Ressonador acústico em massa de filme fino - Thin-film bulk acoustic resonator

Um ressonador acústico de massa de filme fino (FBAR ou TFBAR) é um dispositivo que consiste em um material piezoelétrico fabricado por métodos de filme fino entre dois eletrodos condutores - tipicamente metálicos e isolados acusticamente do meio circundante. A operação é baseada na piezoeletricidade da piezolayer entre os eletrodos.

Estrutura FBAR básica

Dispositivos FBAR usando filmes piezoelétricos com espessuras variando de vários micrômetros até décimos de micrômetros ressoam na faixa de frequência de aproximadamente 100 MHz a 20 GHz. Os ressonadores FBAR ou TFBAR se enquadram na categoria de ressonadores acústicos em massa (BAW) e ressonadores piezoelétricos e são usados ​​em aplicações onde especificamente alta frequência, tamanho pequeno e peso são necessários.

Piezoeletricidade em filmes finos

A orientação cristalográfica de um filme fino depende do piezomaterial selecionado e de muitos outros itens, como a superfície na qual o filme é desenvolvido e várias condições de fabricação - crescimento de filme fino (temperaturas selecionadas, pressão, gases usados, condições de vácuo etc.).

Qualquer material como titanato de zirconato de chumbo (PZT) ou titanato de estrôncio de bário (BST) da lista de materiais piezoelétricos pode atuar como um material ativo em um ressonador FBAR. No entanto, dois materiais compostos de nitreto de alumínio (AlN) e óxido de zinco são os dois materiais piezoelétricos mais estudados, fabricados para realizações FBAR de alta frequência. Isso se deve ao fato de que as propriedades como estequiometria de dois materiais compostos podem ser mais fáceis de controlar em comparação com três materiais compostos fabricados por métodos de película fina. Por exemplo, sabe-se que o filme fino de ZnO com eixo C da estrutura cristalina (eixo Z cristalino) normal à superfície do substrato excita ondas longitudinais (L). Ondas de cisalhamento (transversais) (S) são excitadas se o eixo C da estrutura cristalina do filme for 41º inclinado. Também é possível - dependendo da estrutura cristalina do filme - que ambas as ondas (L e S) sejam excitadas. Portanto, o entendimento e o controle da estrutura cristalina do filme piezoelétrico fabricado é fundamental para o funcionamento do FBAR.

Para fins de alta frequência, como filtragem de sinais, a eficiência de conversão de energia é o item mais importante e, portanto, as ondas longitudinais (L) são favorecidas e direcionadas para serem utilizadas. Para fins de detecção e atuação, a deformação estrutural pode ser mais importante do que a eficiência de conversão de energia e a excitação de onda em modo de cisalhamento será o alvo da fabricação do filme piezoelétrico.

Apesar do menor coeficiente de acoplamento eletromecânico em comparação ao óxido de zinco, o AlN com um gap mais amplo tornou-se o material mais utilizado em aplicações industriais, que requerem uma largura de banda ampla no processamento de sinais. A compatibilidade com a tecnologia de circuito integrado de silício tem suportado AlN em produtos baseados em ressonador FBAR, como filtros de radiofrequência, duplexadores, amplificador de potência de RF ou módulos receptores de RF.

Os sensores piezoelétricos de filme fino podem ser baseados em vários materiais piezoelétricos, dependendo da aplicação, mas dois materiais piezoelétricos compostos são preferidos devido à simplicidade de fabricação.

Ressonador acústico em massa de filme fino ressonante com layout quadrado

Dopagem ou adição de novos materiais como escândio (Sc) são novas direções para melhorar as propriedades do material de AlN para FBARs. A pesquisa de novos materiais de eletrodo ou materiais alternativos ao alumínio, como a substituição de um dos eletrodos de metal por materiais muito leves, como o grafeno, para minimizar a carga do ressonador, demonstrou conduzir a um melhor controle da frequência de ressonância.

Substratos para ressonadores FBAR e suas aplicações

Os ressonadores FBAR podem ser fabricados em substratos de cerâmica (Al 2 O 3 ou alumina), safira , vidro ou silício . No entanto, o wafer de silício é o substrato mais comum devido à sua escalabilidade para a fabricação em massa e compatibilidade com várias etapas de fabricação necessárias.

Durante os primeiros estudos e fase de experimentação de ressonadores de filme fino em 1967, sulfeto de cádmio (CdS) foi evaporado em um pedaço ressonante de cristal de quartzo que serviu como um transdutor fornecendo um fator Q (fator de qualidade) de 5000 na frequência de ressonância (279 MHz) . Este foi um habilitador para um controle de frequência mais rígido, para necessidades de usar frequências mais altas e utilizando ressonadores FBAR. Com o desenvolvimento de tecnologias de filmes finos, foi possível manter o fator Q alto o suficiente, omitir o cristal e aumentar a frequência de ressonância.

Filtro passa-banda tipo Ladder baseado em ressonadores FBAR. A diferença da frequência de ressonância dos ressonadores 1 e 2 determina a faixa de frequência das frequências a serem ultrapassadas.

Áreas de aplicação

A maioria dos smartphones em 2020 inclui pelo menos um duplexador ou filtro baseado em FBAR e alguns produtos 4 / 5G podem até incluir 20-30 funcionalidades baseadas na tecnologia FBAR, principalmente devido à maior complexidade do front-end de radiofrequência (RFFE, front-end RF ) eletrônicos - caminhos do receptor e do transmissor - e o sistema de antena / antena. As tendências para utilizar o espectro de RF de forma mais eficiente com frequências mais altas do que aproximadamente 1,5–2,5 GHz e, em alguns casos, também simultaneamente com o aumento da potência de saída de RF, apoiaram a tecnologia FBAR para se tornar uma das principais tecnologias capacitadoras em realizações de telecomunicações. A tecnologia FBAR complementa e, em alguns casos, compete com a tecnologia de onda acústica de superfície (SAW) e os ressonadores FBAR podem substituir os cristais em osciladores de cristal e filtros de cristal em frequências superiores a 100 MHz.

Sensory é uma área em desenvolvimento para ressonadores FBAR e estruturas baseadas neles. Metas para medir e também possivelmente controlar pequenas quantidades de materiais / líquidos / gás e substituir cristal (s) miniaturizado (s) em várias tarefas de detecção e atuação estão em pesquisa e desenvolvimento.

Estruturas básicas

Uma seção transversal esquemática do ressonador FBAR independente com base na corrosão de microusinagem de superfície
Uma seção transversal esquemática do ressonador FBAR independente com base na microusinagem em massa (através do substrato) corrosão

Atualmente, existem duas estruturas conhecidas de ressonadores de onda acústica em massa de filme fino (BAW): ressonadores independentes e montados solidamente (SMR). Em uma estrutura de ressonador independente, o ar é usado para separar o ressonador do substrato / ambiente circundante. A estrutura de um ressonador autônomo é baseada em algumas etapas de fabricação típicas usadas em sistemas microeletromecânicos MEMS .

Uma seção transversal esquemática da estrutura SMR

Em uma estrutura SMR, espelho (s) acústico (s) fornecendo um isolamento acústico é construído entre o ressonador e o ambiente circundante como o substrato. O espelho acústico (como um refletor de Bragg ) normalmente consiste em um número ímpar de materiais com alternância de impedância acústica alta e baixa . A espessura dos materiais do espelho também deve ser otimizada para o comprimento de onda de um quarto para máxima refletividade acústica. O princípio básico da estrutura SMR foi introduzido em 1965.

Imagens esquemáticas dos ressonadores de filme fino mostram apenas os princípios básicos das estruturas potenciais. Na realidade, algumas camadas dielétricas podem ser necessárias para fortalecer várias partes da estrutura. Além disso, se necessário - para simplificar o layout final do filtro no aplicativo - as estruturas do ressonador podem ser empilhadas, por exemplo, construídas umas sobre as outras, como em alguns aplicativos de filtro. No entanto, essa abordagem aumenta a complexidade da fabricação.

Alguns requisitos de desempenho, como o ajuste da frequência de ressonância, também podem exigir etapas de processo adicionais, como moagem de íons, o que complica o processo de fabricação.

As orientações mais recentes para desenvolver FBARs de melhor desempenho são utilizar AlN de cristal único em vez de AlN policristalino e colocar os eletrodos no mesmo lado da piezolayer.

Como a realização de estruturas FBAR precisa de muitos passos precisos, a simulação é ativamente usada durante a fase de projeto para prever a pureza da frequência de ressonância e outros desempenhos. Na fase inicial do desenvolvimento, técnicas de modelagem baseadas no método de elementos finitos básicos (FEM), usadas para cristais, também foram aplicadas e modificadas para FBARs. Vários novos métodos, como a interferometria a laser de varredura, foram necessários para visualizar a funcionalidade dos ressonadores e ajudar a melhorar o design (layout e estrutura transversal do ressonador) para atingir a pureza da ressonância e os modos de ressonância desejados.

Requisitos de aplicação

Em muitas aplicações, o comportamento da temperatura, estabilidade vs. tempo, força e pureza da frequência de ressonância desejada estão formando a base para o desempenho das aplicações baseadas em ressonadores FBAR. As escolhas de materiais, layout e design das estruturas do ressonador estão contribuindo para o desempenho do ressonador e o desempenho final da aplicação. O desempenho mecânico e a confiabilidade são determinados pelo pacote e estrutura dos ressonadores nas aplicações.

Dois filtros FBAR em uma placa-mãe de telefone celular conectada a uma operadora LCC. Esses filtros em escada consistem em seis ressonadores FBAR e o filtro de banda inferior no lado direito usa bordas não paralelas para supressão espúria.

Uma aplicação comum de FBARs são filtros de radiofrequência (RF) para uso em telefones celulares e outras aplicações sem fio como posicionamento ( GPS , Glonass , BeiDou , Galileo (navegação por satélite) etc.), sistemas Wi-Fi , pequenas células de telecomunicações e módulos para Essa. Esses filtros são feitos de uma rede de ressonadores (em topologias meia- escada , full-ladder, treliça ou empilhada) e são projetados para remover frequências indesejadas de serem transmitidas em tais dispositivos, enquanto permitem que outras frequências específicas sejam recebidas e transmitidas. Os filtros FBAR também podem ser encontrados em duplexers . A tecnologia de filtro FBAR está complementando a tecnologia de filtro de onda acústica de superfície (SAW) em áreas onde é necessária maior capacidade de manuseio de energia e tolerância a descarga eletrostática (ESD). Frequências acima de 1,5–2,5 GHz são adequadas para dispositivos FBAR. Porque os FBARs em um substrato de silício podem ser fabricados em grandes volumes e são suportados por todo o desenvolvimento de métodos de fabricação de dispositivos semicondutores . Os requisitos futuros de novos aplicativos, como a filtragem de largura de banda com atenuação de banda de parada acentuada e a menor perda de inserção possível, têm efeitos no desempenho do ressonador e mostram as etapas de desenvolvimento necessárias.

Os FBARs também podem ser usados ​​em osciladores e sincronizadores para substituir um cristal / cristais em aplicações onde frequências acima de 100 MHz e / ou jitter muito baixo são um dos alvos de desempenho.

Os FBARs também podem ser usados ​​como sensores. Por exemplo, quando um dispositivo FBAR é colocado sob pressão mecânica, sua frequência de ressonância muda. A detecção de umidade e compostos orgânicos voláteis (VOCs) são demonstrados usando FBARs. Uma matriz de sensor tátil também pode consistir em dispositivos FBAR e a detecção gravimétrica ou de massa pode ser baseada em ressonadores FBAR.

Como componentes discretos, as peças baseadas na tecnologia FBAR, como ressonadores e filtros básicos, são embalados em miniaturizados / fator de forma pequeno, como pacotes de nível de wafer . Os FBARs também podem ser integrados com amplificadores de potência (PA) ou amplificadores de baixo ruído (LNA) para formar uma solução de módulo com o circuito eletrônico relacionado. Embora a integração monolítica de FBARs no mesmo substrato com o circuito eletrônico como CMOS tenha sido demonstrado, ela requer várias etapas de processo adicionais e camadas de máscara no topo da tecnologia IC, aumentando o custo da solução. Portanto, as soluções monolíticas não progrediram tanto quanto as soluções de módulo em aplicações comerciais. As soluções de módulo típicas são um amplificador de potência - módulo duplexer (PAD) ou um módulo de filtro amplificador de baixo ruído (LNA) em que os FBAR (s) e os circuitos relacionados estão embalados no mesmo pacote, possivelmente em um substrato de módulo separado.

Os FBARs podem ser integrados em comunicações complexas como módulos SimpleLink para evitar requisitos de área / espaço de um cristal externo empacotado. Portanto, a tecnologia FBAR tem um papel fundamental na miniaturização de eletrônicos, especificamente em aplicações onde osciladores e filtros precisos de alto desempenho são necessários.

Paisagem histórica e industrial

Ressonadores e filtros / duplexadores

O uso de materiais piezoelétricos para diferentes aplicações começou no início dos anos 1960 na Bell Telephone Laboratories / Bell Labs , onde cristais piezoelétricos foram desenvolvidos e usados ​​como ressonadores em aplicações como osciladores com frequências de até 100 MHz. O afinamento foi aplicado para aumentar a frequência de ressonância dos cristais. No entanto, havia limitações no afinamento de cristais e novos métodos de fabricação de filme fino foram aplicados no início dos anos 1970 para aumentar a precisão da frequência de ressonância e direcionar o aumento dos volumes de fabricação.

TFR Technologies Inc., fundada em 1989, foi uma das empresas pioneiras no campo de ressonadores e filtros FBAR, principalmente para aplicações espaciais e militares. Os primeiros produtos foram entregues aos clientes em 1997. TFR Technologies Inc. foi adquirida em 2005 pela TriQuint Semiconductor Inc. No início de 2015, RF Micro Devices (RFMD), Inc. e TriQuint Semiconductor, Inc. anunciaram uma fusão para formar o fornecimento ativo de Qorvo Produtos baseados em FBAR.

HP Laboratories iniciou um projeto em FBARs em 1993, concentrando-se em ressonadores e filtros independentes. Em 1999, a atividade FBAR tornou-se parte da Agilent Technologies Inc., que em 2001 entregou 25.000 duplexadores FBAR para telefones N-CDMA . Mais tarde, em 2005, a atividade FBAR na Agilent era uma das tecnologias da Avago Technologies Ltd., que adquiriu a Broadcom Corporation em 2015. Em 2016, a Avago Technologies Ltd. mudou seu nome para Broadcom Inc. , atualmente ativa no fornecimento de produtos baseados em FBAR.

A Infineon Technologies AG começou a trabalhar com SMR-FBARs em 1999, concentrando-se em filtros de telecomunicações para aplicações móveis. O primeiro produto foi entregue à Nokia Mobile Phones Ltd, que lançou o primeiro produto de telefone celular GSM de três bandas baseado em SMR-FBAR em 2001. O grupo de filtros FBAR (BAW) da Infineon foi adquirido pela Avago Technologies Ltd 2008, que mais tarde se tornou parte da Broadcom conforme descrito antes.

Depois de adquirir o negócio de filtragem da Panasonic em 2016, a Skyworks Solutions se tornou um dos principais players em dispositivos BAW / FBAR, além da Broadcom e Qorvo.

Além disso, algumas outras empresas como RF360 Holdings (joint venture da Qualcomm e TDK) e Kyocera estão oferecendo produtos baseados em ressonador de filme fino, como módulos RFFE e filtros separados.

Ainda muitas empresas como Akoustis Technologies, Inc. (fundada em 2014), Texas Instruments (TI), várias universidades e institutos de pesquisa estão oferecendo e estudando para melhorar a tecnologia FBAR, seu desempenho, fabricação, recursos avançados de design de FBARs e explorar novas áreas de aplicação em conjunto com fabricantes de sistemas e empresas que fornecem ferramentas de simulação ( Ansys , OnScale, Comsol Multiphysics e Resonant Inc. etc.).

Sensores baseados em ressonador de filme fino

Como os ressonadores de filme fino podem substituir os cristais na detecção, a área de aplicação mais potencial para os ressonadores FBAR é semelhante à área para a microbalança de cristal de quartzo (QCM). As empresas pioneiras que utilizam ressonadores de filme fino em sensores são Sorexensors e Airspec.

Veja também

Referências

links externos