Tunnfilm bulk akustisk resonator

En tunnfilms bulk akustisk resonator (FBAR eller TFBAR) är en anordning som består av ett piezoelektriskt material tillverkat med tunnfilmsmetoder mellan två ledande – typiskt metalliska – elektroder och akustiskt isolerad från det omgivande mediet. Operationen är baserad på piezoelektriciteten hos piezoskiktet mellan elektroderna.

Grundläggande FBAR-struktur

FBAR-enheter som använder piezoelektriska filmer med tjocklekar från flera mikrometer ner till tiotals mikrometer resonerar i frekvensområdet 100 MHz till 20 GHz. FBAR eller TFBAR resonatorer faller i kategorin bulk akustiska resonatorer (BAW) och piezoelektriska resonatorer och de används i applikationer där hög frekvens, liten storlek och vikt behövs.

Piezoelektricitet i tunna filmer

Den kristallografiska orienteringen av en tunn film beror på det valda piezomaterialet och många andra föremål som ytan på vilken filmen odlas och olika tillverkningsförhållanden - tunnfilmstillväxt - förhållanden (valda temperaturer, tryck, använda gaser, vakuumförhållanden etc.).

Alla material som blyzirkonattitanat (PZT) eller bariumstrontiumtitanat (BST) från listan över piezoelektriska material kan fungera som ett aktivt material i en FBAR. Men två sammansatta material aluminiumnitrid (AlN) och zinkoxid (ZnO) är de två mest studerade piezoelektriska materialen som tillverkas för högfrekventa FBAR-förverkliganden. Detta beror på det faktum att egenskaper som stökiometri hos två sammansatta material kan vara lättare att kontrollera jämfört med tre sammansatta material tillverkade med tunnfilmsmetoder. Till exempel är det känt att tunnfilm ZnO med C-axeln för kristallstrukturen ( kristallin Z-axel) vinkelrät mot substratytan exciterar longitudinella (L) vågor. Skjuvvågor (tvärgående) (S) exciteras om filmkristallstrukturens C-axel lutar 41º. Det är också möjligt – beroende på filmens kristallstruktur – att båda vågorna (L & S) exciteras. Därför är förståelsen och kontrollen av kristallstrukturen hos den tillverkade piezoelektriska filmen avgörande för driften av FBAR.

För högfrekventa ändamål som filtrering av signaler är energiomvandlingseffektiviteten den viktigaste punkten och därför är longitudinella (L) vågor gynnade och inriktade på att användas. För avkännings- och aktiveringsändamål kan den strukturella deformationen vara viktigare än energiomvandlingseffektiviteten och skjuvningsvågsexcitering kommer att vara målet för tillverkningen av den piezoelektriska filmen.

Trots den lägre elektromekaniska kopplingskoefficienten jämfört med zinkoxid, har aluminiumnitrid, med ett bredare bandgap, blivit det mest använda materialet i industriella applikationer, som kräver en bred bandbredd vid signalbehandling. Kompatibilitet med den integrerade kiselkretsteknologin har stödt AlN i FBAR-resonatorbaserade produkter som radiofrekvensfilter, duplexer, RF-effektförstärkare eller RF-mottagarmoduler.

Piezoelektriska tunnfilmssensorer kan vara baserade på olika piezoelektriska material beroende på applikationen, men två sammansatta piezoelektriska material gynnas på grund av enkel tillverkning.

Resonerande tunnfilms bulk akustisk resonator med kvadratisk layout

Doping eller att lägga till nya material som scandium (Sc) är nya vägar för att förbättra materialegenskaperna hos AlN för FBAR. Forskning av nya elektrodmaterial eller alternativa material till aluminium som att ersätta en av metallelektroderna med mycket lätta material som grafen för att minimera belastningen av resonatorn har visat sig leda till bättre kontroll av resonansfrekvensen.

Substrat för FBAR-resonatorer och deras applikationer

FBAR-resonatorer kan tillverkas på keramiska (Al ₂ O ₃ eller aluminiumoxid), safir- , glas- eller silikonsubstrat . Kiselwafer är dock det vanligaste substratet på grund av dess skalbarhet mot masstillverkning och kompatibilitet med olika tillverkningssteg som behövs.

Under tidiga studier och experimentfasen av tunnfilmsresonatorer 1967 avdunstades kadmiumsulfid (CdS) på en resonansbit av bulkkvartskristall som fungerade som en givare som gav en Q-faktor (kvalitetsfaktor) på 5000 vid resonansfrekvensen (279 MHz) . Detta var en möjliggörare för strängare frekvenskontroll, för behov av att använda högre frekvenser och att använda FBAR-resonatorer. Med utvecklingen av tunnfilmsteknologier var det möjligt att hålla Q-faktorn tillräckligt hög, utelämna kristallen och öka resonansfrekvensen.

Bandpassfilter av stegtyp baserat på FBAR-resonatorer. Skillnaden i resonansfrekvens för resonatorerna 1 och 2 bestämmer frekvensområdet för frekvenser som ska passeras.

Användningsområden

De flesta av smartphones 2020 inkluderar minst en FBAR-baserad duplexer eller filter och vissa 4/ 5G -produkter kan till och med innehålla 20–30 funktioner baserade på FBAR-teknik, främst på grund av den ökade komplexiteten hos radiofrekvensfronten (RFFE, RF frontend) ) elektronik – både mottagar- och sändarvägar – och antenn/antennsystemet. Trender för att utnyttja RF-spektrum mer effektivt med högre frekvenser än ungefär 1,5–2,5 GHz och i vissa fall även samtidigt med ökande RF-uteffekt har stött FBAR-tekniken att bli en av de viktigaste möjliggörande teknologierna inom telekommunikationsförverkligande. FBAR-tekniken kompletterar och i vissa fall konkurrerar med ytakustisk våg (SAW)-teknik och FBAR-resonatorer kan ersätta kristaller i kristalloscillatorer och kristallfilter vid frekvenser över 100 MHz.

Sensorik är ett utvecklande område för FBAR-resonatorer och strukturer baserade på dem. Mål för att mäta och eventuellt även kontrollera små mängder material/vätskor/gas och att ersätta kristall(er) som miniatyriserats i olika avkännings- och aktiveringsuppgifter som i mikrospegeldisplayer (DMD) är under forskning och utveckling samt energiskörd av använda nanogeneratorer .

Grundläggande strukturer

Ett schematiskt tvärsnitt av den fristående FBAR-resonatorn baserat på ytmikrobearbetningsetsningen

Ett schematiskt tvärsnitt av den fristående FBAR-resonatorn baserat på bulkmikrobearbetning ( genom substratet) etsning

Per 2022 finns det två kända strukturer av tunnfilmsbulk akustiska våg (BAW) resonatorer: fristående och solidt monterade (SMR) resonatorer. I en fristående resonatorstruktur används luft för att separera resonatorn från substratet/omgivningen. Strukturen hos en fristående resonator är baserad på några typiska tillverkningssteg som används i mikroelektromekaniska system MEMS .

Ett schematiskt tvärsnitt av SMR-strukturen

I en SMR-struktur konstrueras akustiska speglar som tillhandahåller en akustisk isolering mellan resonatorn och omgivningen liksom substratet. Den akustiska spegeln (som en Bragg-reflektor ) består vanligtvis av udda totalt antal material med omväxlande hög och låg akustisk impedans . Tjockleken på spegelmaterial måste också optimeras till kvartsvåglängden för maximal akustisk reflektivitet. Grundprincipen för SMR-strukturen infördes 1965.

Schematiska bilder av tunnfilmsresonatorerna visar endast de grundläggande principerna för de potentiella strukturerna. I verkligheten kan vissa dielektriska skikt behövas som för att förstärka olika delar av strukturen. Vid behov – för att förenkla den slutliga filterlayouten i applikationen – kan resonatorstrukturer staplas t.ex. byggas ovanpå varandra som i vissa filterapplikationer. Men detta tillvägagångssätt ökar komplexiteten i tillverkningen.

Vissa prestandakrav som inställning av resonansfrekvensen kan också kräva ytterligare processsteg som jonfräsning, vilket komplicerar tillverkningsprocessen.

De senaste anvisningarna för att utveckla bättre presterande FBAR är att använda enkristall AlN istället för polykristallint AlN och att placera elektroder på samma sida av piezoskiktet.

Eftersom att förverkliga FBAR-strukturer behöver många exakta steg används simulering aktivt under designfasen för att förutsäga renheten av resonansfrekvens och annan prestanda. I den tidiga fasen av utvecklingen tillämpades och modifierades också grundläggande finita elementmetoden (FEM) baserade modelleringstekniker som används för kristaller för FBAR. Flera nya metoder som en skanningslaserinterferometri behövdes för att visualisera resonatorernas funktionalitet och hjälpa till att förbättra designen (layout och tvärsnittsstruktur av resonatorn) för att uppnå renhet i resonans och önskade resonanslägen.

Programdrivrutiner

I många applikationer utgör temperaturbeteende, stabilitet kontra tid, styrka och renhet hos den önskade resonansfrekvensen basen för prestanda för applikationer baserade på FBAR-resonatorer. Materialval, layout och design av resonatorstrukturer bidrar till resonatorprestandan och applikationens slutliga prestanda. Mekanisk prestanda och tillförlitlighet bestäms av paketeringen och strukturen hos resonatorerna i applikationerna.

Två FBAR-filter på ett mobiltelefonmoderkort trådbundet på en LCC-bärare. Dessa stegfilter består av sex FBAR-resonatorer och det nedre bandfiltret på höger sida använder icke-parallella kanter för falsk undertryckning.

En vanlig tillämpning av FBAR är radiofrekvensfilter (RF) för användning i mobiltelefoner och andra trådlösa applikationer som positionering ( GPS , Glonass , BeiDou , Galileo (satellitnavigering) etc.), Wi-Fi- system, små telekommunikationsceller och moduler för de där. Sådana filter är gjorda av ett nätverk av resonatorer (antingen i halv stege , hel stege, gitter , en kombination av gitter och stege eller staplade topologier) och är utformade för att ta bort oönskade frekvenser från att sändas i sådana enheter, samtidigt som andra specifika frekvenser som ska tas emot och sändas. FBAR-filter kan också hittas i duplexer . FBAR-filtertekniken kompletterar för ytakustiska vågor (SAW) i områden där ökad effekthanteringsförmåga och tolerans för elektrostatisk urladdning (ESD) behövs. Frekvenser över 1,5–2,5 GHz är väl lämpade för FBAR-enheter. FBAR på ett kiselsubstrat kan tillverkas i stora volymer och tillverkningen stöds av all utveckling av tillverkningsmetoder för halvledarenheter . Framtida krav för nya applikationer som filtreringsbandbredd med brant stoppbandsdämpning och lägsta möjliga insättningsförlust har effekter på resonatorprestanda och visar utvecklingssteg som behövs.

FBAR kan också användas i oscillatorer och synkronisatorer för att ersätta en kristall/kristaller i applikationer där frekvenser över 100 MHz och/eller mycket lågt jitter är ett av prestationsmålen.

FBAR kan också användas som sensorer. Till exempel, när en FBAR-enhet sätts under mekaniskt tryck kommer dess resonansfrekvens att skifta. Avkänning av fuktighet och flyktiga organiska föreningar (VOC) demonstreras genom att använda FBAR. En taktil sensoruppsättning kan också bestå av FBAR-enheter, och gravimetrisk eller massavkänning kan baseras på FBAR-resonatorer.

Som diskreta komponenter är FBAR-teknologibaserade delar som basresonatorer och filter förpackade i miniatyriserade/små formfaktorer som wafer-nivåpaket . FBAR kan också integreras med effektförstärkare (PA) eller lågbrusförstärkare (LNA) för att bilda en modullösning med tillhörande elektroniska kretsar. Även om monolitisk integrerad av FBAR:er på samma substrat med elektroniska kretsar som CMOS har visats, kräver det flera ytterligare processsteg och maskeringsskikt ovanpå IC-teknik som ökar kostnaden för lösningen. Därför har monolitiska lösningar inte utvecklats lika mycket som modullösningar i kommersiella applikationer. Typiska modullösningar är en effektförstärkare- duplexermodul (PAD), eller en lågbrusförstärkare (LNA)-filtermodul där FBAR(s) och tillhörande kretsar är förpackade i samma paket, eventuellt på ett separat modulsubstrat.

FBAR:er kan integreras i komplex kommunikation som SimpleLink-moduler för att undvika area/utrymmeskrav för en extern, förpackad kristall. Därför har FBAR-teknologi en nyckelroll i elektronikminiatyrisering, speciellt i applikationer där oscillatorer och exakta högpresterande filter behövs.

Historiskt och industriellt landskap

Resonatorer och filter/duplexer

Användningen av piezoelektriska material i elektronik började i början av 1960-talet vid Bell Telephone Laboratories/ Bell Labs , där piezoelektriska kristaller utvecklades och användes som resonatorer i applikationer som oscillatorer med frekvenser upp till 100 MHz. Förtunning användes för att öka resonansfrekvensen hos kristallerna. Men det fanns begränsningar för uttunningen av kristaller och nya metoder för tunnfilmstillverkning tillämpades i början av 1970-talet för att öka noggrannheten i resonansfrekvensen och inrikta sig på ökande tillverkningsvolymer.

TFR Technologies Inc., som grundades 1989, var ett av de banbrytande företagen inom området FBAR-resonatorer och filter mestadels för rymd- och militärapplikationer. De första produkterna levererades till kunder 1997. TFR Technologies Inc. förvärvades 2005 av TriQuint Semiconductor Inc. I början av 2015 tillkännagav RF Micro Devices (RFMD), Inc. och TriQuint Semiconductor, Inc. en sammanslagning för att bilda Qorvo active provider FBAR-baserade produkter.

HP Laboratories startade ett projekt om FBAR 1993 med inriktning på fristående resonatorer och filter. 1999 blev FBAR-verksamheten en del av Agilent Technologies Inc., som 2001 levererade 25 000 FBAR-duplexenheter för N-CDMA- telefoner. Senare under 2005 var FBAR-aktivitet på Agilent en av teknologierna från Avago Technologies Ltd., som förvärvade Broadcom Corporation 2015. 2016 bytte Avago Technologies Ltd. namn till Broadcom Inc. , som för närvarande är verksamt med att tillhandahålla FBAR-baserade produkter.

Infineon Technologies AG började arbeta med SMR-FBAR 1999 och koncentrerade sig på telekommunikationsfilter för mobila applikationer. Den första produkten levererades till Nokia Mobile Phones Ltd, som lanserade den första SMR-FBAR-baserade GSM -trebandsmobiltelefonprodukten 2001. Infineons filtergrupp FBAR (BAW) förvärvades av Avago Technologies Ltd 2008 som senare blev en del av Broadcom som beskrivits tidigare.

Efter att ha förvärvat Panasonics filtreringsverksamhet 2016 blev Skyworks Solutions en av de största aktörerna inom BAW/FBAR-enheter förutom Broadcom och Qorvo.

Efter att ha förvärvat resten av RF360 Holdings under 2019 erbjuder Qualcomm och Kyocera dessutom tunnfilmsresonatorbaserade produkter som RFFE-moduler och separata filter.

Fortfarande är det många företag som Akoustis Technologies, Inc. (grundat 2014), Texas Instruments (TI), flera universitet och forskningsinstitut som erbjuder och studerar för att förbättra FBAR-tekniken, dess prestanda, tillverkning, utveckla designkapaciteten för FBAR:er och utforska nya applikationsområden tillsammans med systemtillverkare och företag som tillhandahåller simuleringsverktyg ( Ansys , Comsol Multiphysics och Resonant Inc. etc.).

Tunnfilmsresonatorbaserade sensorer

Eftersom tunnfilmsresonatorer kan ersätta kristaller vid sensorer, är det mest potentiella användningsområdet för FBAR-resonatorer liknande området för kvartskristallmikrobalansen ( QCM) . Ett av de banbrytande företagen som använder tunnfilmsresonatorer för sensorer är Sorex Sensors Ltd.

Se även

externa länkar