首先是表面的壓電材料更?。ㄒ话恪?um），很薄的壓電層使得被束縛的能力也進一步提升，溫漂更小，達到了＜15ppm，其次壓電晶圓下方具備多層結構形成高/低聲速阻抗層，具備非常強的反射向下泄露的聲波能量的能力，使其能量更加集中在表面，Q值大幅提升。Q值的提升，溫漂的減小，外加更加薄的表層材料，也使得TF-SAW的功率容量相比于普通SAW和TC-SAW有較大的提升。
圖：TF-SAW濾波器結構示意圖
圖：TF-SAW的向下泄露遠小于普通SAW
如果有更高的頻率要求和更大的功率要求，體聲波濾波器BAW則更加合適。如下圖所示，固態(tài)裝配型（BAW-SMR）體聲波濾波器主要由上下的平板電極、平板間的壓電材料（目前常用為AlN）、以及下方有多層的高/低聲速反射層（學名：布拉格反射層）、支撐襯底四個部分組成。其結構類似于TF-SAW，由于布拉格反射層的強反射，能夠使聲波能量被束縛在平板電容形成的諧振腔中，具備很高的Q值。
空腔型BAW（FBAR）則是另一種技術路線，借助空氣對聲波天然反射能力強的特點，用空腔形成高阻抗層，將能量束縛在平板之間。由于FBAR的空腔對任意聲波均是全反射，因此不像SMR-BAW需要根據(jù)波長來調(diào)整反射層的厚度，其插損水平與SMR類型比甚至更優(yōu)，但空氣的散熱能力較固體介質(zhì)更差，因此FBAR的功率容量不如SMR-BAW。
相比于SAW，BAW有幾個顯著的差異點。優(yōu)點方面，首先由于其諧振頻率決定于平板電容間的壓電晶體AlN的厚度，AlN做厚不易（正常≤2um），但是可以做?。ㄗ畋?00-200nm量級），壓電晶體越薄則頻率越高，同時AlN的聲速相比LT/LN更高，因此BAW可以做到7GHz，比SAW具備更高的頻率上限。其次，區(qū)別于SAW叉指電容細長的特點，平板電容有更高的耐擊穿功率，使得BAW的耐受功率普遍更優(yōu)。
缺點方面，首先是加工難度，BAW的頻率決定于AlN的厚度，我們希望濾波器中每個諧振單元的頻率都具備獨立調(diào)節(jié)能力，這樣設計靈活性更大，性能更優(yōu)。相比于SAW的平面結構一次可以做任意多個頻率，BAW常規(guī)只能通過增加光刻次數(shù)來調(diào)整頻率（一般4種）。這使得同樣難度的濾波器，BAW的光刻次數(shù)遠大于SAW，帶來了成本和工藝控制難度的增加；其次，在1GHz以下，BAW頻率較難達到，SAW比較容易；最后，在1-3G這個SAW能達到的區(qū)間，普遍BAW的面積更大。
圖：BAW濾波器的常見分類結構特點
XBAR(laterally eXcited Bulk Acoustic wave Resonators)濾波器技術是一種基于橫向激勵體聲波的新世代濾波器技術，結合現(xiàn)有的聲表面波濾波器的加工工藝，即在壓電薄膜表面制作周期性IDT電極，通過IDT電極來激發(fā)反對稱型蘭姆波(A1、A3、A5.......)模態(tài)作為工作模態(tài)，這種聲波模態(tài)一般是在較小的歸一化壓電膜厚下振動，其具有很高的機電耦合系數(shù)和聲波波速，從而能夠?qū)崿F(xiàn)在超高頻段甚至毫米波頻段大帶寬濾波器的應用，其次XBAR諧振器具有超過500的品質(zhì)因數(shù)(Q值)，使得XBAR濾波器在很寬的通帶內(nèi)具有較低的插入損耗和較高的矩形系數(shù)；這為聲學濾波器在sub-6G頻段、毫米波頻段的應用提供了新的解決方案。但是，XBAR濾波器技術依然存在諸多困難和挑戰(zhàn)，首先，它的結構(壓電薄膜遠離IDT電極一側需要設置空氣腔，當然也有SMR型的)決定了需要使用MEMS工藝進行制造，濾波器器件的結構穩(wěn)定性較差，工藝成本很高；其次，組成濾波器拓撲的諧振器單元的頻率控制工藝也較繁瑣復雜，生產(chǎn)良率整體不高；再者，在XBAR諧振器的禁帶內(nèi)存在很嚴重的橫向模式寄生以及在禁帶外一些其他的雜散模態(tài)寄生，如何將這些雜散模式進行抑制也是一個具有挑戰(zhàn)的課題。
由于聲學濾波器芯片級的設計尺寸，聲學濾波器在無線終端、智能穿戴、物聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛、VR/AR設備、農(nóng)業(yè)和云計算等方面有超強的應用前景。聲學濾波器正推動著射頻前端行業(yè)一次新的工業(yè)革命。
下面將各類聲學濾波器的特點匯總成下表。
圖：常見聲波類濾波器特點匯總
七、總結
在對抗濾波器的不可能三角中，研發(fā)人員和工程師們殫精竭慮，不斷推動技術往前發(fā)展。
我們把各類濾波器匯總在一起，可以看到更清晰的技術演進脈絡，圍繞著λ=v/f演進。從極致性能和功率，但體積不優(yōu)的金屬腔體出發(fā)，通過介電常數(shù)加載，犧牲性能和功率大幅降低體積，得到介質(zhì)濾波器；再把介質(zhì)濾波器三維變二維折疊起來，得到平面濾波器；再把平面濾波器折疊起來，得到的LTCC/IPD濾波器；另辟蹊徑繞過電磁場，通過聲速大幅降低波速v，得到聲學類濾波器。各類濾波器在不可能三角中進行取舍，去努力適配應用場景，提升網(wǎng)絡性能。
圖：濾波器“不可能三角”的取舍脈絡
《黑神話-悟空》里，靈吉菩薩說：“人也，獸也，佛也，妖也，眾生自有根器，持優(yōu)劣為次第，可亂來不得?！睂V波器而言，不同種類濾波器自有其“根器”，應用視具體場景而定，沒有絕對優(yōu)或者劣，以最合適來排次第，也亂來不得。本文旨在為不同應用場景下的濾波器選型提供參考，最后匯總全篇各類濾波器成下圖，希望對讀者有所幫助。
圖：常見濾波器選擇天梯圖
