南通大學(xué)師生團(tuán)隊(duì)探索研發(fā)新型FBAR濾波器芯片——一塊超薄芯片，讓5G傳輸更好更快

記者 葉 真

一臺(tái)5G手機(jī)里，有80多顆小小的射頻濾波器。正是這些不起眼的小物件，決定了5G手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度。在眾多聲學(xué)濾波器中，F(xiàn)BAR濾波器因性能優(yōu)異在市場(chǎng)中占比最高。然而，由于相關(guān)技術(shù)被美、日等國(guó)壟斷，每年我國(guó)超九成FBAR濾波器芯片依靠進(jìn)口。

如何突破這一“卡脖子”技術(shù)?國(guó)內(nèi)眾多科研團(tuán)隊(duì)正在探索，其中就有一支來(lái)自南通大學(xué)、平均年齡只有30歲的師生團(tuán)隊(duì)——通芯智造團(tuán)隊(duì)。

“射頻前端主要負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)電磁波信號(hào)的發(fā)送和接收，聲學(xué)濾波器是射頻前端的核心組件之一?！蓖ㄐ局窃靾F(tuán)隊(duì)成員、南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院信息與通信工程專(zhuān)業(yè)2021級(jí)碩士研究生呂世濤告訴記者，它就像一扇門(mén)，讓帶內(nèi)信號(hào)通過(guò)，阻隔帶外信號(hào)。門(mén)內(nèi)道路修得越平坦，就意味著信號(hào)在門(mén)內(nèi)傳輸時(shí)損耗越少;門(mén)檻修得越高，門(mén)外信號(hào)對(duì)門(mén)內(nèi)干擾就越少。

該團(tuán)隊(duì)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，制造良率、性能、尺寸及封裝規(guī)格都是導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)濾波器供給量不足的主要問(wèn)題。想要提升新型FBAR濾波器芯片性能，就要逐個(gè)擊破這些問(wèn)題。

“在這個(gè)過(guò)程中，我們感覺(jué)最難的是器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化階段?！眳问罎榻B，他們發(fā)現(xiàn)，在器件振動(dòng)過(guò)程中總存在著嚴(yán)重的能量泄漏，造成不可逆的能量損耗，進(jìn)而導(dǎo)致FBAR品質(zhì)因數(shù)衰減。“一開(kāi)始，我們嘗試通過(guò)減小器件主體區(qū)域與襯底相連區(qū)域的寬度來(lái)降低能量泄漏，但FBAR的懸空結(jié)構(gòu)造成這種采用窄支撐器件在實(shí)際制造過(guò)程中容易塌陷，使得器件成品率較低。”經(jīng)過(guò)多次仿真和流片實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)決定從器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手?！板^點(diǎn)損耗是FBAR濾波器的主要損耗來(lái)源，所以我們通過(guò)在FBAR濾波器外圍制備凸起環(huán)，利用質(zhì)量負(fù)載形成低聲速區(qū)，通過(guò)支撐軸區(qū)域與器件主體區(qū)域的聲阻抗失配，降低通過(guò)支撐軸泄漏至襯底的能量。優(yōu)化后，F(xiàn)BAR的品質(zhì)因數(shù)得以顯著提升。”

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，還需要壓縮尺寸和做好封裝。尺寸越小，意味著手機(jī)體積越小且功耗降低。團(tuán)隊(duì)成員、南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院信息與通信工程專(zhuān)業(yè)2022級(jí)碩士研究生倉(cāng)冬青表示，傳統(tǒng)封裝方式是將電容電感等器件集成在濾波器旁邊，這樣會(huì)導(dǎo)致芯片集成度降低?！八裕覀兺ㄟ^(guò)基板埋式技術(shù)將電容電感等器件集成在濾波器垂直方向。”與初代產(chǎn)品相比，濾波器體積縮小了80%，產(chǎn)品可靠性以及集成度大幅提升。如今，展現(xiàn)在記者眼前的新型FBAR濾波器芯片長(zhǎng)度僅為1.6毫米、寬0.8毫米、厚0.65毫米。

據(jù)悉，通芯智造團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在射頻濾波器、芯片封裝領(lǐng)域申請(qǐng)30余件國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，其中7件已獲授權(quán)。相關(guān)成果被國(guó)內(nèi)濾波器生產(chǎn)制造行業(yè)龍頭企業(yè)運(yùn)用，并用于新一代國(guó)產(chǎn)手機(jī)、路由器等設(shè)備中。南通大學(xué)微電子學(xué)院(集成電路學(xué)院)趙繼聰副教授表示，團(tuán)隊(duì)會(huì)在后續(xù)研究中不斷創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)射頻濾波器技術(shù)新的突破。