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关键词 — XBAR, Wi-Fi, 高频, 大耦合因子

Murata Manufacturing Co., Ltd. Kyoto, Japan

I. 引言
随着第五代（5G）无线通信系统的普及，使用户能够在便携设备上享受高清直播等丰富内容，Wi-Fi标准也不断更新，显著提高了数据传输速率。Wi-Fi 6E是Wi-Fi 6的扩展版本，于2020年发布，而最新的Wi-Fi 7标准（IEEE 802.11be）在2024年1月发布。Wi-Fi 6E及之后的标准允许使用6 GHz频段，除了2.4 GHz和5 GHz频段作为操作频率范围。通信中最大理论数据传输速率可以通过以下香农公式表示[1]。

其中C是通信媒介上能承载的最大容量（比特每秒），B是可用带宽（赫兹），S/N表示信号与噪声比（SNR）。这表明，如果需要提高最大容量C，就需要增加可用带宽B和/或增加信号强度和/或减少噪声水平。由于C与B成正比，Wi-Fi的带宽已从20 MHz（11a/g）扩展到40 MHz（11n），再到160 MHz（11ac, 11ax），以及320 MHz（11be），因此理论上的最大数据速率不断提高，如图1所示，Wi-Fi 7的最大数据速率达到了46 Gbps。为了支持Wi-Fi通信系统，需要能够处理5 GHz或更高频率的高频和宽带滤波器。由电感和电容组成的LC滤波器能够满足这些需求，但声波（AW）滤波器也因其良好的陡峭度和小尺寸要求而具有吸引力。传统的表面声波（SAW）滤波器由于插指换能器（IDT）的微型化限制，被认为难以实现超过3 GHz的频率。因此，已经提出了一些基于比传统雷利模式和剪切水平（SH）模式具有更高相速度的声波模式，或通过使用谐波的SAW设备[2-10]，这些设备工作在超过3 GHz的频率下。

图1. Wi-Fi的理论最大数据传输速率

另一方面，至今已经进入大规模生产的体声波（BAW）滤波器需要上下电极，但与SAW中的IDT不同，它们不面临光刻技术的严格分辨率挑战，因此被认为在高频应用中比SAW滤波器更有优势。实际上，使用铝氮化物（AlN）作为压电薄膜的某些BAW滤波器已经在5 GHz以上的频率上实现商业化。此外，掺钪铝氮化物（ScAlN）薄膜有助于扩展电机械耦合因子，克服了AlN基BAW滤波器的带宽限制，这是过去的挑战[11-13]。最近，已有报告提出使用薄的锂铌酸（LiNbO3，LN）或锂钽酸（LiTaO3，LT）薄片代替AlN薄膜的FBAR型和SMR型BAW设备，这些设备在5 GHz或更高频率下工作，但尚未实现产业化[14,15]。

另外，有一些报告引起了人们对与传统SAW和BAW设备不同的设备的关注。Kadota等人提出了一种Lamb波谐振器，其IDT电极形成在薄的LN片上[16,17]。Gong等人也提出了一种具有类似膜结构的MEMS谐振器[18,19]。Plessky及其合作作者报道了一种创新的片状设备，称为横向激励剪切模体声波谐振器（XBAR），该设备受到Kadota小组和Gong小组工作的启发[20-22]。在XBAR中，压电振动通过IDT激发，类似于SAW和Lamb波模式设备。Plessky及其合作者对XBAR的开创性报告引起了广泛关注，随后报告了许多关于XBAR和类似XBAR设备的研究[23-37]。然而，这些研究中的一些仅仅是基于仿真的，或即使是有实验，也仅评估了谐振器级别的特性，或者其滤波器带内损耗和带外抑制不足，或者存在其他问题，如制造质量问题。虽然有一些有价值且有趣的报告，但关于其实际应用的报告仍较少。杨小组报告了XBAR类似滤波器在温度变化下的插入损耗变化，作者得出结论，低温区域的损耗退化主要是由于热应力引起的薄膜变形所导致的机械损耗[37]。

尽管尚未提供具体的实验结果，但关于工业化中膜的脆弱性问题已引起关注，例如制造过程中的温度变化导致膜的变形和裂纹，或在商业产品中使用时由于移动设备掉落或碰撞造成膜的损坏。此外，传输滤波器要求具备高功率耐久性，据作者所知，尚无评估XBAR滤波器功率耐久性以满足市场需求的报告。

本文将在第二部分介绍XBAR的基本特性，并在第三部分展示几种用于Wi-Fi应用的XBAR宽带滤波器示例。在第四部分讨论Wi-Fi滤波器的各种可靠性问题，第五部分为结论。

II. XBARs
A. 显著特性
图2展示了由悬浮薄的LN片和IDT组成的XBAR的典型特性。XBAR模式仅通过IDT激发，而不需要像FBAR那样的上下电极。其位移主要具有X分量，而Y和Z分量相对较小。典型的XBAR基本模式在压电片的垂直方向上传播，在X方向几乎不传播。换句话说，X方向的波数βx大约为零。

图2. 在共振频率下，使用无限二维周期模型计算的导纳（|Y|）、导纳（G）和位移振幅（Ux、Uy 和 Uz）的大小。

表I展示了在大规模生产中的声波设备的比较，用于无线通信设备。XBAR可以被归类为一种新的混合设备，结合了BAW设备（如FBAR和SMR-BAW）和SAW设备（如TC-SAW和IHP-SAW）的特性。此外，作为XBAR的一项独特结构特征，IDT的金属化比约为0.2，这比传统的SAW和Lamb波谐振器的金属化比（约为0.5）要窄。这意味着谐振器的IDT电极部分的面积较窄，电极之间的间隙区域较宽，而XBAR模式的激发声能有效地被限制在电极之间的薄片中，从而实现高耦合和Q值。

表I. 无线通信设备大规模生产中的声波设备比较

从激发频率的角度来看，FBAR和XBAR的频率都是由膜部分的厚度决定的。尽管XBAR模式的频率略微依赖于IDT间距，但其影响可以忽略不计。对于需要上下电极的FBAR，工作频率由包括两个电极和压电薄膜在内的膜的总厚度决定。相比之下，XBAR模式由指状电极之间的间隙厚度决定，该厚度不包括电极的厚度，如图3所示。这表明，XBAR模式在高频下易于处理，因为电极的厚度对频率的确定影响较小。

图3. 确定频率的有效厚度

B. 不希望的杂散模式
接下来，我们讨论XBAR的一个挑战——不希望的杂散模式。不希望的杂散模式是由于周期性IDT（插指换能器）产生的。Yandrapalli等人证明，通过适当设置IDT的周期（p和标记，换句话说，就是IDT的金属化比），可以在一定程度上抑制这些杂散模式[20]。这是一种通过利用声波模式特性差异来抑制不希望模式响应的技术，其中沿X方向传播的旅行模式对IDT的间距和金属化比相对敏感，而XBAR的基本模式则对这些设计参数相对不敏感。此外，Koulakis等人报告了抑制高阶模式的研究，这些模式中声能被限制在IDT电极部分[22]。

具体来说，针对XBAR基本模式的厚度方向上的高阶模式，建议优化IDT电极的厚度，以便通过模式匹配潜在地最小化被限制在IDT部分的厚度方向上的高阶模式。因此，IDT引起的杂散模式是XBAR的一大挑战，但已经提出了一些方法来利用IDT电极的设计灵活性来抑制杂散模式[35-37]。

图4. 在典型XBAR的无限二维周期模型中，基频和三次泛音模式响应的共振频率下，计算的导纳（|Y|）、导纳（G）、X方向位移（Ux）和应力（σxz）分布。

接下来，我们讨论厚度方向上不希望的高阶模式。图4展示了在宽频范围内计算的XBAR谐振器的典型特性。由于XBAR模式是沿厚度方向传播的声波，因此本征上会激发泛音模式。

图 5. 所提出的夹层 XBAR 的横截面示意图。

这可能会导致潜在的信号干扰，并影响无线通信系统其他频段的通带。Mimura 提出了一个堆叠结构，用于抑制高次谐波，该结构由一个薄的 LN 板夹在两层介质层之间，并通过优化它们的厚度来实现，如图 5 所示，同时对主模的有效耦合常数（keff2）进行最小妥协[41-43]。

图 6. 计算得到的原型 XBAR（蓝色）和夹层 XBAR（红色）的导纳幅度（|Y|）与导纳（G），以及夹层 XBAR 在基频和第三次谐波响应共振频率下的 X 位移（Ux）与应力（xz）分布，采用无限 2D 周期模型。

此外，当使用 SiO2 薄膜作为介质层时，还可以为 XBAR 器件提供温度补偿效应。图 6 显示了原型 XBAR 堆叠和夹层堆叠之间特性比较，夹层堆叠中第三次谐波的减少。压电层内应力分布的积分值与电磁耦合系数成正比，图 6 中的应力轮廓表明，通过优化介质层和压电薄膜之间的厚度比，可以减小谐波模式。

图 7. 计算得到的夹层 XBAR 堆叠在无限 2D 周期模型下的基频和第三次谐波模式的有效电机械耦合因子（keff2）。

图 7 显示了夹层堆叠的基频和第三次谐波模式的有效电机械耦合因子（keff2）。其中，keff2 由以下公式给出：

其中，fa 和 fr 分别是反共振频率和共振频率。在某些设计空间中，通过调节上下涂层的厚度，可以使第三次谐波模式的 keff2 变小。需要补充的是，夹层堆叠还带来了制造简便性和耐用性方面的额外优势 [44]。

III. Wi-Fi 应用的滤波器
XBAR 滤波器的晶圆工艺几乎可以完全从现有的 IHP-SAWs 大规模生产线中利用。与 IHP-SAWs[45] 晶圆工艺的一个主要区别是需要在埋氧化层中创建一个牺牲层，以提供 XBARs 的悬浮膜。如图 8 所示，牺牲层在 IDT 图案化后被移除，以在 IDT 下方创建一个腔体。

图 8. IHP-SAWs 和 XBARs 的晶圆工艺。

为了支持 Wi-Fi 6E/7，需要一个覆盖 5 到 7 GHz 频段的滤波器。根据 Wi-Fi 连接的应用，可能需要一个允许低频带（0.66 GHz 带宽，图 9 中的红线，滤波器 #1）或 6–7 GHz 频段（1.2 GHz 带宽，图 9 中的蓝线，滤波器 #2）作为通带的滤波器。或者，可能需要一个允许整个 5–7 GHz 频段（1.9 GHz 带宽，图 8 中未显示，滤波器 #3）通过的滤波器。

图 9. 5 到 7 GHz 范围的 Wi-Fi 频谱。

图 10-12 分别显示了滤波器 #1、#2 和 #3 的测量特性。它们的最小插入损耗分别为 1.03 dB、1.20 dB 和 1.11 dB，且三个滤波器在通带附近的衰减均达到 30 dB 或更高。每个滤波器由不同的堆叠结构组成，因此具有不同的温度系数（TCF），但总体上它们的 TCF 大约为 -60 ppm/K。

图 10. 滤波器 #1 的测量性能，支持从 UNII-1 到 UNII-3。

图 11. 滤波器 #2 的测量性能，支持从 UNII-5 到 UNII-8。

图 12. 滤波器 #3 的测量性能，支持从 UNII-1 到 UNII-8。

在经典的声波阶梯滤波器中，为了实现低损耗、平坦的通带和高衰减的阻带，组成阶梯滤波器的谐振器的分数带宽应大致为滤波器通带的二分之一，如图 13 所示[43,44]。然而，即使谐振器的分数带宽不足，仍然可以通过添加基于 LC 的补充组件（例如 LC 高通分支）来实现所需的滤波器带宽，如图 14 所示。XBAR 具有较宽的分数带宽，使得滤波器电路可以减少甚至消除外部组件，从而实现低损耗和高衰减的滤波器设计。

图 13. 经典的阶梯型滤波器。

图 14. 混合型滤波器。

IV. 可靠性测试
由于 XBAR 是作为一种新型声表面波（AW）器件开发的，因此目前尚无关于其工业稳定性特性的报道。无线通信滤波器根据不同的应用，通常会按照 JEDEC [48]、AEC-Q200 [49]、MIL-STD [50] 和 IEC 标准 [51] 进行可靠性评估。根据客户需求，它们还会接受额外的可靠性测试。在这里，我们描述了滤波器 #3 的各种可靠性测试结果。为了验证具有悬浮膜结构的 XBAR 滤波器在不同条件下的可靠性，进行了多种测试。表 II 显示了代表性的环境测试条件和结果。该产品通过了所有测试规格。其他机械测试（如表 III 所示）也已进行，并且所有测试规格都已成功通过。此外，还进行了耐久性测试，并确认符合要求。因此，尽管作为大规模生产产品的新开发 XBAR 器件的可靠性尚不明确，但我们现在知道 XBAR 滤波器能够通过各种必需的可靠性测试，并且其质量与现有的 SAW 和 BAW 滤波器相当。

表 II. 环境应力测试

表 III. 机械应力测试

V. 结论
本文首次回顾了用于 Wi-Fi 应用的大规模生产级 XBAR 滤波器。所提出的 XBAR 展示了其具有 Wi-Fi 通信系统所需的宽带宽，并提出了抑制不必要谐波模式的方法。虽然 XBAR 滤波器的可靠性尚不明确，但通过各种可靠性测试确认，XBAR 满足市场需求。由于 XBAR 滤波器刚刚推出用于无线通信设备，预计随着声波技术和新创新的进一步发展，器件性能将得到改善。