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Tecnología de sustrato IC
Sustrato piezoeléctrico aislante para filtros frontales de radiofrecuencia 4G / 5G
Tecnología de sustrato IC
Sustrato piezoeléctrico aislante para filtros frontales de radiofrecuencia 4G / 5G

Sustrato piezoeléctrico aislante para filtros frontales de radiofrecuencia 4G / 5G

2021-09-14
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Author:Frank

El deSpliegue de redes avanzadas 4G y 5.G en la banda Sub - 6ghz requiere nuevas capacidades y capacidades tanto para los operadores como para los fabricantes de teléfonos móviles Tecnología de PCB.

Para aprovechar el mayor ancho de banda de datos que proporcionará la nueva red, la comunicación de radiofrecuencia entre la Estación base y el equipo de usuario debe depender de ajustes de banda más complejos. Por lo tanto, la complejidad del módulo frontal RF aumenta dramáticamente, y más de 100 filtros deben ser integrados para apoyar todos los modos de comunicación.

Hay varias tecnologías disponibles para satisfacer la creciente demanda del mercado de filtros, pero la mayoría de ellas no pueden cumplir los requisitos más estrictos de la red 5G. Sin embargo, el uso de un nuevo tipo de sustrato aislante piezoeléctrico (poi) puede producir un conjunto de filtros integrados de ondas acústicas de superficie (SAW) de alto rendimiento que cumplan los requisitos de la red 5G. Estos filtros se pueden aplicar a los módulos frontales de smartphones y amplificadores de potencia, interruptores y sintonizadores de antenas fabricados utilizando sustratos RF - Roi.

5G challenges of front-end modules
5G's wider radio frequency spectrum can achieve data rates that are 20 times faster than 4G. Al mismo tiempo, El número de dispositivos en línea aumentará exponencialmente, Hace que la densidad de conexión sea 1000 veces mayor que ahora.. El nacimiento de esta nueva norma afectará a todos los dispositivos que utilizan redes móviles.

Para proporcionar una tasa de datos superior a 20 GB/s, Los filtros acústicos deben hacer frente a los complejos desafíos de las redes 5G: más bandas de frecuencia, Mayor ancho de banda, Mayor frecuencia, and many support for different carrier aggregation (CA) modes and Diseño de antenas mimo. Combinación de bandas.

Para cumplir estos nuevos requisitos, la selectividad de la señal debe ser más precisa. Por lo tanto, es importante que el resonador tenga un factor de coeficiente de temperatura muy bajo (tcf), generalmente inferior a 10 ppm / k; Aunque el factor q es alto, el q de onda es generalmente superior a 2000. Además, para apoyar diferentes funciones de agregación de portadores y mimo, la supresión fuera de banda debe ser considerada más cuidadosamente.

La optimización del consumo de energía del módulo frontal sigue siendo un problem a clave. La pérdida de inserción de sus componentes debe limitarse para que la señal pueda transmitirse lo más lejos posible al mismo nivel de potencia, y el equipo debe poder utilizar eficazmente la energía.

El rápido aumento de los componentes internos del módulo frontal de los teléfonos inteligentes limita en gran medida el espacio disponible. En la actualidad, los teléfonos de gama alta han instalado más de 60 filtros, y se espera que la próxima generación tenga más de 100 filtros. Cada filtro necesita un diseño y un rendimiento únicos para una Band a de radiofrecuencia específica. La integración de tantos componentes diferentes en un espacio muy limitado plantea muchos desafíos a los equipos de diseño y fabricación. Por estas razones, el factor de forma, la disipación de calor y la mejora del rendimiento se han convertido en las características clave del filtro interno del módulo frontal.

Market demand
So far, La selección de la señal del teléfono inteligente adopta principalmente dos tipos de tecnología de filtrado. Piezoelectric materials generate sound waves that can travel freely on the surface of the material (SAW: surface acoustic wave) or between active layers (BAW: bulk acoustic wave).

En la actualidad, el filtro de Sierra es adecuado para la banda de frecuencia media y baja 4G, pero es difícil cumplir los requisitos más altos de 5G (Alto tcf, bajo factor Q, bajo coeficiente de acoplamiento) y frecuencia. La respuesta de frecuencia del filtro Saw es sensible a los cambios de temperatura debido a la Alta expansión térmica del sustrato (generalmente Tantalato de litio o Niobato de litio). En el último paso del proceso de fabricación del dispositivo, la adición de una capa adicional en la parte superior de la capa metálica puede compensar la sensibilidad a la temperatura en cierta medida, pero la nueva capa afectará la eficiencia de acoplamiento y el rendimiento final del filtro.

Placa de circuito

El filtro Baw puede mantener un buen rendimiento a altas frecuencias, pero el tamaño no puede ser tan delgado como el filtro saw, que es un gran desafío para la integración de módulos. Además, el proceso de fabricación es más complejo y los multiplexores y duplexores que pueden integrarse en el mismo chip están limitados.

Film POI
Since it is impossible to compromise on certain performance indicators, Soitec ha desarrollado un nuevo sustrato para ayudar a los operadores y fabricantes de teléfonos móviles a hacer frente a los requisitos más estrictos para las nuevas capacidades de red 5G. The POI substrate consists of a thin layer of single crystal piezoelectric material (currently single crystal lithium tantalate) covering a silicon dioxide layer and a high resistivity substrate, Como se muestra en la figura 1a. El espesor de la capa superior del tantalio de litio suele ser de 0.3 y 1 μm. El sustrato de película fina poi está hecho por el proceso de corte inteligente de soitec, Garantiza la Alta uniformidad de la capa y la producción en masa de alta calidad.. This structure can guide the sound wave on the surface of the substrate and concentrate its energy in the thin layer of lithium tantalate on the top with minimal loss (Figure 1b). Usando este nuevo sustrato, filter designers can use substrate materials with better coupling coefficients (k2) and lower thermal expansion coefficients, Por lo tanto, el resonador con un factor de alta calidad está diseñado a frecuencias más altas., Sensibilidad a baja temperatura, Y mayor ancho de banda. Filtro. Al mismo tiempo, Múltiples filtros se pueden integrar en el mismo chip.
El sustrato poi incluye una capa de material piezoeléctrico, Capas enterradas de oxígeno y silicio. Las capas delgadas piezoeléctricas con alta uniformidad limitan la energía de las ondas guiadas y realizan características acústicas de alto rendimiento. La capa de oxígeno enterrada sólo guía las ondas de alta velocidad de una manera específica y suprime el material piezoeléctrico, Por lo tanto, la expansión térmica se reduce y la sensibilidad a la temperatura se reduce.. Esta estructura puede lograr una mayor selectividad de la señal y estabilidad de frecuencia cuando la temperatura cambia.. Debido a que el fabricante del conjunto de filtros ya no necesita añadir una capa gruesa en la parte superior para restringir el material piezoeléctrico, En comparación con TC - Saw, También simplifica el proceso de fabricación y mejora la eficiencia del acoplamiento..
Uso de filtros de Sierra Sustrato poi Puede lograr una pérdida de inserción extremadamente baja, Permitir a los fabricantes de equipos gestionar eficazmente el consumo de energía. En comparación con otras soluciones, El filtro de Sierra basado en poi tiene la ventaja de un factor Q Alto, Filtro de alto acoplamiento a alto ancho de banda, Tcf extremadamente bajo, En el mismo chip que el filtro altamente integrado.
Además, Cabe señalar que el diseño del filtro basado en el sustrato poi es muy similar a la tecnología necesaria para el diseño del filtro Saw basado en obleas piezoeléctricas a granel. Al mismo tiempo, the manufacturing process only requires a few simple steps (standard metal layer deposition is used for the main body) .
Design of SAW resonator and filter based on POI
We measured and characterized the actual performance of SAW resonators based on lithium tantalate wafers and thin-film POI, Los resultados muestran que se mejora el rendimiento del sustrato poi.. En este experimento, Resonador dipolo de un solo puerto, Un total de 120 pares de dedos cruzados, cada lado de 20 electrodos para lograr la imagen. La Abertura acústica se fija en 40 islas », La distancia entre el dedo cruzado y el electrodo es de 1.2 μm, Metal/Relación de espaciamiento 0.5. The POI substrate used in the experiment has the following characteristics: 600nm thick (YX)/42°LiTaO3 layer connected with 500nm thick silicon dioxide layer connected with high resistivity silicon layer (100).

Coupling coefficient k2
The coupling coefficient k2 of POI can reach 8.13%, Sin embargo, sólo hay 5 chips litao3 a granel en el dispositivo convencional TC - Saw..98% (see Figure 3). K2 calculado a partir de 1 - FR2/fa2 (where fr is the resonant frequency and fa is the anti-resonant frequency). The high k2 of the POI substrate enables the design of a large bandwidth filter to cover some of the new 5G frequency bands (up to 6% bandwidth of the center frequency).

A granel y Sustrato poi.
Otra mejora significativa en el rendimiento del sustrato poi es el coeficiente Porter q durante la resonancia inversa. En las mismas condiciones, El coeficiente q de litao3 a granel es de 935, El resultado del sustrato poi es 2200, Por lo tanto, el filtro Saw puede competir con el filtro Baw en las bandas L y C..