TC-SAW

TC-SAW(Temperature Compensated SAW Filter，溫度補(bǔ)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(bǔ)償層，的高端濾波器。其基本結(jié)構(gòu)最早能追溯到1984年，由日本東北大學(xué)山內(nèi)教授首次發(fā)明[1]。最近十幾年，TC-SAW憑借顯著的性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，成為大多數(shù)雙工器和高端TRx濾波器市場(chǎng)的主流技術(shù)。

2012年，蘋果在iPhone 5手機(jī)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(biāo)配。從最開始的每個(gè)Die只支持一個(gè)頻段，到如今支持最多6個(gè)頻段、2個(gè)FDD雙工，TC-SAW技術(shù)也隨著市場(chǎng)爆發(fā)迎來發(fā)展和進(jìn)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(shì)，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(duì)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(lǐng)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?yàn)門C-SAW的溫漂通常低于-28 ppm/℃，最低甚至能達(dá)到0 ppm/℃，遠(yuǎn)優(yōu)于Normal-SAW -40 ppm/℃左右的值。實(shí)際上，TCF低只是TC-SAW眾多優(yōu)勢(shì)中的一個(gè)方面，其中最重要也是最根本的一點(diǎn)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(xiàng)核心指標(biāo)的關(guān)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(shí)現(xiàn)。

TC-SAW和Normal-SAW有何不同？

1. 聲學(xué)模式不同

1）Normal-SAW工作在SH Wave(Shear Horizon，水平剪切)模式，又被稱為L(zhǎng)eaky Wave(漏波)模式。
Normal-SAW沿著襯底向前傳播時(shí)，有兩個(gè)明顯的特征：a. 表面的振動(dòng)類似于蛇蜿蜒前行時(shí)的左右扭動(dòng)。單獨(dú)看每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向（Y軸）與襯底表面平行且與波的傳播方向（X軸）垂直，質(zhì)點(diǎn)的軌跡呈現(xiàn)為垂直于傳播方向的左右晃動(dòng)；

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?yàn)镾H Wave的波速高于剪切(SV)體波的波速，所以會(huì)不斷地向襯底一側(cè)輻射體波，造成聲學(xué)能量的損失，而產(chǎn)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(shí)上，Normal-SAW 濾波器采用的鉭酸鋰(LiTaO?，簡(jiǎn)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?yàn)榈讓游锢碓淼南拗疲惨廊淮嬖诳捎^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(dāng) TC-SAW 沿著壓電襯底向前傳播時(shí)，它的特征與 Normal-SAW 截然不同：
a. 表面振動(dòng)如同海浪的上下起伏，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(zhì)點(diǎn)的軌跡呈現(xiàn)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(shù)衰減規(guī)律，它的能量絕大多數(shù)集中在襯底表面一倍波長(zhǎng)的深度內(nèi)。相比之下，瑞利波的波速低于所有類型的體波，在傳播時(shí)沒有向襯底輻射的體波泄露，損耗極低[2]。所以TC-SAW有時(shí)也被稱為Nonleaky Wave。

因?yàn)橐陨线@些特點(diǎn)，瑞利波成為地震學(xué)中最受關(guān)注的波(衰減極低，傳播距離遠(yuǎn)，破壞力高)。而在濾波器領(lǐng)域，瑞利波的這些特點(diǎn)，則為它帶來了極大的優(yōu)勢(shì)——高Q值。

2. 基礎(chǔ)性能不同

圖4 展示了TC以及Normal-SAW諧振器在工作時(shí)的位移仿真圖，對(duì)比兩者位移顏色的強(qiáng)度不難發(fā)現(xiàn)， 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(shì)——Nonleaky。

圖4  Normal-SAW與TC-SAW諧振器在工作時(shí)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(guān)。Normal-SAW工作在SH波模式，為L(zhǎng)eaky Wave。圖5是Normal-SAW的傳播聲損耗與襯底切角的關(guān)系。對(duì)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(guān)系。對(duì)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?yàn)槿鹄ǖ牟ㄋ僮銐蛐。陀诎⊿H、SV在內(nèi)的各種體波。計(jì)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(gè)Q值最大的限制，TC-SAW的Q值能達(dá)到Normal-SAW的兩倍以上。圖6是新聲半導(dǎo)體Normal-SAW和TC-SAW的性能對(duì)比：紅色TC-SAW的Q值峰值達(dá)到2600，而Normal-SAW僅在1200左右。

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

3. 材料結(jié)構(gòu)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(xiàn)是1977年，當(dāng)時(shí)選擇的是36° YX切型的LT，在1997年，千葉大學(xué)的橋本教授發(fā)現(xiàn)將切型微調(diào)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(chǔ)結(jié)構(gòu)再也沒有大的技術(shù)上的變化。

圖7  Normal-SAW與TC-SAW的結(jié)構(gòu)區(qū)別：(a)Normal-SAW，(b)TC-SAW

而TC-SAW采用鈮酸鋰(LiNbO?，簡(jiǎn)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(jīng)典結(jié)構(gòu)在1984年由日本東北大學(xué)首次發(fā)明，自那時(shí)之后40余年一直是國(guó)際公認(rèn)的TC-SAW結(jié)構(gòu)[1]。事實(shí)上，鉭酸鋰以及鈮酸鋰同為三方晶系，他們的晶體結(jié)構(gòu)都屬于鈣鈦礦型。那么，為什么最終Normal-SAW的選擇會(huì)是42° YX LT，TC-SAW的選擇會(huì)是128° YX LN？對(duì)于Normal-SAW來說，選擇LT是因?yàn)椋涸缙诠に嚹芰κ芟蓿瑢?duì)應(yīng)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?yàn)椋涸缙诘难芯空J(rèn)為L(zhǎng)T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(shè)計(jì)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(guān)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(zhuǎn)角的關(guān)系。圖中實(shí)線對(duì)應(yīng)自由表面，虛線對(duì)應(yīng)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(dá)到多數(shù)頻段 K2需求；(b)鈮酸鋰的Nonleaky SAW的波速差在128°附近達(dá)到最高，滿足多數(shù)頻段的 K2需求[2]

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

TC-SAW濾波器的性能優(yōu)勢(shì)

回到濾波器產(chǎn)品本身，有三個(gè)參數(shù)指標(biāo)極其關(guān)鍵：

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

b. 滾降（Roll-Off）決定了對(duì)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?jīng)Q定，為固定值。

濾波器領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)重點(diǎn)始終都是圍繞著提升以上這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)展開。

對(duì)于基于聲學(xué)原理的SAW和BAW而言，帶寬主要由構(gòu)成濾波器材料的機(jī)電耦合系數(shù)(K2)決定。而插損和滾降則主要由構(gòu)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(zhì)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(jià)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(nèi)的共識(shí)，對(duì)LC、對(duì)腔體、以及對(duì)于SAW濾波器都是如此。

以新聲半導(dǎo)體Band8頻段 RX 濾波器的對(duì)比測(cè)試為例。如圖9所示，分別采用TC-SAW和Normal-SAW技術(shù)進(jìn)行加工設(shè)計(jì)出來產(chǎn)品的性能對(duì)別顯示，TC-SAW的各項(xiàng)性能指標(biāo)全面碾壓Normal-SAW。我們可以看到，在整個(gè)通帶范圍內(nèi)，TC-SAW插損保持了0.5dB左右的優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵的邊帶區(qū)域能接近0.8dB。

圖9  用TC-SAW和Normal-SAW設(shè)計(jì)的同頻段Band8 Rx濾波器插損對(duì)比

2. TC-SAW滾降比Normal-SAW陡峭

隨著5G手機(jī)需要支持的通信頻段數(shù)量持續(xù)增加，為了避免頻段間的干擾，對(duì)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(chǔ)能能力更強(qiáng)，能夠更有效地阻止頻率偏離諧振點(diǎn)的信號(hào)通過，從而使濾波器的頻率響應(yīng)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(duì)頻率的選擇性(濾波能力)就越高。

圖10  分別用TC-SAW和Normal-SAW設(shè)計(jì)的Band 13雙工器Tx左側(cè)Roll-Off性能對(duì)比

如圖10 所示，對(duì)于Band 13雙工的發(fā)射Tx頻段(777～787 MHz)其起始頻率僅比美國(guó)公共安全無線電頻段NS07高2MHz。為避免手機(jī)發(fā)射信號(hào)對(duì)公共安全通信信道造成干擾，Verizon等運(yùn)營(yíng)商要求，必須將手機(jī)在NS07頻段內(nèi)產(chǎn)生的帶外噪聲發(fā)射水平控制在極低范圍內(nèi)。
要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Band 13的Tx濾波器必須在NS07頻段內(nèi)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(yùn)營(yíng)商對(duì)于合規(guī)性的要求。濾波器設(shè)計(jì)行業(yè)有一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)，雙工間隔小于1.5%的頻段被認(rèn)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(shù)，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(dǎo)體Band 20 TC-SAW雙工器的TCF測(cè)試結(jié)果，該顆雙工器Tx頻段的插損在全溫范圍內(nèi)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(nèi)Tx大于60dB，Rx大于58dB。新聲半導(dǎo)體的Band20 TC-SAW雙工器在TCF、插入損耗和隔離度等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)上均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

圖11  新聲半導(dǎo)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(dǎo)體Band26 TC-SAW雙工器的小信號(hào)TCF測(cè)試結(jié)果，該顆雙工器Tx頻段的插損在全溫范圍內(nèi)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(nèi)Tx大于54dB，Rx大于52dB。這款產(chǎn)品同樣在TCF、插入損耗和隔離度等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)上均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

圖12  新聲半導(dǎo)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(shù)情況下為通帶高頻側(cè)信道的失效。這是因?yàn)闉V波器通常具有負(fù)的TCF，當(dāng)面對(duì)通帶高頻側(cè)的功率輸入時(shí)，會(huì)出現(xiàn)：溫度上升→通帶頻率降低→功率吸收增加→溫度進(jìn)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(huì)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(dá)到0 ppm/C°。在面對(duì)功率輸入時(shí)，TC-SAW的頻率偏移更少，達(dá)到循環(huán)停止的時(shí)間更早，可以耐受更強(qiáng)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(shù)制作的Band8雙工器功率耐受對(duì)比：TC-SAW相比Normal-SAW輸入功率耐受高2.0dB（輸入信號(hào)：Tx高頻邊帶，測(cè)試條件：2 min@85°C）

寫在最后

在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境中，任何一項(xiàng)能夠長(zhǎng)期占據(jù)主流地位的產(chǎn)品，必然能憑借自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，持續(xù)滿足客戶的本質(zhì)需求。

TC-SAW濾波器相較于Normal-SAW 濾波器，其最顯著的的優(yōu)勢(shì)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(biāo)，這一關(guān)鍵特性直接決定了TC-SAW濾波器在高端應(yīng)用中的卓越表現(xiàn)，使其成為大部分雙工器和高端TRx濾波器的不二之選。

在當(dāng)前行業(yè)高速發(fā)展與充分競(jìng)爭(zhēng)的背景下，要在TC-SAW這個(gè)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(shù)研發(fā)與創(chuàng)新上投入更多努力——例如通過優(yōu)化IDT設(shè)計(jì)、改進(jìn)壓電薄膜材料以及提升封裝工藝等，進(jìn)一步發(fā)揮TC-SAW高Q值、低損耗的性能潛力，推動(dòng)產(chǎn)品向更高頻、更寬帶、更可靠的方向演進(jìn)。只有持續(xù)強(qiáng)化技術(shù)根基，在性能與品質(zhì)上實(shí)現(xiàn)真正對(duì)標(biāo)甚至超越，才能在全球高端濾波器市場(chǎng)中，確立屬于中國(guó)廠商的“主流地位”。
本文參考文獻(xiàn)

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

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