一块超薄芯片，让5G传输更好更快
□ 本报记者 叶 真
一台5G手机里，有80多颗小小的射频滤波器。正是这些不起眼的小物件，决定了5G手机的数据传输速度。在众多声学滤波器中，FBAR滤波器因性能优异在市场中占比最高。然而，由于相关技术被美、日等国垄断，每年我国超九成FBAR滤波器芯片依靠进口。
如何突破这一“卡脖子”技术？国内众多科研团队正在探索，其中就有一支来自南通大学、平均年龄只有30岁的师生团队——通芯智造团队。
“射频前端主要负责无线电磁波信号的发送和接收，声学滤波器是射频前端的核心组件之一。”通芯智造团队成员、南通大学信息科学技术学院信息与通信工程专业2021级硕士研究生吕世涛告诉记者，它就像一扇门，让带内信号通过，阻隔带外信号。门内道路修得越平坦，就意味着信号在门内传输时损耗越少；门槛修得越高，门外信号对门内干扰就越少。
该团队调研后发现，制造良率、性能、尺寸及封装规格都是导致国产滤波器供给量不足的主要问题。想要提升新型FBAR滤波器芯片性能，就要逐个击破这些问题。
“在这个过程中，我们感觉最难的是器件结构优化阶段。”吕世涛介绍，他们发现，在器件振动过程中总存在着严重的能量泄漏，造成不可逆的能量损耗，进而导致FBAR品质因数衰减。“一开始，我们尝试通过减小器件主体区域与衬底相连区域的宽度来降低能量泄漏，但FBAR的悬空结构造成这种采用窄支撑器件在实际制造过程中容易塌陷，使得器件成品率较低。”经过多次仿真和流片实验，团队决定从器件结构优化入手。“锚点损耗是FBAR滤波器的主要损耗来源，所以我们通过在FBAR滤波器外围制备凸起环，利用质量负载形成低声速区，通过支撑轴区域与器件主体区域的声阻抗失配，降低通过支撑轴泄漏至衬底的能量。优化后，FBAR的品质因数得以显著提升。”
结构优化后，还需要压缩尺寸和做好封装。尺寸越小，意味着手机体积越小且功耗降低。团队成员、南通大学信息科学技术学院信息与通信工程专业2022级硕士研究生仓冬青表示，传统封装方式是将电容电感等器件集成在滤波器旁边，这样会导致芯片集成度降低。“所以，我们通过基板埋式技术将电容电感等器件集成在滤波器垂直方向。”与初代产品相比，滤波器体积缩小了80%，产品可靠性以及集成度大幅提升。如今，展现在记者眼前的新型FBAR滤波器芯片长度仅为1.6毫米、宽0.8毫米、厚0.65毫米。
据悉，通芯智造团队已经在射频滤波器、芯片封装领域申请30余件国家发明专利，其中7件已获授权。相关成果被国内滤波器生产制造行业龙头企业运用，并用于新一代国产手机、路由器等设备中。南通大学微电子学院（集成电路学院）赵继聪副教授表示，团队会在后续研究中不断创新，实现射频滤波器技术新的突破。