在工業(yè)應(yīng)用中決定用何種壓電材料時(shí)，還有其他幾個(gè)問(wèn)題要考慮。淀積設(shè)備應(yīng)該是成熟而且可靠的。BAW很可能將在半導(dǎo)體廠內(nèi)制作，這時(shí)會(huì)有一些嚴(yán)重的污染問(wèn)題。在一個(gè)CMOS制造廠內(nèi)，鋅、鉛、鋯都是極度危險(xiǎn)的材料，因?yàn)樵诎雽?dǎo)體器件中，它們會(huì)嚴(yán)重降低載流子壽命。與ZnO和PZT相比，使用A1N則沒有污染問(wèn)題。應(yīng)用于A1N的淀積設(shè)備已經(jīng)有多家著名的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商可以提供，而用于ZnO的設(shè)備還做不到，用于PZT的就更沒有。盡管從理論上看AlN不是制作BAW的理想材料，但目前從性能和制造兩方面看，它卻是最好的折衷。要做到較大的耦合系數(shù)，或者至少在某些應(yīng)用中有足夠的耦合，這可能還需要幾年的改進(jìn)。良好而且可靠的耦合系數(shù)是進(jìn)一步研究BAW器件其他各種效應(yīng)的先決條件。糟糕的耦合通常伴隨很糟的品質(zhì)因數(shù)。如果Q值低于100~200，那么有很多嚴(yán)重的問(wèn)題將不能被研究清楚。最可能的情況是，一個(gè)原型BAW諧振器會(huì)出現(xiàn)一些附加的諧振，這些附加的諧振不能用一維理論來(lái)解釋。這些"寄生模態(tài)"會(huì)嚴(yán)重破壞通帶的平坦。更糟的情況中，這些寄生模態(tài)可能太強(qiáng)，以致沒辦法通過(guò)電測(cè)量來(lái)提取材料參數(shù)。有一些寄生模態(tài)與器件的側(cè)向效應(yīng)有關(guān)，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)來(lái)改善。還有一些寄生模態(tài)與層堆本身有關(guān)，這需要對(duì)相關(guān)頻率下在層堆中傳播的各種模態(tài)進(jìn)行透徹的研究。

就算原型BAW諧振器呈現(xiàn)了期望的性能，還有一些更困難的問(wèn)題需要解決。BAW的諧振頻率是由壓電層以及鄰近各層的厚度決定的。典型的移動(dòng)電話中的濾波器要求諧振頻率的誤差在0.1%附近，這要求壓電層和各電極層的厚度誤差也在這個(gè)范圍內(nèi)。半導(dǎo)體工藝中使用的標(biāo)準(zhǔn)工具一般只能提供5%的精度，不能滿足這么高的容差要求。就算通過(guò)改進(jìn)，各次流片間的變動(dòng)可以符合更高的要求，但如何保證晶片厚度的一致還是一個(gè)要解決的大問(wèn)題。

單片集成還是混合集成

過(guò)去五年，一直在討論移動(dòng)電話中的構(gòu)成模塊應(yīng)該向單片集成的"片上系統(tǒng)"（SOC）發(fā)展，還是應(yīng)該向混合集成單封裝系統(tǒng)"（SIP）發(fā)展。這個(gè)討論至今沒有定論，是否會(huì)有一個(gè)清晰的趨勢(shì)也不確定。要做出有價(jià)值的判斷，需要考慮到很多技術(shù)和商業(yè)因素。對(duì)于BAW，情況也是這樣。BAW可以單片集成到BiCMOS工藝上。相對(duì)沒有BAW而言，在RF-CMOS工藝的頂部采用BAW做射頻濾波器使得"單片移動(dòng)電話"大大地接近了現(xiàn)實(shí)。要將BAW集成到IC工藝中有幾個(gè)方面需要考慮：

組合工藝所需的光刻步驟是IC工藝和BAW各自所需的總和，聲學(xué)層步驟不能用于金屬互連步驟，反之亦然。

組合工藝的成品率會(huì)比各工藝各自的成品率低很多。

組合工藝中，單位硅面積的花費(fèi)會(huì)增加。一片相對(duì)大的集成電路與一個(gè)小的BAW濾波器在組合工藝中整合，其花費(fèi)將比用分別的工藝制作的相應(yīng)芯片高昂得多。

對(duì)典型尺寸為0.5mm2的BAW芯片來(lái)說(shuō)，裝配上的花費(fèi)可能比它在硅面積上的花費(fèi)還高很多。在有的情況下，由于省下了裝配費(fèi)用，單片集成的方案會(huì)更有利。

針對(duì)IC的封裝技術(shù)不一定適用于BAW，因?yàn)樗枰谥C振器的頂部有空腔。有腔封裝也會(huì)更貴一些。與需要密閉封裝的SAW濾波器相比，BAW器件僅需要一個(gè)空腔。由于它允許用塑封材料替代陶瓷，因而從封裝成本看這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。

采用SOC的方案后，設(shè)計(jì)靈活性會(huì)急劇下降。

小型化：SOC方案在尺寸上的優(yōu)勢(shì)是難以動(dòng)搖的，除非SIP中各芯片采用了真正的三維堆疊技術(shù)。

由于顯然的原因，可以從主要供應(yīng)商處得到的最初期的BAW產(chǎn)品都是單獨(dú)的BAW濾波器或混合模塊。盡管單片集成對(duì)于某些特殊的產(chǎn)品可能更有利，但目前還不太可能很快成為主流。

BAW濾波器的建模和設(shè)計(jì)

不同應(yīng)用中射頻濾波器的指標(biāo)可能差異相當(dāng)大。因而設(shè)計(jì)流程的簡(jiǎn)便和快捷是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。一些設(shè)計(jì)要求極低的插入損耗和良好的阻抗匹配，而另一些設(shè)計(jì)對(duì)阻帶衰減的要求才是首位的。對(duì)BAW器件的建?？梢曰诓煌膶哟巍；疚锢韺幽Ｐ托枰M(jìn)行三維的互相耦合的電、聲模擬，這實(shí)際上不可能用公式表示并解析地解出結(jié)果。有限元方法（FEM）原則上可以用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但非常困難，至今還幾乎沒有相關(guān)的實(shí)踐。

在物理層上，BAW可得以有效的模型化。物理層模型采用一維的聲學(xué)和（壓電）電學(xué)方程來(lái)描述層堆中的壓力場(chǎng)和諧振器電端口上的電阻抗。這種模擬對(duì)于層堆的優(yōu)化和材料參數(shù)的提取都極其重要。諧振器的這種一維模型被稱為Mason模型。在開發(fā)BAW諧振器時(shí)，這種模型是最重要的，但對(duì)于BAW濾波器的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)仿真而言，這種模型顯得過(guò)于復(fù)雜。工作正常的BAW諧振器可以用所謂的緊湊（或更高級(jí)）模型來(lái)模擬，這種緊湊模型使用一個(gè)被稱為"Butterworth-van-Dyke"模型的簡(jiǎn)單等效電路。

在不考慮導(dǎo)線上的寄生效應(yīng)時(shí)，BAW的等效電路與為人熟知的"Butterworth-van-Dyke"模型是一致的，這個(gè)模型最初是為石英晶體發(fā)明的。

BVD模型的阻抗特性實(shí)際上與從Mason模型得到的結(jié)果是一致的。BVD模型的基本參數(shù)有：

C諧振器"靜態(tài)"電容[F]
fs串聯(lián)諧振頻率[Hz]
bwr諧振器相對(duì)帶寬
Q聲學(xué)諧振品質(zhì)因子

這些基本參數(shù)可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量或?qū)ason模型的仿真方便地獲得。通過(guò)阻抗測(cè)量，可以相對(duì)容易地提取出fs 、fp和C。再用下面幾個(gè)公式可以估算出基本參數(shù)：

bwr=\frac{f_{p}-f_{s}}{f_{s}}
C=\frac{-1}{f·2 ·Im(Z)_{f Q=\frac{f}{2} \frac{ z}{ f}

從基本參數(shù)出發(fā)，等效電路中各元件的值都可以算出。這里需要指出的是所有這些值都是緊密相關(guān)的，不可能通過(guò)單獨(dú)調(diào)整某個(gè)元件值來(lái)改善濾波器。

Ca=C·2·bwr
C_{0}=\frac{C·2}{2+bwr}
L_{a}=\frac{1}{(2 ·f_{s})^{2}C_{a}}
R_{a}=\frac{2 f_{s}·L_{a}}{Q}

基本參數(shù)以外的主要寄生效應(yīng)可以通過(guò)在等效電路中增加后面這些附加元件來(lái)描述：

Rs諧振器的串聯(lián)電阻[ ]
Cox底部電極－襯底電容[F]
Csub襯底－地電容[F]
Rsub襯底損耗電阻[ ]

BVD模型是設(shè)計(jì)濾波器的一種非常實(shí)用的方法，而且在諧振器工作正常的前提下，其結(jié)果與其它幾種模型相比同樣地接近實(shí)際。任何電路仿真器都可用來(lái)處理BVD模型。

BAW濾波器的當(dāng)前水平

BAW/FBAR濾波器在各種性能上全面優(yōu)于SAW濾波器。當(dāng)設(shè)法做出有效耦合系數(shù)keff2為6.5％，Q值高于500的諧振器時(shí)，這種性能上無(wú)損失的全面超越就得以實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，濾波器的插入損耗得到改進(jìn)，濾波器沿也更陡。

英飛凌公司目前實(shí)現(xiàn)的性能如下。通過(guò)優(yōu)化聲學(xué)鏡，頻率的溫度系數(shù)（TCF）可以進(jìn)一步降低到-19ppm/K，這與SAW濾波器相比性能提高了一倍。用于PCS（US-CDMA波段）的諧振器的性能指數(shù)（Q·keff2）已達(dá)94（1400·0.067）。

一般來(lái)說(shuō)，在1.8GHz的應(yīng)用中，芯片尺寸比SAW濾波器芯片至少小一倍。ESD的魯棒性也更好?？商幚淼男盘?hào)功率即使在2GHz以上也可達(dá)到3瓦，這使得BAW濾波器成為雙工器中陶瓷濾波器的理想替代品。

作者：Robert Aigner，英飛凌科技公司