内容简介
《高频宽带体声波滤波器技术》共8章。第1章介绍滤波器的发展史，着重分析射频滤波器的种类及体声波滤波器的研发进展。第2章和第3章从体声波滤波器的物理基础出发，基于声波的传输理论与材料的压电理论推导出器件仿真模型，并以两款体声波滤波器的设计案例介绍设计方法的应用，展现关键影响因素在设计过程中的调整规律。第4～6章依次介绍了AlN薄膜的制备与表征方法、体声波滤波器的关键制备工艺与封装技术，结合《高频宽带体声波滤波器技术》作者团队的研究成果，表明了单晶AlN体声波滤波器(SABAR)技术路线较多晶AlN路线的优势。第7章着重介绍体声波滤波器在民用通信、国防、传感及医学领域的应用。第8章分析与展望了体声波滤波器的前沿技术，涉及SABAR滤波器、温度补偿型体声波滤波器、四工器、XBAR、YBAR等。
精彩书摘
第1章滤波器的发展史
1.1引言伴随社会经济的发展，人类对通信方式的要求越来越高。随着智能科技的快速迭代，无线通信技术得到了巨大的发展，无线通信技术改变了人类传统的通信方式，极大地缩短了信息传递和接收的时间。用户数量日益增多，互联网与通信技术也随之迅速发展，社会对其速度和可靠性提出了更高要求。在21世纪的现代社会，无线电磁波通信技术与电力技术一样，已成为人类生活不可或缺的一环。随着生产力的发展，信息数据吞吐量经历了飞跃式的增长，而人们对高速可靠的通信需求也在日益增长，无论是消费者还是企业都期盼着能够随时随地得到高速率与高可靠性的网络服务。社会也需要更加可靠便捷的网络来提高制造业效率。对于无线运营商而言，需要在满足日趋激增的数据吞吐量需求的同时，降低通信成本，以拓展更多的业务模式和营收模式。因此，在新一轮通信技术变革中，无线运营商需要做出更大的努力来降低通信成本、扩大业务规模[1]。
目前移动通信和无线局域网(wireless local area network，WLAN)的典型架构包括天线、开关、滤波器、功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)和数模转换器(D/A)等。图1.1所示的系统框图代表了一个射频前端收发器，它包括发射电路和接收电路，两者共用同一个天线进行通信。在这个系统中，输入信号可以是声音或者计算机产生的数字信号。如果输入信号是声音，比如在移动电话中的情况，则*先将其转换为数字模式，以便在数字领域进行处理。经过数字处理后，信号可能会被压缩以减少传输时间，并且采用适当的编码方式来降低噪声干扰和传输误码的风险。在发射过程中，经过处理的数字信号会通过发射电路转换成相应的射频信号，并通过天线传输到空间中。而在接收过程中，天线接收到射频信号后，接收电路会将其转换回数字信号，并经过解码和解压缩的过程，使得原始信息能够被恢复出来。整个过程中，适当的编码和解码方法、压缩算法以及抗噪声技术起着重要的作用，可以有效地提高通信质量和可靠性[3，4]。
在通信系统中，输入信号经过数字处理后，可以被转换成模拟形式以便传输。为了实现这一转换，我们使用数–模转换电路，将数字信号转换为低频的模拟信号。同时，本地振荡器产生高频的载波信号，这个载波信号与低频模拟信号进行混频操作。通过混频，将模拟信号与载波信号相结合，形成一个新的混频信号。混频信号经过功率放大器进行放大，以增强信号的强度，放大后的信号通过天线发送到自由空间，天线起着将编码处理后的信息转化为电磁波并向外传播的关键作用。通过以上过程，我们能够将经过数字处理和模拟转换的信息以电磁波的形式传输到自由空间中[3，4]。
无线通信是一种重要的信息传输方式，它利用射频电磁波将信号传输到远距离的地方。在实际的通信过程中，需要使用各种射频器件来处理电信号。调制器可以将信号调制到合适的载波上，滤波器可以过滤掉不需要的频段，放大器可以增强信号的强度，双工器可以实现双向通信。这些器件共同协作以确保信号的有效传输。随着移动通信技术的快速发展，第五代(5G)通信已成为当今的热门研究领域以及惠及万家的国民技术。5G通信采用的通信频段达到了3GHz以上，其中包括诸如N78和N79等频段。以中国电信和中国联通为例，它们在3400～3600MHz的频段内提供5G服务。这些频段属于高频段，传输的信号更为复杂和快速。在手机处理这些高频段的5G信号时，滤波器起到了至关重要的作用。滤波器能够根据信号的频率特性，允许特定频段的信号通过，同时阻隔其他频段的干扰。这样，移动终端可以准确地提取出当前信号传输信道所对应的频段，确保信息传递的准确性和稳定性。
为了实现5G移动通信技术的高效信息传递，我们需要开发出低损耗、高性能的射频滤波器。这样的滤波器能够在高频段下工作，并且能够有效地过滤掉干扰信号，同时保持较低的信号损耗。这对于提高信号传输质量和扩展通信范围至关重要。
随着智能移动终端设备的面世，便携性和小型化成为产品设计中的重要考虑因素。移动终端设备的功能差异性不断发展，与之对立的是手机主板的承载容量与各功能模块的丰富度之间的矛盾。这使得更多的模组和芯片需求必然会与纤薄化移动终端设备机身设计的要求产生冲突。为了解决这一矛盾，一个有效的方式是针对移动终端设备中的器件和前端模组进行集成化加工[5]。通过集成工艺，可以将多个分立组件整合为集成电路，从而减小整体体积。同时，集成工艺拥有更好的可靠性和稳定性，能够提高产品的质量和性能。在集成化加工中，互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)技术等工艺可用于射频滤波器的制造。射频滤波器在移动终端设备中起到了非常重要的作用，能够过滤掉不需要的频段，确保信号的有效传输。然而，目前射频滤波器大多仍采用贴片安装的形式焊接在印刷电路板(printed circuit board，PCB)上，这在主板中占用了较多的空间资源，限制了移动终端设备的体积
目录
目录
《半导体科学与技术丛书》出版说明
序
前言
第1章 滤波器的发展史 1
1.1 引言 1
1.2 射频滤波器的特性及分类 6
1.2.1 腔体滤波器 12
1.2.2 介质滤波器 13
1.2.3 LC滤波器 14
1.2.4 IPD滤波器 17
1.2.5 低温共烧陶瓷滤波器 20
1.2.6 声表面波滤波器 22
1.2.7 体声波滤波器 26
1.3 现代通信对射频滤波器的要求 31
1.3.1 高频化 31
1.3.2 宽带化 32
1.3.3 集成化 33
1.4 体声波滤波器的研发进展 35
1.4.1 国内外研发进展 35
1.4.2 产业化进程 36
参考文献 38
第2章 体声波滤波器的物理基础 43
2.1 固体中的振动与波 43
2.1.1 不同介质中的声波传输 43
2.1.2 固体声波与胡克定律 44
2.2 普通弹性体的平面声波传输理论 46
2.2.1 弹性体的基本声学方程 46
2.2.2 弹性体的基本平面声波方程 48
2.2.3 各向同性介质的平面声波 50
2.3 压电体的平面声波传输理论 51
2.3.1 压电效应 51
2.3.2 压电方程 53
2.3.3 压电介质中的平面声波 55
2.3.4 理想体声波谐振器的平面声波.58
2.4 体声波谐振器的电学特性 61
2.4.1 理想体声波谐振器的电学阻抗特性 61
2.4.2 理想体声波谐振器中的谐振频率分析 63
2.4.3 复合体声波谐振器的电学阻抗特性 64
2.5 体声波谐振器的损耗 67
2.5.1 机械损耗 67
2.5.2 电学损耗 68
2.6 体声波滤波器的材料体系 68
2.6.1 金属材料 69
2.6.2 电介质材料 71
2.6.3 压电材料 71
参考文献 74
第3章 体声波滤波器的理论模型及设计方法 75
3.1 体声波谐振器的等效电路模型 75
3.1.1 BVD模型 75
3.1.2 MBVD模型 78
3.1.3 Mason模型 81
3.2 体声波谐振器的二维/三维仿真模型 86
3.2.1 常用的电磁仿真方法及软件 86
3.2.2 COMSOL有限元仿真 93
3.2.3 ANSYS HFSS有限元仿真 98
3.3 体声波滤波器的拓扑结构 104
3.3.1 梯型结构 105
3.3.2 网格型结构 107
3.3.3 混合型结构 108
3.4 体声波滤波器的设计方法 108
3.4.1 体声波滤波器设计流程 108
3.4.2 体声波滤波器设计验证方法 109
3.5 体声波谐振器及滤波器性能的关键影响因素 115
3.5.1 电极与压电薄膜厚度比 117
3.5.2 有效机电耦合系数 122
3.5.3 级联方式及阶数 125
3.5.4 被动元件的引入 130
3.6 滤波器的设计案例 136
3.6.1 Band 40频段滤波器设计 136
3.6.2 N79频段滤波器设计 140
参考文献 144
第4章 AlN薄膜的制备与表征方法.148
4.1 AlN薄膜的制备方法 148
4.1.1 磁控溅射 148
4.1.2 脉冲激光沉积 152
4.1.3 分子束外延 160
4.1.4 金属有机化学气相沉积 168
4.1.5 两步生长法 179
4.1.6 物理气相传输法 180
4.1.7 其他制备方法 185
4.2 单晶AlN薄膜制备的研究现状 194
4.2.1 高温生长技术 194
4.2.2 多步 AlN 层设计 196
4.2.3 迁移增强技术 198
4.2.4 横向外延生长技术 201
4.3 单晶AlN薄膜体声波滤波器的优势 207
4.4 体声波滤波器单晶AlN薄膜的需求 214
4.4.1 残余应力与翘* 214
4.4.2 晶体质量 217
4.4.3 表面均匀性 219
4.5 体声波滤波器中单晶AlN薄膜的表征方法 222
4.5.1 压电系数 222
4.5.2 X射线衍射 225
4.5.3 原子力显微镜 228
4.5.4 膜厚分析 230
4.5.5 应力分析 234
参考文献 236
第5章 体声波滤波器的关键制备工艺 252
5.1 滤波器工艺流程概述 253
5.1.1 空气隙型体声波滤波器工艺流程 256
5.1.2 背硅刻蚀型体声波滤波器工艺流程 259
5.1.3 固态装配型体声波滤波器工艺流程 262
5.2 滤波器光刻工艺 264
5.2.1 光刻工艺概述 264
5.2.2 光刻工艺的发展历程 266
5.2.3 光刻工艺的基本流程 267
5.2.4 双面图形对准技术 269
5.2.5 金属电极的图形化技术 271
5.3 滤波器刻蚀工艺 273
5.3.1 刻蚀工艺概述 273
5.3.2 干法刻蚀工艺 274
5.3.3 空腔刻蚀工艺 276
5.3.4 深硅刻蚀工艺 277
5.3.5 薄膜修整工艺 279
5.4 滤波器键合工艺 281
5.4.1 键合工艺概述 281
5.4.2 金硅共晶键合工艺 283
5.4.3 低温富锡金键合工艺 285
参考文献 286
第6章 体声波滤波器的封装技术 289
6.1 CSP 封装技术 289
6.1.1 CSP 封装概
试读
第1章滤波器的发展史
1.1引言伴随社会经济的发展，人类对通信方式的要求越来越高。随着智能科技的快速迭代，无线通信技术得到了巨大的发展，无线通信技术改变了人类传统的通信方式，极大地缩短了信息传递和接收的时间。用户数量日益增多，互联网与通信技术也随之迅速发展，社会对其速度和可靠性提出了更高要求。在21世纪的现代社会，无线电磁波通信技术与电力技术一样，已成为人类生活不可或缺的一环。随着生产力的发展，信息数据吞吐量经历了飞跃式的增长，而人们对高速可靠的通信需求也在日益增长，无论是消费者还是企业都期盼着能够随时随地得到高速率与高可靠性的网络服务。社会也需要更加可靠便捷的网络来提高制造业效率。对于无线运营商而言，需要在满足日趋激增的数据吞吐量需求的同时，降低通信成本，以拓展更多的业务模式和营收模式。因此，在新一轮通信技术变革中，无线运营商需要做出更大的努力来降低通信成本、扩大业务规模[1]。
目前移动通信和无线局域网(wireless local area network，WLAN)的典型架构包括天线、开关、滤波器、功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)和数模转换器(D/A)等。图1.1所示的系统框图代表了一个射频前端收发器，它包括发射电路和接收电路，两者共用同一个天线进行通信。在这个系统中，输入信号可以是声音或者计算机产生的数字信号。如果输入信号是声音，比如在移动电话中的情况，则*先将其转换为数字模式，以便在数字领域进行处理。经过数字处理后，信号可能会被压缩以减少传输时间，并且采用适当的编码方式来降低噪声干扰和传输误码的风险。在发射过程中，经过处理的数字信号会通过发射电路转换成相应的射频信号，并通过天线传输到空间中。而在接收过程中，天线接收到射频信号后，接收电路会将其转换回数字信号，并经过解码和解压缩的过程，使得原始信息能够被恢复出来。整个过程中，适当的编码和解码方法、压缩算法以及抗噪声技术起着重要的作用，可以有效地提高通信质量和可靠性[3，4]。
在通信系统中，输入信号经过数字处理后，可以被转换成模拟形式以便传输。为了实现这一转换，我们使用数–模转换电路，将数字信号转换为低频的模拟信号。同时，本地振荡器产生高频的载波信号，这个载波信号与低频模拟信号进行混频操作。通过混频，将模拟信号与载波信号相结合，形成一个新的混频信号。混频信号经过功率放大器进行放大，以增强信号的强度，放大后的信号通过天线发送到自由空间，天线起着将编码处理后的信息转化为电磁波并向外传播的关键作用。通过以上过程，我们能够将经过数字处理和模拟转换的信息以电磁波的形式传输到自由空间中[3，4]。
无线通信是一种重要的信息传输方式，它利用射频电磁波将信号传输到远距离的地方。在实际的通信过程中，需要使用各种射频器件来处理电信号。调制器可以将信号调制到合适的载波上，滤波器可以过滤掉不需要的频段，放大器可以增强信号的强度，双工器可以实现双向通信。这些器件共同协作以确保信号的有效传输。随着移动通信技术的快速发展，第五代(5G)通信已成为当今的热门研究领域以及惠及万家的国民技术。5G通信采用的通信频段达到了3GHz以上，其中包括诸如N78和N79等频段。以中国电信和中国联通为例，它们在3400～3600MHz的频段内提供5G服务。这些频段属于高频段，传输的信号更为复杂和快速。在手机处理这些高频段的5G信号时，滤波器起到了至关重要的作用。滤波器能够根据信号的频率特性，允许特定频段的信号通过，同时阻隔其他频段的干扰。这样，移动终端可以准确地提取出当前信号传输信道所对应的频段，确保信息传递的准确性和稳定性。
为了实现5G移动通信技术的高效信息传递，我们需要开发出低损耗、高性能的射频滤波器。这样的滤波器能够在高频段下工作，并且能够有效地过滤掉干扰信号，同时保持较低的信号损耗。这对于提高信号传输质量和扩展通信范围至关重要。
随着智能移动终端设备的面世，便携性和小型化成为产品设计中的重要考虑因素。移动终端设备的功能差异性不断发展，与之对立的是手机主板的承载容量与各功能模块的丰富度之间的矛盾。这使得更多的模组和芯片需求必然会与纤薄化移动终端设备机身设计的要求产生冲突。为了解决这一矛盾，一个有效的方式是针对移动终端设备中的器件和前端模组进行集成化加工[5]。通过集成工艺，可以将多个分立组件整合为集成电路，从而减小整体体积。同时，集成工艺拥有更好的可靠性和稳定性，能够提高产品的质量和性能。在集成化加工中，互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)技术等工艺可用于射频滤波器的制造。射频滤波器在移动终端设备中起到了非常重要的作用，能够过滤掉不需要的频段，确保信号的有效传输。然而，目前射频滤波器大多仍采用贴片安装的形式焊接在印刷电路板(printed circuit board，PCB)上，这在主板中占用了较多的空间资源，限制了移动终端设备的体积
