TC-SAW的核心IP

雖然以SiO?/LiNbO?為基礎(chǔ)的TC-SAW核心Stack已經(jīng)有四十年歷史，且為學(xué)術(shù)圈首發(fā)，IP專利偏弱。但雜波抑制——這一影響TC-SAW核心性能的關(guān)鍵技術(shù)，卻是各家公司獨自創(chuàng)新研發(fā)。而研發(fā)的重點則是，既能抑制橫向模式雜波、又可以形成特定結(jié)構(gòu)獨有IP和專利的Piston技術(shù)。

業(yè)內(nèi)有四種結(jié)構(gòu)形式的Piston技術(shù)：村田公司的Hammer Head結(jié)構(gòu)、RF360公司的Tip Loading結(jié)構(gòu)、Skyworks公司的Step Passivation結(jié)構(gòu)、以及新聲公司的Top Floating Metal結(jié)構(gòu)。

高性能聲學(xué)濾波器因為Q值高，聲能量聚集，聲波在有限尺寸的諧振腔內(nèi)反復(fù)反射，易于形成駐波，激發(fā)多種高階橫向模式，產(chǎn)生明顯的通帶內(nèi)Ripple(抖動)。TC-SAW以及TF-SAW濾波器通帶內(nèi)的雜波抖動，通常是由這些高階橫向模式引起的。雜波抖動會降低無線通信系統(tǒng)的線性度，進而影響通信速率。

解決高階橫向模式雜波的關(guān)鍵是——Piston Mode (通過調(diào)控主振動模態(tài)形狀，使其接近理想的“活塞式”均勻振動，來消除雜波)。對于TC-SAW，引入Piston Mode后，通帶內(nèi)的雜波抖動可以大幅降低(圖 1)。TC-SAW的LiNbO3/SiO2基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已有四十年，比較成熟；而各種Piston設(shè)計只有幾年到十幾年，Piston結(jié)構(gòu)不光是解決性能問題的關(guān)鍵技術(shù)、也是專利IP的主要聚集帶、更是各家形成差異化特征化競爭力的核心。Piston的相關(guān)結(jié)構(gòu)是各家高性能濾波器供應(yīng)商的核心IP資產(chǎn)和專利護城河。

圖1 采用Piston Mode的TC-SAW濾波器與Standard TC-SAW濾波器性能對比[1]

基于專利布局和獨特核心結(jié)構(gòu)設(shè)計，業(yè)內(nèi)目前的TC-SAW供應(yīng)商分別采用四種專有的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)TC-SAW的Piston Mode，包括：a. IDT末端加寬，村田的Hammer Head[2]；b. IDT末端加厚，RF360的Tip Loading[3]；c. IDT末端上方的鈍化層減薄，Skyworks的Step Passivation[4]；以及 d. IDT末端氧化硅上方添加懸浮電位金屬條，新聲的Top Floating Metal[5]。

TC-SAW的橫向雜波

Normal-SAW由于SH波的特性，存在側(cè)向和向下的聲波泄漏，導(dǎo)致聲學(xué)能量難以有效集中，品質(zhì)因數(shù)（Q值）較低。較低的Q值雖然抑制了橫向高階模態(tài)雜波的激發(fā)，但也限制了濾波器的性能。而TC-SAW采用瑞利波模式，沒有體波的向下泄漏，實現(xiàn)了對表面波的良好約束，增強了聲能量聚集的能力，Q值高，濾波器性能優(yōu)秀。然而，正因其高Q值和能量集中特性，在有限尺寸的諧振腔內(nèi)，聲波在邊界反復(fù)反射，形成駐波，反而激發(fā)了多種高頻橫向模式，產(chǎn)生了明顯的橫向雜散模態(tài)。

TC-SAW的橫向模式雜波，來自于IDT電極與Busbar(匯流條)之間Gap(間隙)區(qū)域的反射。如圖3所示，因為Gap缺少一部分IDT金屬，其聲速高于正常IDT區(qū)域。Gap區(qū)域就像一面回音壁，將橫向泄露的聲表波反射回去。聲表波被諧振器兩側(cè)的Gap相互反射，形成高階模態(tài)雜波。

圖2 TC-SAW的IDT俯視圖，Gap以及IDT電極區(qū)域的相對聲速關(guān)系。兩側(cè)的Gap區(qū)域就像一面回音壁，將橫向泄露的聲表波反射回去，圖中顯示了主模態(tài)（0階）及部分高階模態(tài)（2階，4階）

圖2中羅列了TC-SAW諧振器所支持的部分橫向模態(tài)。諧振理論要求諧振只能發(fā)生在諧振腔為半波長的整數(shù)倍(n+1)×λ/2時。實際只有當(dāng)n為偶數(shù)時，橫向模式才會被激發(fā)，這是因為n為奇數(shù)時，諧振腔為波長的整數(shù)倍，整波的反對稱性，會使電響應(yīng)相互抵消。而對于偶數(shù)階模態(tài)，諧振腔內(nèi)總存在半波長的響應(yīng)無法抵消。這半波長的電響應(yīng)就會形成雜波。圖中展現(xiàn)出的2階和4階模態(tài)即為橫向模雜波。

圖3 TC-SAW諧振器在不同振動模態(tài)下的表面位移圖。（a）主模態(tài)(0階)；（b）高階橫向雜波模態(tài)(4階)

消除橫向模式雜波的兩種路徑

消除橫向模式雜波有兩種路徑：歷史最悠久的是Apodization(孔徑變跡)；最有效，最實用的是Piston Mode。

第一種：Apodization (孔徑變跡) 

孔徑變跡是對諧振器原本的矩形波導(dǎo)進行調(diào)整，來改變聲表波的傳播路徑，使聲波導(dǎo)的兩側(cè)不再平行，降低反射疊加形成高階模態(tài)的可能。常用的形狀包括梭形，菱形以及三角函數(shù)形等。

圖4 不同的孔徑形狀。左側(cè)正常IDT，中間梭形孔徑變跡，右側(cè)三角函數(shù)形孔徑變跡

孔徑變跡法可以非常有效的去除橫向式模雜波，我們可以在早期的TC-SAW產(chǎn)品中看到它的存在。這種方法雖可有效抑制寄生模態(tài)，但缺點也非常明顯：

1. 芯片面積利用率低

當(dāng)諧振器的Busbar隨孔徑變跡變化時，異形諧振器之間的區(qū)域利用率低；當(dāng)采用矩形諧振器，僅IDT孔徑變跡時，Gap區(qū)域過大，諧振器的有效IDT區(qū)域面積小。

2. 聲損耗增加，諧振器Q值下降

因為形狀的特殊性，IDT末端Gap位置不再平行。沿著聲表波的傳播方向看，每個位置的模態(tài)形狀會發(fā)生變化，這種模態(tài)變化會導(dǎo)致聲波能量損耗增加[6]。

圖5 日本濾波器公司早期的TC-SAW圖片，為了抑制橫向模雜波，采用了梭形孔徑變跡（圖片來源： System+官網(wǎng)）

第二種：Piston Mode (活塞模式)

消除橫向模式雜波的最優(yōu)方式，是調(diào)整諧振器邊緣的邊界條件，激發(fā)Piston Mode(活塞模態(tài))，使整個諧振區(qū)像活塞一樣均勻上下振動。在Piston Mode下，諧振器的位移分布和電場分布高度匹配，可以最大限度的激發(fā)主振動模態(tài)、抑制橫向模式雜波。采用Piston Mode的TC-SAW濾波器通帶內(nèi)的橫向模式雜波抖動可以完全被消除（見圖1）[1]。

Piston Mode是目前最行之有效的抑制橫向模雜波的方法。它指的是整個諧振區(qū)域像活塞一樣均勻上下振動的模式。

Piston Mode最初在1985年由RF Monolithics Inc 的幾名工程師開發(fā)出來，用于消除SPUDT濾波器的橫向雜波[7]；在2002年左右第一次將其引入進BAW濾波器中[8]。自此之后一直是高性能濾波器橫向模抑制的第一選擇。

圖6 TC-SAW 的Piston模態(tài)的工作原理：諧振區(qū)邊緣的“慢速區(qū)”，形成陷波區(qū)，左右兩側(cè)各吸收λ/4的振動，迫使中心區(qū)域變成Piston模態(tài)，原本的高階雜波，因為兩側(cè)陷波區(qū)共吸收了λ/2電響應(yīng)，高階模態(tài)響應(yīng)消失。

Piston Mode的底層核心，是通過在有效諧振區(qū)的邊緣引入一個“慢速區(qū)”，使主模態(tài)呈現(xiàn)接近理想的“活塞模態(tài)”形狀。引入的慢速區(qū)，一端連接高速的IDT區(qū)域，另一端連接速度更高的Gap反射區(qū)域。通過合理的設(shè)置慢速區(qū)的波速以及寬度，慢速區(qū)可以吸收對應(yīng)λ/4波長的位移，使IDT區(qū)域的振動模態(tài)形狀與IDT上的電位高度匹配，從而顯著抑制與高階模態(tài)的耦合。理想情況下位移在整個電極區(qū)域內(nèi)保持一致與均勻電場激勵高度匹配，可最大限度的激發(fā)主模、抑制高階橫向模態(tài)。

圖7 新聲半導(dǎo)體的TC-SAW諧振器測試結(jié)果對比：(a). 未采用Piston Mode，諧振與反諧振頻率間存在非常強的橫向模式響應(yīng)；(b). 采用Piston Mode，諧振與反諧振頻率間響應(yīng)平滑

TC-SAW Piston Mode的四種結(jié)構(gòu)

TC-SAW的結(jié)構(gòu)非常簡單，自下而上由鈮酸鋰、IDT電極、氧化硅、鈍化層以及金屬互連電極構(gòu)成，有限的層數(shù)使得能夠?qū)崿F(xiàn)Piston Mode的結(jié)構(gòu)方案有限。目前市面上有四種方案：

1. 村田：Hammer Head (錘頭結(jié)構(gòu))

村田通過將IDT電極的末端變寬，形成類似錘頭一樣的結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)諧振器Piston Mode，專利US9998092B2中有該結(jié)構(gòu)的詳細描述。加寬的IDT末端比正常IDT的聲速要低，在有效諧振區(qū)的邊緣引入了一個“慢速區(qū)”，使主模態(tài)呈現(xiàn)接近理想的Piston Mode，從而顯著降低高階模態(tài)的機電耦合效率。

錘頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是，錘頭與IDT電極在同一層，同時被加工出來，無需額外的光刻步驟。但這種結(jié)構(gòu)要求必須具備良好的光刻工藝控制能力，另外，因為錘頭之間的間隙空間有限，所以可實現(xiàn)的聲波速度調(diào)節(jié)范圍有限，產(chǎn)品設(shè)計過程中，金屬占比（Duty Factor）的選擇也會受到限制。

圖8 日本村田用于TC-SAW Piston Mode的Hammer Head結(jié)構(gòu)。上圖：專利US9998092B2中的結(jié)構(gòu)側(cè)視及俯視示意圖[2,8]；下圖：產(chǎn)品FA圖片

2. RF360：IDT Tip Loading (IDT末端加厚)

RF360向另外一個方向(Z方向)做文章來實現(xiàn)Piston Mode。他們在IDT電極的末端額外增加了一小塊金屬，通過質(zhì)量負載效應(yīng)(US9673779B2)，降低該部分區(qū)域的聲速，同樣在有效諧振區(qū)的邊緣引入了“慢速區(qū)”，以激發(fā)Piston Mode，提高主模態(tài)的耦合系數(shù)，降低高階橫向模態(tài)雜波的耦合系數(shù)，進而抑制高階模態(tài)雜波的強度。

圖9 RF360用于激發(fā)TC-SAW Piston Mode的Tip Loading(IDT末端加厚)結(jié)構(gòu)。上圖：專利US9673779B2中的結(jié)構(gòu)側(cè)視及俯視示意圖[3]；下圖：產(chǎn)品FA圖片

3. Skyworks：Step Passivation (臺階鈍化層)

2016年，Skyworks全資收購了與Panasonic成立的專注于TC-SAW濾波器產(chǎn)品的合資公司，也順利獲得了Panasonic所有的TC-SAW專利。他們實現(xiàn)Piston Mode的方式最為特殊：通過將IDT末端位置處的氮化硅鈍化層削薄(US11444599B2)，利用鈍化層厚度對波度的影響，在諧振器邊緣制造波速梯度，以達成Piston Mode的激發(fā)條件。

這種采用介質(zhì)層厚度調(diào)控的方式，不需要對IDT結(jié)構(gòu)做任何改動。

圖10 Skyworks用于激發(fā)TC-SAW Piston Mode的Step Passivation結(jié)構(gòu)。上圖：專利US11444599B2中的TC SAW結(jié)構(gòu)側(cè)視及俯視示意圖[4]；下圖：產(chǎn)品FA圖片

4. 新聲半導(dǎo)體：Top Floating Metal (懸浮金屬)

2021年，新聲半導(dǎo)體提出了一種全新的結(jié)構(gòu)——Top Floating Metal (懸浮金屬) 來激發(fā)TC-SAW的Piston Mode。與前述三家不同的是，新聲的Top Floating Metal，位于氧化硅之上，鈍化層之下，不與IDT相接觸(US12101081B2)。從X，Y平面上看，Top Floating Metal 同樣位于IDT末端，在諧振器邊緣制造波速梯度，以達成Piston Mode激發(fā)的邊界條件。

新聲Top Floating Metal形式的Piston不需要處理IDT核心結(jié)構(gòu)，有利于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化；Top Floating Metal位于氧化硅之上，鈍化層之下，有利于ESD和可靠性；頻率微調(diào)在Floating Metal雜波抑制結(jié)構(gòu)完成之后，不會對抑制效果產(chǎn)生任何影響。

圖11 新聲半導(dǎo)體公用于激發(fā)TC-SAW Piston Mode的Top Floating Metal結(jié)構(gòu)，位于氧化層之上，鈍化層之下。上圖：專利US12101081B2中的TC SAW結(jié)構(gòu)側(cè)視及俯視示意圖[5]；下圖：產(chǎn)品FA圖片

無論是村田的Hammer Head，RF360的Tip Loading，Skyworks的Step Passivation ，還是新聲的Top Floating Metal技術(shù)，本質(zhì)上都是通過對聲表波橫向傳播特性（控制邊界條件、調(diào)整振動模態(tài)）的干預(yù)，來實現(xiàn)同一個目標(biāo)——讓TC-SAW的核心區(qū)域?qū)崿F(xiàn)類似活塞一樣的平面振動，消除橫向模式雜波響應(yīng)，提高射頻前端系統(tǒng)的線性度。

表1 四種實現(xiàn)Piston Mode的結(jié)構(gòu)對比

表1對比了四種實現(xiàn)Piston結(jié)構(gòu)的詳細對比。不同方案的差異更多體現(xiàn)在實現(xiàn)路徑和工藝兼容性上：有的更改IDT本體結(jié)構(gòu)，有的調(diào)整介質(zhì)層厚度，有的增加輔助金屬層。這些路徑的選擇既基于各自的專利布局，也和自身的強項（比如聲學(xué)設(shè)計能力、光刻能力、以及工藝控制能力）密切相關(guān)。自主知識產(chǎn)權(quán)的正向設(shè)計結(jié)構(gòu)，不單有助于降低海外市場的法律風(fēng)險，規(guī)避主流廠商的專利壁壘，助力產(chǎn)品安全出海；更能建立可持續(xù)的技術(shù)演進路徑，為后續(xù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)迭代和性能提升奠定基礎(chǔ)。

圖12 采用四種Piston方案的TC-SAW產(chǎn)品性能對比。 新聲半導(dǎo)體采用Top Floating Metal技術(shù)的 B20+28 RX產(chǎn)品NS72128XB，最大插損為2dB

圖12 是已搭載于摩托羅拉EDGE 50 PRO等海外旗艦機型手機上的新聲Band20+28 Rx濾波器產(chǎn)品NS72128XB與其他廠家產(chǎn)品性能對比。新聲Top Floating Metal TC-SAW 帶內(nèi)橫向模式雜波抖動在0.1dB以內(nèi)，作為大帶寬高端接收濾波器帶內(nèi)插損在2dB以內(nèi)。新聲Top Floating Metal結(jié)構(gòu)全球唯一，具有鮮明特點、自主IP、且穩(wěn)定量產(chǎn)累計出貨幾十億顆。

寫在最后

TC-SAW已是當(dāng)下高端濾波器領(lǐng)域的絕對主流，而其核心IP——Piston Mode技術(shù)，無疑是推動這一技術(shù)走向主舞臺的關(guān)鍵力量。通過深入解構(gòu)TC-SAW核心IP，可以看到從村田的Hammer Head、RF360的IDT Tip Loading、Skyworks的Step Passivation到新聲半導(dǎo)體的Top Floating Metal，各家企業(yè)在Piston Mode技術(shù)上的創(chuàng)新與突破，不僅展現(xiàn)了技術(shù)的多樣性，更彰顯了知識產(chǎn)權(quán)在高端制造業(yè)中的重要性。

掌握TC-SAW的自主核心IP是企業(yè)在全球市場中立足的根本，它不僅是工程師智慧的結(jié)晶，更是企業(yè)長期投入研發(fā)、不斷探索創(chuàng)新的結(jié)果。以此為基礎(chǔ)，企業(yè)方能在零專利風(fēng)險下充分釋放產(chǎn)品的市場潛力。

未來，隨著5G、6G等新一代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，TC-SAW濾波器將面臨更高的性能要求和更復(fù)雜的市場需求。而Piston Mode作為TC-SAW的核心IP，該技術(shù)分支將如何發(fā)展和演進將決定新的TC-SAW市場格局如何重新洗牌落定。