国产5G BAW滤波器的新突破

本土无线设备射频前端MEMS滤波芯片供应商诺思（天津）微系统有限公司日前宣布，公司推出了全球首款高功率容量BAW滤波器。据了解，该器件工作在5G n41的子频段，支持8w的平均输入功率，，具有低带内插损（Typical 1.5）和高带外抑制（B1/B3/2.4G&5G Wi-Fi频段/5GLTE频段Typical 60dB）等特点，能够满足基站产品（-40—95度，长期功率8w，10年）的应用场景需求，有助于解决5G小尺寸，高性能和高功率的业界痛点问题。

诺思方面表示，该滤波器相对于传统的腔体和陶瓷滤波器，在功率水平相当的基础上，大大缩小了尺寸和重量，同时又具备很高的成本优势。按照他们的说法，这个产品有利于协助运营商和设备制造商增加容量，提高信号质量，提升现有网络频谱的利用率。

资料显示，诺思（天津）微系统有限公司成立于2011年，总部设于天津，总注册资本人民币3亿元，是中国首家FBAR生产企业，公司从事无线设备射频前端MEMS滤波芯片、模块、应用方案的设计、研发、制造和销售，核心产品具有国际领先水平。现在公司在天津和南昌都分别开设了工厂：其中天津工厂位于天津市经济技术开发区，总投资7.5亿元人民币，已投产一条晶圆生产线和一条工艺研发线。厂房和研发中心总占地面积2.7万平方米；而南昌工厂位于南昌高新区，总投资20亿元人民币，建有两条晶圆生产线。厂房和研发中心总占地面积5万平方米。预计2017年底开始投产。

5G时代，BAW滤波器大有可为

SAW滤波器也有自己的局限。SAW在1.5GHz以下使用非常合适，但是在工作频率超过1.5GHz时，SAW的Q值开始下降，到2.5GHz时，SAW的选择性已经只能用在一些要求比较低的场合。然而，目前的无线通讯协议已经早就工作大于2.5GHz的频段（例如4G TD-LTE的Band 41）等，这时候SAW就不够用了，必须使用体声波（BAW）滤波器。

表面波（SAW）器件只能做在如钽酸锂或铌酸锂这样特殊的单晶基底上。而BAW器件可以做在可选的任意基底上，比如硅就可以做为很好的基底，因而可以直接利用主流IC制造厂现有的工艺、设备和基底结构。制作BAW所需的大多数工序可以直接在标准IC生产设备上完成，而不需要任何改变。光刻也不是问题，0.8微米的特征尺寸就足够了。一个BAW器件所需的光刻步骤在5个到10个之间。BAW中的缺陷密度也是次要问题，相当大的颗粒也不会导致谐振器失效。

最关键的工序是足够高品质的压电层淀积。尽管压电层是多晶的，但要求所有晶粒的C轴方向完全一致。方向不一致的晶粒会严重降低压电耦合因子和品质因子。BAW器件所用材料最流行的有氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）和锆钛酸铅（PZT）。

SAW滤波器与 BAW滤波器的区别：SAW是声表面波滤波器，在输入端由压电效应把无线信号转换为声信号在介质表面传播，在输出端由逆压电效应将声信号转换为无线信号；BAW是体声波，采用FBAR技术，原理基本同SAW，唯一的区别是声信号在介质内部传输，故体积可以做的更小（介质的介电常数大于空气）；BAW相对来说性能可能更好一些，Q 值，相位噪声，体积小等，同时加工起来更难，属于超精细加工。BAW有3层，上下为金属电极，中间为压电材料，谐振在2G左右的厚度大概为（0.1um（电极），3um（压电层），0.1um（电极）），所以加工难度较大，成本目前还是较高。

与SAW相比，BAW性能更好，成本也更高，但是当频段越来越多，甚至开始使用载波聚合的时候，就必须得用BAW技术才能解决频段间的相互干扰问题。

不同于SAW滤波器，BAW滤波器内的声波垂直传播。对使用石英晶体作为基板的BAW谐振器来说，贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励，使声波从顶部表面反弹至底部，以形成驻声波。而板坯厚度和电极质量（mass）决定了共振频率。在BAW滤波器大显身手的高频，其压电层的厚度必须在几微米量级，因此，要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。

为使声波不散漫到基板上，通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格（Bragg）反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的BAW或BAW-SMR器件。另一种方法，称为薄膜体声波谐振器（FBAR），它是在有源区下方蚀刻出空腔，以形成悬浮膜。

不同类型的手机中采用的滤波器类型和数量都是不一样的，比如在功能机时代，只需要普通的SAW滤波器就足够了；就算是3G手机时代，对BAW滤波器和 TC-SAW滤波器的需求也不大。但是到了4G时代，一款智能手机必须要对多个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收路径进行滤波，同时还要对WiFi、蓝牙和GPS接收器等的接收路径进行滤波，而高端智能手机可能需要用到滤波器的地方会更多。这些频带范围都不相同，又不能相互干扰，这必然需要更多的滤波器来对这些信号进行隔离。

而SAW滤波器由于本身的局限性，一般只适用于1.5GHz以下的应用。另外它也易受温度变化的影响。高于1.5GHz时，TC-SAW和BAW滤波器则更具性能优势。BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小，这使得它非常适合要求非常苛刻的 3G和4G应用。还有就是即便在高宽带设计中，BAW对温度变化也没有那么敏感，同时它还具有极低的插入损耗和非常陡峭的滤波器边缘。“BAW的集成化更高、性能更好、带宽的抑制能力更强，而且它为大于2GHz的LTE频带进行了优化。”