? ? 射(she)頻濾波(bo)器(qi)是(shi)當前(qian)5G通訊建設所需的(de)核心器(qi)件，而壓電(dian)(dian)晶體則是(shi)制(zhi)造(zao)射(she)頻濾波(bo)器(qi)的(de)基礎材料(liao)。本文(wen)就當前(qian)射(she)頻濾波(bo)器(qi)所用的(de)壓電(dian)(dian)材料(liao)的(de)技(ji)術現狀進行了描述，對當前(qian)國內(nei)外(wai)產業發(fa)展(zhan)現狀進行簡要總結。
當(dang)前(qian)，第五(wu)代移動通(tong)信技(ji)術（5G）正在闊步(bu)前(qian)行，人類(lei)將開啟萬物(wu)廣泛互聯、人機深度交互的(de)新時代。2020年3月，工信部發(fa)(fa)布的(de)《工業(ye)和(he)信息化部關于推(tui)動5G加(jia)快(kuai)發(fa)(fa)展的(de)通(tong)知》中強調，要“加(jia)快(kuai)5G網絡建(jian)設部署、加(jia)大(da)基(ji)站(zhan)站(zhan)址資源支持、加(jia)強電力(li)和(he)頻率保(bao)障”。 5G時(shi)代，智能(neng)終端需要(yao)(yao)接收（5G/4G/3G/2G）多(duo)個頻(pin)段，同(tong)時(shi)還要(yao)(yao)對WIFI/GPS等信(xin)(xin)號進(jin)行處理，需要(yao)(yao)在收發鏈(lian)(lian)路中使用(yong)多(duo)個濾(lv)波器避免(mian)信(xin)(xin)號互(hu)相干擾。射頻(pin)濾(lv)波器能(neng)夠(gou)在通(tong)信(xin)(xin)系統中對通(tong)信(xin)(xin)鏈(lian)(lian)路中的信(xin)(xin)號頻(pin)率進(jin)行選擇和控(kong)制，將帶外干擾和噪聲濾(lv)除。
5G通訊對(dui)濾(lv)波器提(ti)出了(le)高頻帶選擇性、高品質(zhi)因子（Q）、低插入損耗(hao)等要求，當前主流技術路線產品是聲表(biao)面(mian)(mian)波（SAW）濾(lv)波器、溫(wen)度(du)補償型聲表(biao)面(mian)(mian)波濾(lv)波器（TC-SAW）和(he)薄膜體聲波濾(lv)波器（FBAR）。
SAW濾波器是利用壓電材料(liao)表面的(de)聲波來(lai)濾除(chu)雜(za)波的(de)濾波器。該類產品插入(ru)損耗低(di)、抑制性能優良(liang)、成(cheng)本低(di)，主(zhu)要聚焦于(yu)10MHz-3GHz之(zhi)間的頻段應用(yong)，但(dan)易(yi)受(shou)溫度變化的影響(xiang)。為改善SAW的溫度特(te)性，在其表層(ceng)增加溫度補償薄膜(mo)制成TC-SAW濾波(bo)器(qi)。該(gai)類產(chan)品比普通(tong)的SAW濾(lv)波器(qi)結構和工藝(yi)更復雜，其制(zhi)造成本(ben)也相(xiang)對較高(gao)。
FBAR是(shi)體(ti)聲波（BAW）濾波器(qi)(qi)的(de)薄膜化(hua)和微機電系統（MEMS）化(hua)技術分支，是(shi)利(li)用(yong)在頻率元(yuan)件(jian)晶體(ti)腔(qiang)體(ti)內部傳播的(de)聲波來(lai)實現濾波的(de)一類(lei)濾波器(qi)(qi)。 FBAR的(de)工(gong)作頻率可高(gao)達10GHz，能承受更(geng)大的(de)功(gong)率，具(ju)有更(geng)高(gao)的(de)可靠性和Q值(zhi)，且對溫度(du)(du)變化的(de)敏感度(du)(du)低，適合(he)高(gao)頻率、大帶寬要求的(de)5G通信濾波(bo)。但其制造(zao)需要使用較高(gao)難(nan)度(du)(du)的(de)薄(bo)膜沉(chen)積與(yu)微機械加工(gong)技術(shu)，價格也是SAW濾波(bo)器的(de)數倍。 隨著5G通(tong)訊的大力發展，以及物聯(lian)網接(jie)入設備和其他近場連接(jie)方式(shi)的增加，射頻濾波器市場的將獲(huo)得空前巨大的發展空間。 當前智能(neng)(neng)手機(ji)仍(reng)是(shi)濾波(bo)器的消(xiao)費藍海（約占市場(chang)的80%），且由于消(xiao)費者(zhe)對高質量通信的依賴，5G手機(ji)的消(xiao)費市場(chang)將擁有(you)更廣闊的消(xiao)費前景。據(ju)統(tong)計，要(yao)實(shi)現2G+3G+4G+5G全球(qiu)通，可(ke)能(neng)(neng)需要(yao)支(zhi)持90多個頻(pin)段，而一個頻(pin)段通常需要(yao)兩個濾波(bo)器，這也意味(wei)著一部5G手機(ji)可(ke)能(neng)(neng)需要(yao)上(shang)百個濾波(bo)器。 目前，一款(kuan)4G手機需要(yao)用到的濾波器數量(liang)僅為30多個，5G時期全球射頻濾波器市(shi)場空間將(jiang)達到4G時期的2～3倍。 而價(jia)格方面，4G時代單(dan)(dan)部手(shou)機(ji)射(she)(she)頻(pin)器(qi)件(jian)價(jia)值平均在7.5美金，5G通訊對射(she)(she)頻(pin)器(qi)件(jian)的尺寸、頻(pin)率、帶寬提出了(le)更高要(yao)求，FBAR的需求將大(da)幅度增(zeng)加，預計單(dan)(dan)臺手(shou)機(ji)中濾波器(qi)的價(jia)值將達到(dao)8~12美元。據預測，全球射(she)(she)頻(pin)濾波器(qi)市(shi)場(chang)規模將在2020年增(zeng)至130億(yi)美金，到(dao)2022年濾波器(qi)市(shi)場(chang)將增(zeng)至163億(yi)美元。 縱觀移(yi)動通訊(xun)用射頻濾波器產業鏈(lian)，上游(you)(you)的關鍵(jian)原材料(liao)(liao)主要包括兩大類(lei)，一個是(shi)壓(ya)電(dian)晶片（SAW常(chang)用的壓(ya)電(dian)材料(liao)(liao)是(shi)鉭酸鋰(li)、鈮酸鋰(li)等，FBAR常(chang)用的壓(ya)電(dian)材料(liao)(liao)是(shi)氮化(hua)鋁等），另(ling)一類(lei)是(shi)陶瓷基(ji)板，上游(you)(you)材料(liao)(liao)產業鏈(lian)主要集中在日本。
中游為器件制造(zao)環節，主要集(ji)中在(zai)日(ri)本和美(mei)國(guo)。下(xia)游市(shi)場主要受智(zhi)能手(shou)機、VR設(she)備、車載終端等移動(dong)智(zhi)能終端需求的推動(dong)，其中智(zhi)能手(shou)機中射頻濾波器用量最大，應(ying)用企業主要在(zai)中國(guo)。
鉭酸鋰(li)（Lithium tantalate，簡稱LT）是一種三(san)方晶系(xi)的(de)化學(xue)晶體，化學(xue)式LiTaO3，作為一種非線性(xing)光學(xue)材(cai)料(liao)，其應(ying)用(yong)范圍十分廣(guang)泛。LT以其優良(liang)的(de)非線性(xing)光學(xue)效(xiao)應(ying)、壓電效(xiao)應(ying)和光折變效(xiao)應(ying)被(bei)廣(guang)泛用(yong)于高頻寬帶濾(lv)波器、二次諧波發生(sheng)器、電光調Q元(yuan)件、激(ji)光倍(bei)頻器等，在軍事、民用(yong)領域有著廣(guang)泛的(de)用(yong)途(tu)。
在射頻濾波器(qi)領域，因其(qi)卓越的壓電性(xing)質而被(bei)大量用作(zuo)SAW濾波器(qi)的襯底材料(liao)，特別是(shi)在制作(zuo)頻率3GHz以下SAW器(qi)件(jian)襯底中具有絕對的優(you)勢，沒有其(qi)他材料(liao)可替代其(qi)地位(wei)。
與(yu)鉭酸鋰類(lei)似(si)，鈮酸鋰（Lithium niobate，簡稱LN）也(ye)是(shi)三方晶(jing)系的化(hua)學晶(jing)體，屬鈦鐵礦型結構(gou)。經過(guo)畸化(hua)處理的鈮酸鋰晶(jing)體具有壓電、鐵電、光(guang)電、非線性光(guang)學、熱(re)電等多性能的材料，在(zai)軍事、民用(yong)領域有著廣泛的用(yong)途，可用(yong)于制(zhi)造調Q開關、光(guang)電調制(zhi)等；
摻(chan)加一定(ding)量的鐵和其他金(jin)屬雜質的LN晶體，可用作(zuo)全息記錄介質材料、二次(ci)諧波發生器、相位光柵(zha)調解器、大規模集成(cheng)光學系統(tong)、高頻寬(kuan)道帶濾(lv)波器等(deng)。LN也可作(zuo)為(wei)壓電襯底在制造SAW濾(lv)波器中廣泛應用，其用量僅次(ci)于(yu)LT。 鉭酸(suan)鋰和(he)鈮酸(suan)鋰晶(jing)體(ti)的制(zhi)(zhi)備通常(chang)都采(cai)用(yong)(yong)提拉(la)法(fa)，直接從熔體(ti)中拉(la)制(zhi)(zhi)出具有(you)各種截(jie)面(mian)形狀晶(jing)體(ti)，鉭酸(suan)鋰晶(jing)體(ti)通常(chang)使(shi)用(yong)(yong)碳酸(suan)鋰和(he)氧化鉭混合制(zhi)(zhi)備而成(cheng)，鈮酸(suan)鋰晶(jing)體(ti)通常(chang)使(shi)用(yong)(yong)碳酸(suan)鋰、五(wu)氧化二(er)鈮為(wei)原料制(zhi)(zhi)備而成(cheng)。
氮(dan)化鋁（AlN）是一種六方纖鋅礦結構(gou)的共價鍵化合物(wu)。通常狀(zhuang)態下為(wei)灰色(se)或灰白色(se)，具(ju)有高(gao)熱導率、高(gao)溫(wen)絕緣性、介電性能好、高(gao)溫(wen)下材料強度(du)大以(yi)及熱膨脹系數(shu)低(di)等優點。AlN在射頻濾(lv)波(bo)器(qi)中有兩(liang)方面的應(ying)用。其中一種是作為(wei)壓電薄(bo)膜(mo)用于制(zhi)造薄(bo)膜(mo)體聲(sheng)波(bo)濾(lv)波(bo)器(qi)（FBAR）。
由于AlN沿c軸(zhou)取向(xiang)壓(ya)電效應明顯，在電極(ji)材料上制備ｃ軸(zhou)擇優取向(xiang)的(de)AlN薄(bo)(bo)膜(mo)可(ke)獲得高性能薄(bo)(bo)膜(mo)體聲波器件。AlN薄(bo)(bo)膜(mo)通(tong)常采用(yong)金屬化合物(wu)氣相沉積(ji)、脈(mo)沖激(ji)光沉積(ji)、磁控濺射等方法制備。另一方面(mian)應用(yong)場景是作為一種高溫耐熱陶瓷用(yong)作射頻濾(lv)波器的(de)基板(ban)。 AlN熱導(dao)率(lv)高，較氧(yang)化(hua)鋁(lv)陶瓷高5倍以上，同時其膨脹系(xi)數(shu)低，與硅性能一致(zhi)。使用氮化(hua)鋁(lv)陶瓷為主要原(yuan)材(cai)料(liao)制造而(er)成(cheng)的(de)基(ji)板，具有高熱導(dao)率(lv)、低膨脹系(xi)數(shu)、高強度、耐腐蝕等特(te)性，是理想的(de)散熱基(ji)板和封裝材(cai)料(liao)。 氮化(hua)(hua)鋁(lv)(lv)粉(fen)體的制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)(bei)方(fang)法(fa)(fa)很多，目前國內外研(yan)究的主要有(you)以下幾種方(fang)法(fa)(fa)：鋁(lv)(lv)粉(fen)直接氮化(hua)(hua)法(fa)(fa)、Al2O3碳熱還(huan)原法(fa)(fa)、自蔓延(yan)高(gao)溫合成法(fa)(fa)、溶膠-凝膠法(fa)(fa)、等(deng)離(li)子化(hua)(hua)學合成法(fa)(fa)、化(hua)(hua)學氣相沉(chen)積法(fa)(fa)等(deng)。氮化(hua)(hua)鋁(lv)(lv)粉(fen)體在制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)(bei)過程(cheng)中容易(yi)氧化(hua)(hua)和水(shui)(shui)解，從而影響制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)品的純度和品質，因此采取適當措施來抑制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和防止其氧化(hua)(hua)和水(shui)(shui)解，成為氮化(hua)(hua)鋁(lv)(lv)粉(fen)體制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)(bei)技(ji)術當中的重要環節(jie)和今后研(yan)究的重點(dian)。
其他還有多種(zhong)(zhong)壓(ya)(ya)電(dian)材(cai)料也可用于射頻(pin)(pin)濾波(bo)(bo)(bo)器(qi)的(de)制(zhi)造(zao)，包括石英、鈮酸(suan)(suan)鉀、四(si)硼酸(suan)(suan)鋰(li)(li)、鍺酸(suan)(suan)鎵(jia)鍶和鎵(jia)鑭系列等，隨(sui)著(zhu)人們的(de)不斷探索，多種(zhong)(zhong)優異性能的(de)壓(ya)(ya)電(dian)晶(jing)體(ti)也不斷被挖掘開發，但現階段用于制(zhi)造(zao)SAW濾波(bo)(bo)(bo)器(qi)的(de)壓(ya)(ya)電(dian)材(cai)料中(zhong)(zhong)(zhong)用量最大的(de)仍(reng)是(shi)鉭酸(suan)(suan)鋰(li)(li)和鈮酸(suan)(suan)鋰(li)(li)，而用于制(zhi)造(zao)FBAR的(de)壓(ya)(ya)電(dian)材(cai)料中(zhong)(zhong)(zhong)用量最大的(de)則是(shi)氮化鋁(lv)。其中(zhong)(zhong)(zhong)石英是(shi)最早(zao)用于制(zhi)造(zao)SAW濾波(bo)(bo)(bo)器(qi)的(de)壓(ya)(ya)電(dian)晶(jing)體(ti)，但由于其自身機電(dian)耦合(he)系數(shu)的(de)限制(zhi)，難以(yi)應用于高頻(pin)(pin)、寬帶的(de)射頻(pin)(pin)濾波(bo)(bo)(bo)器(qi)，已逐(zhu)步被淘汰。
LT、LN晶(jing)體較大的壓電系(xi)數(shu)可以制(zhi)(zhi)作低(di)插入損耗(hao)的SAW濾波器，但(dan)其光透過和高熱(re)釋(shi)電等性能也給SAW器件的制(zhi)(zhi)作工藝帶(dai)來很多(duo)不便。在SAW或BAW器件生產過程中，高熱(re)釋(shi)電系(xi)數(shu)使(shi)得晶(jing)片表面(mian)很容(rong)易形成大量(liang)靜電荷，這些電荷會在叉指電極間(jian)、晶(jing)片間(jian)自發釋(shi)放。 當(dang)靜(jing)電(dian)場(chang)足夠(gou)高(gao)時，靜(jing)電(dian)荷釋(shi)放容易損傷(shang)晶片，燒毀叉指電(dian)極，特別是在制(zhi)作(zuo)高(gao)頻和細指條產(chan)品時尤為(wei)明(ming)顯。此外，在傳統壓電(dian)晶片上進行光(guang)刻(ke)工藝(yi)時，材料的透光(guang)性導(dao)致晶片背面形成(cheng)漫散(san)射(she)，從而降低了光(guang)刻(ke)電(dian)路的襯(chen)度，導(dao)致失真的線寬。 針對(dui)SAW器(qi)件制(zhi)作(zuo)中存在(zai)的(de)這些問題，近(jin)年來國際上(shang)興起對(dui)LN、LT晶(jing)片(pian)(pian)進(jin)行(xing)化學還原(yuan)的(de)工藝。經處理(li)過(guo)的(de)LN和LT晶(jing)片(pian)(pian)，基(ji)本上(shang)都呈(cheng)黑(hei)色，因此也稱為黑(hei)片(pian)(pian)。雖然LT黑(hei)片(pian)(pian)有效(xiao)地(di)減少了晶(jing)片(pian)(pian)的(de)熱釋電效(xiao)應，但(dan)過(guo)黑(hei)的(de)LT晶(jing)片(pian)(pian)會對(dui)SAW濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)插入損耗造成影響，還易(yi)導致晶(jing)片(pian)(pian)的(de)加工性差。 晶片電阻率(lv)在1010Ω·cm量(liang)級范圍(wei)內，可同時兼(jian)顧(gu)晶片可加(jia)工(gong)性(xing)和(he)防靜電損傷的特點。 相(xiang)較于(yu)氧化(hua)鋁(lv)陶瓷基板(ban)，受(shou)制于(yu)生(sheng)產工藝(yi)要求高、價格偏高等因素(su)的影響，現階段氮(dan)化(hua)鋁(lv)陶瓷基板(ban)應用范圍相(xiang)對(dui)較窄(zhai)，主要應用于(yu)高端電(dian)子(zi)領域。 但隨(sui)著電子信(xin)息產業(ye)技術不斷升級，PCB基板(ban)小型化、功能集成化成為趨勢，市場(chang)對基板(ban)的(de)散(san)熱(re)性與耐高溫性要求不斷提升，氮化鋁(lv)陶瓷基板(ban)的(de)發(fa)展將迎來機遇，將在通(tong)信(xin)、消費電子、LED、軌道交通(tong)、新(xin)能源(yuan)等各個(ge)領域(yu)得到應用(yong)。 現階段，國(guo)際上生產(chan)LT和LN晶(jing)體(ti)的(de)主(zhu)要國(guo)家在日(ri)本，日(ri)本的(de)許(xu)多大型企業如住友化學株式(shi)會(hui)社(she)、日(ri)本信越化學工業株式(shi)會(hui)社(she)等(deng)都大規(gui)模(mo)生產(chan)LT、LN晶(jing)體(ti)，而(er)AlN的(de)主(zhu)要生產(chan)廠商也是集中(zhong)在日(ri)本，如京(jing)瓷(ci)和TDK等(deng)。 目前，日(ri)本在(zai)射頻濾波器用壓電材料的制備和(he)生(sheng)產(chan)方面處于(yu)領(ling)先，無論是技(ji)術工(gong)藝水平(ping)還是產(chan)品(pin)質量(liang)和(he)產(chan)量(liang)都占據龍頭(tou)地位。與壓電晶體類似，日(ri)本企業在(zai)國際氮化鋁陶瓷基板市場中同樣(yang)處于(yu)壟斷地位，此外中國臺灣地區(qu)也有部分產(chan)能。 隨著中國電(dian)子信息產業(ye)快速發展，技術水(shui)平不斷提高，國內市(shi)場對射頻濾波器的(de)需求快速上升(sheng)，在市(shi)場的(de)拉動下，進入(ru)行業(ye)布(bu)局(ju)的(de)企業(ye)開(kai)始增多。 射頻濾(lv)波器產業鏈(lian)結構(gou)整體非常(chang)復雜，所(suo)涉及(ji)的(de)材料、曝光、光刻(ke)、工藝(yi)參數等(deng)細微變化(hua)都會極大(da)影響產品性能。為(wei)了最(zui)大(da)化(hua)的(de)保證最(zui)優設計(ji)(ji)結果，國外龍頭企業多(duo)采用IDM（集成器件(jian)制(zhi)造）模(mo)式，企業具備(bei)器件(jian)設計(ji)(ji)、材料制(zhi)備(bei)、晶圓及(ji)基板制(zhi)造、封裝和可靠(kao)性測(ce)試(shi)等(deng)各環節的(de)能力。 此外，國(guo)際大廠對濾波器的(de)(de)(de)制(zhi)造工(gong)藝和知識(shi)(shi)產(chan)權的(de)(de)(de)掌控也處于領(ling)先(xian)地位，以LT和LN晶體的(de)(de)(de)發明專利為(wei)例，當前全球范圍內(nei)專利總數排(pai)名前15的(de)(de)(de)企(qi)業中(zhong)，有9家(jia)日(ri)本的(de)(de)(de)公司，而中(zhong)國(guo)企(qi)業只(zhi)有1家(jia)。因此國(guo)內(nei)企(qi)業應加大創(chuang)新(xin)研發投入，合理布局(ju)專利，建立完整系(xi)統的(de)(de)(de)知識(shi)(shi)產(chan)權戰(zhan)略(lve)體系(xi)。 現階段我國射頻濾波器生產(chan)工(gong)藝基礎薄弱(ruo)。國內制(zhi)造(zao)廠家并(bing)不完全具(ju)備寬槽犧牲層材料平坦(tan)化、超(chao)薄片減(jian)薄拋光(guang)、Mo薄膜小角度干法刻蝕、高(gao)精度/高(gao)取向度和高(gao)均勻(yun)性壓電薄膜制(zhi)備等(deng)多種核心制(zhi)造(zao)技術，難以(yi)進(jin)行(xing)大規模的(de)生產(chan)加工(gong)，或者產(chan)品批(pi)次一致(zhi)性差，需進(jin)行(xing)大量(liang)的(de)研發投(tou)入和技術摸索。
經不完全(quan)統計，我(wo)國(guo)2019年鉭酸鋰單晶的(de)產量約為23萬(wan)噸(dun)，國(guo)內能夠(gou)生(sheng)產供射(she)頻濾波器用的(de)壓電(dian)材料的(de)廠商主(zhu)要有中國(guo)電(dian)科26所、浙江天通(tong)、上海召業、德(de)清華瑩等(deng)。
據了解，中國電科26所(suo)生產(chan)的鉭(tan)酸(suan)鋰(li)、鈮酸(suan)鋰(li)晶(jing)體，雖(sui)然其晶(jing)體的黑化還(huan)原等高(gao)端技術仍(reng)不如日本企業(ye)，在部分特(te)殊(shu)應(ying)用環境領(ling)域(yu)的應(ying)用仍(reng)需進(jin)口，但在移動通訊領(ling)域(yu)，其產(chan)能基本可滿足企業(ye)自身射(she)頻(pin)濾(lv)波器(qi)產(chan)品(pin)的制(zhi)造需求。這(zhe)說明隨著我國產(chan)業(ye)的升(sheng)級(ji)改造，射(she)頻(pin)濾(lv)波器(qi)用壓電材料的產(chan)能也(ye)得到了逐(zhu)步的提升(sheng)。
包括射頻濾(lv)波器在內的(de)(de)半導體產業正在度過一個歷史性(xing)的(de)(de)艱難(nan)階段(duan)。本次新(xin)型(xing)冠(guan)狀病毒肺炎疫(yi)情(qing)也導致了SAW濾(lv)波器的(de)(de)漲(zhang)價和供(gong)不應求，在國(guo)(guo)產化替代需求和國(guo)(guo)家(jia)政策的(de)(de)推動下，國(guo)(guo)內射頻濾(lv)波器企業也吹響了自(zi)主可控的(de)(de)旋律，正在圍繞關鍵(jian)材料(liao)壓電(dian)晶片(pian)的(de)(de)黑化還原劑設計、有(you)限元(yuan)分析及高Q值結(jie)構、復合(he)薄膜結(jie)構層應力補償(chang)等核心技術進行攻關突破，以期(qi)盡快實現彎道超車。