射频滤波器所用的压电材料的技术现状及发展趋势分析

1 总结

射频滤波器是当前5G通信建设所需的核心部件，压电晶体是制作射频滤波器的基础材料。本文介绍了目前用于射频滤波器的压电材料的技术现状，并简要总结了目前国内外的产业发展现状。

2 简介

当前，第五代移动通信技术（5G）正在大踏步前进，人类将开启万物广泛互联、人机深度交互的新时代。 2020年3月，工信部印发的《工业和信息化部关于促进5G加快发展的通知》强调，要“加快5G网络建设和部署，加大对基地建设的支持力度”。站址资源，加强功率和频率保障”。 5G时代，智能终端需要接收（5G/4G/3G/2G）多个频段，还要处理WIFI/GPS等信号。收发链路中需要使用多个滤波器来避免信号干扰。射频滤波器可以选择和控制通信系统中通信链路中的信号频率，滤除带外干扰和噪声。

5G通信对滤波器提出了高频段选择性、高品质因数（Q）、低插入损耗等要求，目前主流技术路线产品为表面声波（SAW）滤波器、温度补偿表面声波滤波器（TC-SAW）和薄膜体声波滤波器（FBAR）。

3 种常见的射频滤波器

SAW滤波器是利用压电材料表面的声波滤除杂波的滤波器。该类产品插入损耗低，抑制性能好，成本低。主要集中在10MHz到3GHz之间的频段应用，但容易受到温度变化的影响。为了改善SAW的温度特性，在表层添加温度补偿膜，制成TC-SAW滤波器。这类产品比常见的SAW滤波器结构和工艺复杂，制造成本也比较高。

FBAR 是体声波 (BAW) 滤波器的薄膜和微机电系统 (MEMS) 技术分支。 FBAR的工作频率可高达10GHz，可承受更高的功率，具有更高的可靠性和Q值，对温度变化不太敏感，适用于高频、大带宽要求的5G通信滤波。然而，它的制造需要使用高难度的薄膜沉积和微机械加工技术，而且价格是 SAW 滤波器的数倍。随着5G通信的蓬勃发展以及物联网接入设备等近场连接方式的增多，射频滤波器市场将获得前所未有的发展空间。

目前智能手机仍是滤波器消费的蓝海（约占市场的80%），由于消费者对高质量通信的依赖，5G手机的消费市场将拥有更广阔的消费前景。据统计，要实现2G+3G+4G+5G全球通信，可能需要支持90多个频段，而一个频段通常需要两个滤波器，这也意味着一部5G手机可能需要上百个滤波器。目前，一部4G手机所需的滤波器数量仅为30多个，5G时期全球射频滤波器市场空间将达到4G时期的2～3倍。在价格方面，4G时代单个手机射频设备的平均售价为7.$5。 5G通信对射频器件的尺寸、频率和带宽提出了更高的要求，对FBAR的需求将显着增加。手机中的过滤器价值 8 到 12 美元。预计2020年全球射频滤波器市场规模将增至130亿美元，2022年滤波器市场规模将增至163亿美元。纵观移动通信射频滤波器产业链，关键上游原材料主要包括两大一类是压电晶片（SAW常用的压电材料有钽酸锂、铌酸锂等，FBAR常用的压电材料有氮化铝等），另一类是陶瓷基板，上游材料产业链主要集中在日本。

中游是设备制造部门，主要在日本和美国。下游市场主要受智能手机、VR设备、车载终端等移动智能终端需求带动。其中，RF滤波器在智能手机中的使用量最大，应用公司主要在中国。

4 用于射频滤波器的压电材料

4.1个钽酸锂晶体

钽酸锂（简称LT）是一种三方晶系化学晶体，化学式LiTaO3，作为一种非线性光学材料，其应用范围非常广泛。 LT因其优异的非线性光学效应、压电效应和光折变效应被广泛应用于高频宽带滤波器、二次谐波发生器、电光调Q元件、激光倍频器等。用途广泛。

在射频滤波器领域，由于其优异的压电性能，被广泛用作SAW滤波器的基板材料，特别是在3GHz以下频率的SAW器件基板的制造中，没有其他材料可以取代它的地位.

4.2铌酸锂

铌酸锂（Lithium niobate，简称LN）与钽酸锂类似，也是一种三方晶系的化学晶体，具有钛铁矿结构。畸变铌酸锂晶体具有压电、铁电、光电、非线性光学、热释电等多种性能材料，在军民领域有着广泛的用途，可用于制造Q开关、光电调制等.;

掺杂一定量铁等金属杂质的LN晶体可用作全息记录介质材料、二次谐波发生器、相位光栅调制器、大规模集成光学系统、高频宽带滤光片等。在制造SAW滤波器中也被广泛用作压电基板，其消耗量仅次于LT。钽酸锂和铌酸锂晶体的制备通常采用提拉法，从熔体中直接提拉出各种截面形状的晶体。钽酸锂晶体通常由碳酸锂和氧化钽混合而成。锂晶体的制备通常以碳酸锂和五氧化二铌为原料。

4.3 氮化铝

氮化铝 (AlN) 是一种具有六方纤锌矿结构的共价键化合物。通常呈灰色或灰白色，具有导热率高、高温绝缘、介电性能好、高温下材料强度高、热膨胀系数低等优点。 AlN 在射频滤波器中有两种应用。其中之一是作为压电薄膜用于制造薄膜体声学滤波器（FBAR）。

由于AlN沿c轴取向具有明显的压电效应，通过在电极材料上制备具有优先c轴取向的AlN薄膜，可以获得高性能的薄膜体声波器件。 AlN薄膜的制备通常采用金属化合物气相沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射等方法。另一方面，应用场景为高温耐热陶瓷，用作射频滤波器的基板。 AlN导热系数高钽酸锂晶体用途，比氧化铝陶瓷高5倍以上，膨胀系数低，与硅的性能一致。以氮化铝陶瓷为主要原料制成的基板具有高导热、低膨胀系数、高强度、耐腐蚀等特点，是理想的散热基板和封装材料。氮化铝粉末的制备方法很多。目前国内外主要研究方法有以下几种：铝粉直接氮化、Al2O3碳热还原法、自蔓延高温合成法、溶胶-凝胶法、等离子体化学合成法、化学气相沉积法等。 .氮化铝粉末在制备过程中容易氧化水解，影响产品的纯度和质量。因此，采取适当的措施抑制和防止其氧化和水解成为氮化铝粉体制备技术及未来研究的重要环节。的关键。

其他多种压电材料也可用于制造射频滤波器，包括石英、铌酸钾、四硼酸锂、锗酸锶镓和镧镓系列等。随着人们的不断探索，各种压电材料性能优异的晶体也不断探索和开发，但现阶段，钽酸锂和铌酸锂仍是制造声表面波滤波器使用最多的压电材料，而用于制造FBAR的压电材料用量仍是最大的。 最大的是氮化铝。其中，石英是最早用于制造声表面波滤波器的压电晶体，但由于自身机电耦合系数的限制，难以应用于高频和宽带射频滤波器，已逐渐被淘汰。

5 射频滤波器用压电材料的发展现状

LT和LN晶体较大的压电系数可以使SAW滤波器具有低插入损耗，但它们的透光性和高热释电特性也给SAW器件的制造过程带来很多不便。在SAW或BAW器件的生产过程中，较高的热释电系数使得晶圆表面容易形成大量的静电荷，这些电荷会在叉指电极之间和晶圆之间自发释放。当静电场足够高时，静电电荷的释放很容易损坏晶圆并烧毁叉指电极，特别是在制作高频和细指产品时。此外，在传统的压电晶圆上进行光刻工艺时，材料的透光率会导致晶圆背面的漫散射，从而降低光刻电路的对比度并导致线宽失真。针对SAW器件制造中存在的这些问题，近年来国际上出现了LN和LT晶圆的化学还原工艺。加工后的LN和LT晶圆基本都是黑色的，所以也被称为黑芯片。 LT黑色芯片虽然可以有效降低芯片的热释电效应，但过黑的LT芯片会影响SAW滤波器的插入损耗，容易导致芯片的可加工性变差。晶圆的电阻率在1010Ω·cm范围内，可以同时兼顾晶圆加工性和抗静电损伤的特点。与氧化铝陶瓷基板相比，由于生产工艺要求高、价格高等因素，现阶段氮化铝陶瓷基板的应用范围比较窄，主要应用于高端电子产品。但随着电子信息产业技术的不断升级，PCB基板的小型化、功能集成化已成为趋势，市场对基板的散热和耐高温要求不断提高。氮化铝陶瓷基板发展将迎来机遇，将在通讯、消费电子、LED、轨道交通、新能源等领域得到应用。

目前，日本是世界上主要生产LT和LN晶体的国家。日本住友化学株式会社、信越化学工业株式会社等许多大型日本公司都在大规模生产LT和LN晶体。 AlN的主要制造商也集中在日本，如京瓷和TDK。目前，日本在射频滤波器用压电材料的制备和生产方面处于领先地位，在技术工艺水平、产品质量和产量等方面均处于领先地位。与压电晶体类似，日本企业在国际氮化铝陶瓷基板市场上也有垄断地位，台湾也有一定的生产能力。随着我国电子信息产业的快速发展和技术水平的不断提高，国内市场对射频滤波器的需求量迅速上升。在市场的带动下，进入该行业的企业开始增多。射频滤波器产业链的整体结构非常复杂，材料、曝光、光刻、工艺参数等方面的细微变化都会极大地影响产品性能。为了最大限度地保证最佳设计效果，国外领先企业大多采用IDM（Integrated Device Manufacturing）模式，具备器件设计、材料制备、晶圆和基板制造、封装和可靠性测试等能力。此外，国际厂商在过滤器的制造过程控制和知识产权方面也处于领先地位。以LT和LN晶体的发明专利为例，在世界专利总数排名前15位的公司中，日本公司有9家。公司，而中国公司只有一家。因此，国内企业应加大创新和研发投入，合理配置专利，建立完整、系统的知识产权战略体系。现阶段我国射频滤波器生产技术基础薄弱。国内厂商在宽槽牺牲层材料平面化、超薄减薄抛光、Mo薄膜小角度干法刻蚀、高精度/高取向高均匀性压电等各种核心制造方法上还不够完善薄膜制备。技术，难以进行规模化生产加工，或产品批次一致性差，需要大量的研发投入和技术探索。

据不完全统计，2019年我国钽酸锂单晶产量约为23万吨。国内能生产射频滤波器用压电材料的厂家主要有中国电力26、浙江天通、上海兆业、德清华盈等。

6 结论

据了解，中国电科26生产的钽酸锂和铌酸锂晶体，虽然晶体的黑化、还原等高端技术仍不及日本企业，仍需进口在一些特殊的应用环境中。在移动通信领域，其产能基本可以满足公司自有射频滤波器产品的制造需求。这说明随着我国产业升级转型，射频滤波器用压电材料的产能也在逐步提升。

包括射频滤波器在内的半导体行业正经历一个历史性的困难阶段。新型冠状病毒肺炎疫情也导致SAW滤波器价格上涨和供应短缺。在国产化替代需求和国家政策推动下钽酸锂晶体用途，国内射频滤波器企业也奏响了自主可控的旋律，聚焦关键材料。黑化还原剂设计、压电晶片有限元分析和高Q值结构、复合膜结构层应力补偿等核心技术取得突破，尽快实现弯道超车。