Уявіть себе в ситуації, коли ви знаходитеся в приміщенні, де одночасно проводять репетицію два музичні оркестри і повна зала людей гучно перекрикує один одного, щоб докричатися до сусіда. Чи змогли би вести бесіду в такій обстановці? Навряд чи. А ось ваш смартфон може працювати в такій обстановці і працювати настільки добре, що ви дивитеся переглядаєте веб-сайти, дзвоните по відео друзям та скачуєте додатки одночасно, не відчуваючи жодних заїкань. Все це стало можливим завдяки одному крихітному радіокомпоненту та його дивовижній будові, яка кмітливо діє за фразою “твій дім труба хитав”, перетворюючи радіосигнал в механічну вібрацію, яку потім трансформують в електричний струм. Усе для відсіювання чужого шуму, постачаючи вашому смартфону майже чистий радіосигнал.
Світ сповнений радіошуму – випадкових частот і хвиль. Коли більше пристроїв стають бездротовими, це тільки додає радіошуму до цієї какофонії. Велике завдання для мобільного пристрою полягає в тому, щоб отримати правильні сигнали без перешкод. Це дійсно дивовижно, що ваш телефон може отримувати правильні сигнали від далекої, невидимої вежі мобільного оператора. Радіочастотний (RF) фільтр у вашому мобільному телефоні відіграє вирішальну роль у забезпеченні цього без проблем.
Початок
В основному, радіочастотний (RF) фільтр виконує просту роботу. Це пристрій, який приймає зашумлений вхідний сигнал і створює чистий вихідний сигнал на основі заданої частоти.
Якщо вхідна частота знаходиться в певному бажаному діапазоні частот, то вихідний сигнал має бути дуже схожим на свій початковий вхід.
Ідеально, щоб він був ідентичним. Але вихідний сигнал не може бути ідентичним через невелике, неминуче зниження, яке ми називаємо “втрати на вставці”. Втрати на вставці не можна уникнути, але ми хочемо, щоб вони були якнайменшими, тому що це означає погіршення сигналу.
Якщо вихідний сигнал знаходиться поза бажаним діапазоном, то корисний вихідний сигнал дорівнює нулю. Практично, він не може дорівнювати нулю, але ми хочемо, щоб він був якомога нижчим.
Якщо графічно представити це все, то ви отримаєте щось, що виглядає як жіноча спідниця. В індустрії, коли говорять про стрімку “спідницю фільтра”, це означає, що фільтр пропускає багато правильних діапазонів і відкидає небажані.
Індустрія використовує єдине безрозмірне число для вимірювання якості радіочастотного фільтра – коефіцієнт якості смуги пропускання або “Q”. Є інші типи Q, але це один для смугових фільтрів.
Q визначається як відношення центральної частоти – іншими словами, середини спідниці – до низького та високого кінця його частотного діапазону. Іншими словами, ширина спідниці або смуга пропускання. Тобто центральна частота, поділена на ширину смуги пропускання. Чим вище Q, тим краще. Чим менші втрати на вставці, тим краще.
Фільтри існують для різних типів хвиль. Коли ми говоримо про радіочастотні фільтри, ми маємо на увазі ті, які мають діапазон частот між 100 мегагерцами та 10 гігагерцами. Будь-що вище цього, ми, ймовірно, говоримо про “мікрохвильові фільтри”.
Отже, це те, що повинні робити радіочастотні фільтри. Як вони виконують цю роботу? Є багато пристроїв, але радіочастотні фільтри всередині наших сучасних смартфонів – це SAW і BAW фільтри.
Вони домінують на ринку та розпочнемо саме з SAW.
SAW (поверхнево-акустичні хвилі)
Концепції, що лежать в основі радіофільтра SAW, беруть свій початок з 1880-х років і лорда Релея. У 1885 році Релей передбачив, а потім створив математичну формулу для того, що ми зараз називаємо хвилями Релея – підтипом того, що ми називаємо “поверхнево-акустичними хвилями” або SAW.
Це хвилі, які поширюються по поверхні твердого тіла. Сейсмічні хвилі є іншою формою поверхнево-акустичних хвиль. Круто, правда?
І, насправді, це та лінія досліджень, якою займалася спільнота дослідників поверхнево-акустичних хвиль протягом наступних двадцяти років або близько того. Друга світова війна значно підвищила обсяг робіт, виконаних у галузі SAW. Радари працюють, посилаючи радіохвилі та зчитуючи те, що повертається. Щоб отримати найкраще зчитування, нам потрібні були хороші радіофільтри для підвищення відношення сигнал/шум.
Міжзубчасті перетворювачі (IDTs)
У 1965 році професор Каліфорнійського університету в Берклі Річард Вайт і його аспірант Ф. В. Вольтмер продемонстрували цікавий ефект з цими поверхневими хвилями, використовуючи спеціальні гребенеподібні металеві електроди, що називаються міжзубчастими перетворювачами або IDTs.
Термін “міжзубчасті” стосується розташування електродів, яке нагадує дві переплетених руки. Вони розмістили два подібні, якщо не структурно ідентичні IDTs на поверхні кристалічного кварцу.
Кварцова пластина діє як п’єзоелектрична підкладка. П’єзоелектричний ефект стосується перетворення електричної та механічної енергії. Він має вирішальну роль, яка стане важливою пізніше.
Коли перший IDT – вхідний IDT – отримує радіосигнал, який знаходиться в бажаному діапазоні частот, він перетворює цей радіосигнал у механічну енергію. Ця механічна енергія проявляється як унікальна поверхнево-акустична хвиля, що поширюється від IDT по поверхні кварцової пластини. Хвиля потім досягає іншого IDT терміналу – часто званого вихідним IDT – і перетворює хвилю в електричний сигнал через п’єзоелектричний ефект.
Цей електричний сигнал може тепер надходити до процесора для інтерпретації. Деякі пристрої додають так звані “відбивачі” з обох сторін IDT. Хвилі будуть відбиватися вперед і назад між цими відбивачами, захоплені всередині фільтра. Такі пристрої називаються “резонаторами поверхнево-акустичних хвиль”.
МЕМС
Варто трохи часу обговорити, як виготовляються ці радіочастотні фільтри. Це МЕМС-пристрої – радіочастотні МЕМС, якщо бути точними.
МЕМС (MEMS) розшифровується як мікроелектромеханічні системи, і це мініатюрні електро- та механічні пристрої, які виробляються схожим способом, як процесори.
Ефективний діапазон частот фільтра залежить від відстані між “зубами” або “гребінчастими пальцями” електродів IDT. У 1980-х роках цей проміжок становив лише 300 нанометрів. Для порівняння, товщина вашої волосини становить 80 000–100 000 нанометрів.
Отже, ми використовуємо спосіб осадження для нанесення тонкого шару металу – зазвичай якогось алюмінієвого сплаву – на п’єзоелектричну підкладку. Цією підкладкою зазвичай є згаданий кварцовий кристал або літій-ніобат для вищих частот.
Після цього ми використовуємо літографію для нанесення малюнка фільтра на цей металевий шар. Зазвичай це включає IDT, резонатори та все таке. Потім ми видаляємо зайве (травимо) за допомогою кислот.
З ранніми SAW фільтрами потрібно було лише нанести, нанести малюнок і витравити один шар матеріалу. Більш складні SAW фільтри можуть мати більше шарів, але загалом не додають так багато шарів.
Одним з недоліків виробництва є те, що ми повинні бути трохи обережнішими щодо упаковки. Ми часто запечатуємо ці пристрої в корпус у вакуумі, що було складним завданням.
1970-ті роки
Повернемося до історії. Після cdj’] публікації професор Вайт і Вольтмер, очевидно, перейшли до інших робіт, не підозрюючи про застосування своїх розробок. На той час вони, ймовірно, були обмеженими.
Але пізніше SAW-фільтр привернув увагу індустрії, тому що він був гарним, невеликим аналоговим фільтром, що працював на частотах від 10 мегагерц до 1 гігагерца і вище.
Військові були одними з перших, хто досліджував ці фільтри, намагаючись покращити свої системи зв’язку. У ситуаціях, коли перешкоди можуть бути випадково або навмисно введені в ефір, важливим є хороше відношення сигнал/шум.
Фільтр на основі SAW використовувався у місіях Вояджер у кінці 1970-х років. Протестований на екстремальні умови навколишнього середовища, цей фільтр працює майже 50 років, хоча зараз у Вояджера є деякі проблеми.
А потім у 1975 році телекомпанії, такі як Philips, Plessey та Siemens, виявили, що SAW-фільтри є хорошою низьковартісною заміною старих фільтрів на котушках та конденсаторах у своїх телевізорах.На фото нижче людина тримає SAW-фільтр на фоні старого радіочастотного фільтра на основі конденсаторів та котушок.
Кращі фільтри означали можливість налаштовуватися на більше телевізійних каналів без статичних перешкод – те, що було проблемою до появи цифрової передачі. Швидко довівши корисність цього рішення, ці телекомпанії почали виготовляти 30-40 мільйонів радіочастотних фільтрів. Це був один із перших великих продуктів RF-MEMS.
1980-ті роки
Motorola продемонструвала перший бездротовий мобільний телефон у 1973 році – DynaTAC. DynaTAC використовував керамічні фільтри для потреб радіочастотної фільтрації. І хоча ці керамічні фільтри були меншими, ніж згадані раніше фільтри на котушках і конденсаторах, вони все ще займали велику частину системи.
Отже, коли стандарти для стільникових систем зв’язку 2G розроблялися протягом 1980-х років, вони шукали щось менше. І тоді в 1992 році Fujitsu виготовила для мобільних телефонів перші радіочастотні фільтри на основі SAW-резонаторів.
Вони були маленькими, дешевими та простими у виготовленні. Ще в 1975 році вартість SAW-фільтрів оцінювалася приблизно в $2 за кожен. Майже через 15 років кожен фільтр коштував від $1.40 до $1.60 – при купівлі обсягом у 50 мільйонів одиниць.
Ви можете наповнити відро цими фільтрами, витративши трохи більше, ніж коштує саме відро. Це доволі вражаюче, що настільки високотехнологічна продукція коштувала так дешево.
SAW виявляється недостатнім
Отже, на початку SAW домінував на ринку. Але коли розвивався стандарт 2G GSM, обмеження SAW стали більш очевидними.
2G-телефони використовували, черед іншого, частоти близько 2000 МГц (2 ГГц). Стало важко виготовляти SAW-фільтри для частот вище 2 гігагерц.
Це тому, що зі збільшенням центральної частоти фільтра потрібно зменшувати відстань між зубами. Вище 2 гігагерц ці відстані стають занадто малими для легкого виробництва.
Стандарт мобыльного зв’язку 2G GSM починався з лише одного радіочастотного діапазону. Таким чином, такий GSM телефон потребував лише двох радіочастотних фільтрів – одного для передачі та одного для прийому.
Але потім GSM почав додавати більше діапазонів. Тепер нам потрібно більше фільтрів, і ці фільтри почали заважати один одному.
Коли ми наближалися до 3G UMTS, стала очевидна потреба в чомусь новому. У 1998 році команда німецького виробника напівпровідників Infineon почала працювати над альтернативою – об’ємним акустичним хвильовим фільтром або BAW.
Фільтри BAW
Концепції фільтра BAW датуються 1980 роком.
BAW-фільтри працюють дуже схоже на SAW-фільтри. Ми перетворюємо радіочастотну енергію в механічну енергію, яку потім можемо перетворити в електричний сигнал.
Однак фільтр BAW спрямовує енергію через всю свою товщину – тобто через весь об’єм, а не лише по поверхні. Такі хвилі не тільки поширюються швидше, але й можуть проходити далі без погіршення.
Існує два основних підтипи BAW-фільтрів. Перший – це плівковий об’ємний акустичний резонатор (FBAR). Інший – це твердо закріплений резонатор (SMR).
Фундаментально вони працюють однаково. В їх основі є структура, схожа на конденсатор, що складається з верхнього та нижнього електродів, які охоплюють шар п’єзоелектричного матеріалу, такого як кварцовий кристал.
Коли радіочастотний сигнал потрапляє на електроди, вони створюють електричні поля, які змушують п’єзоелектричний матеріал генерувати акустичні хвилі. Хвилі поширюються між цими електродами вертикально – вгору і вниз – через п’єзоелектричний матеріал. Ми можемо потім перетворити ці хвилі на електричний сигнал.
Центральна частота визначається товщиною п’єзоелектричного шару. Цей шар може бути дуже тонким – кристал для 10 мегагерц має товщину приблизно 170 мікрометрів.
FBAR і SMR
Коли мова йде про FBAR і SMR, існують деякі відмінності. Наприклад, SMR можна виготовити, використовуючи традиційні технології VLSI. Але ключова відмінність між SMR і FBAR стосується того, як вони захоплюють і утримують акустичну енергію всередині своєї “сендвічної” структури.
Це делікатний сендвіч. Будь-які перешкоди можуть спричинити витік енергії з сендвіча, погіршуючи акустичні хвилі, що відбиваються між електродами, і тим самим викликаючи серйозне зниження продуктивності.
Тому нам потрібен якийсь спосіб ізоляції. Так само, як напівпровідниковий завод підвішує в повітрі на підвісах свою чисту кімнату, щоб запобігти впливу вібрацій ґрунту на роботу. FBAR робить це, підвішуючи сендвіч у повітрі.
Так, FBAR має буквальний повітряний зазор всередині. Це досягається за допомогою МЕМС-техніки, жертвуючи шар, нанесений на кремнієву підкладку, який можна пізніше витравити за допомогою кислотного газу.
Існує кілька типів FBAR. Деякі FBAR мають тонку мембрану, натягнуту над повітряним зазором. Або вони мають пружини або отвори по краях.
З іншого боку, SMR міцно заземлює всю структуру, але додає набір акустичних відбивачів – Бреггівських відбивачів, щоб відбивати акустичні хвилі назад до сендвіча.
Хоча SMR дуже цікаві, вони загалом не такі продуктивні, як FBAR, на високих частотах. Тому наша подорож продовжиться з FBAR.
Виготовлення FBAR
Окрім їхньої придатності для високих частот, FBAR-фільтри мають багато внутрішніх переваг порівняно з SAW-фільтрами. Наприклад, конденсатороподібна структура означає краще утримання електричних полів – запобігання електричним перешкодам між фільтрами. І вони менш чутливі до забруднення частинками на поверхні фільтра. Це було справжньою проблемою для SAW-фільтрів.
Але був один великий недолік. Вони складніші у виготовленні. Ми все ще виробляємо ці FBAR за допомогою передових МЕМС-технологій. Але FBAR мають набагато складніші структури, ніж SAW-фільтри.
П’єзоелектричний шар зазвичай виготовляється з нітриду алюмінію або оксиду цинку і повинен бути дуже тонким. І залежно від речовини, може бути складно отримати хороший, рівний шар.
Складність конструкції FBAR проявляється у збільшенні кількості шарів. Ви можете виготовити дуже простий BAW-фільтр з одним шаром, але він не буде добре працювати. SAW-фільтр потребує один, можливо, 2-3 шарів.
Хороший FBAR-фільтр потребуватиме 9, 13 і більше шарів.
HP почала досліджувати FBAR у 1993 році. HP відокремила лабораторії, щоб створити нову компанію Agilent. І саме Agilent перша почала постачати комерційні дуплексери – пристрої для двонаправленого радіозв’язку – з FBAR-фільтрами на основі структури з нітриду алюмінію.
Потім у 2006 році KKR і Silver Lake купили напівпровідниковий бізнес Agilent. Цей бізнес був перейменований на Avago. Avago пізніше став публічною компанією і потім купив дослідницьку групу Infineon FBAR у 2008 році приблизно за $20 мільйонів. Сьогодні Avago є частиною Broadcom, який вони купили у 2015 році.
Момент iPhone
Коли iPhone вперше з’явився на ринку, він спочатку був просто малофункціональним телефоном – навіть шпалери на екрані не можна було змінити.
Перший iPhone, випущений у 2007 році, мав радіомодуль 2G. Його чотиридіапазонний GSM/EDGE RF приймач-передавач, виготовлений, можливо, компанією Infineon, використовував SAW-фільтри.
Його наступник, iPhone 3G з 2008 року, перейшов на 3G і також використовував SAW-фільтри. У статті iFixit’s teardown того часу згадується, що фільтри, можливо, вироблені японською компанією Murata.
Це продовжувалось і в випадку iPhone 4 та 4s. SAW-фільтри для iPhone 4 були виготовлені компанією Skyworks. Щодо iPhone 4s, ці SAW-фільтри могли бути від американської напівпровідникової компанії TriQuint, яка зараз є Qorvo після великого злиття з RF Micro Devices у 2015 році.
У будь-якому випадку, ці айфони все ще були телефонами – і вони мали радіочастотні фільтри, що відповідають телефонам. Але потім з’явився App Store, і раптом люди зрозуміли, що їхній iPhone – це більше, ніж просто телефон. Це був маленький інтернет-комп’ютер прямо у їхній кишені. Це спричинило величезний вибух попиту на мобільний інтернет.
iPhone 5 знаменує сучасний мобільний інтернет
У 2011 році Apple випустила iPhone 5, і, як зазвичай любить говорити компанія у своїй маркетинговій стратегії – все знову було інше. iPhone 5 був першим iPhone, який використовував бездротовий стандарт 4G LTE.
Це скорочення означає Long Term Evolution – що б це не значило – але цей стандарт пропонує кращу пропускну спроможність передачі даних, меншу затримку, і, на відміну від 2G або 3G, базується на пакетах IP.
LTE охоплює вражаючу кількість 40 частотних діапазонів по всьому світу, що варіюються від 600 мегагерц до 3600 мегагерц. Таким чином, у LTE-телефонів повинні бути фільтри для всіх цих діапазонів. Це означає багато фільтрів і модулів.
У iPhone 5 використовуються дуплексори TriQuint/Qorvo, які обробляли 3G UMTS-діапазон, а дуплексор Avago з фільтром FBAR обробляв LTE. Вкладання такої великої кількості фільтрів у телефон робить його виготовлення дорожчим.
Однак, коли настав час iPhone 5, Apple боролася за частку ринку. Щоб досягти найбільшого масштабу, Apple хотіла випустити єдиний “світовий телефон” для кожної країни світу. Ніхто не хоче подорожувати до Європи, Тайваню або де завгодно у відпустку, лише щоб виявити, що їхній телефон не працює з місцевим LTE-діапазоном.
Результатом стала масштабна експансія можливостей мобільного радіо. Оригінальний iPhone 2007 року мав лише чотиридіапазонний радіомодуль. Менше ніж через десятиліття, iPhone 7 може отримати доступ до 23 або 24 GSM, CDMA та LTE-діапазонів.
Телефони Samsung Galaxy можуть працювати у 16 частотних діапазонах. І це ще не враховує Wi-Fi, GPS, BlueTooth та NFC.
Бум даних LTE
У 2004 році бізнес з BAW RF фільтрами коштував менше 100 мільйонів доларів. Але випуск iPhone 5 і впровадження LTE зарядили індустрію. На кінець 2016 року, високочастотна галузь RF фільтрів оцінювалася в понад 1,6 мільярда доларів.
З’явилися нові ринкові тиски. Люди хочуть, щоб їх мобільні пристрої були не лише тоншими й легшими, але й більш продуктивними, тиснучи на постачальників фронтальних радіочастотних фільтрів на інтеграцію окремих фільтрів, перемикачів та підсилювачів живлення в один RF блок.
Ці BAW фільтри тепер не схожі на те, як ви уявляєте звичайний кремнієвий чип – це свідчить про різноманітність екосистеми напівпровідників. Сама галузь BAW RF фільтрів в основному сконсолідувалася до двох основних постачальників – Qorvo та Avago/Broadcom. Разом вони контролюють близько 95% ринку. І цікаво, що Broadcom виготовляє свої RF фільтри в Сполучених Штатах.
На ринку SAW-пристроїв все ще є кілька різних гравців, серед найбільших з яких Murata, Skyworks, Qorvo та японська компанія Taiyo Yuden. Не згадуючи всіх десятки малих виробників.
Майбутнє
LTE була технологією 4G, і вона викликала великий бум. А тепер ми переходимо в світ 5G. 5G може забезпечити значно вищі швидкості передачі даних, ніж пристрої 4G, що в свою чергу вимагає не лише вищих частот, але й більших сегментів цих вищих частот.
Тому BAW фільтри повинні знову адаптуватися. RF фільтр для вищої частоти має робити електрод-п’єзоелектричний сендвіч ще тоншим. І матеріали можуть змінитися.
Однією з головних проблем було використання п’єзоелектричного матеріалу в сендвічі. Довгий час стандартом був нітрид алюмінію. Але попит на більшу пропускну здатність привів компанії до використання скандію у суміші – що покращує радіочастотні характеристики.
Але підвох полягає в тому, що допіювання скандію має виробничі проблеми, і це заставляє хлопців з Qorvo та Broadcom грати в цікаву гру в те, щоб визначити, яка кількість скандію може бути додана і вийде з цього.
За матеріалами: Asianometry
