解构TC-SAW：高端滤波器的绝对主流（一）

作者：新声半导体



TC-SAW

TC-SAW(Temperature Compensated SAW Filter，温度补偿型声表面波滤波器)是一种采用铌酸锂压电衬底，表面覆盖氧化硅温度补偿层，的高端滤波器。其基本结构最早能追溯到1984年，由日本东北大学山内教授首次发明。最近十几年，TC-SAW凭借显著的性能和价格优势，成为大多数双工器和高端TRx滤波器市场的主流技术。

2012年，苹果在iPhone 5手机中首次采用集成了TC-SAW及BAW滤波器的射频前端模组芯片。在此后的十多年间，TC-SAW一直是iPhone的标配。从最开始的每个Die只支持一个频段，到如今支持最多6个频段、2个FDD双工，TC-SAW技术也随着市场爆发迎来发展和进步。从初次集成TC-SAW至今，苹果共销售了将近26.8亿部iPhone，TC-SAW的总消耗量将近270亿颗，平均每部iPhone消耗10多颗TC-SAW滤波器。为了抢占先发优势，Skyworks在2014年与Panasonic成立了专攻TC-SAW滤波器的合资公司，并于2016年对该公司完成了全额收购。自此，TC-SAW正式成为了造就Skyworks在射频前端行业领先地位的重要一环。


图1 iPhone 16 Pro 低频L-PAMiD模组(全部采用TC-SAW)

提起TC-SAW，人们第一印象大多是低温漂(TCF，Temperature Coefficient of Frequency)。因为TC-SAW的温漂通常低于-28 ppm/℃，最低甚至能达到0 ppm/℃，远优于Normal-SAW -40 ppm/℃左右的值。实际上，TCF低只是TC-SAW众多优势中的一个方面，其中最重要也是最根本的一点是，TC-SAW具有更高的谐振器Q值，其一般在1800~2600之间，而Normal-SAW则一般在600~1200之间。Q值作为影响滤波器插损和滚降这两项核心指标的关键因素，决定了大部分双工器和高端TRx滤波器只能由TC-SAW实现。

TC-SAW和Normal-SAW有何不同？

1. 声学模式不同

1）Normal-SAW工作在SH Wave(Shear Horizon，水平剪切)模式，又被称为Leaky Wave(漏波)模式。
Normal-SAW沿着衬底向前传播时，有两个明显的特征：a. 表面的振动类似于蛇蜿蜒前行时的左右扭动。单独看每个质点的振动方向（Y轴）与衬底表面平行且与波的传播方向（X轴）垂直，质点的轨迹呈现为垂直于传播方向的左右晃动；


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

b. Normal-SAW传播的过程中，因为SH Wave的波速高于剪切(SV)体波的波速，所以会不断地向衬底一侧辐射体波，造成声学能量的损失，而产生持续衰减。这也是它为什么被称为 Leaky Wave 的核心原因。

事实上，Normal-SAW 滤波器采用的钽酸锂(LiTaO₃，简称LT)，常用的切割方向选择 42° YX 切型就是为了最小化 Leaky Wave 的损失。然而，即便使用了 42° LT，因为底层物理原理的限制，也依然存在可观的能量泄露。这就是 Normal-SAW 滤波器性能不佳的主要原因。

2) TC-SAW 工作在Rayleigh Wave(瑞利波)模式，又被称为Nonleaky Wave(非漏波)模式。当 TC-SAW 沿着压电衬底向前传播时，它的特征与 Normal-SAW 截然不同：
a. 表面振动如同海浪的上下起伏，质点振动的主分量垂直于衬底表面(Z 轴)，次分量平行于波的传播方向(X 轴)，质点的轨迹呈现为一连串逆传播方向的椭圆形；


图3  TC-SAW 工作的波模式：Rayleigh Wave

b.在垂直方向上，瑞利波的振幅随着衬底深度的增加而急剧下降，遵循指数衰减规律，它的能量绝大多数集中在衬底表面一倍波长的深度内。相比之下，瑞利波的波速低于所有类型的体波，在传播时没有向衬底辐射的体波泄露，损耗极低。所以TC-SAW有时也被称为Nonleaky Wave。

因为以上这些特点，瑞利波成为地震学中最受关注的波(衰减极低，传播距离远，破坏力高)。而在滤波器领域，瑞利波的这些特点，则为它带来了极大的优势——高Q值。

2. 基础性能不同

图4 展示了TC以及Normal-SAW谐振器在工作时的位移仿真图，对比两者位移颜色的强度不难发现， Normal-SAW 在衬底中有极其明显的能量泄露，而TC-SAW 几乎没有泄露。这正是TC-SAW的核心优势——Nonleaky。


图4  Normal-SAW与TC-SAW谐振器在工作时的位移截面图：（a）Normal-SAW；（b）TC-SAW

Leaky的多少与压电材料以及衬底的切角密切相关。Normal-SAW工作在SH波模式，为Leaky Wave。图5是Normal-SAW的传播声损耗与衬底切角的关系。对于无限薄的铝电极，Normal-SAW的最小声损耗衬底切角是36.75°，随着铝电极厚度的增加，该角度逐渐向右移。通过衬底切角的选择，Normal-SAW的传播声损耗可以做到最小，但仍然不可忽略。


图5 Normal-SAW传播声损耗与衬底材料切型的关系。对于无限薄的铝电极，Normal-SAW最小声损耗衬底切角是36.75° ，随着铝电极厚度增加，该角度逐渐向右移

TC-SAW工作在瑞利波模式，为Nonleaky，这是因为瑞利波的波速足够小，低于包括SH、SV在内的各种体波。计算证明，LN上的瑞利波，声波能量集中在表面很浅的表层，没有任何向衬底的辐射.

没有了体波泄露这个Q值最大的限制，TC-SAW的Q值能达到Normal-SAW的两倍以上。图6是新声半导体Normal-SAW和TC-SAW的性能对比：红色TC-SAW的Q值峰值达到2600，而Normal-SAW仅在1200左右。


图6  TC-SAW与Normal-SAW的Q值对比图：(a)QBode，(b)Smith 圆图

3. 材料结构不同

Normal-SAW采用42° YX切型的钽酸锂作为衬底，采用低密度的铝作为IDT电极。它的首次出现是1977年，当时选择的是36° YX切型的LT，在1997年，千叶大学的桥本教授发现将切型微调为42°，可以获得更低的损耗，更优的性能。此后的30年间，Normal-SAW的基础结构再也没有大的技术上的变化。


图7  Normal-SAW与TC-SAW的结构区别：(a)Normal-SAW，(b)TC-SAW

而TC-SAW采用铌酸锂(LiNbO₃，简称LN)作为衬底，高密度金属(铜、铂或者钼等)作为IDT电极，并且表面覆盖有氧化硅层。该经典结构在1984年由日本东北大学首次发明，自那时之后40余年一直是国际公认的TC-SAW结构。事实上，钽酸锂以及铌酸锂同为三方晶系，他们的晶体结构都属于钙钛矿型。那么，为什么最终Normal-SAW的选择会是42° YX LT，TC-SAW的选择会是128° YX LN？对于Normal-SAW来说，选择LT是因为：早期工艺能力受限，对应于SH 波的K2恰好可以满足滤波器带宽的基本需求，以及LT本身拥有较低的TCF(-40ppm/C°)；选择42° YX切角是因为：早期的研究认为LT中声传播损耗最小切角在36°附近，但此后随着梯形以及DMS滤波器的普及，损耗在滤波器设计中越来越重要，1997年桥本教授在综合了杂波、损耗与IDT电极特性之间的关系后确定了最佳切角为42°。


图8 Leaky SAW (SH Wave)，Nonleaky SAW(Rayleigh Wave)波速与衬底转角的关系。图中实线对应自由表面，虚线对应带有金属电极的短路表面，两者的波速差可以得出 K2≈2×(νo-νs)/νo : (a) 钽酸锂的Nonleaky SAW 波速差几乎为0，只有Leaky SAW的波速差可以达到多数频段 K2需求；(b)铌酸锂的Nonleaky SAW的波速差在128°附近达到最高，满足多数频段的 K2需求
对于TC-SAW来说，选择LN是因为：1）LN的机电耦合效率更高，Leaky与Nonleaky SAW的K2都远高于LT，这给了LN更多的选择性；2）对于无损耗的瑞利波来讲，其机电耦合效率在128°附近达到最高(例如对于铜电极的TC-SAW，其K2一般在8.4%附近)，可以满足大多数滤波器带宽的要求。

TC-SAW滤波器的性能优势

回到滤波器产品本身，有三个参数指标极其关键：
a. 插损（Insertion Loss）决定了系统的功耗水平，数值越低越好；
b. 滚降（Roll-Off）决定了对系统带外干扰的抑制能力，越陡峭越好；
c. 带宽（Band Width）由通信系统制式决定，为固定值。

滤波器领域的技术创新与研发重点始终都是围绕着提升以上这三个关键参数展开。

对于基于声学原理的SAW和BAW而言，带宽主要由构成滤波器材料的机电耦合系数(K2)决定。而插损和滚降则主要由构成滤波器的基本单元——谐振器的Q值决定。

值得注意的是，Normal-SAW和TC-SAW两者的K2相近,都是8.4%左右，两者之间本质的差异是Q值——TC-SAW的Q值通常在2000以上，而Normal-SAW仅为1000左右。这一差异也让它们的性能及价值截然不同。

1. TC-SAW插损比Normal-SAW好0.5dB以上

高Q值就意味着低插损，这一直以来都是射频行业内的共识，对LC、对腔体、以及对于SAW滤波器都是如此。

以新声半导体Band8频段 RX 滤波器的对比测试为例。如图9所示，分别采用TC-SAW和Normal-SAW技术进行加工设计出来产品的性能对别显示，TC-SAW的各项性能指标全面碾压Normal-SAW。我们可以看到，在整个通带范围内，TC-SAW插损保持了0.5dB左右的优势，关键的边带区域能接近0.8dB。


图9  用TC-SAW和Normal-SAW设计的同频段Band8 Rx滤波器插损对比

2. TC-SAW滚降比Normal-SAW陡峭

随着5G手机需要支持的通信频段数量持续增加，为了避免频段间的干扰，对滤波器的边带滚降要求越来越高。

与LC滤波器类似，Q值同样是影响SAW滤波器滚降的首要因素。高Q值的SAW谐振器在谐振频率附近的储能能力更强，能够更有效地阻止频率偏离谐振点的信号通过，从而使滤波器的频率响应曲线在截止区域的斜率更陡。Q值越高，滤波器整体形状的矩形度就越好，对频率的选择性(滤波能力)就越高。


图10  分别用TC-SAW和Normal-SAW设计的Band 13双工器Tx左侧Roll-Off性能对比

如图10 所示，对于Band 13双工的发射Tx频段(777～787 MHz)其起始频率仅比美国公共安全无线电频段NS07高2MHz。为避免手机发射信号对公共安全通信信道造成干扰，Verizon等运营商要求，必须将手机在NS07频段内产生的带外噪声发射水平控制在极低范围内。

要实现这一目标，Band 13的Tx滤波器必须在NS07频段内提供至少20 dB以上的抑制能力。只有TC-SAW滤波器的滚降能满足运营商对于合规性的要求。滤波器设计行业有一个相对简单的标准，双工间隔小于1.5%的频段被认为是“高难度频段”，如Band3、Band8、Band20，Band26等。这些有着非常小Duplex Gap的双工频段，Normal-SAW无法满足需求，只能采用Q值更高，性能更好的滤波器技术，比如TC-SAW。

表1  Tx~Rx频率间隔极小的频段


图11 展示了新声半导体Band 20 TC-SAW双工器的TCF测试结果，该颗双工器Tx频段的插损在全温范围内小于2.1dB，Rx小于2.5dB；隔离度方面，在常温下，Tx大于63dB，Rx大于58dB，全温范围内Tx大于60dB，Rx大于58dB。新声半导体的Band20 TC-SAW双工器在TCF、插入损耗和隔离度等各项参数指标上均已达到国际先进水平。


图11  新声半导体NS73220B，Band20 TC-SAW双工器全温插损及隔离性能(1612尺寸)

图12展示了新声半导体Band26 TC-SAW双工器的小信号TCF测试结果，该颗双工器Tx频段的插损在全温范围内小于2.0dB，Rx小于2.5dB；隔离度方面，在常温下，Tx大于56dB，Rx大于54dB，全温范围内Tx大于54dB，Rx大于52dB。这款产品同样在TCF、插入损耗和隔离度等各项参数指标上均已达到国际先进水平。


图12  新声半导体NS73226A，Band26 TC-SAW双工器全温插损及隔离性能(1612尺寸)

3. TC-SAW的功率耐受比Normal-SAW高

滤波器的功率耐受失效多数情况下为通带高频侧信道的失效。这是因为滤波器通常具有负的TCF，当面对通带高频侧的功率输入时，会出现：温度上升→通带频率降低→功率吸收增加→温度进一步上升……这一恶性循环，直到其中一环增量为0或器件烧毁，循环才会停止。Normal-SAW的TCF通常高于-40ppm/C°，TC-SAW的热稳定性更高，TCF通常低于-28 ppm/C°，最低甚至能达到0 ppm/C°。在面对功率输入时，TC-SAW的频率偏移更少，达到循环停止的时间更早，可以耐受更强的功率。通常TC-SAW比Normal-SAW的输入功率耐受高2~3dB。


图13  新声分别采用不同技术制作的Band8双工器功率耐受对比：TC-SAW相比Normal-SAW输入功率耐受高2.0dB（输入信号：Tx高频边带，测试条件：2 min@85°C）

写在最后

在竞争激烈的市场环境中，任何一项能够长期占据主流地位的产品，必然能凭借自身独特的优势，持续满足客户的本质需求。

TC-SAW滤波器相较于Normal-SAW 滤波器，其最显著的的优势并不仅仅是TCF，而更在于其由Rayleigh Wave带来的高Q 值。作为影响滤波器性能的核心指标，这一关键特性直接决定了TC-SAW滤波器在高端应用中的卓越表现，使其成为大部分双工器和高端TRx滤波器的不二之选。

在当前行业高速发展与充分竞争的背景下，要在TC-SAW这个高端滤波器的“主流赛道”中，和“主流玩家”角力并非易事。本土厂商需在核心技术研发与创新上投入更多努力——例如通过优化IDT设计、改进压电薄膜材料以及提升封装工艺等，进一步发挥TC-SAW高Q值、低损耗的性能潜力，推动产品向更高频、更宽带、更可靠的方向演进。只有持续强化技术根基，在性能与品质上实现真正对标甚至超越，才能在全球高端滤波器市场中，确立属于中国厂商的“主流地位”。

本文参考文献
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K. Y. Hashimoto, M. Yamaguchi, S. Mineyoshi, O. Kawachi, M. Ueda and G. Endoh, "Optimum leaky-SAW cut of LiTaO₃ for minimised insertion loss devices," 1997 IUS, Toronto, ON, Canada, 1997, pp. 245-254 vol.1
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