基于CMOS工艺的高性能射频滤波器:体声波滤波器BAW

2013-12-16 来源:微波射频网 我要评论(0) 字号:
在工业应用中决定用何种压电材料时,还有其他几个问题要考虑。淀积设备应该是成熟而且可靠的。BAW很可能将在半导体厂内制作,这时会有一些严重的污染问题。在一个CMOS制造厂内,锌、铅、锆都是极度危险的材料,因为在半导体器件中,它们会严重降低载流子寿命。与ZnO和PZT相比,使用A1N则没有污染问题。应用于A1N的淀积设备已经有多家著名的半导体设备供应商可以提供,而用于ZnO的设备还做不到,用于PZT的就更没有。尽管从理论上看AlN不是制作BAW的理想材料,但目前从性能和制造两方面看,它却是最好的折衷。要做到较大的耦合系数,或者至少在某些应用中有足够的耦合,这可能还需要几年的改进。良好而且可靠的耦合系数是进一步研究BAW器件其他各种效应的先决条件。糟糕的耦合通常伴随很糟的品质因数。如果Q值低于100~200,那么有很多严重的问题将不能被研究清楚。最可能的情况是,一个原型BAW谐振器会出现一些附加的谐振,这些附加的谐振不能用一维理论来解释。这些"寄生模态"会严重破坏通带的平坦。更糟的情况中,这些寄生模态可能太强,以致没办法通过电测量来提取材料参数。有一些寄生模态与器件的侧向效应有关,可以通过适当的设计来改善。还有一些寄生模态与层堆本身有关,这需要对相关频率下在层堆中传播的各种模态进行透彻的研究。

就算原型BAW谐振器呈现了期望的性能,还有一些更困难的问题需要解决。BAW的谐振频率是由压电层以及邻近各层的厚度决定的。典型的移动电话中的滤波器要求谐振频率的误差在0.1%附近,这要求压电层和各电极层的厚度误差也在这个范围内。半导体工艺中使用的标准工具一般只能提供5%的精度,不能满足这么高的容差要求。就算通过改进,各次流片间的变动可以符合更高的要求,但如何保证晶片厚度的一致还是一个要解决的大问题。

单片集成还是混合集成

过去五年,一直在讨论移动电话中的构成模块应该向单片集成的"片上系统"(SOC)发展,还是应该向混合集成单封装系统"(SIP)发展。这个讨论至今没有定论,是否会有一个清晰的趋势也不确定。要做出有价值的判断,需要考虑到很多技术和商业因素。对于BAW,情况也是这样。BAW可以单片集成到BiCMOS工艺上。相对没有BAW而言,在RF-CMOS工艺的顶部采用BAW做射频滤波器使得"单片移动电话"大大地接近了现实。要将BAW集成到IC工艺中有几个方面需要考虑:

组合工艺所需的光刻步骤是IC工艺和BAW各自所需的总和,声学层步骤不能用于金属互连步骤,反之亦然。

组合工艺的成品率会比各工艺各自的成品率低很多。

组合工艺中,单位硅面积的花费会增加。一片相对大的集成电路与一个小的BAW滤波器在组合工艺中整合,其花费将比用分别的工艺制作的相应芯片高昂得多。

对典型尺寸为0.5mm2的BAW芯片来说,装配上的花费可能比它在硅面积上的花费还高很多。在有的情况下,由于省下了装配费用,单片集成的方案会更有利。

针对IC的封装技术不一定适用于BAW,因为它需要在谐振器的顶部有空腔。有腔封装也会更贵一些。与需要密闭封装的SAW滤波器相比,BAW器件仅需要一个空腔。由于它允许用塑封材料替代陶瓷,因而从封装成本看这是一个很大的优势。

采用SOC的方案后,设计灵活性会急剧下降。

小型化:SOC方案在尺寸上的优势是难以动摇的,除非SIP中各芯片采用了真正的三维堆叠技术。

由于显然的原因,可以从主要供应商处得到的最初期的BAW产品都是单独的BAW滤波器或混合模块。尽管单片集成对于某些特殊的产品可能更有利,但目前还不太可能很快成为主流。

BAW滤波器的建模和设计

不同应用中射频滤波器的指标可能差异相当大。因而设计流程的简便和快捷是一个重要的优点。一些设计要求极低的插入损耗和良好的阻抗匹配,而另一些设计对阻带衰减的要求才是首位的。对BAW器件的建模可以基于不同的层次。基本物理层模型需要进行三维的互相耦合的电、声模拟,这实际上不可能用公式表示并解析地解出结果。有限元方法(FEM)原则上可以用来解决这个问题,但非常困难,至今还几乎没有相关的实践。

在物理层上,BAW可得以有效的模型化。物理层模型采用一维的声学和(压电)电学方程来描述层堆中的压力场和谐振器电端口上的电阻抗。这种模拟对于层堆的优化和材料参数的提取都极其重要。谐振器的这种一维模型被称为Mason模型。在开发BAW谐振器时,这种模型是最重要的,但对于BAW滤波器的设计和系统级仿真而言,这种模型显得过于复杂。工作正常的BAW谐振器可以用所谓的紧凑(或更高级)模型来模拟,这种紧凑模型使用一个被称为"Butterworth-van-Dyke"模型的简单等效电路。

在不考虑导线上的寄生效应时,BAW的等效电路与为人熟知的"Butterworth-van-Dyke"模型是一致的,这个模型最初是为石英晶体发明的。

BVD模型的阻抗特性实际上与从Mason模型得到的结果是一致的。BVD模型的基本参数有:

C谐振器"静态"电容[F]
fs串联谐振频率[Hz]
bwr谐振器相对带宽
Q声学谐振品质因子

这些基本参数可以通过实际测量或对Mason模型的仿真方便地获得。通过阻抗测量,可以相对容易地提取出fs 、fp和C。再用下面几个公式可以估算出基本参数:

bwr=\frac{f_{p}-f_{s}}{f_{s}}
C=\frac{-1}{f·2 ·Im(Z)_{f Q=\frac{f}{2} \frac{ z}{ f}

从基本参数出发,等效电路中各元件的值都可以算出。这里需要指出的是所有这些值都是紧密相关的,不可能通过单独调整某个元件值来改善滤波器。

Ca=C·2·bwr
C_{0}=\frac{C·2}{2+bwr}
L_{a}=\frac{1}{(2 ·f_{s})^{2}C_{a}}
R_{a}=\frac{2 f_{s}·L_{a}}{Q}

基本参数以外的主要寄生效应可以通过在等效电路中增加后面这些附加元件来描述:

Rs谐振器的串联电阻[ ]
Cox底部电极-衬底电容[F]
Csub衬底-地电容[F]
Rsub衬底损耗电阻[ ]

BVD模型是设计滤波器的一种非常实用的方法,而且在谐振器工作正常的前提下,其结果与其它几种模型相比同样地接近实际。任何电路仿真器都可用来处理BVD模型。

BAW滤波器的当前水平

BAW/FBAR滤波器在各种性能上全面优于SAW滤波器。当设法做出有效耦合系数keff2为6.5%,Q值高于500的谐振器时,这种性能上无损失的全面超越就得以实现。在此基础上,滤波器的插入损耗得到改进,滤波器沿也更陡。

英飞凌公司目前实现的性能如下。通过优化声学镜,频率的温度系数(TCF)可以进一步降低到-19ppm/K,这与SAW滤波器相比性能提高了一倍。用于PCS(US-CDMA波段)的谐振器的性能指数(Q·keff2)已达94(1400·0.067)。

一般来说,在1.8GHz的应用中,芯片尺寸比SAW滤波器芯片至少小一倍。ESD的鲁棒性也更好。可处理的信号功率即使在2GHz以上也可达到3瓦,这使得BAW滤波器成为双工器中陶瓷滤波器的理想替代品。

作者:Robert Aigner,英飞凌科技公司

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主题阅读: 射频滤波器  CMOS工艺

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