Akustische Oberflächen- oder Bulk-Filter – welche sind wann besser?

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Temperaturkompensierte Filter verbessern die Steifigkeit bei höheren Temperaturen

Um das Temperaturverhalten zu verbessern, entwickelten die Hersteller temperaturkompensierte Filter, die die IDT-Strukturen mit Schichten überziehen bzw. einschließen, um die Steifigkeit bei höheren Temperaturen zu verbessern. Hat ein nicht kompensiertes SAW-Bauelement typischerweise einen Temperaturkoeffizienten der Frequenz (TCF) von etwa –45 ppm/K, verringert der TC-SAW-Filter diesen auf –15 bis –25 ppm/K (Bild 3). Durch die zusätzlichen Prozessschritte für die erforderlichen Maskenschichten erhöhen sich zwangsläufig die Fertigungskosten, jedoch weniger als bei BAW-Filtern. Aber auch hier nimmt die maximale zulässige Signal-Eingangsleistung mit steigender Frequenz aufgrund der kleinen IDF (InterDigital Fingers) ab.

Während SAW- und TC-SAW-Filter für Bereiche von bis zu 1,5 GHz gut geeignet sind, liefern BAW-Filter auch über diese Frequenzen hinaus überzeugende Leistungsvorteile. Aufgrund ihrer besseren elektrischen und physikalischen Eigenschaften ersetzen BAW-Filter dort die bisher weit verbreiteten SAW-Filter.

BAW-Filter eignen sich für 3G- und 4G-Anwendungen

Die BAW-Filtergröße sinkt zudem mit höheren Frequenzen, was selbst für die anspruchsvollsten 3G- und 4G-Anwendungen ideal ist. Darüber hinaus ist das BAW-Design auch bei großen Bandbreiten weit weniger empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen (20 ppm/K) bei gleichzeitig sehr geringem Verlust (Einfügedämpfung) und sehr steilen Filterflanken. Zudem sind diese meist auch in kleineren Baugrößen mit höherer Unempfindlichkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD) verfügbar.

Im Gegensatz zu SAW-Filtern breitet sich die akustische Welle in einem BAW-Filter vertikal aus. In einem BAW-Resonator, der einen Quarzkristall als Substrat verwendet, erregen Metallstrukturen (IDT) auf der Oberseite und Unterseite des Quarzes die akustischen Wellen, um eine stehende akustische Welle zu bilden. Die Frequenz, bei der die Resonanz auftritt, wird durch die Dicke der Substratscheibe sowie der Masse der Elektroden bestimmt. Bei den hohen Frequenzen, in denen BAW-Filter besonders wirksam sind, muss die Piezo-Schicht nur Mikrometer dick sein, was bedeutet, dass die Resonatorstruktur unter Verwendung von Dünnfilmdeposition hergestellt werden muss; außerdem ist eine Mikrobearbeitung auf einem Trägersubstrat erforderlich.

Um die Wellen daran zu hindern, aus dem Substrat zu entweichen, wird ein akustischer Reflektor (Bragg Reflector) verwendet. Dazu werden dünne Schichten mit wechselnder Steifigkeit und Dichte aufgebracht. Das Ergebnis dieses Ansatzes wird als „Solide Mounted Resonator“, BAW- oder BAW-SMR-Bauelement bezeichnet. Bei einem alternativen Ansatz, der als „Film Bulk accoustic Resonator“ (FBAR) bezeichnet wird, ätzt man einen Hohlraum unterhalb des aktiven Bereichs und erzeugt damit hängende Membranen.

Beide Typen von BAW-Filtern erzielen geringe Verluste, da die Dichte ihrer akustischen Energie sehr hoch ist. Die erzielbare Güte (Q) ist höher als bei jeder anderen Art von Filter von vernünftiger Größe, die für Mikrowellenfrequenzen von 2 GHz verwendet werden. Dies führt zu hervorragenden Selektionseigenschaften und einer geringen Einfügedämpfung.

BAW- und FBAR-Filter sind zwar teurer in der Herstellung, jedoch eignen sich ihre Leistungsvorteile auch für die anspruchsvollsten LTE-Bänder, die einen schmalen Übergangsbereich zwischen Sende- und Empfangspfaden aufweisen. BAW- und FBAR-Filter haben großflächigere IDTs, so dass sie einer höheren HF-Sendeleistung von 4 W bei 2 GHz standhalten können. Darüber hinaus sind sie inhärent robuster gegen elektrostatische Entladung.

Die Nachfrage nach diesen Filtertypen steigt deutlich, da die zunehmende spektrale Verdichtung dazu führt, nicht genutzte Frequenzen zwischen den Kanälen, sogenannte Schutzbänder, zu verringern oder ganz zu eliminieren. Die BAW-Technologie ermöglicht es, Schmalbandfilter mit außergewöhnlich steilen Filterflanken und hoher Dämpfung bei gleichzeitig sehr geringem Temperaturdrift zu produzieren, was wichtig für die Bewältigung der ärgerlichsten Störungsunterbrechungsprobleme zwischen benachbarten Bändern ist.

BAW-Bauelemente erfordern zehnmal mehr Verarbeitungsschritte als SAWs. Da sie auf größeren Wafern hergestellt werden, können jedoch vier Mal mehr Dies pro Wafer produziert werden, was den Preisunterschied reduziert. Trotzdem bleiben die Kosten für BAW höher als für SAW. Für einige Frequenzbänder, die über 2 GHz zugeteilt werden, ist BAW die einzig sinnvolle Lösung, weshalb der Anteil der BAW-Filter in 3G/4G-Smartphones rasant ansteigt.

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