TC-SAW

TC-SAW(Temperature Compensated SAW Filter，溫度補償型聲表面波濾波器)是一種采用鈮酸鋰壓電襯底，表面覆蓋氧化硅溫度補償層，的高端濾波器。其基本結構最早能追溯到1984年，由日本東北大學山內教授首次發(fā)明[1]。最近十幾年，TC-SAW憑借顯著的性能和價格優(yōu)勢，成為大多數雙工器和高端TRx濾波器市場的主流技術。

2012年，蘋果在iPhone 5手機中首次采用集成了TC-SAW及BAW濾波器的射頻前端模組芯片。在此后的十多年間，TC-SAW一直是iPhone的標配。從最開始的每個Die只支持一個頻段，到如今支持最多6個頻段、2個FDD雙工，TC-SAW技術也隨著市場爆發(fā)迎來發(fā)展和進步。從初次集成TC-SAW至今，蘋果共銷售了將近26.8億部iPhone，TC-SAW的總消耗量將近270億顆，平均每部iPhone消耗10多顆TC-SAW濾波器。為了搶占先發(fā)優(yōu)勢，Skyworks在2014年與Panasonic成立了專攻TC-SAW濾波器的合資公司，并于2016年對該公司完成了全額收購。自此，TC-SAW正式成為了造就Skyworks在射頻前端行業(yè)領先地位的重要一環(huán)。

圖1 iPhone 16 Pro 低頻L-PAMiD模組(全部采用TC-SAW)

提起TC-SAW，人們第一印象大多是低溫漂(TCF，Temperature Coefficient of Frequency)。因為TC-SAW的溫漂通常低于-28 ppm/℃，最低甚至能達到0 ppm/℃，遠優(yōu)于Normal-SAW -40 ppm/℃左右的值。實際上，TCF低只是TC-SAW眾多優(yōu)勢中的一個方面，其中最重要也是最根本的一點是，TC-SAW具有更高的諧振器Q值，其一般在1800~2600之間，而Normal-SAW則一般在600~1200之間。Q值作為影響濾波器插損和滾降這兩項核心指標的關鍵因素，決定了大部分雙工器和高端TRx濾波器只能由TC-SAW實現。

TC-SAW和Normal-SAW有何不同？

1. 聲學模式不同

1）Normal-SAW工作在SH Wave(Shear Horizon，水平剪切)模式，又被稱為Leaky Wave(漏波)模式。
Normal-SAW沿著襯底向前傳播時，有兩個明顯的特征：a. 表面的振動類似于蛇蜿蜒前行時的左右扭動。單獨看每個質點的振動方向（Y軸）與襯底表面平行且與波的傳播方向（X軸）垂直，質點的軌跡呈現為垂直于傳播方向的左右晃動；

圖2  Normal-SAW 工作的波模式： SH Wave (水平剪切波)，又稱Leaky Wave (漏波)

b. Normal-SAW傳播的過程中，因為SH Wave的波速高于剪切(SV)體波的波速，所以會不斷地向襯底一側輻射體波，造成聲學能量的損失，而產生持續(xù)衰減[2]。這也是它為什么被稱為 Leaky Wave 的核心原因。
事實上，Normal-SAW 濾波器采用的鉭酸鋰(LiTaO?，簡稱LT)，常用的切割方向選擇 42° YX 切型就是為了最小化 Leaky Wave 的損失[2]。然而，即便使用了 42° LT，因為底層物理原理的限制，也依然存在可觀的能量泄露。這就是 Normal-SAW 濾波器性能不佳的主要原因。

2) TC-SAW 工作在Rayleigh Wave(瑞利波)模式，又被稱為Nonleaky Wave(非漏波)模式。當 TC-SAW 沿著壓電襯底向前傳播時，它的特征與 Normal-SAW 截然不同：
a. 表面振動如同海浪的上下起伏，質點振動的主分量垂直于襯底表面(Z 軸)，次分量平行于波的傳播方向(X 軸)，質點的軌跡呈現為一連串逆?zhèn)鞑シ较虻臋E圓形；

圖3  TC-SAW 工作的波模式：Rayleigh Wave

b.在垂直方向上，瑞利波的振幅隨著襯底深度的增加而急劇下降，遵循指數衰減規(guī)律，它的能量絕大多數集中在襯底表面一倍波長的深度內。相比之下，瑞利波的波速低于所有類型的體波，在傳播時沒有向襯底輻射的體波泄露，損耗極低[2]。所以TC-SAW有時也被稱為Nonleaky Wave。

因為以上這些特點，瑞利波成為地震學中最受關注的波(衰減極低，傳播距離遠，破壞力高)。而在濾波器領域，瑞利波的這些特點，則為它帶來了極大的優(yōu)勢——高Q值。

2. 基礎性能不同

圖4 展示了TC以及Normal-SAW諧振器在工作時的位移仿真圖，對比兩者位移顏色的強度不難發(fā)現， Normal-SAW 在襯底中有極其明顯的能量泄露，而TC-SAW 幾乎沒有泄露。這正是TC-SAW的核心優(yōu)勢——Nonleaky。

圖4  Normal-SAW與TC-SAW諧振器在工作時的位移截面圖：（a）Normal-SAW；（b）TC-SAW

Leaky的多少與壓電材料以及襯底的切角密切相關。Normal-SAW工作在SH波模式，為Leaky Wave。圖5是Normal-SAW的傳播聲損耗與襯底切角的關系。對于無限薄的鋁電極，Normal-SAW的最小聲損耗襯底切角是36.75°，隨著鋁電極厚度的增加，該角度逐漸向右移。通過襯底切角的選擇，Normal-SAW的傳播聲損耗可以做到最小，但仍然不可忽略。

圖5 Normal-SAW傳播聲損耗與襯底材料切型的關系。對于無限薄的鋁電極，Normal-SAW最小聲損耗襯底切角是36.75° ，隨著鋁電極厚度增加，該角度逐漸向右移[3]

TC-SAW工作在瑞利波模式，為Nonleaky，這是因為瑞利波的波速足夠小，低于包括SH、SV在內的各種體波。計算證明，LN上的瑞利波，聲波能量集中在表面很淺的表層，沒有任何向襯底的輻射[2].

沒有了體波泄露這個Q值最大的限制，TC-SAW的Q值能達到Normal-SAW的兩倍以上。圖6是新聲半導體Normal-SAW和TC-SAW的性能對比：紅色TC-SAW的Q值峰值達到2600，而Normal-SAW僅在1200左右。

圖6  TC-SAW與Normal-SAW的Q值對比圖：(a)QBode，(b)Smith 圓圖

3. 材料結構不同

Normal-SAW采用42° YX切型的鉭酸鋰作為襯底，采用低密度的鋁作為IDT電極。它的首次出現是1977年，當時選擇的是36° YX切型的LT，在1997年，千葉大學的橋本教授發(fā)現將切型微調為42°，可以獲得更低的損耗，更優(yōu)的性能[3]。此后的30年間，Normal-SAW的基礎結構再也沒有大的技術上的變化。

圖7  Normal-SAW與TC-SAW的結構區(qū)別：(a)Normal-SAW，(b)TC-SAW

而TC-SAW采用鈮酸鋰(LiNbO?，簡稱LN)作為襯底，高密度金屬(銅、鉑或者鉬等)作為IDT電極，并且表面覆蓋有氧化硅層。該經典結構在1984年由日本東北大學首次發(fā)明，自那時之后40余年一直是國際公認的TC-SAW結構[1]。事實上，鉭酸鋰以及鈮酸鋰同為三方晶系，他們的晶體結構都屬于鈣鈦礦型。那么，為什么最終Normal-SAW的選擇會是42° YX LT，TC-SAW的選擇會是128° YX LN？對于Normal-SAW來說，選擇LT是因為：早期工藝能力受限，對應于SH 波的K2恰好可以滿足濾波器帶寬的基本需求，以及LT本身擁有較低的TCF(-40ppm/C°)；選擇42° YX切角是因為：早期的研究認為LT中聲傳播損耗最小切角在36°附近，但此后隨著梯形以及DMS濾波器的普及，損耗在濾波器設計中越來越重要，1997年橋本教授在綜合了雜波、損耗與IDT電極特性之間的關系后確定了最佳切角為42°[3]。

圖8 Leaky SAW (SH Wave)，Nonleaky SAW(Rayleigh Wave)波速與襯底轉角的關系。圖中實線對應自由表面，虛線對應帶有金屬電極的短路表面，兩者的波速差可以得出 K2≈2×(νo-νs)/νo [4] : (a) 鉭酸鋰的Nonleaky SAW 波速差幾乎為0，只有Leaky SAW的波速差可以達到多數頻段 K2需求；(b)鈮酸鋰的Nonleaky SAW的波速差在128°附近達到最高，滿足多數頻段的 K2需求[2]

對于TC-SAW來說，選擇LN是因為：1）LN的機電耦合效率更高，Leaky與Nonleaky SAW的K2都遠高于LT，這給了LN更多的選擇性；2）對于無損耗的瑞利波來講，其機電耦合效率在128°附近達到最高(例如對于銅電極的TC-SAW，其K2一般在8.4%附近)，可以滿足大多數濾波器帶寬的要求。

TC-SAW濾波器的性能優(yōu)勢

回到濾波器產品本身，有三個參數指標極其關鍵：

a. 插損（Insertion Loss）決定了系統(tǒng)的功耗水平，數值越低越好；

b. 滾降（Roll-Off）決定了對系統(tǒng)帶外干擾的抑制能力，越陡峭越好；

c. 帶寬（Band Width）由通信系統(tǒng)制式決定，為固定值。

濾波器領域的技術創(chuàng)新與研發(fā)重點始終都是圍繞著提升以上這三個關鍵參數展開。

對于基于聲學原理的SAW和BAW而言，帶寬主要由構成濾波器材料的機電耦合系數(K2)決定。而插損和滾降則主要由構成濾波器的基本單元——諧振器的Q值決定。

值得注意的是，Normal-SAW和TC-SAW兩者的K2相近,都是8.4%左右，兩者之間本質的差異是Q值——TC-SAW的Q值通常在2000以上[4]，而Normal-SAW僅為1000左右。這一差異也讓它們的性能及價值截然不同。

1. TC-SAW插損比Normal-SAW好0.5dB以上

高Q值就意味著低插損，這一直以來都是射頻行業(yè)內的共識，對LC、對腔體、以及對于SAW濾波器都是如此。

以新聲半導體Band8頻段 RX 濾波器的對比測試為例。如圖9所示，分別采用TC-SAW和Normal-SAW技術進行加工設計出來產品的性能對別顯示，TC-SAW的各項性能指標全面碾壓Normal-SAW。我們可以看到，在整個通帶范圍內，TC-SAW插損保持了0.5dB左右的優(yōu)勢，關鍵的邊帶區(qū)域能接近0.8dB。

圖9  用TC-SAW和Normal-SAW設計的同頻段Band8 Rx濾波器插損對比

2. TC-SAW滾降比Normal-SAW陡峭

隨著5G手機需要支持的通信頻段數量持續(xù)增加，為了避免頻段間的干擾，對濾波器的邊帶滾降要求越來越高。

與LC濾波器類似，Q值同樣是影響SAW濾波器滾降的首要因素。高Q值的SAW諧振器在諧振頻率附近的儲能能力更強，能夠更有效地阻止頻率偏離諧振點的信號通過，從而使濾波器的頻率響應曲線在截止區(qū)域的斜率更陡。Q值越高，濾波器整體形狀的矩形度就越好，對頻率的選擇性(濾波能力)就越高。

圖10  分別用TC-SAW和Normal-SAW設計的Band 13雙工器Tx左側Roll-Off性能對比

如圖10 所示，對于Band 13雙工的發(fā)射Tx頻段(777～787 MHz)其起始頻率僅比美國公共安全無線電頻段NS07高2MHz。為避免手機發(fā)射信號對公共安全通信信道造成干擾，Verizon等運營商要求，必須將手機在NS07頻段內產生的帶外噪聲發(fā)射水平控制在極低范圍內。
要實現這一目標，Band 13的Tx濾波器必須在NS07頻段內提供至少20 dB以上的抑制能力。只有TC-SAW濾波器的滾降能滿足運營商對于合規(guī)性的要求。濾波器設計行業(yè)有一個相對簡單的標準，雙工間隔小于1.5%的頻段被認為是“高難度頻段”，如Band3、Band8、Band20，Band26等。這些有著非常小Duplex Gap的雙工頻段，Normal-SAW無法滿足需求，只能采用Q值更高，性能更好的濾波器技術，比如TC-SAW。

表1  Tx~Rx頻率間隔極小的頻段

圖11 展示了新聲半導體Band 20 TC-SAW雙工器的TCF測試結果，該顆雙工器Tx頻段的插損在全溫范圍內小于2.1dB，Rx小于2.5dB；隔離度方面，在常溫下，Tx大于63dB，Rx大于58dB，全溫范圍內Tx大于60dB，Rx大于58dB。新聲半導體的Band20 TC-SAW雙工器在TCF、插入損耗和隔離度等各項參數指標上均已達到國際先進水平。

圖11  新聲半導體NS73220B，Band20 TC-SAW雙工器全溫插損及隔離性能(1612尺寸)

圖12展示了新聲半導體Band26 TC-SAW雙工器的小信號TCF測試結果，該顆雙工器Tx頻段的插損在全溫范圍內小于2.0dB，Rx小于2.5dB；隔離度方面，在常溫下，Tx大于56dB，Rx大于54dB，全溫范圍內Tx大于54dB，Rx大于52dB。這款產品同樣在TCF、插入損耗和隔離度等各項參數指標上均已達到國際先進水平。

圖12  新聲半導體NS73226A，Band26 TC-SAW雙工器全溫插損及隔離性能(1612尺寸)

3. TC-SAW的功率耐受比Normal-SAW高

濾波器的功率耐受失效多數情況下為通帶高頻側信道的失效。這是因為濾波器通常具有負的TCF，當面對通帶高頻側的功率輸入時，會出現：溫度上升→通帶頻率降低→功率吸收增加→溫度進一步上升……這一惡性循環(huán)，直到其中一環(huán)增量為0或器件燒毀，循環(huán)才會停止。Normal-SAW的TCF通常高于-40ppm/C°，TC-SAW的熱穩(wěn)定性更高，TCF通常低于-28 ppm/C°，最低甚至能達到0 ppm/C°。在面對功率輸入時，TC-SAW的頻率偏移更少，達到循環(huán)停止的時間更早，可以耐受更強的功率。通常TC-SAW比Normal-SAW的輸入功率耐受高2~3dB。

圖13  新聲分別采用不同技術制作的Band8雙工器功率耐受對比：TC-SAW相比Normal-SAW輸入功率耐受高2.0dB（輸入信號：Tx高頻邊帶，測試條件：2 min@85°C）

寫在最后

在競爭激烈的市場環(huán)境中，任何一項能夠長期占據主流地位的產品，必然能憑借自身獨特的優(yōu)勢，持續(xù)滿足客戶的本質需求。

TC-SAW濾波器相較于Normal-SAW 濾波器，其最顯著的的優(yōu)勢并不僅僅是TCF，而更在于其由Rayleigh Wave帶來的高Q 值。作為影響濾波器性能的核心指標，這一關鍵特性直接決定了TC-SAW濾波器在高端應用中的卓越表現，使其成為大部分雙工器和高端TRx濾波器的不二之選。

在當前行業(yè)高速發(fā)展與充分競爭的背景下，要在TC-SAW這個高端濾波器的“主流賽道”中，和“主流玩家”角力并非易事。本土廠商需在核心技術研發(fā)與創(chuàng)新上投入更多努力——例如通過優(yōu)化IDT設計、改進壓電薄膜材料以及提升封裝工藝等，進一步發(fā)揮TC-SAW高Q值、低損耗的性能潛力，推動產品向更高頻、更寬帶、更可靠的方向演進。只有持續(xù)強化技術根基，在性能與品質上實現真正對標甚至超越，才能在全球高端濾波器市場中，確立屬于中國廠商的“主流地位”。
本文參考文獻

[1] K. Yamanouchi, and S. Hayama, "SAW Properties of SiO2/128° Y-X LiNbO? Structure Fabricated by Magnetron Sputtering Technique," in IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, vol. 31, no. 1, pp. 51-57, Jan. 1984

[2]  K. Y. Hashimoto, “Surface acoustic wave devices in telecommunications. Modelling and simulation”. 10.1007/978-3-662-04223-6. 2000

[3] K. Y. Hashimoto, M. Yamaguchi, S. Mineyoshi, O. Kawachi, M. Ueda and G. Endoh, "Optimum leaky-SAW cut of LiTaO? for minimised insertion loss devices," 1997 IUS, Toronto, ON, Canada, 1997, pp. 245-254 vol.1

[4]  J. J. Campbell and W. R. Jones, "A method for estimating optimal crystal cuts and propagation directions for excitation of piezoelectric surface waves," in IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, vol. 15, no. 4, pp. 209-217, Oct. 1968[5] B. Abbott et al., "Temperature compensated SAW with high quality factor," 2017 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Washington, DC, USA, 2017,