5G射频滤波器市场爆发,Soitec发力供应POI衬底

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PSDC主编
 
前不久,Soitec与Qualcomm Technologies签署合作协议,将为5G射频滤波器大规模生产POI(压电)衬底。这给了市场一个信号:衬底龙头Soitec半导体公司已经发力加快服务5G市场的进程。针对POI衬底市场、技术和此次合作,Soitec滤波器业务经理Christophe Didier与媒体分享了一些重要信息。

 

5G射频器件市场助推,POI衬底将成未来标准
 
 

5G采用无线电频谱,能用比以往技术更高的速度和更高的可靠性传输大量数据,连接更多的设备,将渗入我们生活的方方面面。未来,5G将在汽车、医疗保健、机器人、娱乐和及我们还没有想到的领域带来创新而先进的服务。通过允许更多的设备以更高的速度、更安全的方式相互连接,5G将从根本上创造一个新的数字环境。
Christophe Didier表示,5G正在改变全球射频技术的发展状况,全球各大射频组件和模块供应商纷纷为5G提前布局,5G射频滤波器的市场需求不断增大。根据来自Yole Development的数据,预计射频滤波器未来的市场规模将从2018年的31亿美元上升到2025年的约51亿美元。
 
 

他说,POI衬底已经进入市场,目前已经开始量产,并正在进一步渗透到市场。他认为,POI衬底的价值毋庸讳言,将会成为未来几年的一项行业标准。到2024年,预计POI衬底的可服务市场规模将达到100万片晶圆的规模。
 
POI衬底是5G时代智能手机首选
 

 
Christophe Didier告诉记者,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(Carrier Aggregation)等技术的使用,预期智能手机在前端模块中滤波器的面积将会增加50%。
 

 
Soitec与Qualcomm签署的合作协议就是为其供应POI衬底,以满足4G和5G射频滤波器的需求。此前,两家公司已合作多年,本次将为Qualcomm的射频滤波器大规模生产POI衬底,用于其智能手机射频前端模块。
 

 
Qualcomm选择Soitec是因为其突破性创新的薄膜式表面声波(SAW)技术,一是可以实现Qualcomm® ultraSAW射频滤波器产品,不断突破移动技术的边界;二是Soitec可以确保高性能POI衬底的供应,这对于满足OEM客户对高性能Qualcomm® ultraSAW射频滤波器产品的需求至关重要;三是Soitec基于Smart CutTM技术的POI衬底与Qualcomm滤波器设计和系统结合,可以保证具有多滤波器功能的多工器芯片的高良率。
 
技术关键是Smart CutTM
Christophe Didier介绍说,业界已知道Soitec有一项特殊的技术Smart CutTM,这项技术可以用于不同的材料。作为第一个使用Smart CutTM 技术生产非硅类材料的优化衬底,POI衬底已实现了量产。
那么POI是什么呢?他说,POI是利用Soitec专利技术150 mm Smart CutTM 打造的创新型优化衬底。POI以高阻硅作为基底、上覆氧化埋层(约几百纳米),并以一层极薄且均匀的单晶压电层(约几百纳米)覆盖顶部。Soitec的POI衬底用于构建最新一代的4G/5G表面声波滤波器,具有内置温度补偿的性能。
POI用的压电材料和当前使用在SAW(声表面波)滤波器的材料是一样的,主要包括两种材料,分别是钽酸锂和铌酸锂。而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,从而影响到频率,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等效波能(equative wave energy)。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波传播(equative wave propagation)。因此,主要射频前端生产商已经开始生产以POI为衬底的滤波器,主要采用的规格是直径150毫米的POI。此款POI产品目前在Soitec法国贝宁3厂已实现量产。
他说,在Soitec的发展路线图里,同时也在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,同时也在开发直径200毫米的POI衬底,以降低总体拥有成本。
 
为什么选择SAW技术?
在搭建滤波器方面有不同的技术,Soitec为什么选择了声表面波呢?Christophe Didier表示,SAW的一个问题是对温度过于敏感,温度变化会影响频率,但是这种温度敏感是可以改善的,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。
 

 
还有一项滤波器技术是BAW(体声波),其工艺特别复杂,需要很多步骤才能搭建一个声学上需要的“腔”。比较不同的技术,Soitec看到,基于POI衬底的SAW技术的优势是能源效率更高,比TC-SAW的能源损耗更小。所以相对于SAW和TC-SAW,频率会更高,带宽会更广。另外,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。因为它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相似,但是比TC-SAW和BAW都要简单很多。
Soitec之所以认为POI衬底是5G滤波技术方面的最优方案,在于几组测试数据表明,基于POI衬底的SAW具有以下性能与优势:第一是品质系数,采用Bode Q测量中频段的谐振器的参数,得数大于4000;第二是耦合系数,它涉及到可以实现多广带宽的滤波功能,得出的耦合系数k2大于8%;第三是TCF(频率温度系数),这是与温度相关、导致频率变化的一个系数,测得的TCF小于10 ppm.K-1。因此,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。
 

 
Christophe Didier又进一步解释了SAW、TC-SAW、BAW都是什么技术。TC-SAW是一般用于低频段和中频段的滤波技术,而BAW则一般用于中频段和高频段。而在超高频段就比较复杂了,比如会采用LTCC、XBAR、BAW,还有集成被动技术(IPD,Integrated Passive Device)。总之,基于POI优化衬底的SAW是在5G滤波器方面取代TC-SAW和BAW的更优的解决方案。
 

 
总结一下
Christophe Didier最后表示,目前业内开始大规模采用POI衬底,因为POI优化衬底可以解决中频段和高频段这两个频段的技术难题。它是针对5G设计的一个优化方案,可以解决在性能、成本方面的一些挑战。特别是,POI衬底用的原材料跟目前SAW、TC-SAW用的压电原材料是一样的,而且Soitec的Smart CutTM 技术实际上是可以对原材料多次使用,因此同样多的原材料可以生产出更多的POI衬底,所以原材料供应不是问题,因为相比SAW和TC-SAW,Soitec在节省压电材料上有明显优势。
此外,POI技术是滤波器方面特别理想的一个衬底材料。基于POI衬底可以采用等效波传播(equative wave propagation)打造任何器件,包括谐振器,还有传感器,未来的用途十分广泛。

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