Акустоэлектронная компонентная база

УДК 534.232-8:534.8

АКУСТОЭЛЕКТРОННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА

О. Л. Балышева

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Статья получена 30 мая 2014 г.

Аннотация. В данной статье на основе анализа современных научно-технических публикаций и данных интернет источников рассматривается современное состояние акустоэлектронной компонентной базы. Рассмотрена классификация и основные применения устройств на ПАВ, варианты их конструктивного исполнения и применяемые материалы. Приведены фирмы производители компонент на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и подложек для них. Сформулированы проблемы и направления перспективных исследований.

Ключевые слова: акустоэлектронные компоненты, ПАВ, ОАВ, фильтры, резонаторы, пьезоподложки, монокристаллы.

Abstract. The article on the basis of analysis of modern scientific-technical publications and Internet data sources examines the current state of acoustoelectronic component base. Classification and main applications of the surface acoustic wave (SAW) devices, a variety of design and materials are discussed. The company manufacturers of the component and and substrates for them are given. The problems and directions of advanced studies are listed.

Keywords: acoustoelectronic components, SAW, BAW, filters, resonators, piezoelectronic substrates, monocrystal.

Введение

Современные акустоэлектронные устройства – незаменимые элементы аппаратуры практически всех инфокоммуникационных систем. Широкому распространению акустоэлектронных устройств способствовало их использование в системах мониторинга состояния окружающей среды и промышленных объектов, экспресс диагностики, системах радиочастотной идентификации, охраны, безопасности, дистанционного управления, логистики.

В последние годы чрезвычайно активно развиваются мобильные устройства доступа к сетям и услугам связи. Возрастают требования к быстроте, безопасности, эффективности и надежности соединений для получения и обмена информацией. Это сопровождается соответствующими требованиями к аппаратуре и архитектуре построения современных инфокоммуникационных систем.

Задачей принятой Государственной программы Российской Федерации "Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013-2025 годы" является создание современной научно-технической и производственно-технологической базы производства конкурентоспособных радиоэлектронных изделий [1]. В рамках программы реализуется подпрограмма "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на период до 2025 г". Программа разработана с учетом того, что: "электронная компонентная база и новые технологии сборки аппаратуры являются основой для разработки и производства радиоэлектронной аппаратуры, систем связи и телекоммуникаций" [1]. В программе отмечено, что совершенствование технологий и конструкций обеспечивает не только повышение функциональных и технических характеристик электронной компонентной базы и создаваемой на их основе аппаратуры, но снижает нагрузку в целом на проектирование и выпуск аппаратуры и систем. При этом основной объем сборочных операций при выпуске аппаратуры заменяется на процессы интеграции элементов при изготовлении сложнофункциональной электронной компонентной базы, которая выполняет роль блоков и узлов аппаратуры [1]. СВЧ компоненты и изделия микросистемотехники, к которым относятся акустоэлектронные радиокомпоненты, выделены в качестве приоритетных направлений развития электронной компонентной базы.

Несколько десятилетий назад в радиоэлектронике говорили об элементной базе, понимая под этим термином тип дискретных элементов, на базе которых строится радиоэлектронная аппаратура. Следуя временному принципу, это были: электронные лампы, транзисторы, микросхемы. Кроме того понятие "элементная база" определяло не только состав и тип элементов, но и то, с помощью каких средств и инструментов, а также каким способом устройства изготовлены и ремонтируются.

Достигнутый уровень развития радиоэлектроники, постоянная тенденция функциональной интеграции и переход от сборочных единиц в виде дискретных элементов к модулям и блокам [2], выполненных с применением различных технологий, позволяют говорить об электронной "компонентной базе". Наличие той или иной технологической "компонентной базы" подразумевает:

- большое разнообразие (ассортимент) устройств, реализованных по данной технологии;

- наличие линейки различных по функциональной сложности компонентов;

- массовое производство изделий;

- единые подходы при проектировании и разработке;

- сочетание с технологией производства микросхем и простоту интеграции с компонентами, выполненными по другим технологиям.

В данной статье дана общая характеристика акустоэлектронных устройств, отмечаются их особенности, преимущества и возможности. Обсуждены области применения и выполнен анализ современного мирового рынка производства изделий на ПАВ.

Общие сведения об акустоэлектронных устройствах. Компоненты на ПАВ

Согласно действующему ГОСТ акустоэлектронным изделием называется сборочная единица, выполняющая в составе радиоэлектронной аппаратуры определенную функцию на основе процессов возбуждения, распространения и преобразования акустических волн в упругой среде и (или) на взаимодействии их с электромагнитными полями [3].

Обобщенная функциональная схема акустоэлектронного устройства (АЭУ) приведена на рис. 1. Входной электрический сигнал с помощью входного электроакустического преобразователя преобразуется в акустическую волну, распространяющуюся в подложке устройства (акустическом канале). Выходной акустоэлектронный преобразователь преобразует акустическую волну в выходной электрический сигнал. Обработка информации может осуществляться как в акустическом канале, так и в процессе взаимного преобразования электрических и акустических сигналов. Особенностью АЭУ служит низкая, по сравнению с электромагнитными волнами, скорость распространения акустических волн. Носителями информации в АЭУ могут быть различные типы акустических волн – объемные волны, поверхностные волны, волны в слоях материалов.

Рис.1. Обобщенная функциональная схема акустоэлектронного устройства

На сегодняшний день разработано и широко используется множество АЭУ [4-7]. В основу классификации АЭУ могут быть положены различные признаки, например, АЭУ различаются по функциональному назначению, функциональной сложности, адаптивности, уровню и степени интеграции, типу используемых акустических волн, конструктивно-топологическому исполнению (Рис.2). По функциональному назначению различают устройства генерации и формирования сигналов, обработки сигналов, идентификации объектов, устройства измерения и сигнальные устройства. По функциональной сложности реализована линейка АЭУ от простейших элементов (сумматоров, фазовращателей и т.д) [4] до акустоэлектронных процессоров [6], выполняющих различные операции обработки сигналов, например, преобразование Фурье, Гильберта, Меллина и др. По типу применяемых акустических волн наибольшее распространение имеют устройства на поверхностных, приповерхностных и объемных акустических волнах (ОАВ) и меньшее распространение – устройства, использующие волны в слоях материалов.

Рис.2. Классификация акустоэлектронных устройств

Принципы построения, описания и функционирования АЭУ схожи, существующие отличия связаны с особенностями возбуждения, приема и распространения конкретного типа акустических волн. В устройствах на ПАВ тенденция повышения рабочих частот связана с наблюдаемым смещением в применении от поверхностных волн релеевского типа к вытекающим и псевдоповерхностным волнам, имеющим более высокие скорости распространения и ряд других преимуществ [7]. Существуют устройства, одновременно использующие несколько акустических мод, распространяющихся в одной подложке и реализующие несколько функциональных операций.

В устройствах на поверхностных и псевдоповерхностных акустических волнах параметрами распространяющейся волны, можно легко управлять с помощью структур, расположенных на поверхности подложки. Вместе со специальными конструкциями преобразователей, осуществляющих возбуждение и прием акустических волн, это обеспечивает широкие возможности по обработке сигналов и реализации разнообразных устройств.

Основными преимуществами устройств на ПАВ служат;

- чрезвычайно малые габариты и вес;

- исключительные электрические характеристики в сочетании с высокой повторяемостью характеристик;

- высокая надежность;

- низкая стоимость в серийном производстве;

- широкий диапазон рабочих частот от единиц МГц до 2-5 ГГц;

- отсутствие необходимости настройки и регулировки;

- широкий ассортимент массово изготавливаемых устройств.

Специальные конструктивно-технологические решения и применение высокоскоростных материалов подложек позволяют увеличить рабочие частоты устройств на ПАВ до 7-10 ГГц.

Рис.3. Резонатор на ПАВ

Устройство на ПАВ представляет собой пьезоактивную подложку с нанесенной на ней элементами: металлическими электродами, канавками, пленками. На рис.3 показан одновходовой резонатор на ПАВ, содержащий встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и две симметрично расположенные отражательные структуры. Внешний вид упакованного изделия изображен на рис.4.

Рис.4. Внешний вид резонатора на ПАВ в корпусе TO-39 (а) (модель RO3101 фирма RFM) и корпусе SMT (б) (модель R1800 фирма EPCOS)

Одна из важнейших особенностей, обеспечивающих массовое внедрение и перспективность изделий на ПАВ, - потенциально большие возможности по миниатюризации и функциональной интеграции [8]. Компоненты на ПАВ позволяют осуществлять интеграцию на различных уровнях: уровне кристалла (подложки), топологической структуры, корпуса, уровне готовых компонентов и модулей. Миниатюризация осуществляется в процессе изготовления и упаковки компонентов.

Производство по планарной технологии хорошо совместимой с технологией изготовления микросхем обеспечивает легкое внедрение ПАВ компонентов в различные узлы и модули радиоэлектронной аппаратуры, а также их объединение с компонентами, построенными на основе других технологий.

Одним из мировых лидеров производства ПАВ компонентов фирмой EPCOS запатентованы технологии упаковки компонентов, позволяющие существенно уменьшить размеры. Переход от технологии производства и упаковки CSSP1 (chip-sized SAW packaging) к CSSPlus, CSSP3 и затем к DSSP (die-sized SAW packaging) позволил уменьшить габаритные размеры готовых корпусированных компонентов и приблизится к размерам неупакованных подложек с нанесенными на них элементами. Технология DSSP обеспечивает высшую степень миниатюризации, достигнутую в настоящее время в промышленном производстве компонентов. Иллюстрацией возможностей по миниатюризации служит уменьшение размеров корпусов дискретных радиочастотных фильтров и дуплексоров на ПАВ, выполненных по различным технологиям (рис.5.) [9].

Рис.5. Уменьшение размеров дискретных ПАВ фильтров и ПАВ дуплексоров, выполненных по различным технологиям упаковки.

Применение акустоэлектронных компонентов на ПАВ

На сегодняшний день ПАВ технологии и ПАВ компоненты прочно заняли свою нишу по применению в радиоэлектронной аппаратуре различного назначения.

Все применения можно разделить на две основные области, первая - это бытовая радиоэлектронная аппаратура, вторая - специальная и профессиональная электроника. При дальнейшей детализации можно выделить следующие важнейшие применения:

- мобильная сотовая связь (радиотелефоны и базовые станции);

- приемо-передающие устройства навигационных систем (GPS, GLONASS);

- радиолокационные системы, системы управления воздушным движением;

- спутниковые системы связи (бортовая и наземная аппаратура);

- телевизионные системы (кабельные и спутниковые);

- системы охраны и безопасности;

- системы дистанционного радиоуправления;

- системы мониторинга состояния окружающей среды и промышленных объектов;

- системы радиочастотной идентификации и логистика.

Основная номенклатура компонентов на ПАВ для всех локационных и навигационных систем, инфокоммуникационных систем, систем дистанционного управления, охраны и безопасности это: полосовые фильтры радиочастотных трактов и трактов промежуточных частот (RF и IF фильтры) резонаторы, антенные дуплексоры, входные радиочастотные модули и генераторы на основе ПАВ компонентов. Типовой диапазон частот таких компонентов от десятков МГц до 2-3 ГГц. На рис.6 показаны рекомендованные технологии изготовления фильтров и дуплексоров, применяемых в системах мобильной связи различных стандартов, в табл. 1 приведены диапазоны частот мобильной связи различных стандартов.

Таблица 1.

Обозначение полосы	Диапазон частот мобильной связи, МГц
Обозначение полосы	Канал передачи (Tx)	Канал приема (Rx)
П1	1920-1980	2110-2170
П4	1710-1755	2110-2155
П5	824-849	869-894
П8	880-915	925-960
П12	699-716	729-746
П13	777-787	746-756
П17	704-716	734-746
П20	832-862	791-821
П26	814-849	859-894
П27	807-824	852-869
П28	703-748	758-803
П38	2570-2620	2570-2620
П40	2300-2400	2300-2400
П41	2496-2690	2496-2690
П42	3400-3600	3400-3600

Наряду с существующим на протяжении нескольких десятилетий устойчивым спросом на акустоэлектронные компоненты в мобильных коммуникационных системах, не менее массовый спрос в последние годы наблюдается на рынке датчиков и систем идентификации. Наблюдаемый рост производства датчиков вызван значительным расширением областей их применения. Акустические датчики применяются в промышленности, системах автоматики, военных и космических системах, медицине, бытовой электронике. Наибольший сегмент по применению благодаря пассивному и беспроводному исполнению датчиков составляет промышленность, где значительная часть датчиков используется на вращающихся объектах. Следующий по массовости сегмент - системы автоматики с постоянно растущим числом применений. Это, например, датчики давления в шинах, датчики крутящего момента, температурные датчики и др. Широкое применение нашли акустические датчики в индустрии охраны здоровья человека, где основными требованиями являются надежность, небольшие размеры и беспроводное исполнение.

Мировой рынок акустоэлектронных ПАВ компонентов

В настоящее время более 50 компаний в мире занимаются разработкой и производством акустоэлектронных компонентов на ПАВ. Среди них как крупные транснациональные компании, имеющие свои представительства в различных странах и осуществляющие крупносерийное производство широкой номенклатуры устройств, так и небольшие фирмы с мелкосерийным производством. Наиболее крупными производителями являются компании Epcos, Murata, Vectron International, RF Monolithics, TriQuint. В таблице 2 представлены некоторые компании производители компонентов на ПАВ и номенклатура выпускаемой ими продукции.

Таблица 2. Фирмы – производители устройств на ПАВ

Фирма (страна)	Web	Продукция
Vectron International	www.vectron.com	Ф, Р, Г, С
RF Monolithics, Inc.	www.rfm.com	Ф, Р, Г, М
Epcos	www.epcos.com	Ф, АД, М
NDK (NIHON DEMPA KOGYO) Co., Ltd.	www.ndk.com	Ф, АД
Murata Manufacturing Co., Ltd.	www.murata.com	Ф, АД
Vanlong (Китай)	www.vanlog.com	Ф, Р
Amplitronix	www.amplitronix.com	Ф, Р
Abracon corporation (США)	www.abracon.com	Ф, Р
Phonon corporation	www.phonon.com	Ф, АД, Р, ЛЗ, К, Г
RFSAW, Inc.	http://www.rfsaw.com/Pages/default.aspx	С, РЧИД
SAWcomponents (Германия)	http://www.sawcomponents.de/saw/web/start.php	Ф, Р, С, РЧИД
Panasonic Corporation	www.panasonic.net	Ф, АД
API Technologies corporation (США)	www.apitech.com	Г, Ф
Rakon (Новая Зеландия)	www.rakon.com	ЛЗ, М
ECS Inc. International (США)	www.ecsxtal.com	Р
ASR&D Corporation (США)	www.asrdcorp.com	С
CTS Corporation	www.ctscorp.com	Г
Senseor (Франция)	www.senseor.com	C
Shoulder Electronics Ltd. (Китай)	www.shoulder.cn/en/home.aspx.	Ф, Р
АЭК Дизайн (Россия)	http://www.aec-design.com	Ф, Р, С, ЛЗ

Примечание. Условные обозначения: Ф – фильтр, Р – резонатор, АД – антенный дуплексор, М – модуль, ЛЗ –линия задержки, К – коррелятор, Г – генератор, С –сенсоры, РЧИД – устройства радиочастотной идентификации.

В нашей стране разработкой фильтров и других компонентов на ПАВ занимаются ООО "АЭК ДИЗАЙН", лаборатория акустоэлектронных фильтров МТУСИ (Московского Технического университета связи и информатики (www.saw-filters.ru), ОАО Авангард (http://www.avangard.org), ОАО "НИИ "Элпа" (http://www.elpapiezo.ru), ОАО "Научно-производственное предприятие "Эталон" (http://www.omsketalon.ru), ОАО «ОНИИП» (www.oniip.ru) и другие.

По данным исследовательской фирмы BCC Recearch [10] глобальный рынок ПАВ устройств в 2010 г составил 997,7 млн. долларов и примерно 1,1 млрд. долларов в 2011 г., а к 2016 г. ожидается, что он достигнет цифры 1,8 млрд. долларов. На рис.7 представлен требуемый объем производства ПАВ устройств (в млн. долларов) по регионам мира [10].

Рис.7. Требования объема производства ПАВ устройств (в млн. долларов) по регионам мира [10].

Ранние применения ПАВ устройств были связаны со специальной военной техникой и космической индустрией. В дальнейшем своему резко возросшему массовому спросу и связанному с ним совершенствованию компоненты на ПАВ обязаны индустрии телекоммуникаций и, особенно, мобильной сотовой связи. Именно в аппаратуре систем сотовой связи акустоэлектронные компоненты продемонстрировали свои основные преимущества и возможности.

Несмотря на различную архитектуру построения, используемую производителями аппаратуры сотовой связи, такие компоненты как фильтры, дуплексоры, усилители мощности и антенные переключатели являются основными и присутствуют в любом телефоне. Поэтому основные технические совершенствования и изменения наблюдаются именно в этих компонентах. Входной радиочастотный модуль – ключевая часть любого мобильного телефона от дешевого телефона стандарта GSM до дорогого смартфона стандарта LTE. Появляющиеся новые технологии и конструктивные новинки создают новые возможности рынка. Так, по данным исследовательской фирмы Yole Development [11], представившей аналитический обзор рынка радиочастотных фильтров, усилителей мощности и антенных переключателей для сотовых телефонов, объем производства этих компонентов в 2011 г. составил 3,6 млрд. долларов, а к 2016 г. составит 4,6 млдр. долларов. Наиболее динамично развивается рынок фильтров и дуплексоров, и по данным Yole Development к 2016 г. он составит 1,7 млрд. долларов (см. рис.8). Лидирующими технологиями для этих компонентов в зависимости от частотного диапазона являются технологии ПАВ и ОАВ.

Рис.8. Объем производства радиочастотных фильтров и дуплексоров для мобильных телефонов (млн. долларов).

В производстве ПАВ компонентов лидируют компании Murata и Epcos, а в сегменте технологий ОАВ конкурируют фирмы Avago и Triquint. На рис. 9а, б показаны доли, занимаемые компаниями, в объеме производства (в млн. долларов) устройств по технологиям ПАВ и ОАВ в 2011 г.

а)

б)

Рис.9. Компании производители ПАВ устройств (а) и ОАВ устройств (б) (по объему производства в млн. долларов)

В настоящее время более половины всех мобильных телефонов в мире используют стандарт GSM, но положение быстро меняется по пути перехода к следующим поколениям стандартов, таких как WCDMA и LTE, которые поддерживают более высокую скорость и объем передачи данных. Как результат – стремительный рост рынка электронных компонентов для коммуникационных устройств нового поколения. Например, фирма TriQuint выпустила ряд компонентов для смартфонов стандарта 4G, среди которых первый промышленно выпускаемый диплексор стандарта LTE, который более чем на 30% меньше дискретных компонентов предыдущего поколения, и интегрированный квадрплексор, который в 2 раза меньше аналогичного дискретного решения. Характеристики компонентнов приведены в табл.3, а внешний вид представлен на рис. 10

Таблица 3. Компоненты на ПАВ и ОАВ компании TriQuint для инфокоммуникационных устройств стандарта LTE [12]

Обозначение	Описание	Диапазон рабочих частот, МГц	Размеры, мм	Особенности
885043	Диплексор LTE (Tx/Rx)	(2570-2620) (2300-2400)	1,7x1,3x0,46	Фильтр "2 в 1" с низкими вносимыми потерями. Технология ОАВ.
TQQ2504	Дуплексор LTE	(1710-1755) ПАВ (2110-2155) ПАВ (1850-1915) ОАВ (1930-1995) ОАВ	3,6x2,0x0,9	Квадроплексор. Технология ОАВ и ПАВ.
TQQ0041	Фильтр LTE (Rx)	(2496-2690 МГц)	2,0x2,0x0,83	Фильтр с низкими вносимыми потерями. Технология ОАВ.
TQM976027	Дуплексор LTE	(2500-2570 МГц) (2620-2690 МГц)	2,0x1,6	Низкие вносимые. потери. Технология ОАВ.

Рис.10. Внешний вид компонентов фирмы TriQuint: дуплексор TQQ2504 и диплексор 885043.

В табл. 4-6 в качестве примера приведены сравнительные характеристики ПАВ компонентов, выпускаемых различными фирмами: одновходовых резонаторов с частотой 433,92 МГц (табл. 4), радиочастотных фильтров стандарта GSM900 (табл.5) и двухдиапазонных радиочастотных фильтров стандарта GSM 900/1800(табл.6).

Таблица 4. Сравнительные характеристики одновходовых ПАВ резонаторов с рабочей частотой 433,92 МГц.

Фирма	Вносимые потери (тип.), дБ	Корпус/размеры, мм	Ненагруженная добротность (тип.)	Диапазон рабочих температур, ºC	Маркировка
Abracon Corporation	1,2	SMT/ 5x3,5x1,5	11000	-45…+85	ASR433.92S53
Vanlong	1,3	TO-39/ D=9,5	10150	-10…+60	SR432
Epcos	1,3	SMT/2,5x2,0x0,86	10800	-45…+125	R1800
RFM	1,2	SMT/3x3x1,25	8400	-40…+85	RO3112E

Таблица 5. Сравнительная характеристика радиочастотных фильтров на ПАВ

Центральная частота, МГц	Фирма	Ширина ПП (3 дБ), МГц	Вносимые потери (макс), дБ	Габаритные размеры, мм	Маркировка
895,5	NDK	39	2,7	3,0x3,0x1,25	WFB41A0895CD
895,5	Vectron	45	2,7	3,0x3,0x1,20	TFS895
895,5	TAI-SAW Ttchnology	39	2,7	3,0x3,0x1,4	TA0627A
897,5	RFM	35	2,1	3,0x3,0x1,25	SF2134E
897,5	Epcos	35	1,9	1,4x1,1x0,4	B9431
900	Vanlong Technology	38	2,7	3,8x3,8x1,2	SF5001
900	Amplitronix	38	2,7	3,8x3,8x1,35	ABFF03D1

Таблица 6. Сравнительные характеристики двухдиапазонных радиочастотных фильтров с центральными частотами 942,5/1842,5 МГц.

Фирма	Вносимые потери, дБ	Пульсации в полосе пропускания (макс), дБ	Габаритные размеры, мм	Маркировка
Murata	2,1 (925-960 МГц) 2,2 (1805-1880 МГц)	1,5 (925-960 МГц) 1,5 (1805-1880 МГц	1,5x1,1x0,5	SAWFD942MCM0F0A
Panasonic	2,0 (925-960 МГц 1,6 (1805-1880 МГц)	1,5 (925-960 МГц) 1,8 (1805-1880 МГц)	1,8x1,4x0,65	EFCH9418TDL1
Epcos	1,2 (925-960 МГц) 1,5 (1805-1880 МГц)	1,5 (925-960 МГц) 1,5 (1805-1880 МГц)	1,5x1,1x0,4	B9810

Иллюстрацией возрастающих требований аппаратуры телекоммуникационных систем служат данные таблицы 7, в которой приведено необходимое количество компонентов на ПАВ в современных устройствах, по оценкам компании Murata [13].

Таблица 7. Количество компонентов на ПАВ в телекоммуникационных устройствах

Телекоммуникационные устройства	Количество ПАВ компонентов
Мобильные телефоны стандарта 2G	2-3
Мобильные телефоны стандарта 2G/ Смартфоны низшей ценовой категории	3-6
Смартфоны высшей ценовой категории (стандарт 3G)	6-8
Смартфоны высшей ценовой категории (стандарт LTE)	10
Ноутбуки	-
Планшеты стандарта 3G	6-8
Планшеты стандарта LTE	10

Наряду с простыми дискретными компонентами (фильтрами, резонаторами, линиями задержки и др.) фирмами производится широкий ассортимент выполненных с применением ПАВ технологии интегрированных компонентов и модулей. В них могут объединяться как ПАВ компоненты, (например, многодиапазонные фильтры, антенные дуплекcоры) так и компоненты, выполненные по ПАВ и другим технологиям (ОАВ, полупроводниковой, MEMS и др.). Например, фирмой Murata в 2011 г впервые в мире начато массовое производство модуля, объединяющего в одном корпусе ПАВ фильтр, усилитель мощности и магнитный стабилизатор (рис. 11). Модуль не требует дополнительных согласующих элементов и имеет размеры 6,6х3,8х1 мм [14]. Фирмой Kyocera выпущен миниатюрный модуль LS-D110S3 размерами 2,5х2,0х1,1 мм на керамической многослойной подложке с высокой степенью интеграции для мобильных телефонов и смартфонов стандартов WCDMA/LTE [15].

World's First SAW Filter/Power Amplifier/Magnetic Stabilizer in One Package: Mobile Phone Transmission Module to Be Marketed

photo; LS-D110S3

а)

б)

Рис.11. Интегрированный модуль HFQPRAPCA-064 фирмы Murata (а) и модуль LS-D110S3 фирмы Kyocera (б).

К объемам производства акустических компонентов для коммуникационной аппаратуры приближается и объем рынка акустических датчиков. По опубликованным в 2013 г. результатам оценок компании MarketsandMarkets [16], объем рынка акустических датчиков (на ПАВ и ОАВ) в 2012 г. составил 256 млн. долларов, по прогнозам к 2018 г. он составит 721,13 млн. долларов с совокупным среднегодовым темпом роста 20,2%. Что касается количества, то всего в 2012 г. было произведено 848,81 млн. штук акустических датчиков, а к 2018 г. планируется 2985,4 млн. штук. В настоящее время в мире около 20 компаний – ключевых производителей акустических датчиков, некоторые компании приведены в табл.1.

Материалы для ПАВ технологий

Особенностью акустоэлектронных радиокомпонентов является необходимость использования специальных пьезоэлектрических подложек - среды распространения акустических волн. Пьезоэлектрики позволяют технически просто осуществлять взаимное преобразование электрических и акустических сигналов с помощью металлических электродов на поверхности подложки. Несмотря на большое количество потенциально пригодных для подложек материалов, на практике применяется лишь ограниченное число материалов, оптимальное сочетанию свойств которых обеспечивает массовое производство компонентов [17]. Повышение технических характеристик акустоэлектронных устройств, расширение областей применения возможно, в том числе, и за счет использования материалов с улучшенными характеристиками.

Большинство массово выпускаемых компонентов на ПАВ производится на монокристаллических подложках. В табл. 8 приведены российские и зарубежные фирмы, производящие монокристаллы и монокристаллические подложки. Практически все фирмы на своих сайтах предоставляют подробную информацию о свойствах выращиваемых кристаллов, приводят стандартные спецификации и сведения о применении монокристаллов. Подложки нестандартных размеров или ориентаций обычно производятся предприятиями по спецификациям заказчиков.

Таблица 8. Компании - производители монокристаллов и монокристаллических подложек для устройств на ПАВ

Компания (страна)	Web-сайт	Монокристалл
Фомос-Материалс (Россия)	www.newpiezo.com	LGS
Cradley Crystals (Россия)	www.cradley-crystals.com	LN
RODITI (Англия)	www.roditi.com	LN, LT, GPO4, α-SiO₂,
AXTAL (Германия)	www.axtal.com	LGS, LGT
Vanlong Technology Co. Ltd (Китай)	www.vanlong.com	LN, LT
NEL Crystal	www.ntt-electronics.com	LN, LBO
Crystal Technology Inc.	www.crystaltechnology.com	LN, LT
SICCAS (Китай)	www.siccas.com	LBO, LGS, LGT, CTGS, TeO₂, BGO
KRYSTALY (чешская республика)	www.krystaly.cz/en	α-SiO₂
VC America Inc.	www.vcamerica.com	α-SiO₂
Sawyer	www.sawyerllc.com	α-SiO₂,LT
AOPES	www.aopes.com	LN, LT, BGO, LBO, LGS
RusGems Co., Ltd. (Тайланд, Китай)	http://www.rusgems.com/	α-SiO_2,LGS, LGT
Hoffman Materials LLC (Канада)	http://hoffmanmaterials.com	a-SiO₂
Boston Piezo-Optics Inc. (США)	www.bostonpiezooptics.com	α-SiO₂, LN
Garam Electronics Corp. (Южная Корея)	www.garamec.com	α-SiO₂
Piezocryst (Германия)	www.piezocryst.com	GPO
Newlight Photonics Inc.	http://www.newlightphotonics.com	LT, LN
Gemma Quartz & Crystal (Франция)	http://www.gemma-quartz.com	α-SiO₂
Tokyo Denpa Co., Ltd (Япония)	http://www.tew.co.jp	α-SiO₂
Optical single Crystals Group (Япония)	www.nims.go.jp	LGT,STGS
Semiconductor Wafer, Inc. (SWI) (Тайвань)	www.semiwafer.com	ZnO, LGS, LN, LT, α-SiO₂, Al₂O₃, стекло, сапфир
NDK Co., Ltd. (Япония)	http://www.ndk.com	α-SiO₂

Примечание. Условные обозначения в таблице: α-SiO₂-кварц; LN –ниобат лития (LiNbO₃); LT – танталат лития (LiTaO₃); LBO – тетраборат лития (Li₂B₄O₇); LGS – лангасит (La₃Ga₅SiO₁₄); LGT – лангатат (La₃Ga_5.5Ta_0.5O₁₄); BGO – германат висмута (Bi₁₂GeO₂₀); GPO- ортофосфат галлия (GaPO₄); TeO₂ – парателлурит; CTGS – (Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄).

У монокристаллов, используемых в массовом производстве компонентов на ПАВ, оценивается не менее десятка параметров, среди которых:

- скорость распространения акустических волн;

- коэффициент электромеханической связи (КЭМС);

- температурные характеристики; наличие срезов и направлений с нулевыми температурными коэффициентами;

- коэффициенты затухания акустических волн;

- угол отклонения потока энергии (УОПЭ) и параметры, характеризующие дифракцию;

- статическая емкость электродов преобразователя;

- стоимость используемого материала.

Предъявляемые при практической реализации устройств требования к материалам зачастую плохо сочетаемы. "Идеальный" по характеристикам материал должен объединять высокий КЭМС (быть сильным пьезоэлектриком), нулевой температурный коэффициент частоты (ТКЧ), высокую внутреннюю добротность. Для устройств на ПАВ желательно в ориентациях кристаллов с нулевыми ТКЧ сочетание нулевого значения УОПЭ и минимальных дифракционных эффектов, отсутствие фазовых переходов вплоть до высоких температур, высокая повторяемость физико-химических свойств при низкой стоимости промышленного производства подложек.

В таблице 9 приведены основные параметры некоторых монокристаллических подложек для компонентов на ПАВ. Скорости поверхностных волн в большинстве монокристаллов ограничены значениями 7..8 км/ч. Использование многослойных подложек, содержащих как пьезоэлектрические, так и непьезоэлектрические монокристаллы и тонкие пленки, расширяет перечень используемых материалов, однако усложняет технологический процесс изготовления подложек. Сочетание слоев различных материалов и пленок позволяет также осуществлять температурную компенсацию и увеличивать скорость распространения акустических волн [17].

Таблица 9. Параметры монокристаллов для подложек устройств на ПАВ и вытекающих ПАВ (ВПАВ)

Подложка	Тип АВ	Скорость АВ, м/с	Квадрат КЭМС, %	ТКЗ, ppm/ºС
ST-SiO₂	ПАВ	3158	0,11	0
15,7ºХ-SiO₂	ВПАВ	3948	0,11	0
YZ-LiNbO₃	ПАВ	3488	4,8	94
128ºX-LiNbO₃	ПАВ	3992	5,3	75
64ºYX-LiNbO₃	ВПАВ	4742	11,3	79
41ºYX-LiNbO₃	ВПАВ	4379	17,2	80
YZ-LiTaO₃	ПАВ	3230	0,66	35
36ºYX-LiTaO₃	ВПАВ	4212	4,7	35
ST-SiO₂	ПАВ	3158	0,11	0
La₃Ga₅SiO₁₄ (90º;40º;-6º)	ПАВ	2535	0,44	-19

На рис.12 показан перспективный для применения кварцеподобный монокристал CTGS, выращенный фирмой SICCAS.

Рис. 12 Кристалл CTGS, выращенный фирмой SICCAS [18]

В зависимости от вида компонентов, их назначения, рабочих частот, условий эксплуатации порядок оцениваемых параметров материалов может меняться. Так, например, для высокочастотных фильтров различного назначения важнейшим показателем может быть величина скорости распространения волн, температурные коэффициенты, КЭМС или стоимостные характеристики. Для датчиков на первый план выходят температурные характеристики.

Заключение

Накопленные к настоящему времени функционально-конструктивные ресурсы в сочетании с технологическими возможностями обеспечивают массовое промышленное производство широкого спектра изделий на основе ПАВ технологий. Следует отметить основные достижения на пути развития и внедрения акустоэлектронной элементной базы.

1. Разработаны эффективные методы проектирования, математического моделирования и расчета характеристик акустоэлектронных компонентов.

2. Постоянно расширяется частотный диапазон и области применения компонентов с одновременным улучшением их технических характеристик.

3. Отработана технология массового производства недорогих устройств с отличной повторяемостью характеристик.

4. Достигнута высокая степень миниатюризации и функциональной интеграции ПАВ компонентов, производство гибридных компонентов по ПАВ и другим технологиям микроэлектроники.

Анализ современных публикаций свидетельствует, что интерес к ПАВ технологиям не ослабевает. Так, например, в материалах ежегодного симпозиума по ультразвуку института IEEE каждый год публикуется несколько десятков статей, посвященных этой тематике. В материалах IEEE Ultrasonic Symposium Proceedings 2012 года из 674 статей более 30 посвящено ПАВ.

В области исследований и разработки компонентов на ПАВ остаются актуальными и перспективными следующие направления:

· Повышение рабочих частот и улучшение основных технических характеристик компонентов (снижение вносимых потерь, уменьшение пульсаций характеристик, расширение рабочего температурного диапазона и т.д.).

· Расширение областей применения компонентов, в частности, типов датчиков.

· Поиск и синтез новых материалов с оптимальным сочетанием свойств

· Дальнейшая миниатюризация и функциональная интеграция, создание многофункциональных компонентов для современной радиоэлектронной аппаратуры.

· Разработка методов температурной компенсации.

· Разработка "интеллектуальных" устройств с управляемыми характеристиками.

Достигнутые успехи в массовом промышленном производстве, постоянное расширение областей применения и круга решаемых задач, улучшение технических характеристик свидетельствует о перспективности акустоэлектронной элементной базы при создании высокотехнологичной аппаратуры нового поколения.

Результаты работы доложены на VI Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, 19-22 ноября 2012 г. [19] и на 1-й Российско-белорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной радиоэлектроники», посвященной 110-летию со дня рождения О. В. Лосева, Нижний Новгород, 11-14 сентября 2013 г. [20].

Литература

1. Государственная программа Российской Федерации "Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013-2025 годы". [Электронный ресурс]. URL: http://www.minpromtorg.gov.ru/ministry/fcp/9. Дата обращения 01.2014.

2. ГОСТ 23221-78. Модули СВЧ, блоки СВЧ. Термины, определения и буквенные обозначения. [Электронный ресурс]. URL: http://hghltd.yandex.net/yandbtm?fmode=inject&url=http%3A%2F%2Fwww.OpenGost.ru%2F1165-gost-23221-78-moduli-svch-bloki-svch.-terminy-opredeleniya-i-bukvennye-oboznacheniya.html&tld=ru&lang=ru&la=&text=23221-78&l10n=ru&mime=html&sign=3a3deaa498bfd49bfedf70511c5aa317&keyno=0

3. ГОСТ 28170-89. Изделия акустоэлектронные. Термины и определения. [Электронный ресурс]. URL: http://hghltd.yandex.net/yandbtm?fmode=inject&url=http%3A%2F%2Fwww.OpenGost.ru%2Fiso%2F01_gosty%2F01040_gost_iso%2F0104033_gost_iso%2F1175-gost-28170-89-izdeliya-akustoelektronnye.-terminy-i-opredeleniya.html&tld=ru&la=&text=28170-89&l10n=ru&isu=1&dsn=0&sg=ws35-538.yandex.ru%3A0&sh=-1&d=210034&mime=html&sign=f542ade00fb3d35bdcaceb4a42a0c409&keyno=0

4. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпонены: элементы и устройства на поверхностных акустических волнах. М.: Сов. радио, 1980.-264 с.

5. Advances in Surface Acoustic Wave Technology, Systems and Applications. V.2. Eds. Ruppel C.C.W., Fieldly T.A. Singapore: World Scientific, 2001.

6. Акустоэлектронные фурье-процессоры/ В.Н.Кочемасов, Е.В.Долбня, Н.В.Соболь; Под ред. В.Н.Кочемасова. – М.: Радио и связь, 1987.- 168 с.

7. Campbell C.K. Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and Wireless Communications. Elsevier Science. Boston: Academic Press, Inc. 1998.

8. Балышева О.Л. Фильтры на поверхностных акустических волнах: возможности миниатюризации и функциональной интеграции. // Радиотехника и электроника, 2009, Т. 54, №12. С.1513-1523.

9. A new dimension in miniaturization. [Электронный ресурс]. URL: http://www.epcos.com/epcos-en/374108/tech-library/articles/products---technologies/products---technologies/a-new-dimension-in-miniaturization/172924. Дата обращения 26.04.14.

10. Surface Acoustic Wave (SAW) Devices : Technologies and Global Markets. [Электронный ресурс]. URL: http://www.bccresearch.com/market-research/instrumentation-and-sensors/surface-acoustic-wave-sensors-technology-markets-ias039a.html. Дата обращения 03.03.14.

11. RF Filters, PAs, Antenna Switches & Tunability for Cellular Handsets. Market, Applications & Technology Report April 2012. [Электронный ресурс]. URL: http://www.i-micronews.com/upload/Rapports/RF%20Filters%20Launch.pdf. Дата обращения 17.03.14.

12. TriQuint Drives LTE Advances with a Growing Line of Unique, High-Performance Filters. [Электронный ресурс]. URL: http://www.triquint.com/newsroom/news/2014/triquint-drives-lte-advances-with-growing-line-of-unique-high-performance-filters. Дата обращения 18.03.14.

13. Information Meeting 2012. [Электронный ресурс]. URL: http://www.murata.com/cp-data/infomeeting/infomeeting2012.pdf. Дата обращения 13.03.14

14. World's First SAW Filter/Power Amplifier/Magnetic Stabilizer in One Package: Mobile Phone Transmission Module to Be Markete. [Электронный ресурс]. URL: http://www.murata.com/new/news_release/2011/0913c/index.html. Дата обращения 24.04.14

15. KYOCERA Develops Miniature SAW Filter Module "LS-D110S3" for Diversity. [Электронный ресурс]. URL: http://global.kyocera.com/prdct/electro/news/2011/111031.html. Дата обращения 13.05.14

16. Acoustic Wave Sensor Market worth $721.13 Million - Global Forecast by 2018. [Электронный ресурс]. URL: http://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/acoustic-wave-sensor.asp. Дата обращения 06.03.14

17. Акустоэлектронные устройства обработки и генерации сигналов. Принципы работы, расчета и проектирования. / О.Л.Балышева, В.И. Григорьевский, Ю.В. Гуляев, В.Ф. Дмитриев, Г.Д. Мансфельд. Монграфия/Под ред академика РАН Ю.В. Гуляева. –М.: Радиотехника, 2012. -576 с.: ил.

18. CTGS Piezoelectric Crystal [Электронный ресурс]. URL: http://www.siccas.com/CTGSpiezoelectriccrystal.htm

19. Балышева О. Л. Материалы для современных акустоэлектронных устройств // Доклады VI Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь». — М.: ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, 2012. Т. 1. С. 244-249.

20. Балышева О. Л. Акустоэлектронная элементная база // Труды 1-й российско-белорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной радиоэлектроники», посвящённой 110-ю со дня рождения О.В. Лосева / Под ред. А. Э. Рассадина. --- Н. Новгород.: НИЖЕГОРОДСКАЯ РАДИОЛАБОРАТОРИЯ. 2013. Т. 1. С. 122-124.