Представьте себя в ситуации, когда вы находитесь в помещении, где одновременно проводят репетицию два музыкальных оркестра и полный зал людей громко перекрикивает друг друга, чтобы докричаться до соседа. Смогли бы беседовать в такой обстановке? Вряд ли. А вот ваш смартфон может работать в такой обстановке и работать настолько хорошо, что вы смотрите просматриваете веб-сайты, звоните по видео друзьям и скачиваете приложения одновременно, не чувствуя никаких заиканий. Все это стало возможным благодаря одному крохотному радиокомпоненту и его удивительному строению, сообразительно действующему по фразе «твой дом труба качал», превращая радиосигнал в механическую вибрацию, которую затем трансформируют в электрический ток. Все для отсеивания чужого шума, снабжая ваш смартфон почти чистым радиосигналом.
Мир полон радиошума – случайных частот и волн. Когда больше устройств становятся беспроводными, это только добавляет радиошум к этой какофонии. Большая задача для мобильного устройства состоит в том, чтобы получить правильные сигналы без помех. Это действительно удивительно, что телефон может получать правильные сигналы от далекой, невидимой башни мобильного оператора. Радиочастотный (RF) фильтр в вашем мобильном телефоне играет решающую роль в обеспечении этого без проблем.
Начало
В основном радиочастотный (RF) фильтр выполняет простую работу. Это устройство, принимающее зашумленный входной сигнал и создающее чистый выходной сигнал на основе заданной частоты.
Если входная частота находится в определенном желаемом диапазоне частот, то выходной сигнал должен быть очень похож на свой исходный вход.
Идеально, чтобы он был идентичен. Но выходной сигнал не может быть идентичным из-за небольшого, неизбежного снижения, которое мы называем «потери на вставке». Потери на вставке нельзя избежать, но мы хотим, чтобы они были минимальными, потому что это означает ухудшение сигнала.
Если выходной сигнал находится вне желаемого диапазона, то полезный выходной сигнал равен нулю. Практически он не может равняться нулю, но мы хотим, чтобы он был как можно ниже.
Если графически представить все это, то вы получите что-то, что выглядит как женская юбка. В индустрии, когда говорят о стремительной «юбке фильтра», это означает, что фильтр пропускает много правильных диапазонов и отбрасывает нежелательные.
Индустрия использует единое безразмерное число для измерения качества радиочастотного фильтра – коэффициент качества полосы пропускания или «Q». Есть другие типы Q, но это один для полосовых фильтров.
Q определяется как отношение центральной частоты – другими словами, середины юбки – к низкому и высокому концу его частотного диапазона. Другими словами, ширина юбки или полоса пропускания. То есть центральная частота, разделенная на ширину полосы пропускания. Чем выше Q, тем лучше. Чем меньше потери на вставке, тем лучше.
Фильтры существуют для разных типов волн. Когда мы говорим о радиочастотных фильтрах, мы подразумеваем те, которые имеют диапазон частот между 100 мегагерцами и 10 гигагерцами. Что угодно выше этого, мы, вероятно, говорим о «микроволновых фильтрах».
Следовательно, это то, что должны производить радиочастотные фильтры. Как они делают эту работу? Есть много устройств, но радиочастотные фильтры внутри наших современных смартфонов – это SAW и BAW фильтры.
Они доминируют на рынке и начнем с SAW.
SAW (поверхностно-акустические волны)
Концепции, лежащие в базе радиофильтра SAW, берут свое начало с 1880-х годов и лорда Релея. В 1885 году Релей предсказал, а затем создал математическую формулу для того, что мы сейчас называем волнами Релея – подтипом того, что мы называем «поверхностно-акустическими волнами» или SAW.
Это волны, распространяющиеся по поверхности твердого тела. Сейсмические волны являются другой формой поверхностно-акустических волн. Круто, верно?
И на самом деле это та линия исследований, которой занималось сообщество исследователей поверхностно-акустических волн в течение следующих двадцати лет или около того. Вторая мировая война значительно повысила объем работ, выполненных в SAW. Радары работают, посылая радиоволны и считывая возвращаемое. Чтобы получить наилучшее считывание, нам нужны были хорошие радиофильтры для повышения отношения сигнал/шум.
Междузубчатые преобразователи (IDTs)
В 1965 году профессор Калифорнийского университета в Беркли Ричард Уайт и его аспирант Ф. В. Вольтмер продемонстрировали интересный эффект с этими поверхностными волнами, используя специальные гребневидные металлические электроды, называемые межзубчатыми преобразователями или IDTs.
Термин «межзубчатый» относится к расположению электродов, которое напоминает две переплетенные руки. Они разместили два подобных, если не структурно идентичных IDT на поверхности кристаллического кварца.
Кварцевая пластина действует как пьезоэлектрическая подложка. Пьезоэлектрический эффект относится к преобразованию электрической и механической энергии. Он играет решающую роль, которая станет важной позже.
Когда первый IDT – входной IDT – получает радиосигнал, который находится в желаемом диапазоне частот, он преобразует этот радиосигнал в механическую энергию. Эта механическая энергия проявляется как уникальная поверхностно-акустическая волна, распространяющаяся от IDT по поверхности кварцевой пластины. Волна затем достигает другого IDT терминала – часто называемого исходным IDT – и превращает волну в электрический сигнал через пьезоэлектрический эффект.
Этот электрический сигнал теперь может поступать к процессору для интерпретации. Некоторые устройства добавляют так называемые отражатели с обеих сторон IDT. Волны будут отражаться вперед и назад между этими отражателями, захваченными внутри фильтра. Такие устройства называются «резонаторами поверхностно-акустических волн».
МЕМС
Стоит немного времени обсудить, как производятся эти радиочастотные фильтры. Это МЕМС-устройства – радиочастотные МЕМС, если быть точными.
МЭМС (MEMS) расшифровывается как микроэлектромеханические системы, и это миниатюрные электро- и механические устройства, производимые подобным способом, как процессоры.
Эффективный диапазон частот фильтра зависит от расстояния между «зубами» или «гребенчатыми пальцами» электродов IDT. В 1980-х годах этот промежуток составил всего 300 нанометров. Для сравнения, толщина вашего волоса составляет 80 000–100 000 нанометров.
Итак, мы используем способ осаждения для нанесения тонкого слоя металла – обычно какого-то алюминиевого сплава – на пьезоэлектрическую подложку. Этой подложкой обычно является упомянутый кварцевый кристалл или литий-ниобат для более высоких частот.
После этого мы используем литографию для нанесения рисунка фильтра на металлический слой. Обычно это включает IDT, резонаторы и все такое. Затем мы удаляем лишнее (травим) с помощью кислот.
С ранними SAW фильтрами нужно только нанести, нанести рисунок и вытравить один слой материала. Более сложные SAW фильтры могут иметь большее количество слоев, но в общем не добавляют так много слоев.
Одним из недостатков производства является то, что мы должны быть осторожнее относительно упаковки. Мы часто запечатываем эти устройства в корпусе в вакууме, что было сложной задачей.
1970-е годы
Вернемся к истории. После cdj’] публикации профессор Уайт и Вольтмер, очевидно, перешли к другим работам, не подозревая о применении своих разработок. В то время они, вероятно, были ограничены.
Но позже SAW-фильтр привлек внимание индустрии, потому что он был хорошим, небольшим аналоговым фильтром, работавшим на частотах от 10 мегагерц до 1 гигагерца и выше.
Военные были одними из первых, кто исследовал эти фильтры, пытаясь улучшить свои системы связи. В ситуациях, когда помехи могут быть случайно или намеренно введены в эфир, важно хорошее отношение сигнал/шум.
Фильтр на основе SAW использовался в миссиях Вояджер в конце 1970-х годов. Протестированный на экстремальные условия окружающей среды, этот фильтр работает почти 50 лет, хотя сейчас у Вояджера есть некоторые проблемы.
А затем в 1975 году телекомпании, такие как Philips, Plessey и Siemens, обнаружили, что SAW-фильтры являются хорошей низкоценной заменой старых фильтров на катушках и конденсаторах у своих телевизоров. На фото ниже человек держит SAW-фильтр на фоне старого радиочастотного фильтра конденсаторов и катушек.
Лучшие фильтры означали возможность настраиваться на телевизионных каналов без статических помех — то, что было проблемой до появления цифровой передачи. Быстро доказав полезность этого решения, эти телекомпании начали производить 30-40 миллионов радиочастотных фильтров. Это был один из первых крупных RF-MEMS продуктов.
1980-е годы
Motorola продемонстрировала первый беспроводной мобильный телефон в 1973 году – DynaTAC. DynaTAC использовал керамические фильтры для радиочастотной фильтрации. И хотя эти керамические фильтры были меньше, чем упомянутые ранее фильтры на катушках и конденсаторах, они все еще занимали большую часть системы.
Итак, когда стандарты для сотовых систем связи 2G разрабатывались в течение 1980-х годов, они искали нечто меньшее. И тогда в 1992 году Fujitsu изготовила для мобильных телефонов первые радиочастотные фильтры на основе SAW-резонаторов.
Они были маленькими, дешевыми и простыми в изготовлении. Еще в 1975 году стоимость SAW-фильтров оценивалась примерно в $2 за каждый. Спустя почти 15 лет каждый фильтр стоил от $1.40 до $1.60 — при покупке объемом в 50 миллионов единиц.
Вы можете наполнить ведро этими фильтрами, потратив немного больше, чем стоит самое ведро. Это довольно поразительно, что столь высокотехнологичная продукция стоила так дешево.
SAW оказывается недостаточным
Итак, сначала SAW доминировал на рынке. Но когда развивался стандарт 2G GSM, ограничения SAW стали очевиднее.
2G-телефоны использовали, среди прочего, частоты около 2000 МГц (2 ГГц). Стало трудно производить SAW-фильтры для частот выше 2 гигагерц.
Это потому, что при увеличении центральной частоты фильтра нужно уменьшать расстояние между зубами. Выше 2 гигагерца эти расстояния становятся слишком малыми для легкого производства.
Стандарт мобильной связи 2G GSM начинался с всего одного радиочастотного диапазона. Таким образом, такой GSM телефон нуждался только в двух радиочастотных фильтрах — одного для передачи и одного для приема.
Но потом GSM начал прибавлять больше диапазонов. Теперь нам нужно больше фильтров, и эти фильтры стали мешать друг другу.
Когда мы приближались к 3G UMTS, стала очевидна потребность в чем-то новом. В 1998 году команда немецкого производителя полупроводников Infineon начала работать над альтернативой – объемным акустическим волновым фильтром или BAW.
Фильтры BAW
Концепции фильтра BAW датируются 1980 годом.
BAW-фильтры работают очень похоже на SAW-фильтры. Мы превращаем радиочастотную энергию в механическую энергию, которую затем можем превратить в электрический сигнал.
Однако фильтр BAW направляет энергию через всю свою толщину – то есть через весь объем, а не только по поверхности. Такие волны не только распространяются быстрее, но могут проходить дальше без ухудшения.
Существует два основных подтипа BAW-фильтров. Первый – это пленочный объемный акустический резонатор (FBAR). Другой – это твердо закрепленный резонатор (SMR).
Фундаментально они работают одинаково. В их основе есть структура, похожая на конденсатор, состоящий из верхнего и нижнего электродов, охватывающих слой пьезоэлектрического материала, такого как кварцевый кристалл.
Когда радиочастотный сигнал попадает на электроды, они создают электрические поля, заставляющие пьезоэлектрический материал генерировать акустические волны. Волны распространяются между этими электродами вертикально – вверх и вниз – через пьезоэлектрический материал. Мы можем затем превратить эти волны в электрический сигнал.
Центральная частота определяется толщиной пьезоэлектрического слоя. Этот слой может быть очень тонким – кристалл для 10 мегагерц имеет толщину примерно 170 микрометров.
FBAR и SMR
Когда речь идет о FBAR и SMR, существуют некоторые отличия. К примеру, SMR можно изготовить, используя традиционные технологии VLSI. Но ключевое отличие между SMR и FBAR касается того, как они захватывают и удерживают акустическую энергию внутри своей «сэндвичной» структуры.
Это щекотливый сэндвич. Любые помехи могут вызвать утечку энергии из сэндвича, ухудшая акустические волны, отражающиеся между электродами, и тем самым вызывая серьезное снижение производительности.
Поэтому нам нужен некий способ изоляции. Так же, как полупроводниковый завод подвешивает в воздухе на подвесах свою чистую комнату, чтобы предотвратить влияние вибраций грунта на работу. FBAR делает это, подвешивая сэндвич в воздухе.
Да, FBAR имеет буквальный воздушный зазор внутри. Это достигается с помощью МЭМС-техники, жертвуя слой, нанесенный на кремниевую подложку, который позже можно вытравить с помощью кислотного газа.
Есть несколько типов FBAR. Некоторые FBAR обладают тонкой мембраной, натянутой над воздушным зазором. Или у них есть пружины или отверстия по краям.
С другой стороны, SMR прочно заземляет всю структуру, но добавляет набор акустических отражателей – брегговских отражателей, чтобы отбивать акустические волны назад к сэндвичу.
Хотя SMR очень интересны, они в целом не столь продуктивны, как FBAR, на высоких частотах. Поэтому наше путешествие продолжится с FBAR.
Изготовление FBAR
Кроме их пригодности для высоких частот, FBAR-фильтры имеют много внутренних преимуществ по сравнению с SAW-фильтрами. Например, конденсаторообразная структура означает лучшее удержание электрических полей – предотвращение электрических помех между фильтрами. И они менее чувствительны к загрязнению частицами на поверхности фильтра. Это было подлинной проблемой для SAW-фильтров.
Но был один большой недостаток. Они более сложны в изготовлении. Мы все еще производим эти FBAR с помощью передовых МЕМС-технологий. Но FBAR имеют гораздо более сложные структуры, чем SAW-фильтры.
Пьезоэлектрический слой обычно производится из нитрида алюминия или оксида цинка и должен быть очень тонким. И в зависимости от вещества, может быть сложно получить хороший, ровный слой.
Сложность конструкции FBAR проявляется в увеличении количества слоев. Вы можете сделать очень простой BAW-фильтр с одним слоем, но он не будет хорошо работать. SAW-фильтр нуждается в одном, возможно, 2-3 слоях.
Хороший FBAR-фильтр потребует 9, 13 и более слоев.
HP начала исследовать FBAR в 1993 году. HP выделила лаборатории, чтобы создать новую компанию Agilent. И именно Agilent первая начала поставлять коммерческие дуплексеры – устройства для двунаправленной радиосвязи – с FBAR-фильтрами на основе структуры из нитрида алюминия.
Затем в 2006 году KKR и Silver Lake купили полупроводниковый бизнес Agilent. Этот бизнес был переименован в Avago. Avago позже стал публичной компанией и затем купил исследовательскую группу Infineon FBAR в 2008 году примерно за $20 миллионов. Сегодня Avago является частью Broadcom, который они купили в 2015 году.
Момент iPhone
Когда iPhone впервые появился на рынке, он поначалу был просто малофункциональным телефоном — даже обои на экране нельзя было изменить.
Первый iPhone, выпущенный в 2007 году, имел радиомодуль 2G. Его четырехдиапазонный GSM/EDGE RF приемопередатчик, изготовленный, возможно, компанией Infineon, использовал SAW-фильтры.
Его преемник iPhone 3G с 2008 года перешел на 3G и также использовал SAW-фильтры. В статье iFixit’s teardown того времени упоминается, что фильтры, возможно, произведены японской компанией Murata.
Это продолжалось и в случае iPhone 4 и 4s. SAW-фильтры для iPhone 4 были сделаны компанией Skyworks. По iPhone 4s, эти SAW-фильтры могли быть от американской полупроводниковой компании TriQuint, которая сейчас является Qorvo после большого слияния с RF Micro Devices в 2015 году.
В любом случае, эти айфоны все еще были телефонами – и они имели радиочастотные фильтры, соответствующие телефонам. Но потом появился App Store, и вдруг люди поняли, что их iPhone – это больше, чем просто телефон. Это был маленький интернет-компьютер прямо в их кармане. Это повлекло за собой огромный взрыв спроса на мобильный интернет.
iPhone 5 знаменует современный мобильный интернет
В 2011 году Apple выпустила iPhone 5, и, как обычно любит говорить компания в своей маркетинговой стратегии – все снова было другое. iPhone 5 был первым iPhone, использовавшим беспроводной стандарт 4G LTE.
Это сокращение означает Long Term Evolution – что бы это ни значило – но этот стандарт предлагает лучшую пропускную способность передачи данных, меньшую задержку, и, в отличие от 2G или 3G, базируется на пакетах IP.
LTE охватывает поразительное количество 40 частотных диапазонов по всему миру, варьирующихся от 600 мегагерц до 3600 мегагерц. Таким образом, у LTE-телефонов должны быть фильтры для всех этих диапазонов. Это означает множество фильтров и модулей.
В iPhone 5 используются дуплексоры TriQuint/Qorvo, обрабатывавшие 3G UMTS-диапазон, а дуплексор Avago с фильтром FBAR обрабатывал LTE. Вкладывание такого большого количества фильтров в телефон делает его изготовление более дорогим.
Однако, когда пришло время iPhone 5, Apple боролась за долю рынка. Чтобы добиться наибольшего масштаба, Apple хотела выпустить единственный «мировой телефон» для каждой страны мира. Никто не хочет путешествовать в Европу, Тайвань или где угодно в отпуск, только чтобы обнаружить, что телефон не работает с местным LTE-диапазоном.
Результатом явилась масштабная экспансия возможностей мобильного радио. Оригинальный iPhone 2007 года имел только четырехдиапазонный радиомодуль. Меньше чем через десятилетие, iPhone 7 может получить доступ к 23 или 24 GSM, CDMA и LTE-диапазонам.
Телефоны Samsung Galaxy могут работать в 16 частотных диапазонах. И это еще не учитывает Wi-Fi, GPS, BlueTooth и NFC.
Бум данных LTE
В 2004 году бизнес с BAW RF фильтрами стоил менее 100 миллионов долларов. Однако выпуск iPhone 5 и использование LTE зарядили индустрию. К концу 2016 года, высокочастотная отрасль RF фильтров оценивалась более чем в 1,6 миллиарда долларов.
Появились новые рыночные давления. Люди хотят, чтобы их мобильные устройства были не только более тонкими и легкими, но и более производительными, давя на поставщиков фронтальных радиочастотных фильтров на интеграцию отдельных фильтров, переключателей и усилителей питания в один RF блок.
Эти BAW фильтры теперь не похожи на то, как вы представляете обычный кремниевый чип – это свидетельствует о разнообразии экосистемы полупроводников. Сама отрасль BAW RF фильтров в основном консолидировалась к двум основным поставщикам – Qorvo и Avago/Broadcom. Итого они контролируют около 95% рынка. И интересно, что Broadcom производит свои RF фильтры в Соединенных Штатах.
На рынке SAW-устройств все еще есть несколько разных игроков, среди крупнейших из которых Murata, Skyworks, Qorvo и японская компания Taiyo Yuden. Не вспоминая всех десятков малых производителей.
Будущее
LTE была технологией 4G, и она вызвала огромный бум. А сейчас мы переходим в мир 5G. 5G может обеспечить значительно более высокие скорости передачи данных, чем устройства 4G, что в свою очередь требует не только более высоких частот, но и больших сегментов этих более высоких частот.
Поэтому BAW фильтры должны снова адаптироваться. RF фильтр для более высокой частоты должен делать электрод-пьезоэлектрический сэндвич еще более тонким. И материалы могут измениться.
Одной из главных проблем было использование пьезоэлектрического материала в сэндвиче. Долгое время стандартом был нитрид алюминия. Но спрос на большую пропускную способность привел компании к использованию скандия в смеси – что улучшает радиочастотные характеристики.
Но подвох состоит в том, что допирование скандия имеет производственные проблемы, и это заставляет ребят из Qorvo и Broadcom играть в интересную игру в то, чтобы определить, какое количество скандия может быть добавлено и выйдет из этого.
По материалам: Asianometry
