射频滤波器材料产业发展研究

MEMS 2021-06-11 00:00

本文内容转载自《中国标准化》2020年S1期,版权归《中国标准化》编辑部所有。


汤朔,薛超

中国电子技术标准化研究院


摘要:射频滤波器是当前5G通讯建设所需的核心器件,而压电晶体则是制造射频滤波器的基础材料。本文就当前射频滤波器所用的压电材料的技术现状进行了描述,对当前国内外产业发展现状进行简要总结。


关键词:滤波器;压电材料;钽酸锂;铌酸锂;氮化铝


1 引言


当前,第五代移动通信技术(5G)正在阔步前行,人类将开启万物广泛互联、人机深度交互的新时代。2020年3月,工信部发布的《工业和信息化部关于推动5G加快发展的通知》中强调,要“加快5G网络建设部署、加大基站站址资源支持、加强电力和频率保障”。


5G时代,智能终端需要接收(5G/4G/3G/2G)多个频段,同时还要对WIFI/GPS等信号进行处理,需要在收发链路中使用多个滤波器避免信号互相干扰。射频滤波器能够在通信系统中对通信链路中的信号频率进行选择和控制,将带外干扰和噪声滤除。5G通讯对滤波器提出了高频带选择性、高品质因子(Q)、低插入损耗等要求,当前主流技术路线产品是声表面波(SAW)滤波器、温度补偿型声表面波滤波器(TC-SAW)和薄膜体声波滤波器(FBAR)。


2 常见射频滤波器


SAW滤波器是利用压电材料表面的声波来滤除杂波的滤波器。该类产品插入损耗低、抑制性能优良、成本低,主要聚焦于10MHz-3GHz之间的频段应用,但易受温度变化的影响。为改善SAW的温度特性,在其表层增加温度补偿薄膜制成TC-SAW滤波器。该类产品比普通的SAW滤波器结构和工艺更复杂,其制造成本也相对较高。


FBAR是体声波(BAW)滤波器的薄膜化和微机电系统(MEMS)化技术分支,是利用在频率元件晶体腔体内部传播的声波来实现滤波的一类滤波器。FBAR的工作频率可高达10GHz,能承受更大的功率,具有更高的可靠性和Q值,且对温度变化的敏感度低,适合高频率、大带宽要求的5G通信滤波。但其制造需要使用较高难度的薄膜沉积与微机械加工技术,价格也是SAW滤波器的数倍。


随着5G通讯的大力发展,以及物联网接入设备和其他近场连接方式的增加,射频滤波器市场的将获得空前巨大的发展空间。当前智能手机仍是滤波器的消费蓝海(约占市场的80%),且由于消费者对高质量通信的依赖,5G手机的消费市场将拥有更广阔的消费前景。据统计,要实现2G+3G+4G+5G全球通,可能需要支持90多个频段,而一个频段通常需要两个滤波器,这也意味着一部5G手机可能需要上百个滤波器。目前,一款4G手机需要用到的滤波器数量仅为30多个,5G时期全球射频滤波器市场空间将达到4G时期的2~3倍。而价格方面,4G时代单部手机射频器件价值平均在7.5美金,5G通讯对射频器件的尺寸、频率、带宽提出了更高要求,FBAR的需求将大幅度增加,预计单台手机中滤波器的价值将达到8~12美元。据预测,全球射频滤波器市场规模将在2020年增至130亿美金,到2022年滤波器市场将增至163亿美元。


纵观移动通讯用射频滤波器产业链,上游的关键原材料主要包括两大类,一个是压电晶片(SAW常用的压电材料是钽酸锂、铌酸锂等,FBAR常用的压电材料是氮化铝等),另一类是陶瓷基板,上游材料产业链主要集中在日本。中游为器件制造环节,主要集中在日本和美国。下游市场主要受智能手机、VR设备、车载终端等移动智能终端需求的推动,其中智能手机中射频滤波器用量最大,应用企业主要在中国。


3 射频滤波器用压电材料


3.1 钽酸锂晶体


钽酸锂(Lithium tantalate,简称LT)是一种三方晶系的化学晶体,化学式LiTaO3,作为一种非线性光学材料,其应用范围十分广泛。LT以其优良的非线性光学效应、压电效应和光折变效应被广泛用于高频宽带滤波器、二次谐波发生器、电光调Q元件、激光倍频器等,在军事、民用领域有着广泛的用途。在射频滤波器领域,因其卓越的压电性质而被大量用作SAW滤波器的衬底材料,特别是在制作频率3GHz以下SAW器件衬底中具有绝对的优势,没有其他材料可替代其地位。


3.2 铌酸锂晶体


与钽酸锂类似,铌酸锂(Lithium niobate,简称LN)也是三方晶系的化学晶体,属钛铁矿型结构。经过畸化处理的铌酸锂晶体具有压电、铁电、光电、非线性光学、热电等多性能的材料,在军事、民用领域有着广泛的用途,可用于制造调Q开关、光电调制等;掺加一定量的铁和其他金属杂质的LN晶体,可用作全息记录介质材料、二次谐波发生器、相位光栅调解器、大规模集成光学系统、高频宽道带滤波器等。LN也可作为压电衬底在制造SAW滤波器中广泛应用,其用量仅次于LT。


钽酸锂和铌酸锂晶体的制备通常都采用提拉法,直接从熔体中拉制出具有各种截面形状晶体,钽酸锂晶体通常使用碳酸锂和氧化钽混合制备而成,铌酸锂晶体通常使用碳酸锂、五氧化二铌为原料制备而成。


3.3 氮化铝


氮化铝(AlN)是一种六方纤锌矿结构的共价键化合物。通常状态下为灰色或灰白色,具有高热导率、高温绝缘性、介电性能好、高温下材料强度大以及热膨胀系数低等优点。AlN在射频滤波器中有两方面的应用。其中一种是作为压电薄膜用于制造薄膜体声波滤波器(FBAR)。由于AlN沿c轴取向压电效应明显,在电极材料上制备c轴择优取向的AlN薄膜可获得高性能薄膜体声波器件。AlN薄膜通常采用金属化合物气相沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射等方法制备。另一方面应用场景是作为一种高温耐热陶瓷用作射频滤波器的基板。AlN热导率高,较氧化铝陶瓷高5倍以上,同时其膨胀系数低,与硅性能一致。使用氮化铝陶瓷为主要原材料制造而成的基板,具有高热导率、低膨胀系数、高强度、耐腐蚀等特性,是理想的散热基板和封装材料。


氮化铝粉体的制备方法很多,目前国内外研究的主要有以下几种方法:铝粉直接氮化法、Al2O3碳热还原法、自蔓延高温合成法、溶胶-凝胶法、等离子化学合成法、化学气相沉积法等。氮化铝粉体在制备过程中容易氧化和水解,从而影响制品的纯度和品质,因此采取适当措施来抑制和防止其氧化和水解,成为氮化铝粉体制备技术当中的重要环节和今后研究的重点。


其他还有多种压电材料也可用于射频滤波器的制造,包括石英、铌酸钾、四硼酸锂、锗酸镓锶和镓镧系列等,随着人们的不断探索,多种优异性能的压电晶体也不断被挖掘开发,但现阶段用于制造SAW滤波器的压电材料中用量最大的仍是钽酸锂和铌酸锂,而用于制造FBAR的压电材料中用量最大的则是氮化铝。其中石英是最早用于制造SAW滤波器的压电晶体,但由于其自身机电耦合系数的限制,难以应用于高频、宽带的射频滤波器,已逐步被淘汰。


4 射频滤波器压电材料发展现状


LT、LN晶体较大的压电系数可以制作低插入损耗的SAW滤波器,但其光透过和高热释电等性能也给SAW器件的制作工艺带来很多不便。在SAW或BAW器件生产过程中,高热释电系数使得晶片表面很容易形成大量静电荷,这些电荷会在叉指电极间、晶片间自发释放。当静电场足够高时,静电荷释放容易损伤晶片,烧毁叉指电极,特别是在制作高频和细指条产品时尤为明显。此外,在传统压电晶片上进行光刻工艺时,材料的透光性导致晶片背面形成漫散射,从而降低了光刻电路的衬度,导致失真的线宽。


针对SAW器件制作中存在的这些问题,近年来国际上兴起对LN、LT晶片进行化学还原的工艺。经处理过的LN和LT晶片,基本上都呈黑色,因此也称为黑片。虽然LT黑片有效地减少了晶片的热释电效应,但过黑的LT晶片会对SAW滤波器的插入损耗造成影响,还易导致晶片的加工性差。晶片电阻率在1010Ω·cm量级范围内,可同时兼顾晶片可加工性和防静电损伤的特点。


相较于氧化铝陶瓷基板,受制于生产工艺要求高、价格偏高等因素的影响,现阶段氮化铝陶瓷基板应用范围相对较窄,主要应用于高端电子领域。但随着电子信息产业技术不断升级,PCB基板小型化、功能集成化成为趋势,市场对基板的散热性与耐高温性要求不断提升,氮化铝陶瓷基板的发展将迎来机遇,将在通信、消费电子、LED、轨道交通、新能源等各个领域得到应用。


现阶段,国际上生产LT和LN晶体的主要国家在日本,日本的许多大型企业如住友化学株式会社、日本信越化学工业株式会社等都大规模生产LT、LN晶体,而AlN的主要生产厂商也是集中在日本,如京瓷和TDK等。目前,日本在射频滤波器用压电材料的制备和生产方面处于领先,无论是技术工艺水平还是产品质量和产量都占据龙头地位。与压电晶体类似,日本企业在国际氮化铝陶瓷基板市场中同样处于垄断地位,此外中国台湾地区也有部分产能。随着中国电子信息产业快速发展,技术水平不断提高,国内市场对射频滤波器的需求快速上升,在市场的拉动下,进入行业布局的企业开始增多。


射频滤波器产业链结构整体非常复杂,所涉及的材料、曝光、光刻、工艺参数等细微变化都会极大影响产品性能。为了最大化的保证最优设计结果,国外龙头企业多采用IDM(集成器件制造)模式,企业具备器件设计、材料制备、晶圆及基板制造、封装和可靠性测试等各环节的能力。此外,国际大厂对滤波器的制造工艺和知识产权的掌控也处于领先地位,以LT和LN晶体的发明专利为例,当前全球范围内专利总数排名前15的企业中,有9家日本的公司,而中国企业只有1家。因此国内企业应加大创新研发投入,合理布局专利,建立完整系统的知识产权战略体系。


现阶段我国射频滤波器生产工艺基础薄弱。国内制造厂家并不完全具备宽槽牺牲层材料平坦化、超薄片减薄抛光、Mo薄膜小角度干法刻蚀、高精度/高取向度和高均匀性压电薄膜制备等多种核心制造技术,难以进行大规模的生产加工,或者产品批次一致性差,需进行大量的研发投入和技术摸索。经不完全统计,我国2019年钽酸锂单晶的产量约为23万吨,国内能够生产供射频滤波器用的压电材料的厂商主要有中国电科26所、浙江天通、上海召业、德清华莹等。


5 结语


据了解,中国电科26所生产的钽酸锂、铌酸锂晶体,虽然其晶体的黑化还原等高端技术仍不如日本企业,在部分特殊应用环境领域的应用仍需进口,但在移动通讯领域,其产能基本可满足企业自身射频滤波器产品的制造需求。这说明随着我国产业的升级改造,射频滤波器用压电材料的产能也得到了逐步的提升。


包括射频滤波器在内的半导体产业正在度过一个历史性的艰难阶段。本次新型冠状病毒肺炎疫情也导致了SAW滤波器的涨价和供不应求,在国产化替代需求和国家政策的推动下,国内射频滤波器企业也吹响了自主可控的旋律,正在围绕关键材料压电晶片的黑化还原剂设计、有限元分析及高Q值结构、复合薄膜结构层应力补偿等核心技术进行攻关突破,以期尽快实现弯道超车。


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