南通大學師生團隊探索研發(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5G手機里，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手機的數(shù)據(jù)傳輸速度。在眾多聲學濾波器中，F(xiàn)BAR濾波器因性能優(yōu)異在市場中占比最高。然而，由于相關(guān)技術(shù)被美、日等國壟斷，每年我國超九成FBAR濾波器芯片依靠進口。

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

“射頻前端主要負責無線電磁波信號的發(fā)送和接收，聲學濾波器是射頻前端的核心組件之一?！蓖ㄐ局窃靾F隊成員、南通大學信息科學技術(shù)學院信息與通信工程專業(yè)2021級碩士研究生呂世濤告訴記者，它就像一扇門，讓帶內(nèi)信號通過，阻隔帶外信號。門內(nèi)道路修得越平坦，就意味著信號在門內(nèi)傳輸時損耗越少;門檻修得越高，門外信號對門內(nèi)干擾就越少。

該團隊調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，制造良率、性能、尺寸及封裝規(guī)格都是導致國產(chǎn)濾波器供給量不足的主要問題。想要提升新型FBAR濾波器芯片性能，就要逐個擊破這些問題。

“在這個過程中，我們感覺最難的是器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化階段?！眳问罎榻B，他們發(fā)現(xiàn)，在器件振動過程中總存在著嚴重的能量泄漏，造成不可逆的能量損耗，進而導致FBAR品質(zhì)因數(shù)衰減?！耙婚_始，我們嘗試通過減小器件主體區(qū)域與襯底相連區(qū)域的寬度來降低能量泄漏，但FBAR的懸空結(jié)構(gòu)造成這種采用窄支撐器件在實際制造過程中容易塌陷，使得器件成品率較低。”經(jīng)過多次仿真和流片實驗，團隊決定從器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手?！板^點損耗是FBAR濾波器的主要損耗來源，所以我們通過在FBAR濾波器外圍制備凸起環(huán)，利用質(zhì)量負載形成低聲速區(qū)，通過支撐軸區(qū)域與器件主體區(qū)域的聲阻抗失配，降低通過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，意味著手機體積越小且功耗降低。團隊成員、南通大學信息科學技術(shù)學院信息與通信工程專業(yè)2022級碩士研究生倉冬青表示，傳統(tǒng)封裝方式是將電容電感等器件集成在濾波器旁邊，這樣會導致芯片集成度降低。“所以，我們通過基板埋式技術(shù)將電容電感等器件集成在濾波器垂直方向?！迸c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，通芯智造團隊已經(jīng)在射頻濾波器、芯片封裝領(lǐng)域申請30余件國家發(fā)明專利，其中7件已獲授權(quán)。相關(guān)成果被國內(nèi)濾波器生產(chǎn)制造行業(yè)龍頭企業(yè)運用，并用于新一代國產(chǎn)手機、路由器等設(shè)備中。南通大學微電子學院(集成電路學院)趙繼聰副教授表示，團隊會在后續(xù)研究中不斷創(chuàng)新，實現(xiàn)射頻濾波器技術(shù)新的突破。