声表面波器件的现状和发展

德清华莹电子有限公司
(德清 313200)

    一、声表面波概述
    声表面波技术是二十世纪六十年代末期才发展起来的一门声学与电子学相结合的边缘学科。1965年，怀特与沃尔迈发表了"一种新型表面波声电换能器--叉指换能器"的论文，取得了声表面波技术的关键性突破。1968年美国斯坦福大学在铌酸锂基片上用叉指换能器取得了4dB的声电换能效果，使声表面波器件进入实际应用阶段。
    声表面波器件的基本结构是压电晶体表面制作二个声电换能器(叉指换能器)，当一个电讯号加到叉指换能器后，将在不同极性的叉指换能器之间产生电场，由于压电效应，芯片表面产生机械变形。就象微形地震波，声表面波沿换能器两边扩散出去，当声波传输到输出换能器后再转换回电讯号。
    声表面波器件是制作在压电单晶体的基片材料上的，目前用的压电单晶材料主要有铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、石英(Quartz)、四硼酸锂(Li2B4O7)、铌酸钾(KNbO3)等，切成薄片或采用压电薄膜或精密压电陶瓷，经表面抛光、蒸镀铝膜及光刻的方法，在晶片表面制作梳状、内连指状电极，故称叉指换能器。
    声表面波器件是无源器件，它的特点是：
    1.如同所有固体中传输的弹性波，声表面波具有很低的速度，与时速达30万公里/秒的电波相比，它慢到仅为3至5公里/秒。由于波长与速度成反比，具有如比"速度"的声表面波滤波器，制作的器件尺寸可以小到与集成电路相匹配，因此，声表面波器件的尺寸可做得很小，重量亦很轻。
    2.声表面波沿固体表面传播，具速度慢，使信号在给定瞬时可以完全呈现在晶片表面上。当信号在器件输入及输出之间传输时，容易对信号进行取样和变换，使器件具有极度大的灵活性，能以简单的方式完成其它技术难于完成的功能。
    3.声表面波滤波器具有高度的设计灵活性。叉指换能器的间隔与指条数量决定了器件的频率与带宽。器件的带内特征与带外要求，可以通过改变叉指电极的包络长度及加权进行精确的设计。可在很短时间内研制开发到实用产品化。
    4.声表面波器件是在单晶材料上用半导体工艺制作，具有很好的一致性及重复性，易于大批量生产。
    5.声表面波器件的抗辐射能力强，动态范围大，并且不涉及到电子迁移过程。
    经过了近半个世纪的发展，声表面波器件的品种不断增加，应用领域不断扩大，除了常规的用于电视机、无线卫星接收器、录像机等音视频产品的声表面波滤波器之外，大量用于通信的无绳电话、手机、无线对讲机、全球卫星定位系统、无线基站及IT领域的局域网；还制作声表面波谐振器用于电子门锁、无线遥控、无线连接(蓝牙)，制作声表面波传感器用于温度、压力、重量、化学传感器等。为了适应移动通讯系统的发展，声表面波RF及IF级滤波器的发展方向是小型化甚至超小型化、复合化、宽频带化、低损耗、耐功率、特性陡峭化和高稳定性。
    声表面波器件的应用领域越来越宽，制作频率越来越高，它的发展前景越来越好。
    二、声表面波器件应用现状
    声表面波器件最早应用于卫星、火箭的军事工业上，随着二十世纪80年代初电视机开始进入了老百姓家，但在电视机的射频级(RF)和中频级(IF)都采用LC电路。线路元器件不过关，而且还要调节电感磁芯来获得电性能指标，使电视机的可靠性、一致性都较差，一旦受到运输震动，电感变量就出故障。国家随着电视机产业发展速度的加快，引进生产线增多，组织彩电国产化攻关，到1983年杭州电视机采用声表面波滤波器首先在彩电上应用成功，有效地提高了可靠性，而且无须调试，得到了电视机产业的普遍重视，声表面波滤波器的国内需求量大幅上升，成为电视机不可缺少的关键元件。
    声表面波滤波器的制造，国内是在二十世纪70年末开始在研究所研制，当时向工厂进行成果转让组织生产的主要研制单位是中科院上硅所、航天部25所、南京大学等为数不多的研究所，在国内培育了我们德清电子器材厂、青岛元件三厂、湖南株州无线电六厂等16~17家。随着应用领域扩展，生产批量上升，如我们德清电子器材厂在1980年才年产5万只，还以黑白电视机应用为主，在83年电视机采用声表面波滤波器后，产量上升到年产15万只、50万只、150万只、500万只，现已达到年产彩电声表面波滤波器2000万只。到90年代末期开始进入了通信领域，在无绳电话、录呼机、对讲机上应用，到二十一世纪移动电话(手机)逐渐普及，并向小型化、多功能方向发展，手机的价位下跌，使增长率成倍的发展，也使寻呼机受到了致使打击，被手机和小灵通所替代。移动通信的高速发展，在国内的通信终端机生产厂家，都是国外独资或合资，生产元器件都在国外配套，就是国产手机生产厂家，也是国外配套公司组织供应，而声表面波滤波器是关键器件，要移动通信国产化，声表面波滤波器国产化替代进口，这是必然方向，我们华莹电子有限公司已开发成功IF 400Mc、RF 900Mc、1800Mc三个片式系列，通过了美国摩托罗拉(MOTOROLA)公司的认定，国产手机也开始在宁波波导、杭州东方通信、康佳等进行认定。美国摩托罗拉公司在今年9月份已开始50万只的订单，逐步进入手机生产厂家配套，通信声表生产线已有年产1600万只的能力，其中"片式"年产600万只，声表面波正逐步走上国产化的正常轨道。国内四川26所、南京55所已开始建立"片式"声表生产线，像无锡华晶、绍兴华越利用更新下来的3"生产线投产通信声表。声表面波器件在市场看好，将还有好些生产厂家要组织声表生产线，抢占了国内声表市场的形势已经形成。
    为迎合声表面波器件的发展高潮的到来，华莹公司和中国电子科技集团公司合作，转让股权，中国电科集团控股华莹公司，增强了华莹公司的综合实力，面对国内外市场，把声表面波器件办成国内最大的生产基地，着手增产"片式"手机声表器件2000万只/年，项目已列入国家新技术产业化项目，通过了信息产业部和国家计划的专家评审。
    声表的发展，同时发展3"～5"压电晶体材料也很重要，现主要使用铌酸锂、钽酸锂、石英晶片，声表制造频率越高，自动化程度越高，对晶片的质量要求越来越高，特别是光刻工艺采用投影光刻后，晶片的弯曲度、平整度、粗糙度指标较高，并且，声表产量越高压电材料也越紧张，国内大直径晶片不多，现国内生产电视机用的声表基片晶片大都是2"的，而生产高频通信声表的生产线已是3"～4"晶片，国内急需解决高精度的3"～4"晶片来适应声表生产的需要。现华莹公司增产26万片3"晶片项目已列入国家经贸委的"双高一优"国债项目，引进高精度、高效率的工作母机，加工高标准的晶片，以确保高成品率的声表器件生产。
    三、声表面波器件的发展
    声表面波器件在国内已有二十年的生产历史了，50兆频率声表的生产工艺已臻成熟，随着通信领域的大量使用，使声表器件频率上升到500兆、1000兆，而且向2.4G～5G的方向发展，声表的制造越来越精细，制造难度越来越大，外型尺寸超小型化，"片式"声表从5×5mm2、3.5×3.5mm2至2.5×2.5mm2，其工艺制作、封装、检测都要较大的更新，为确保高效率、高质量，引进自动、高精度工艺设备是发展的关键。
    声表器件的开发研制水平，是声表器件发展的核心，这有必要集国内研发的精华，吸收国外研发技术，创自主产权的声表器件设计模式。华莹公司和中国电科集团控股将与26所、55所发挥研发优势，研发市场高新技术产品，满足通信技术高速发展。
    声表器件的应用领域扩展，这是声表器件发展的重点，声表从电视机应用到通信应用，市场需求量将从国内年产5000万只上升到5亿只左右，但一旦进入电脑的信息化局域网、手机基站等应用，又将大幅上升其应用量，将使声表器件得到更大的发展。
    声表面波器件虽有20年产品史，但前景越来越好，它的寿命如此之长，在电子产品中也不多见，这也体现了它的优越性能，再发展将走上和集成电路一样的组合集成，将持续得到发展。
   

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