BAW（Bulk Acoustic Wave）フィルタ｜高周波RFで低損失・高選択特性

BAWフィルタ（Bulk Acoustic Wave）

BAWフィルタ（Bulk Acoustic Wave）は、圧電薄膜内を垂直方向に伝搬するバルク弾性波（厚み方向モード）を利用して帯域通過特性を得る高周波フィルタである。2〜7 GHz超の帯域で低挿入損失・高選択度・小面積を両立し、携帯端末のRFフロントエンド、5G、Wi-Fi 6/7、GNSSなどで広く用いられる。共振子は上下電極に挟まれたAlNやZnOなどの圧電薄膜で構成され、膜厚が半波長条件を満たすと共振・反共振が生じる。複数の共振子を直列・並列に組むラダー型で実用的な帯域通過フィルタを実現するのが一般的である。

Table Of Contents

BAWフィルタ（Bulk Acoustic Wave）

動作原理（厚み方向共振と等価回路）

圧電薄膜の厚みdが音速vと中心周波数f₀に対しf₀≈v/(2d)を満たすと厚み方向モードが励起される。電気的にはButterworth-Van Dyke等価回路（運動インダクタンスL_m、運動キャパシタンスC_m、運動抵抗R_m＋寄生C₀）で表され、共振f_rと反共振f_aの差は有効結合係数k_t²に比例する。共振子の品質係数Qは損失（材料損失・電極損失・音響放射）で決まり、フィルタの挿入損失や急峻性に直結する。

FBARとSMRの違い

FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）：薄膜下に空洞（エアギャップ）を形成し、下方への音響放射を遮断する方式である。高Qが得やすい反面、空洞形成工程の歩留まり管理が重要である。
SMR（Solidly Mounted Resonator）：基板上に高・低音響インピーダンス層を交互に積層したブラッグ反射鏡でエネルギーを閉じ込める。基板支持で機械的堅牢性に優れ、量産適性が高い。

設計パラメータ（膜厚・結合・Q・インピーダンス）

膜厚と周波数：AlN縦波の音速をv≈11,000 m/sとすると、f=3.5 GHzではd≈v/(2f)≈1.57 µmが目安である。
有効結合k_t²：帯域幅の源泉であり、材料・結晶配向・電極比で最適化する。AlNで数％、ドープAlNやZnOでさらに向上が期待できる。
品質係数Q：電極材（Mo/AlCu等）、粗さ、内部応力、音響境界の設計で改善する。
音響インピーダンス整合：SMRの層厚は1/4波長条件で設計し、リークを抑制する。

設計指標の目安

挿入損失：パスバンド中心で1〜2 dB程度を目標とする。
帯域幅（FBW）：概ね≈k_t²/2が上限近傍の指標となる。
群遅延と通過帯域リップル：直列/並列共振子数とインピーダンスで制御する。
遮断域減衰：ラダー段数と共振周波数比で規定し、隣接バンド干渉を抑える。

材料と製造プロセス（MEMS一体技術）

主材料はc軸配向AlNが主流で、スパッタ堆積により高配向・低欠陥を実現する。電極にはMo、AlCu、Ti/Ta系などを用い、低損失と応力制御を両立する。SMRではSiO₂/W（あるいはSiO₂/Mo）などの1/4波長多層を積層し、FBARでは犠牲層エッチングで空洞を形成する。微細配線はフォトリソとドライエッチングで加工し、ウェハレベル封止（WLP）やフリップチップ実装で小型化する。

スプリアス抑制とレイタルモード対策

電極形状のアポダイゼーションや周縁ダンピングトレンチで横波モードを抑える。
基板カップリング低減のためのフレーム構造・支持部の最適化を行う。

電気的特性評価（S-parameterと温度特性）

ベクトルネットワークアナライザでS₂₁（通過）とS₁₁（反射）を測定し、等価回路にフィットしてQ、k_t²、寄生C₀を抽出する。AlNの温度係数TCFは概ね−20〜−30 ppm/°Cであり、SiO₂（＋80〜＋100 ppm/°C）の薄層を積層して合成TCFを−数ppm/°Cへ補償する設計が一般的である。

温度補償と高電力動作

TCF補償：AlN/SiO₂の複合設計で温度ドリフトを最小化する。
自己発熱：高電力時はジュール発熱と機械損失が重なり、周波数シフトやQ低下を招くため、放熱とパッケージ熱抵抗を管理する。

回路実装とパッケージング

実機では直列・並列共振子を交互に並べるラダー型で帯域通過を得る。デュプレクサ/トリプレクサ/クワッドプレクサは複数ラダーを合成し、相互結合を最小化するための整合回路を付加する。WLPやモールド封止により寄生容量・インダクタンスを抑え、FEM（Front-End Module）内でPA/LNA/スイッチと同居させる。

SAWとの比較

周波数適性：SAWは〜2 GHzで高性能、BAW（Bulk Acoustic Wave）フィルタは2〜7 GHz超で優位である。
サイズ・集積：BAWは厚み方向モードのため占有面積を抑えやすい。
温度安定度：材料設計・補償層により高温域でも安定化しやすい。
線形性・電力耐性：バルク伝搬のため高電力ハンドリングに適する。

主要用途と応用例

5Gのn77/n78/n79帯域、Wi-Fi 6/7（5/6 GHz帯）、U-NII、C-Band衛星通信などの高周波帯で、キャリアアグリゲーションやMIMO構成に伴う多数のフィルタ需要を支える。デュプレクサやバンドコンビナ、アンテナ分岐器に組み込まれ、端末の同時送受信性能と隣接チャネル抑圧を担保する。

簡易設計フロー（例：3.5 GHz帯）

中心周波数を定め、AlNのv≈11,000 m/sからd≈1.57 µmを初期値とする。
目標FBWに対しk_t²と電極比を最適化し、f_r/f_a差を確保する。
ラダー段数と整合回路で通過帯域リップルと遮断域減衰を満たす。
SMR層厚を1/4波長で設計し、スプリアスモードを抑える。

信頼性と品質管理

長期信頼性では電極の電気移動、湿度起因の劣化、内部応力の経時変化に注意する。バーンインと温度サイクル試験で周波数ドリフトとQ劣化を評価し、封止の気密性とパッシベーション品質で環境耐性を高める。