薄膜體聲波（FBAR）濾波器研究現狀

中國電子科技集團公司第三十八研究所　段宗明

薄膜體聲波（FBAR）濾波器研究現狀

中國電子科技集團公司第三十八研究所段宗明

介紹了薄膜體聲波（FBAR）濾波器的基本原理、結構及其性能特點，對國外產業界的研究進展及市場情況進行了概述，并對國內在該領域內的研究現狀進行了總結。

FBAR；濾波器；發展

1.概述

薄膜體聲波FBAR（thin Film Bulk Acoustic Resonators）技術，也稱體聲波BAW（BulkAcousticWave）技術，是壓電效應的一種典型應用。FBAR器件的出現源于上世紀60年代科學家為了拓展石英晶體的高頻段應用所展開的研究，第一個真正意義上的FBAR器件出現于1980年，Lakin和wang實現了在Si片上生長ZnO制成基波諧緒論振頻率為500MHz的薄膜諧振器。1990年，Krishnaswamy和Rosenbaum等首次將FBAR結構的濾波器擴展到GHz頻段。由于缺乏市場需求及可靠的技術實現大規模量產，FBAR諧振器的研究沒能得到大量資金的投入而發展緩慢。隨著移動通信技術步入GHz時代，傳統陶瓷雙工器和SAW（surface Acoustic Wave）雙工器均難以勝任，前者由于體積較大與移動終端的微型化背道而馳，后者則由于功率容量較低高頻性能受限從而只能在低頻段應用。目前，移動無線工作頻率逐漸推高，市場的需求驅動著產業界和學術界尋求新的解決方案，擁有優異性能的FBAR濾波器逐漸成為研究熱門對象。

2.FBAR基本原理與性能特點

2.1基本原理和結構

FBAR的基本原理壓電效應產生體聲波在壓電層中傳播，其傳播距離為聲波半波長或半波長的奇數倍時，FBAR將產生諧振，其存在兩個諧振點：串聯諧振頻率fs，此時FBAR阻抗最小；并聯諧振頻率fp，此時FBAR阻抗最大。FBAR諧振器具有非常高的Q值，因此可以用于設計高性能濾波器。

當FBAR正常工作時，交變電場激勵起的聲波必須限制在壓電振蕩堆中。為此我們需要在壓電振蕩堆的上下擁有良好的聲波反射界面，以最大限度的減少能量的損耗。根據不同的放射界面及其制作工藝，FBAR擁有三種典型結構：硅反面刻蝕型、空氣隙型及固態裝配型。硅反面刻蝕型FBAR是在硅基底部刻蝕出一個窗口，使得壓電振蕩堆的下界面和空氣相通，達到聲波全反射的目的。空氣隙型FBAR是利用硅基上刻蝕出一空氣槽，而后在空氣槽上制作諧振器，Q值高，與集成電路工藝兼容。固態裝配型與前兩者不同，采用布拉格反射層，在壓電振蕩堆下間隔淀積若干層高低交替的阻抗層來反射聲波，其機械牢固性非常優秀，但Q值相對較低。

圖1　FBAR三種典型結構

2009年2月Avago公司宣布淘汰以前的固嵌式諧振器（Solidly MountedResonator，SMR）技術，之后的所有產品全部采用FBAR技術（空氣隙型）。對于空氣隙型，由于其制作簡單及和CMOS工藝兼容的特點，許多國家都將其作為實現集成化的最佳選擇，這是FBAR的主流發展方向。

2.2性能特點

FBAR的主要應用包括：濾波器、振蕩器、雙工器等。以最常用的濾波器為例，在移動通信系統中， SAW器件由于其低廉的價格和優異的性能，SAW濾波器在第二代通信系統GSM中占據了絕對的統治地位。但是隨著移動通信步入GHz頻段，SAW濾波器由于其本身工作頻段較低等原因限制了它的進一步應用和發展。FBAR濾波器則適應更高頻段的應用需求。

表1給出的是FBAR濾波器、介質濾波器、聲表濾波器的性能對比。可以看出FBAR濾波器工作于0.5～10GHz頻段，帶外抑制度可以達到50dB，Q值可以達到1000，尺寸最小等，幾乎所有的指標都優于其他兩種類型的濾波器。

表1　三種濾波器性能比較

3.國外研究現狀

1999年，安捷倫（Agilent）公司的Ruby等人經過長達10年的研究，終于成功研發出應用于1900MHz頻段的薄膜體聲波雙工器，并于2001開始進行大規模量產。2005年，Agilent半導體事業部出售給安華高（Avago）科技，FBAR產品線也都歸于Avago名下，到2006年1月份，Avago的FBAR濾波器的出貨量已達2億余只，主要針對手機和數據卡市場，并宣稱前十大CDMA US PCS手機和前五大WCDMA手機分別已有九款和四款采用了其FBAR濾波器與雙工器產品。2014年5月16日，Avago推出了最新應用在LTE Band41（2496-2690MHz）的最新產品ACPF-7141，其插損≤2.1dB，帶外抑制≥35dB。

除Agilent公司以外，英飛凌（Infineon）、恩志葡（NXP）、超群（TriQuint）、愛普科斯（EPCOS）意法半導體（ST）以及括韓國Samsung在內的公司都對FBAR技術投入了相關的研究并推出相應的產品。盡管如此，目前市場上FBAR產品供應商主要有Avago、TriQuint，其中Avago的產品性能優于TriQuint。

2009年底，Avago公司宣布FBAR濾波器全球供貨己超過10億只。根據德國WTC市調公司在2007年的市場分析，FBAR的市場占有率：Avago為74%，Infineon為23%，Avago FBAR市場占有率遙遙領先于其它公司。

4.國內研究現狀

國內FBAR技術研究主要還是集中在高校和科研院所。浙江大學早在1994年就開始FBAR工藝方面的研究，2006年制備出了高模FBAR原型器件。2008年中國科學院聲學研究所研究了基于薄膜體聲波諧振器的梯形結構射頻濾波器的設計。除此之外，還有天津大學、華中科技大學、電子科技大學等也都FBAR方面投入了研究。

2011年，龐慰教授依托天津大學建立了一條6英寸FBAR產線，該線采用空氣隙結構，其設計產品已用于手機射頻模組。依托國家項目，天津大學聯合國內中電科13所正在籌劃建立8英寸產線。

2013年10月，中電科13所報道了自主設計、采用空氣隙型結構加工的S波段4節FBAR濾波器芯片，突破了高c軸取向ALN壓電薄膜淀積技術、精密空氣腔制作技術。中心頻率2340MHz，中心插損3.8dB，3dB帶寬25MHz，矩形系數達2.24：1，帶外翹起在35dB以下，輸入輸出阻抗均為50Ω。

圖2　　FBAR濾波器（a）傳輸響應曲線（b）芯片結構圖

中電科26所也對FBAR濾波器進行了研究，通過代工設計開發出了2.4GHz濾波器，帶外抑制度在35dB左右。產業界方面，華為、中興也都關注FBAR的研究開發。Avago-華為-浙江大學曾經就FBAR進行三方合作研發，主要是提高功率和實現多模手機的多工器集成。國內還有中電科24所、13所、55所以及士蘭微、國民技術研究所和公司也都與浙江大學、天津大學展開過交叉合作，但到目前為止，仍未看到滿足工程應用的好的實質性成果。

5.總結

FABR技術仍未達到成熟階段，其在GHz頻段優異的性能使得該項技術擁有非常大的潛力，在下一代移動通信射頻系統將會替代SAW器件，具有廣闊的市場前景。未來3-5年內FBAR將趨于成熟，但仍然是以FBAR分立器件為主。作為集成技術發展趨勢可能是：在硅基片上首先進行射頻前端有源電路如LNA、PA、Mixer等電路的設計，通過TSV等高級SIP封裝技術，將FBAR濾波器、振蕩器等器件與射頻收發前端芯片系統集成，從而進一步減小系統體積、成本和功耗。

［1］Ruby R，Bradley P，Larson J D，et al.PCS1900MHz Duplexer Using Thin Film Bulk Acoustic Resonators （FBARs）.Electronics Letters.2010.

［2］Hassan M E，Kerherve E，et al.A study on FBAR filters reconfiguration.Proceedings of IEEE International Conference.2015.

［3］王德苗，金浩，董樹榮.薄膜聲體波諧振器（FBAR）的研究進展［J］.電子元件與材料，2015（09）.

［4］吳夢軍.FBAR及其振蕩器的研究［D］.浙江大學，2014.

［5］李麗，鄭升靈，等.S波段FBAR濾波器芯片的研制［J］.壓電與聲光，2013（05）.

段宗明，工程師，主要研究方向為射頻集成電路設計。