基于CMOS工艺的高性能射频滤波器：体声波滤波器BAW

BAW 谐振器的性能还会受材料的其他几种参数的间接影响。如果压电材料有较高的热传导率，这将有助于提高滤波器处理大功率信号的能力。AlN是一种良好的热导 体。考虑到湿润环境下器件的可靠性，材料的化学稳定性也是一个问题。ZnO的化学性质不稳定，而AlN则非常稳定，甚至在最烈性的酸中也难以被腐蚀。还有 一个需要优化的参数就是压电层的击穿电压。这与介质材料的能带隙有关，此外还与淀积材料的缺陷密度有关。

在工业应用中决定用何种压电材料 时，还有其他几个问题要考虑。淀积设备应该是成熟而且可靠的。BAW很可能将在半导体厂内制作，这时会有一些严重的污染问题。在一个CMOS制造厂内， 锌、铅、锆都是极度危险的材料，因为在半导体器件中，它们会严重降低载流子寿命。与ZnO和PZT相比，使用A1N则没有污染问题。应用于A1N的淀积设 备已经有多家著名的半导体设备供应商可以提供，而用于ZnO的设备还做不到，用于PZT的就更没有。尽管从理论上看AlN不是制作BAW的理想材料，但目 前从性能和制造两方面看，它却是最好的折衷。要做到较大的耦合系数，或者至少在某些应用中有足够的耦合，这可能还需要几年的改进。良好而且可靠的耦合系数 是进一步研究BAW器件其他各种效应的先决条件。糟糕的耦合通常伴随很糟的品质因数。如果Q值低于100~200，那么有很多严重的问题将不能被研究清 楚。最可能的情况是，一个原型BAW谐振器会出现一些附加的谐振，这些附加的谐振不能用一维理论来解释。这些寄生模态会严重破坏通带的平坦。更糟的情 况中，这些寄生模态可能太强，以致没办法通过电测量来提取材料参数。有一些寄生模态与器件的侧向效应有关，可以通过适当的设计来改善。还有一些寄生模态与 层堆本身有关，这需要对相关频率下在层堆中传播的各种模态进行透彻的研究。

就算原型BAW谐振器呈现了期望的性能，还有一些更困难的问题需 要解决。BAW的谐振频率是由压电层以及邻近各层的厚度决定的。典型的移动电话中的滤波器要求谐振频率的误差在0.1%附近，这要求压电层和各电极层的厚 度误差也在这个范围内。半导体工艺中使用的标准工具一般只能提供5%的精度，不能满足这么高的容差要求。就算通过改进，各次流片间的变动可以符合更高的要 求，但如何保证晶片厚度的一致还是一个要解决的大问题。

单片集成还是混合集成

过去五年， 一直在讨论移动电话中的构成模块应该向单片集成的片上系统（SOC）发展，还是应该向混合集成单封装系统（SIP）发展。这个讨论至今没有定论，是 否会有一个清晰的趋势也不确定。要做出有价值的判断，需要考虑到很多技术和商业因素。对于BAW，情况也是这样。BAW可以单片集成到BiCMOS工艺 上。相对没有BAW而言，在RF-CMOS工艺的顶部采用BAW做射频滤波器使得单片移动电话大大地接近了现实。要将BAW集成到IC工艺中有几个方 面需要考虑：

组合工艺所需的光刻步骤是IC工艺和BAW各自所需的总和，声学层步骤不能用于金属互连步骤，反之亦然。

组合工艺的成品率会比各工艺各自的成品率低很多。
组合工艺中，单位硅面积的花费会增加。一片相对大的集成电路与一个小的BAW滤波器在组合工艺中整合，其花费将比用分别的工艺制作的相应芯片高昂得多。

对典型尺寸为0.5mm2的BAW芯片来说，装配上的花费可能比它在硅面积上的花费还高很多。在有的情况下，由于省下了装配费用，单片集成的方案会更有利。

针对IC的封装技术不一定适用于BAW，因为它需要在谐振器的顶部有空腔。有腔封装也会更贵一些。与需要密闭封装的SAW滤波器相比，BAW器件仅需要一个空腔。由于它允许用塑封材料替代陶瓷，因而从封装成本看这是一个很大的优势。

采用SOC的方案后，设计灵活性会急剧下降。
小型化：SOC方案在尺寸上的优势是难以动摇的，除非SIP中各芯片采用了真正的三维堆叠技术。

由于显然的原因，可以从主要供应商处得到的最初期的BAW产品都是单独的BAW滤波器或混合模块。尽管单片集成对于某些特殊的产品可能更有利，但目前还不太可能很快成为主流。

BAW滤波器的建模和设计

不 同应用中射频滤波器的指标可能差异相当大。因而设计流程的简便和快捷是一个重要的优点。一些设计要求极低的插入损耗和良好的阻抗匹配，而另一些设计对阻带 衰减的要求才是首位的。对BAW器件的建模可以基于不同的层次。基本物理层模型需要进行三维的互相耦合的电、声模拟，这实际上不可能用公式表示并解析地解 出结果。有限元方法（FEM）原则上可以用来解决这个问题，但非常困难，至今还几乎没有相关的实践。

在物理层上，BAW可得以有效的模型 化。物理层模型采用一维的声学和（压电）电学方程来描述层堆中的压力场和谐振器电端口上的电阻抗。这种模拟对于层堆的优化和材料参数的提取都极其重要。谐 振器的这种一维模型被称为Mason模型。在开发BAW谐振器时，这种模型是最重要的，但对于BAW滤波器的设计和系统级仿真而言，这种模型显得过于复 杂。工作正常的BAW谐振器可以用所谓的紧凑（或更高级）模型来模拟，这种紧凑模型使用一个被称为Butterworth-van-Dyke模型的简 单等效电路。

在不考虑导线上的寄生效应时，BAW的等效电路与为人熟知的Butterworth-van-Dyke模型是一致的，这个模型最初是为石英晶体发明的。