5G时代POI衬底SAW大热，以高性能和更优成本取代TC-SAW和BAW

最近，高通与Soitec达成协议，Soitec将为高通的射频滤波器大规模生产POI衬底，以用于智能手机射频前端模块。今年初高通发布的ultraSAW滤波器技术正是基于SoitecPOI衬底。

什么是POI衬底？

Soitec滤波器业务经理Christophe Didier在近期的媒体说明会上，对包括电子发烧友网在内的行业媒体详解了POI衬底的技术和市场前景。

POI衬底在最顶层是一层大概几百纳米厚的单晶的压电层，在它之下是一层氧化埋层，大概也是几百纳米厚度，在最底下基底的部分是高电阻率硅材料。

来源：Soitec

POI用的压电材料和当前一般使用在SAW（声表面波）滤波器用的材料一样，主要包括两种材料，分别是钽酸锂和铌酸锂。而这里的氧化埋层相当于温度补偿层，作用是抑制压电材料，因为压电材料在温度变化的时候可能会扩张或者收缩，从而影响到频率，因而需要氧化埋层抑制压电材料，即器件层的钽酸锂或铌酸锂。

而底层的高电阻率硅的作用是减少损耗。能够在极薄的压电层限制波能等效。而由于能很好地控制整个压电层，可以在压电层获得更好的等效的波传播。

因此，主要的射频前端生产商已经开始生产以POI为衬底的滤波器，主要采用的规格是直径150毫米的POI，此款POI产品作为第一个使用Smart CutTM技术生产非硅类材料的优化衬底，目前在Soitec法国贝宁3厂已实现量产。

从未来的技术发展来看，Soitec计划使用铌酸锂代替钽酸锂，从而更好地把握滤波器的带宽，同时也在开发直径200毫米的POI衬底，以降低总体成本。

POI衬底SAW可取代TC-SAW和BAW

滤波器有不同的类型，包括SAW、BAW、XBAR等，而POI衬底的SAW以其独特的性能优势在5G架构上能够取代TC-SAW（温度补偿型SAW）和BAW。

Christophe Didier解析，SAW对温度过于敏感，温度变化会影响频率，但这种温度的敏感是可以改善的，这种温度带来的变化叫做TCF，衡量单位是ppm.K，改善方法就是通过TC-SAW（温度补偿型SAW）加上一层温度补偿层。

来源：Soitec

另外一项滤波器技术BAW（体声波），它的过程特别复杂，需要很多步骤才能搭建一个声学上需要的“腔”。

通过对比可以看到，基于POI衬底的SAW技术优势就是能源效率更高，比TC-SAW的能源损耗更小。所以它相对于SAW和TC-SAW，获得了更高频率、更广带宽。相对BAW来说，这种基于POI衬底的SAW工艺流程更简单且成本更低。因为可以将很多个滤波器集成在同一个芯片上，所以面积也更小。从生产角度来讲，它的生产流程跟SAW是相似的，但是比TC-SAW和BAW都要简单很多。

通过几组测试数据来看基于POI衬底的SAW性能与优势：

第一个系数是品质系数，采用Bode Q来测量中频段的谐振器的参数，测出来的参数是大于4000。

第二个参数是耦合系数，耦合系数涉及到可以实现更广带宽的滤波功能，这里耦合系数k2测出来是大于8%。

第三个参数是TCF（频率温度系数），这是跟温度相关的、导致频率变化的一个系数，我们测得的TCF是小于10 ppm.K-1。

相较于TC-SAW一般用于低频段和中频段的滤波技术，BAW则一般用于中频段和高频段，POI衬底的SAW可以解决中频段和高频段这两个频段的技术难题，在5G滤波器方面成为取代TC-SAW和BAW的更优解决方案。

市场前景

滤波器在5G智能手机上是非常关键的组件，鉴于5G的MIMO、载波聚合等技术的使用，预计智能手机在5G时代的前端模块的滤波器面积将会增加50%。

根据Yole Development的数据，射频滤波器未来的市场规模从2018年的31亿美元有望上升到2025年的约51亿美元。就POI衬底的价值而言，Christophe Didier认为POI衬底将会成为未来几年的一项行业标准。到2024年预计POI衬底的可服务市场规模将达到100万片的晶圆。

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