左蓝微电子在声表面波(TC-SAW)滤波器关键技术取得突破

中国是全球最大的手机生产基地，凭借着庞大的终端市场需求，手机供应链向中国大陆地区转移已成产业趋势。在5G发展与中美贸易战的大背景下，射频滤波器作为射频前端的重要器件，国产化进程亟需加快推进。射频滤波器是射频器件国产化的发展重点，手机没有滤波器意味着通信设备丧失抗干扰能力，无法保障通信的畅通。

图1、左蓝微电子TC-SAW双工器产品图

作为近年来崛起的国产射频前端器件企业，杭州左蓝微电子技术有限公司(简称“左蓝微电子”)近日对外透露，公司研发的温度补偿型声表面波(TC-SAW)滤波器关键技术已取得突破，相关产品已具备量产条件。这一产品的推出意味着国产化滤波器迎来重要突破，将填补我国在高端射频滤波器方面的市场空白，打破国外厂商在该领域的垄断局面。

面向5G频段的TC-SAW需要打破国外市场垄断局面

手机射频滤波器主流的实现方式是声表面波滤波器(SAW)和体声波滤波器(BAW)两种。BAW性能较好，适用于中高频段较多，但是工艺复杂且价格更高，而SAW相对价格较低，但市场上的常规SAW滤波器不能很好的适用于2GHz以上的频段：当频率高于约1GHz时，其选择性降低;在约2.5GHz的频段，其仅限于对性能要求不高的应用，滤波器工作频率随外界温度变化发生一定漂移。基于这些特性原因，在频段越来越拥挤的5G时代，常规SAW不能够很好地满足射频终端对滤波器的要求，研发具备高频率、温度稳定性的滤波器成为发展所需。

图2、SAW与TC-SAW的结构对比

温度补偿型声表面波滤波器(Temperature compensated SAW，简称：TC-SAW)通过覆着或粘接温度补偿层(如图2：常规SAW与TC-SAW的结构对比)对常规SAW滤波器进行性能改进，使得器件的频率温度系数(TCF)降至0到-25ppm/℃，较常规SAW的温度特性(通常约为-45—-60ppm/℃)有了显著提升。

由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层，器件结构更复杂，制造成本相对常规SAW滤波器有所提高，但仍然明显低于BAW滤波器。性能和成本的相对优势，使TC-SAW 滤波器在5G时代迎来了良好的发展机遇。TC-SAW可被广泛应用于手机终端、基站、卫星通信、智能家居、汽车雷达、RFID、雷达系统以及其他无线终端等众多领域。

射频前端芯片市场一直由海外寡头占据绝对份额，其中TC-SAW产品主要被日系厂商垄断，相比之下，国内射频芯片公司由于起步较晚、基础薄弱，较之国际领先企业在技术积累、产业环境、人才培养、创新能力等方面仍有明显滞后，与欧美等厂商存在较大差距。目前国内厂商目前以生产中低端SAW为主，对于有着更高技术要求的TC-SAW和BAW，国内只有少数几家处于技术研究阶段，尤其是TC-SAW的核心技术，中国市场迫切需要实现本地化供货和服务。

左蓝微电子TC-SAW技术填补国产化产品空白

从2016年开始，左蓝微电子便深度布局射频前端器件尤其是滤波器这一细分领域，左蓝团队研发的TC-SAW滤波器成功通过相关技术关键点的验证，顺利解决常规声表面波滤波器温度特性不佳、频漂严重等问题，填补了国内TC-SAW方面的技术空白，为我国5G通信的发展打好坚实的产业基础。

图3、工作模式对比

TC-SAW的工艺方法有两种类型：温度补偿层法和键合片法：温度补偿层法一般采用LN作为基底，SiO2作为温度补偿层，工作模式为Rayleigh波，即纵波和垂直剪切波(L&SV waves)，优点是机电耦合系数大，缺点是设计和工艺复杂;键合片法一般是LT+Si基板，工作模式为水平剪切波(SH waves)(如图3所示)温度系数小于常规SAW，电性能类似于常规，优点是设计和工艺可借鉴常规SAW，较为简单，但是机电耦合系数比温度补偿层法小。

左蓝微电子掌握了完整的TC-SAW设计技术和完全自主的全套流程设计方案，通过从谐振器到滤波器精准的模态分析设计，能大幅提高滤波器的温度性能。对于声表器件，通过自主开发的设计工具，对滤波器的结构参数快速优化，以达到高性能滤波器的指标。

通过优化验证的谐振器设计，能有效抑制谐波。图4展示了谐振器优化设计效果：

图4、优化设计抑制谐波效果

通过实现优化设计，谐波得到抑制，谐振器的Q值得到了有效提升。某谐振器测试Q值如下：Qs=1269，Qp=1467，Qmax=1765。结果如图5所示：

图5、某谐振器Q值

通过仿真可以有效模拟表面温度补偿层厚度对于TCF的影响，从而提出工艺优化的具体实施途径。通过设计仿真和工艺优化相结合，可以制备出具有最佳TCF的TC-SAW滤波器，如图6所示：

图6、SiO2厚度与TCF测试结果的比较

经过精准仿真得到的TC-SAW滤波器，在高低温下具有优良的性能。目前左蓝自主研发的TC-SAW产品经过不断优化，最优TCF已达-15ppm/0C(如图7所示)，相对于传统器件，同时实现了小尺寸、低插损、高工作频率(0.5GHz-3GHz)等优点，设计出的双工器性能曲线如图8所示，比肩国际一流水平。

图7、某滤波器高低温测试TCF结果

图8、TC-SAW双工器性能曲线

在我国无线宽带战略实施和无线通信终端快速发展的背景下，左蓝微电子TC-SAW系列产品的成功研发和批量生产将为5G通信提供多模多频支持，有利于国产高品质、低成本的多模多频移动终端规模化发展，目前，该产品已在高通、MTK和展讯等平台完成性能验证。国产化TC-SAW的规模化生产，对产业链中射频元件提供商、终端设备提供商、设计厂商和业务运营商等相关业务发展有着极大的促进作用，提升产业技术水平和高端滤波器的自主可控能力，促进产业结构升级。