声表面波简介

声表面波简介

声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。同时，由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能，因此，声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。

声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。早在九十多年前，人们就对这种波进行了研究。1885 年，瑞利根据对地震波的研究，从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。但由于当时的科学技术水平所限，这种弹性表面波一直没有得到实际上的应用。直到六十年代，由于半导体平面工艺以及激光技术的发展，出现了大量人造压电材料为声表面波技术的发展提供了必要的物质和技术基础。

1949 年，美国贝尔电话实验室发现了LiNbO3单晶。1964 年产发表了激发弹性表面波平面结构换邹器的专利。特别应该指出的是，1965 年，怀特（R . M.white）和沃尔特默（F.W.voltmer ）在应用物理杂志上发表了题为“一种新型表面波声－电换能器― 叉指换能器”的论文，从而取得了声表面波技术的关键性突破。

声表面波器件的基本结构和工作原理

声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器―叉指换能器。所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换能。声表面波器件的工作原理是，基片左端的换能器（输入换能器）通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的待性来完成的。

声表面波技术有如下的特点：

第一，声表面波具有极低的传播速度和极短的波长，它们各自比相应的电磁波的传播速度的波长小十万倍。在VHF 和UHF 绳段内，电磁波器件的尺寸是与波长相比拟的。同理，作为电磁器件的声学模拟声表面波器件，它的尺寸也是和信号的声波波长相比拟的。因此，在同一频段上，声表面波器件的尺寸比相应电磁波器件的尺寸减小了很多，重量也随之大为减轻。例如，用一公里长的微波传愉线所能得到的延迟，只需用传输路径为1 。m 的声表面波延迟线即可完成。这表声表面波技术能实现电子器件的超小型化。

第二，由于声表面波系沿固体表面传播，加上传播速度极慢，这使得时变信号在给定瞬时可以完全呈现在晶体基片表面上。于是当信号在器件的输入和输出端之间行进时，就容易对信号进行取样和变换。这就给声表面波器件以极大的灵活性，使它能以非常简单的方式去．完成其它技术难以完成或完成起来过于繁重的各种功能。比如脉冲信号的压缩和展宽，编码和译码以及信号的相关和卷积。一个实际例子是1976 年报道的一个长为一英寸的声表面波卷积器，它具有使两个任意模拟信号进行卷积的功能，而它所适应的带宽可达100MHz ，时带宽积可达一万。这样一个卷积器可以代替由几个快速傅里叶变换（FFT ）链作成的数字卷积器，即实际上可以代替一台专用卷积计算机。此外，在很多情况下，声表面波器件的性能还远远超过了最好的电磁波器件所能达到的水平。比如，用声表面波可以作成时间－带宽乘积大于五千的脉冲压缩滤波器，在UHF 频段内可以作成Q 值超过五万的谐振腔，以及可以作成带外抑制达70dB 、频率达1 低Hz 的带通滤波器。

第三，由于声表面波器件是在单晶材料上用半导体平面工艺制作的，所以它具有很好的一致性和重复性，易于大量生产，而且当使用某些单晶材料或复合材料时，声表面波器件具有极高的温度稳定性。

第四，声表面波器件的抗辐射能力强，动态范围很大，可达100dB 。这是因为它利用的是晶体表面的弹性波而不涉及电子的迁移过程。

SAW滤波器的特点

SAW滤波器的主要特点是设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择性优良（可选频率范围为10MHz～3GHz）、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰（EMI）性能好、可靠性高、制作的器件体小量轻，其体积、重量分别是陶瓷介质滤波器的1/40和1/30左右，且能实现多种复杂的功能。SAW滤波器的特征和优点，适应了现代通信系统设备及便携式电话轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之处是所需基片材料的价格昂贵，对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高。受基片结晶工艺苛刻和制造精度要求严的影响，日本富士通、三洋电器、丰田等少数几家掌握压电基片生产技术的制造商垄断了世界SAW滤波器市场。富士通公司控制了移动电话用小型射频SAW滤波器全球市场40％左右的份额，目前其年产量在1.5亿只以上，最小的产品尺寸已达到2.5mm×2mm，重22mg，集倒装式组件和专利谐振器型滤波器设计于一体，使滤波器性能突破性飞跃。三洋电器公司是世界最大的视听家电用SAW滤波器制造商之一，为保持其价格上的优势，该公司在我国深圳设有组装厂，年产5000万只。丰田公司主要生产移动通信用SAW滤波器，可提供30多种标准型产品，均适用于表面安装。

SAW滤波器的应用

SAW滤波器在抑制电子信息设备高次谐波、镜像信息、发射漏泄信号以及各类寄生杂波干扰等方面起到良好的作用，可以实现任意所需精度的幅频和相频特性的滤波，这是其它滤波器难以完成的。近年来国外已将SAW滤波器片式化，重量只有0.2g；另外，由于采用了新的晶体材料和最新的精细加工技术，使SAW 器件上使用上限频率提高到2.5GHz～3GHz。从而促使SAW滤波器在抗EMI领域获得更广泛的应用。

SAW滤波器以极陡的过渡带使CATV的邻频传输得以实现，与隔频传输相比，频谱利用率提高了1倍。电视接收机如果不采用SAW滤波器，不可能稳定可靠地工作。事实上，早期SAW滤波器的主要应用领域就是以电视机为代表的视听家电产品，20世纪80年代末，由于电子信息特别是通信产业的高速发展，为SAW 滤波器提供了一个广阔的市场空间，致使其产量和需求呈直线上升趋势。目前世界SAW滤波器的年产量在6亿只以上，其中移动通信等用小型化RFSAW滤波器就达4.3亿只。

移动通信系统的发射端（TX）和接收端（RS）必须经过滤波器滤波后才能发挥作用，由于其工作频段一般在800MHz～2GHz、带宽为17MHz～30MHz，故要求滤波器具有低插损、高阻带抑制和高镜像衰减、承受大功率、低成本、小型化等特点。由于工作频段、体积和性能价格比等方面的优势，SAW滤波器在移动通信系统的应用中独占鳌头，这是压电陶瓷滤波器和单片晶体滤波器望尘莫及的。

在无线寻呼系统中，BP机接收到的RF信号需先经滤波再进行放大。滤波器的电气特性直接影响到接收信号的灵敏度和精确度，早期生产的BP机一般采用LC滤波器，但由于LC滤波器的调试复杂，选择性和稳定性又较差，因此现在逐渐被SAW滤波器所取代。

随着Internet的迅猛发展，全球上网用户愈来愈多，但目前通过电话上网的最大缺点是带宽太窄（几十千赫），下载速度极慢，而CATV网络频率资源丰富，不少商家因此均在开发基于CATV网的宽带多媒体数据广播系统（如VOD等），通过CATV上网可使信息传输速度提高几十倍以上，在这些系统中都要用到高性能的SAW滤波器来解决邻频抑制问题。可见，SAW滤波器的市场前景十分可观。

声表面波(SarfaceAcoustic Wave简写为SAW)就是在压电固体材料表面产生和传播的声波。它是由英国物理学家瑞利 l 885年发现的，因此又称为瑞利波。直到1965年怀特和沃尔默=：人提出了冲}激励和检测SAW 的叉指换能器(英文简写为rD'r)，这一关键技术的突破，为SAW器件的发展奠定了基础。

到目前为止，世界各国已研制成了SAW 滤波罂、脉冲压缩滤波器、延迟线、谐振器、卷积器、放大器和振荡器等不同功能的100多种器件，广泛地用于移动通信、光纤通信和卫星通信等无线电电子技术各个

领域，显示出它的强大优势。

SAW 滤波器丰要是由IDT和压电晶体、压电陶瓷等组成，采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜，把设计定型的两个IDT的掩膜图案，利用光刻的方法，沉积在基片表面．一个作发射IDT,一个作接收IDT,IDT的特点有：

(1)它的频率特性呈的变化规律

(2)IDT激发的强度与叉指周期段数目N的l甲方成正比

(3)IDT的指条宽度决定了换能器的工作频率，指条愈窄、频率愈高

(4)IDT的特性与叉指条的几何结构密切相关，如改变它的叉指数日、声孔径重叠长度(按不同加权函数的规律变化)、指条宽度和隔等，可设计出具有不同频率特性的器件，以适应不同信号处理功能的需要，因而适应性和灵活性强；

(5)在小信号下，IDT是线性器件，因而满足互易定理，即IDT作为发射时的特性与作为接收时的特性是相同的

SAW 滤波器的特点有：

(1)SAW 传播速度快，制作的器件尺寸小、重量轻；

(2)设计灵活性天，能实现多种复杂的功能；

(3)可选用的频率范围广(10MHz~3GHz)．时间带宽乘积大，可选l 数量级；

(4)动态范围可达100分见传输损耗小，其姆个波长的衰减比波导传输的电磁渡小二个数量级；

(5)声波是质点振动，不涉及到电子迁移过程，在传辅过程中不受电磁波的影响，所以器件

的可靠性高，抗辐射性能好。

SAW滤波器的发展趋势

小型片式化

SAW滤波器的小型片式化，是移动通信和其他便携式产品提出的基本要求。为缩小SAW滤波器的体积，通常采取三方面的措施：一是优化设计器件用芯片，使其做得更小；二是改进器件的封装形式，现已由传统的圆形金属壳封装改为方形或长方形扁平金属封装或LCCC（无引线陶瓷芯片载体）表面贴装；三是将不同功能的SAW滤波器封装在一起构成组合型器件以减小PCB面积，如应用于1.9GHzPCS终端60MHz带宽的双频段SAW滤波器以及近来富士通公司开发的双带式（可支持模拟和数字两种模式）便携式手机用SAW滤波器，均装有两个滤波器。

高频、宽带化

为适应电子整机高频、宽带化的要求，SAW滤波器也必须提高工作频率和拓展带宽。研究表明，当压电基材选定之后，SAW滤波器的工作频率则由IDT电极条宽决定，IDT电极条愈窄，频率愈高。采用0.35μm～0.2μm级的半导体微细加工工艺，可制作出2GHz～3GHz的SAW滤波器。

拓展SAW滤波器的带宽通常从优化设计IDT的电极结构入手。如将IDT按串联和并联形式连接成梯形若干级联的结构，输入/输出直接实现连接，采用0.4μm以下的微细加工技术，就可制作出用于无线局域网（LAN）的2.5GHz梯形结构谐振式SAW滤波器，带宽达100MHz；在多重模式滤波器中，采用纵向连接的滤波器带宽要比横向耦合型滤波器大一些，因此被广泛用于蜂窝电话和寻呼机的RF滤波，而后者具有陡削的窄带特性，可用于个人数字蜂窝（PDC）和模拟电话的中频（IF）滤波。

降低插入损耗

早期SAW滤波器的最大缺陷是插入损耗大，一般在15dB以上，这对于要求低功耗的通信设备特别是接收前端是无法接受的。为满足现代通信系统及其它用途的要求，人们通过开发高性能的压电材料和改进IDT设计，使器件的插入损耗降低到3dB～4dB，最低可达1dB。在众多压电材料研究成果中，最引人注目的是日本村田制作所发明的ZnO/蓝宝石层状结构基片材料，利用这种基片材料，已制造出1.5GHzPDC用射频SAW滤波器，其插入损耗仅1.2dB。

国内外SAW 器件采用的内连技术有铝丝键合、金丝楔形键合、金丝球焊及FC 等。对这些内连法通常采用的分析技术和可靠性检测方法包括传统的引线拉力测试,对键合点形状和尺寸的光学检查,引线的结构评价,以及一种评估键合点金属化程度和区域一致性的“键合点剥离”方法。

铝丝键合

铝丝键合是SAW 器件的内连技术中较成熟的工艺,一般采用超声键合工艺。超声键合是楔焊,它是一个磨擦焊接的过程。在这个过程中,两个金属在室温下被压在一起,同时在超声下一起磨擦;在材料的键合面上同时施加超声波和压力,超声波振动平行于键合面,压力垂直于键合面。

原则上这个工艺过程可分为两步,即

(1) 接触和预变形。它在决定以后焊接过程的质量时起着很重要的作用。

(2) 超声阶段和焊接。这一步可分为清洗、混合和扩散三个阶段,尽管每个阶段的长度可能由于不同的原因而有所不同,但每个焊点都经过上述的三个阶段,它取决于引线组成的不同质地、表面性质和污染水平。

SAW 器件的压电基片表面以铝为主,而铝丝键合工艺具有不需加热,Al2Al 系统不易受腐蚀、可保证相当好的可靠性,成本最低等优点,因此它是SAW 器件的键合技术中最主要的技术,成为国内外SAW 器件制作和生产厂家的首选键合技术。铝丝键合的缺点是必须旋转芯片和基座,使其始终处于楔焊方向,故楔焊的速度较慢;其次,它对管芯、压块、底板等的平整度要求很高,否则不仅使模块的接触热阻增大,而且会损伤芯片,严重时使芯片碎裂;要保证施加合适的压力,压力过大,会损伤芯片。铝丝因其固有的抗弯曲性能差,以及设备的设置可能不当,键合参数、焊头移动形式、铝丝和劈刀的选择等方面的原因,导致根切问题成为铝丝键合与生俱来的缺陷,也使其成为器件高可靠性要求的一大障碍。解决根切问题成为所有使用铝丝键合工艺的微电子器件生产厂商面临的最主要课题。而在铝丝材料方面,几年前已完成的测试结果表明,有一定硬度的、正常拉出的铝丝在生产出来的 6 个星期内开始变软,特别是其拉断力在此期间降低了 5 %～15 % ,再在两年时间里以更慢的速度降到平衡。因此,在实际使用中,有些公司对铝丝采用的政策是3～6 个月后就扔掉,他们宁愿扔掉好的铝丝也不愿冒险使用金属化性能已有改变的铝丝,因为这些铝丝会影响设备的设置和产量。

金丝楔形键合

金丝楔形键合一般采用热压键合工艺,它是最早用于内引线键合的方法,通过压力与加热,使接头区产生典型的塑性变形。热量与压力通过毛细管形或楔形加热工具直接或间接地以静载或脉冲方式施加到键合区。该方法要求键合金属表面和键合环境的洁净度十分高且只有金丝才能保证键合的可靠性。但对于Au2Al 内引线键合系统,在焊点处极易形成导致焊点机械强度减弱的"紫斑"缺陷。

金丝球形键合

金丝球形键合一般采用热压工艺,使金丝通过空心劈刀的毛细管穿出,然后经电弧放电使伸出部分熔化,并在表面张力作用下形成球形,再通过劈刀将球压焊到芯片的电极上,使金球与焊盘形成良好的接触。虽然Au2Al 系统不是最好的,但金丝具有柔韧性好的优点,非常适合球焊工艺。由于球焊工艺不需要旋转器件的方向使其处于焊接方向,焊接速度可以达到最快,适合于批量化生产。金丝还表现出极好的弧度形状和周期特性,已被证实的可靠性和弹性使其在IC 工业中成为最广泛应用的材料。球焊可形成更紧的引线弧度和短的引线距离,一旦金球形成就不需要将劈刀进一步抬高,因此可立刻将引线引到第二点焊接。金丝球焊有更好的重复性,因而在引线电感上变化很小。在表面镀金的特殊器件上,金丝键合更是极端可靠。但在高温条件下,金丝要吸收辐射能,致使其不稳定,特别在外太空应用中更是一个问题。为了防止成球时不希望的断裂产生,用于球焊的金丝通常要退火,也会掺入铍、钙和其他专有物质使其稳定。有数据表明,半导体器件中Au/ Al 键合在200 ℃下700 h 后出现失效,原因是形成金属间化合物;同时发射空位,空位聚集成克氏空洞,减小有效通电面积,从而增加接触电阻率。SAW 器件的使用温度为- 40～+ 150 ℃,至于在高温条件下器件使用的可靠性,还需进一步的试验、收集相关的数据。

倒装焊

倒装焊( FC) 技术采用在芯片表面或管壳上的连接点植球,再将芯片倒装的方法。由于FC技术可更大

限度地缩小器件的尺寸,满足了器件向小型化、集成化方向发展的需要。另一方面, FC 技术制作的器件电感和电容值较低,其性能优于表面贴装技术(SMT) 、柔性板上组装技术(COF) 或微球栅面阵列(BGA) ,因此从诞生之日起就获得了快速的发展。由于FC 的进步,SAW 器件也具备了向芯片级封装(CSP) 发展的条件,这为SAW 器件在批量化生产中的可靠性提供了更好的保障。同时由于手机等通讯终端产品不断向小型化、多功能化发展,FC 技术制作的SAW 器件可更顺利地进入民用通讯领域,扩大了应用范围。FC 技术的关键技术是植球和下填充物,植球是为了连通芯片与管座的内引脚,而下填充物的主要作用是消除芯片和底座间的热膨胀差异造成的不良影响。早期的焊料几乎都含铅,随着国际社会广泛要求的环保化,焊料向无铅化发展已势在必行,这意味着将同时面对无铅SMT 和倒装芯片的挑战。目前采用的浸银技术可能会是成功使产品无铅化的一个关键步骤。

SAW 滤波器与LC 滤波器、介质滤波器、腔体滤波器相比，损耗大、信号延迟时间长，因此SAW 滤波器的装配比其他滤波器更讲究。例如：一个25dB 损耗SAW 滤波器，要求滤波器带外抑制大于55dB，则对PC 板隔离度要求大于80dB。因此，抑制好输入输出之间的直通信号是SAW 滤波器的装配的主要问题。

SAW 滤波器的直通信号对滤波器性能的影响有两方面：

一是恶化带外抑制；二是通带波纹增大。

SAW 滤波器的直通来源大致有三方面：一是PC 板的布线带来的输入输出之间的杂散电容；二是输入输出的匹配之间的耦合；三是匹配地和滤波器的地并不是理想地，由地电阻引起耦合。

针对直通信号的来源，比较好的SAW 滤波器的PC板设计注意如下几点：

(1) 采用双面大面积接地的PC 板。

(2) PC 板作些垂直交叉金属化孔，减小PC 板间的电容耦合。

(3) 滤波器接地底座紧贴PC 板，以便接地良好。可能的话，外壳边缘与PC 板加焊几个点。

(4) 输入输出匹配元件垂直放置，特别是电感，以减小互耦。

(5) 匹配网络和滤波器各自的地电流回路尽量短，以减小地电流回路引起的耦合。

(6) 输入输出的匹配元件尽量远，以便降低匹配元件之间的直达信号。

(7) 可能的话，在滤波器输入输出间的PC 板开隔离槽减小PC 板介质层引起的RF 泄漏。

(8) 可能的话，在滤波器输入输出间、匹配网络间加隔离腔。

如何在电路板上安装和匹配SAW 滤波器，发挥SAW 滤波器的最佳性能，这对于应用SAW 滤波器的人员很重要，为此我们介绍SAW 滤波器的使用和匹配。

一般的SAW 滤波器在接入电路中都要求前后级加匹配，这些匹配结构和元件值由滤波器制造厂家提供，系统人员在设计PCB 时就要考虑匹配。我们要避免将匹配元件安装在SAW 滤波器的内部，这不象LC 滤波器容易将匹配和滤波器作为一个整体考虑。如果将匹配元件安装在SAW 滤波器的内部，器件的可靠性将是一个很大的问题。

SAW 滤波器匹配的目的是：

（1）取得小的驻波系数。特别是高损耗SAW 滤波器，其驻波系数一般在5~10，匹配后可以改善到2~5。对于低损耗SAW滤波器通过匹配可以使驻波系数达到1.2~2。

（2）取得小的损耗。对于损耗在30~40dB 的高损耗SAW 滤波器通过匹配可以得到20~25dB 的损耗。而对于SPUDT 的滤波器，要求必须匹配才能得到小的损耗。

（3）取得平坦的通带特性。对于大带宽SAW 滤波器、TCRF 滤波器、SPUDT 滤波器等如果不匹配，通带波纹很大，匹配后不但损耗降低，而且可以得到平坦的通带特性。

（4）LC匹配网络设计得当，可以起到LC 滤波器的作用，提高远端带外抑制。

SAW 滤波器的匹配不同于其他滤波器的匹配，针对不同结构的SAW 滤波器其匹配目标不同。对于高损耗SAW 滤波器并不需要与外部电路完全的共轭理想匹配，因为在较大的声辐射条件下，改进理想匹配虽然

可以实现低损耗，但却是以增加幅度和相位波动为代价的。这些器件通常有意使器件在一定程度上失配。对于中等损耗的SPUDT 滤波器，其匹配也不完全是理想电匹配。对于1~4dB 的低损耗SAW 滤波器则要求尽量理想电匹配以取得最小损耗。为了使声表面波器件应用简单，滤波器的输入输出端一般采用二元件进行匹配。对不同的SAW 滤波器S 参数，匹配网络不同，需要根据Smith 圆图，选取合适的匹配网络结构。在Smith 圆图中，经匹配从起点到目的位置点经过的曲线长度越短，匹配后频响特性越好。匹配结构确定后，如何找到匹配元件值？一般有两种方法：

一是试验法。借助于矢量网络分析仪的Smith圆图和频响图实际匹配。

二是借助于矢量网络分析仪，提取SAW滤波器的S参数，计算滤波器的四端网络导纳Y参数，通过软件匹配计算匹配元件值，最后指导试验匹配。

实际SAW 滤波器匹配时需要注意的问题：

(1) 评估板和系统板上的匹配元件值有些差异，其原因是分布参数不同，需要微调元件值。

(2) 高损耗滤波器通常要求失配，以得到好的通带特性。

(3) 低损耗滤波器通常要求最佳匹配，以得到小的损耗和驻波系数（SWR）。

(4) 损耗越小的滤波器对匹配元件值越敏感