CN114744977A - 一种高功率体声波谐振器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及谐振器技术领域，尤其是一种高功率体声波谐振器及制造方法，其中一种高功率体声波谐振器，包括声波谐振器结构，所述声波谐振器结构包括：高热导率层状上电极、压电层、下电极、声反射层和衬底层；所述声反射层、下电极、压电层和高热导率层状上电极从下至上依次加工形成在所述衬底层上；所述高热导率层状上电极包括粘附层和导热金属层。采用本方案，通过双面散热的方式提升声波谐振器的散热性能，进而提高声波谐振器对高功率的承受能力。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域，特别涉及一种高功率体声波谐振器及制造方法。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，尤其是在5G通信技术大规模普及的背景下，小基站(small cell)的使用越来越多。小基站具有组网灵活、信号覆盖的范围广、功率小、带宽宽的优点。作为基站中的关键组成部分，射频滤波器的性能对基站的选频有很大的影响。
在体积小型化的小基站中，传统的介质腔体或金属腔体滤波器已经不再适用，而小体积的射频声学谐振器是一个极佳的替代选择。传统的射频声学谐振器包括声表面波(SAW)谐振器以及体声波(BAW)谐振器。其中，声表面波谐振器的功率承受能力在1W左右，薄膜体声波谐振器(FBAR)能够承受2W的功率，而具有布拉格反射层的体声波谐振器(SMR)的功率承受范围在2W至5W范围内。
如图1所示，图1为现有技术中，具有单层上电极的固态装配型体声波谐振器的截面图，该谐振器适用于高频高功率容量的RF滤波器等装置，该结构包括：上电极、压电层、下电极、声反射层以及衬底层，采用该种结构的声波谐振器温度性能普遍较差，而声波谐振器的温度性能越差，功率承受能力也就越差，导致现有声波谐振器的功率承受能力较差。而当前市场上很多小基站要求滤波器能够具有5W至10W的功率承受能力，因此如何进一步提高射频声学谐振器功率承受能力是SAW/FBAR滤波器设计的一个难题。
发明内容
本发明提供了一种高功率体声波谐振器及制造方法，通过双面散热的方式可以提升声波谐振器的散热性能，进而提高声波谐振器对高功率的承受能力。
为了达到上述目的，本发明的基础方案如下：
一种高功率体声波谐振器，包括声波谐振器结构；
所述声波谐振器结构包括：高热导率层状上电极、压电层、下电极、声反射层和衬底层；所述声反射层、下电极、压电层和高热导率层状上电极从下至上依次加工形成在所述衬底层上；
所述高热导率层状上电极包括粘附层和导热金属层。
本发明的原理及优点在于：通过设置高热导率层状金属上电极，包括粘附层和导热金属层，可以达到双面散热的效果(上述双面散热具体指压电层上下两面)。其原理在于，粘附层提升了金属电极与压电层之间的粘附性，当顶部电极为导热性较差的金属层时，上电极也能导热但是导热性很差，热量主要由底部反射层结构传导。而采用本申请中的粘附层和导热金属层后，提升了上电极导热率，实现了上下双面导热，提升了器件的散热性能以及功率耐受能力。采用本方案，可以通过双面散热的方式提升声波谐振器的散热性能，进而提高声波谐振器对高功率的承受能力。与单面散热SMR结构相比，本发明中采用双面散热的SMR结构在相同功率下具有更低的稳态温度，功率承受能力得到了提升。
进一步，所述声反射层包括低声阻抗层和高声阻抗层，所述低声阻抗层和高声阻抗层交替堆叠；
所述低声阻抗层的材料包括：二氧化硅或碳氧化硅；
所述高声阻抗层的材料包括：铂、钨、钼、氮化铝或氮化硅。
有益效果：采用交替堆叠的方式设置低声阻抗层和高声阻抗层，并采用相应的材料制成低声阻抗层和高声阻抗层。
进一步，所述低声阻抗层的声阻抗值低于相邻的高声阻抗层的声阻抗值。
有益效果：设置适宜的声阻抗值。
进一步，所述声反射层为布拉格声反射层。
有益效果：当声反射层中各层的厚度满足布拉格反射条件时，在谐振频率附近可实现对声波能量的反射且其反射效率可接近空气，从而将声能主要限制在压电层并提升器件的Q值。故本方案中，声反射层为布拉格声反射层，从而能够将声能主要限制在压电层并提升声波谐振器的Q值。
进一步，所述粘附层的材料包括：钛或铬；所述导热金属层的材料包括：银、铜、金、铝或钼。
有益效果：采用相应的材料制成粘附层和导热金属层，本方案中采用的导热金属层材料具有高导热率，提升了层状金属上电极的导热率。
一种高功率体声波谐振器制造方法，包括如下内容：
在衬底层的表面加工形成声反射层；
在声反射层的表面加工形成下电极；
在下电极的表面加工形成压电层；
在压电层的表面加工形成高热导率层状上电极；高热导率层状上电极包括粘附层和导热金属层。
有益效果：通过设置高热导率层状上电极，包括粘附层和导热金属层，可以达到双面散热的效果(上述双面散热具体指压电层上下两面)。其原理在于，粘附层提升了金属电极与压电层之间的粘附性，当顶部电极为导热性较差的金属层时，上电极也能导热但是导热性很差，热量主要由底部反射层结构传导。而采用本申请中的粘附层和导热金属层后，提升了上电极导热率，实现了上下双面导热，提升了器件的散热性能以及功率耐受能力。采用本方案，可以通过双面散热的方式提升声波谐振器的散热性能，进而提高声波谐振器对高功率的承受能力。与单面散热SMR结构相比，本发明中采用双面散热的SMR结构在相同功率下具有更低的稳态温度，功率承受能力得到了提升。
进一步，所述声反射层包括低声阻抗层和高声阻抗层，所述低声阻抗层和高声阻抗层交替堆叠。
有益效果：采用交替堆叠的方式设置低声阻抗层和高声阻抗层
进一步，所述声反射层的最外层均为低声阻抗层；
在低声阻抗层的表面加工形成下电极。
有益效果：将低声阻抗层作为声反射层的最外层，将高声阻抗层和其他低声阻抗层夹在中间层。
进一步，所述在衬底层的表面加工形成声反射层，采用磁控溅射、真空蒸镀和热氧化中的一种加工方法。
有益效果：采用磁控溅射、真空蒸镀和热氧化中的一种加工方法在衬底层的表面加工形成声反射层。
进一步，所述粘附层的材料包括：钛或铬；所述导热金属层的材料包括：银、铜、金、铝或钼。
有益效果：采用相应的材料制成粘附层和导热金属层，本方案中采用的导热金属层材料具有高导热率，提升了层状金属上电极的导热率。
附图说明
图1为现有固态装配型体声波谐振器的结构示意图。
图2为本发明一种高功率体声波谐振器实施例的结构示意图。
图3为本发明一种高功率体声波谐振器实施例中在衬底层的表面加工形成声反射层的结构示意图。
图4为本发明一种高功率体声波谐振器实施例中在声反射层的表面加工形成下电极的结构示意图。
图5为本发明一种高功率体声波谐振器实施例中在下电极的表面加工形成压电层的结构示意图。
图6为本发明一种高功率体声波谐振器实施例中在压电层的表面加工形成高热导率层状上电极的结构示意图。
图7为现有固态装配型体声波谐振器与本发明一种高功率体声波谐振器在不同功率下的最高稳态温度的变化示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的标记包括：衬底层100、声反射层110(低声阻抗层111、高声阻抗层112、上电极121)、压电层122、下电极123、高热导率层状上电极140(粘附层141、导热金属层142)。
实施例1：
如图1所示，现有固态装配型体声波谐振器的结构包括上电极121、压电层122、下电极123、声反射层110以及衬底层100，该现有谐振器适用于高频高功率容量的RF滤波器等装置，但由于其结构中仅具有单层热导率较差的上电极121，导致其存在单面散热性能较差的问题。
实施例2：
本实施例基本如附图2所示：
一种高功率体声波谐振器，包括声波谐振器结构，所述声波谐振器结构包括：高热导率层状上电极140、压电层122、下电极123、声反射层110和衬底层100；所述声反射层110、下电极123、压电层122和高热导率层状上电极140从下至上依次加工形成在所述衬底层100上。
所述高热导率层状上电极140包括粘附层141和导热金属层142。所述粘附层141的材料包括：钛或铬；所述导热金属层142的材料包括：银、铜、金、铝或钼。本实施例中，所述导热金属层142有两层；所述粘附层141的材料为钛，所述导热金属层142的材料分别为铜和铝，电极厚度为0.2μm，且两层导热金属层142的材料可以相同。
所述压电层122的材料包括：铌酸锂、氮化铝、掺钪氮化铝、硅酸镓镧或锆钛酸铅，本实施例中，所述压电层122的材料为氮化铝，压电层122厚度为2μm。
所述下电极123的材料包括：钼、铝、金、铜等导电材料或者铝合金、铜合金等材料，本实施例中，所述下电极123的材料为钼，厚度为0.2μm。
当声反射层110中各层的厚度满足布拉格反射条件时，在谐振频率附近可实现对声波能量的反射且其反射效率可接近空气，从而将声能主要限制在压电层122并提升器件的Q值。故本方案中，声反射层110为布拉格声反射层110，从而能够将声能主要限制在压电层122并提升声波谐振器的Q值。
所述声反射层110包括低声阻抗层111和高声阻抗层112，所述低声阻抗层111的材料包括：二氧化硅或碳氧化硅；所述高声阻抗层112的材料包括：铂、钨、钼、氮化铝或氮化硅。本实施例中，所述低声阻抗层111的材料为二氧化硅，膜厚设置为0.947μm；所述高声阻抗层112的材料为钨，膜厚设置为0.833μm，当声反射层110中包含多层低声阻抗层111时，各低声阻抗层111的材料可以不同；当声反射层110中包含多层高声阻抗层112时，各高声阻抗层112的材料也可以不同。所述低声阻抗层111和高声阻抗层112的厚度分别为谐振频率处声波在该介质中传播时波长的1/4。
如图2所示，所述低声阻抗层111和高声阻抗层112交替堆叠，且本实施例中，所述声反射层110的最外层均为低声阻抗层111，所述低声阻抗层111的声阻抗值低于相邻的高声阻抗层112的声阻抗值，本实施例中的声反射层110共计三层，在本申请的其他实施例中，声反射层110的层数可以多于或少于三层。
所述衬底层100的材料包括：硅、多晶硅、蓝宝石、金刚石或碳化硅，本实施例中，所述衬底层100的材料为硅。
本实施例提供如下方案：
一种高功率体声波谐振器制造方法，包括如下内容：
如图3所示，采用磁控溅射、真空蒸镀和热氧化中的一种加工方法，本实施例中采用磁控溅射加工方法，在衬底层100的表面加工形成声反射层110，本实施例中，所述声反射层110为布拉格声反射层110。
所述声反射层110包括低声阻抗层111和高声阻抗层112，所述低声阻抗层111的材料包括：二氧化硅或碳氧化硅；所述高声阻抗层112的材料包括：铂、钨、钼、氮化铝或氮化硅。本实施例中，所述低声阻抗层111的材料为二氧化硅，膜厚设置为0.947μm；所述高声阻抗层112的材料为钨，膜厚设置为0.833μm，当声反射层110中包含多层低声阻抗层111时，各低声阻抗层111的材料可以不同；当声反射层110中包含多层高声阻抗层112时，各高声阻抗层112的材料也可以不同。所述低声阻抗层111和高声阻抗层112的厚度分别为谐振频率处声波在该介质中传播时波长的1/4。
如图2所示，所述低声阻抗层111和高声阻抗层112交替堆叠，且本实施例中，所述声反射层110的最外层均为低声阻抗层111，所述低声阻抗层111的声阻抗值低于相邻的高声阻抗层112的声阻抗值，本实施例中的声反射层110共计三层，在本申请的其他实施例中，声反射层110的层数可以多于或少于三层。
如图4所示，采用磁控溅射和真空蒸镀中的一种加工方法，本实施例中采用磁控溅射加工方法，在声反射层110的表面加工形成下电极123，本实施例中，由于声反射层110的最外层为低声阻抗层111，故在低声阻抗层111的表面加工形成下电极123。所述下电极123的材料包括：钼、铝、金、铜等导电材料或者铝合金、铜合金等材料，本实施例中，所述下电极123的材料为钼，厚度为0.2μm。
如图5所示，采用磁控溅射和键合中的一种加工方法，本实施例中采用磁控溅射加工方法，在下电极123的表面加工形成压电层122；所述压电层122的材料包括：铌酸锂、氮化铝、掺钪氮化铝、硅酸镓镧或锆钛酸铅，本实施例中，所述压电层122的材料为氮化铝，压电层122厚度为2μm。
如图6所示，采用磁控溅射和真空蒸镀中的一种加工方法，本实施例中采用磁控溅射加工方法，在压电层122的表面加工形成高热导率层状上电极140；高热导率层状上电极140包括粘附层141和导热金属层142。所述粘附层141的材料包括：钛或铬；所述导热金属层142的材料包括：银、铜、金、铝或钼。本实施例中，所述导热金属层142有两层；所述粘附层141的材料为钛，所述导热金属层142的材料分别为铜和铝，电极厚度为0.2μm。
如图7所示，现有固态装配型体声波谐振器采用钼金属电极，本实施例中的一种高功率体声波谐振器采用高热导率层状电极，本实施例中的声波谐振器依靠其层状上电极142的高热导率，在不同功率下的最高稳态温度均低于现有固态装配型体声波谐振器，在1W热功率下温差为0.56℃，在5W热功率下温差可达到3.02℃。由此可得，与单面散热SMR结构相比，本发明中采用双面散热的SMR结构在相同功率下具有更低的稳态温度，功率承受能力得到了提升。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种高功率体声波谐振器，包括声波谐振器结构，其特征在于：所述声波谐振器结构包括：高热导率层状上电极、压电层、下电极、声反射层和衬底层；所述声反射层、下电极、压电层和高热导率层状上电极从下至上依次加工形成在所述衬底层上；
所述高热导率层状上电极包括粘附层和导热金属层。
2.根据权利要求1所述的高功率体声波谐振器，其特征在于：所述声反射层包括低声阻抗层和高声阻抗层，所述低声阻抗层和高声阻抗层交替堆叠；
所述低声阻抗层的材料包括：二氧化硅或碳氧化硅；
所述高声阻抗层的材料包括：铂、钨、钼、氮化铝或氮化硅。
3.根据权利要求2所述的高功率体声波谐振器，其特征在于：所述低声阻抗层的声阻抗值低于相邻的高声阻抗层的声阻抗值。
4.根据权利要求1所述的高功率体声波谐振器，其特征在于：所述声反射层为布拉格声反射层。
5.根据权利要求1所述的高功率体声波谐振器，其特征在于：所述粘附层的材料包括：钛或铬；所述导热金属层的材料包括：银、铜、金、铝或钼。
6.一种高功率体声波谐振器制造方法，其特征在于：包括如下内容：
在衬底层的表面加工形成声反射层；
在声反射层的表面加工形成下电极；
在下电极的表面加工形成压电层；
在压电层的表面加工形成高热导率层状上电极；高热导率层状上电极包括粘附层和导热金属层。
7.根据权利要求6所述的高功率体声波谐振器制造方法，其特征在于：所述声反射层包括低声阻抗层和高声阻抗层，所述低声阻抗层和高声阻抗层交替堆叠。
8.根据权利要求7所述的高功率体声波谐振器制造方法，其特征在于：所述声反射层的最外层均为低声阻抗层；
在低声阻抗层的表面加工形成下电极。
9.根据权利要求6所述的高功率体声波谐振器制造方法，其特征在于：所述在衬底层的表面加工形成声反射层，采用磁控溅射、真空蒸镀和热氧化中的一种加工方法。
10.根据权利要求6所述的高功率体声波谐振器制造方法，其特征在于：所述粘附层的材料包括：钛或铬；所述导热金属层的材料包括：银、铜、金、铝或钼。
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| WO2024119606A1 (zh) * | 2022-12-07 | 2024-06-13 | 偲百创(深圳)科技有限公司 | 声学谐振器及其制作方法 |
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- 2022-05-06 CN CN202210489147.6A patent/CN114744977A/zh active Pending
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