基于CMOS工藝的高性能射頻濾波器：體聲波濾波器BAW

BAW 諧振器的性能還會受材料的其他幾種參數的間接影響。如果壓電材料有較高的熱傳導率，這將有助于提高濾波器處理大功率信號的能力。AlN是一種良好的熱導 體。考慮到濕潤環境下器件的可靠性，材料的化學穩定性也是一個問題。ZnO的化學性質不穩定，而AlN則非常穩定，甚至在最烈性的酸中也難以被腐蝕。還有 一個需要優化的參數就是壓電層的擊穿電壓。這與介質材料的能帶隙有關，此外還與淀積材料的缺陷密度有關。

在工業應用中決定用何種壓電材料 時，還有其他幾個問題要考慮。淀積設備應該是成熟而且可靠的。BAW很可能將在半導體廠內制作，這時會有一些嚴重的污染問題。在一個CMOS制造廠內， 鋅、鉛、鋯都是極度危險的材料，因為在半導體器件中，它們會嚴重降低載流子壽命。與ZnO和PZT相比，使用A1N則沒有污染問題。應用于A1N的淀積設 備已經有多家著名的半導體設備供應商可以提供，而用于ZnO的設備還做不到，用于PZT的就更沒有。盡管從理論上看AlN不是制作BAW的理想材料，但目 前從性能和制造兩方面看，它卻是最好的折衷。要做到較大的耦合系數，或者至少在某些應用中有足夠的耦合，這可能還需要幾年的改進。良好而且可靠的耦合系數 是進一步研究BAW器件其他各種效應的先決條件。糟糕的耦合通常伴隨很糟的品質因數。如果Q值低于100~200，那么有很多嚴重的問題將不能被研究清 楚。最可能的情況是，一個原型BAW諧振器會出現一些附加的諧振，這些附加的諧振不能用一維理論來解釋。這些寄生模態會嚴重破壞通帶的平坦。更糟的情 況中，這些寄生模態可能太強，以致沒辦法通過電測量來提取材料參數。有一些寄生模態與器件的側向效應有關，可以通過適當的設計來改善。還有一些寄生模態與 層堆本身有關，這需要對相關頻率下在層堆中傳播的各種模態進行透徹的研究。

就算原型BAW諧振器呈現了期望的性能，還有一些更困難的問題需 要解決。BAW的諧振頻率是由壓電層以及鄰近各層的厚度決定的。典型的移動電話中的濾波器要求諧振頻率的誤差在0.1%附近，這要求壓電層和各電極層的厚 度誤差也在這個范圍內。半導體工藝中使用的標準工具一般只能提供5%的精度，不能滿足這么高的容差要求。就算通過改進，各次流片間的變動可以符合更高的要 求，但如何保證晶片厚度的一致還是一個要解決的大問題。

單片集成還是混合集成

過去五年， 一直在討論移動電話中的構成模塊應該向單片集成的片上系統（SOC）發展，還是應該向混合集成單封裝系統（SIP）發展。這個討論至今沒有定論，是 否會有一個清晰的趨勢也不確定。要做出有價值的判斷，需要考慮到很多技術和商業因素。對于BAW，情況也是這樣。BAW可以單片集成到BiCMOS工藝 上。相對沒有BAW而言，在RF-CMOS工藝的頂部采用BAW做射頻濾波器使得單片移動電話大大地接近了現實。要將BAW集成到IC工藝中有幾個方 面需要考慮：

組合工藝所需的光刻步驟是IC工藝和BAW各自所需的總和，聲學層步驟不能用于金屬互連步驟，反之亦然。

組合工藝的成品率會比各工藝各自的成品率低很多。
組合工藝中，單位硅面積的花費會增加。一片相對大的集成電路與一個小的BAW濾波器在組合工藝中整合，其花費將比用分別的工藝制作的相應芯片高昂得多。

對典型尺寸為0.5mm2的BAW芯片來說，裝配上的花費可能比它在硅面積上的花費還高很多。在有的情況下，由于省下了裝配費用，單片集成的方案會更有利。

針對IC的封裝技術不一定適用于BAW，因為它需要在諧振器的頂部有空腔。有腔封裝也會更貴一些。與需要密閉封裝的SAW濾波器相比，BAW器件僅需要一個空腔。由于它允許用塑封材料替代陶瓷，因而從封裝成本看這是一個很大的優勢。

采用SOC的方案后，設計靈活性會急劇下降。
小型化：SOC方案在尺寸上的優勢是難以動搖的，除非SIP中各芯片采用了真正的三維堆疊技術。

由于顯然的原因，可以從主要供應商處得到的最初期的BAW產品都是單獨的BAW濾波器或混合模塊。盡管單片集成對于某些特殊的產品可能更有利，但目前還不太可能很快成為主流。

BAW濾波器的建模和設計

不 同應用中射頻濾波器的指標可能差異相當大。因而設計流程的簡便和快捷是一個重要的優點。一些設計要求極低的插入損耗和良好的阻抗匹配，而另一些設計對阻帶 衰減的要求才是首位的。對BAW器件的建模可以基于不同的層次。基本物理層模型需要進行三維的互相耦合的電、聲模擬，這實際上不可能用公式表示并解析地解 出結果。有限元方法（FEM）原則上可以用來解決這個問題，但非常困難，至今還幾乎沒有相關的實踐。

在物理層上，BAW可得以有效的模型 化。物理層模型采用一維的聲學和（壓電）電學方程來描述層堆中的壓力場和諧振器電端口上的電阻抗。這種模擬對于層堆的優化和材料參數的提取都極其重要。諧 振器的這種一維模型被稱為Mason模型。在開發BAW諧振器時，這種模型是最重要的，但對于BAW濾波器的設計和系統級仿真而言，這種模型顯得過于復 雜。工作正常的BAW諧振器可以用所謂的緊湊（或更高級）模型來模擬，這種緊湊模型使用一個被稱為Butterworth-van-Dyke模型的簡 單等效電路。

在不考慮導線上的寄生效應時，BAW的等效電路與為人熟知的Butterworth-van-Dyke模型是一致的，這個模型最初是為石英晶體發明的。