解构TC－SAW：高端滤波器的绝对主流（二）
TC-SAW的核心IP
虽然以SiO₂/LiNbO₃为基础的TC-SAW核心Stack已经有四十年历史，且为学术圈首发，IP专利偏弱。但杂波抑制——这一影响TC-SAW核心性能的关键技术，却是各家公司独自创新研发。而研发的重点则是，既能抑制横向模式杂波、又可以形成特定结构独有IP和专利的Piston技术。
业内有四种结构形式的Piston技术：村田公司的Hammer Head结构、RF360公司的Tip Loading结构、Skyworks公司的Step Passivation结构、以及新声公司的Top Floating Metal结构。
高性能声学滤波器因为Q值高，声能量聚集，声波在有限尺寸的谐振腔内反复反射，易于形成驻波，激发多种高阶横向模式，产生明显的通带内Ripple(抖动)。TC-SAW以及TF-SAW滤波器通带内的杂波抖动，通常是由这些高阶横向模式引起的。杂波抖动会降低无线通信系统的线性度，进而影响通信速率。
解决高阶横向模式杂波的关键是——Piston Mode (通过调控主振动模态形状，使其接近理想的“活塞式”均匀振动，来消除杂波)。对于TC-SAW，引入Piston Mode后，通带内的杂波抖动可以大幅降低(图 1)。TC-SAW的LiNbO3/SiO2基础结构已有四十年，比较成熟；而各种Piston设计只有几年到十几年，Piston结构不光是解决性能问题的关键技术、也是专利IP的主要聚集带、更是各家形成差异化特征化竞争力的核心。Piston的相关结构是各家高性能滤波器供应商的核心IP资产和专利护城河。
图1 采用Piston Mode的TC-SAW滤波器与Standard TC-SAW滤波器性能对比[1]
基于专利布局和独特核心结构设计，业内目前的TC-SAW供应商分别采用四种专有的结构来实现TC-SAW的Piston Mode，包括：a. IDT末端加宽，村田的Hammer Head[2]；b. IDT末端加厚，RF360的Tip Loading[3]；c. IDT末端上方的钝化层减薄，Skyworks的Step Passivation[4]；以及 d. IDT末端氧化硅上方添加悬浮电位金属条，新声的Top Floating Metal[5]。
TC-SAW的横向杂波
Normal-SAW由于SH波的特性，存在侧向和向下的声波泄漏，导致声学能量难以有效集中，品质因数（Q值）较低。较低的Q值虽然抑制了横向高阶模态杂波的激发，但也限制了滤波器的性能。而TC-SAW采用瑞利波模式，没有体波的向下泄漏，实现了对表面波的良好约束，增强了声能量聚集的能力，Q值高，滤波器性能优秀。然而，正因其高Q值和能量集中特性，在有限尺寸的谐振腔内，声波在边界反复反射，形成驻波，反而激发了多种高频横向模式，产生了明显的横向杂散模态。
TC-SAW的横向模式杂波，来自于IDT电极与Busbar(汇流条)之间Gap(间隙)区域的反射。如图3所示，因为Gap缺少一部分IDT金属，其声速高于正常IDT区域。Gap区域就像一面回音壁，将横向泄露的声表波反射回去。声表波被谐振器两侧的Gap相互反射，形成高阶模态杂波。
图2 TC-SAW的IDT俯视图，Gap以及IDT电极区域的相对声速关系。两侧的Gap区域就像一面回音壁，将横向泄露的声表波反射回去，图中显示了主模态（0阶）及部分高阶模态（2阶，4阶）
图2中罗列了TC-SAW谐振器所支持的部分横向模态。谐振理论要求谐振只能发生在谐振腔为半波长的整数倍(n+1)×λ/2时。实际只有当n为偶数时，横向模式才会被激发，这是因为n为奇数时，谐振腔为波长的整数倍，整波的反对称性，会使电响应相互抵消。而对于偶数阶模态，谐振腔内总存在半波长的响应无法抵消。这半波长的电响应就会形成杂波。图中展现出的2阶和4阶模态即为横向模杂波。
图3 TC-SAW谐振器在不同振动模态下的表面位移图。（a）主模态(0阶)；（b）高阶横向杂波模态(4阶)
消除横向模式杂波的两种路径
消除横向模式杂波有两种路径：历史最悠久的是Apodization(孔径变迹)；最有效，最实用的是Piston Mode。
第一种：Apodization (孔径变迹)
孔径变迹是对谐振器原本的矩形波导进行调整，来改变声表波的传播路径，使声波导的两侧不再平行，降低反射叠加形成高阶模态的可能。常用的形状包括梭形，菱形以及三角函数形等。
图4 不同的孔径形状。左侧正常IDT，中间梭形孔径变迹，右侧三角函数形孔径变迹
孔径变迹法可以非常有效的去除横向式模杂波，我们可以在早期的TC-SAW产品中看到它的存在。这种方法虽可有效抑制寄生模态，但缺点也非常明显：
1. 芯片面积利用率低
当谐振器的Busbar随孔径变迹变化时，异形谐振器之间的区域利用率低；当采用矩形谐振器，仅IDT孔径变迹时，Gap区域过大，谐振器的有效IDT区域面积小。
2. 声损耗增加，谐振器Q值下降
因为形状的特殊性，IDT末端Gap位置不再平行。沿着声表波的传播方向看，每个位置的模态形状会发生变化，这种模态变化会导致声波能量损耗增加[6]。
图5 日本滤波器公司早期的TC-SAW图片，为了抑制横向模杂波，采用了梭形孔径变迹（图片来源： System+官网）
第二种：Piston Mode (活塞模式)
消除横向模式杂波的最优方式，是调整谐振器边缘的边界条件，激发Piston Mode(活塞模态)，使整个谐振区像活塞一样均匀上下振动。在Piston Mode下，谐振器的位移分布和电场分布高度匹配，可以最大限度的激发主振动模态、抑制横向模式杂波。采用Piston Mode的TC-SAW滤波器通带内的横向模式杂波抖动可以完全被消除（见图1）[1]。
Piston Mode是目前最行之有效的抑制横向模杂波的方法。它指的是整个谐振区域像活塞一样均匀上下振动的模式。
Piston Mode最初在1985年由RF Monolithics Inc 的几名工程师开发出来，用于消除SPUDT滤波器的横向杂波[7]；在2002年左右第一次将其引入进BAW滤波器中[8]。自此之后一直是高性能滤波器横向模抑制的第一选择。
图6 TC-SAW 的Piston模态的工作原理：谐振区边缘的“慢速区”，形成陷波区，左右两侧各吸收λ/4的振动，迫使中心区域变成Piston模态，原本的高阶杂波，因为两侧陷波区共吸收了λ/2电响应，高阶模态响应消失。
Piston Mode的底层核心，是通过在有效谐振区的边缘引入一个“慢速区”，使主模态呈现接近理想的“活塞模态”形状。引入的慢速区，一端连接高速的IDT区域，另一端连接速度更高的Gap反射区域。通过合理的设置慢速区的波速以及宽度，慢速区可以吸收对应λ/4波长的位移，使IDT区域的振动模态形状与IDT上的电位高度匹配，从而显著抑制与高阶模态的耦合。理想情况下位移在整个电极区域内保持一致与均匀电场激励高度匹配，可最大限度的激发主模、抑制高阶横向模态。
图7 新声半导体的TC-SAW谐振器测试结果对比：(a). 未采用Piston Mode，谐振与反谐振频率间存在非常强的横向模式响应；(b). 采用Piston Mode，谐振与反谐振频率间响应平滑
TC-SAW Piston Mode的四种结构
TC-SAW的结构非常简单，自下而上由铌酸锂、IDT电极、氧化硅、钝化层以及金属互连电极构成，有限的层数使得能够实现Piston Mode的结构方案有限。目前市面上有四种方案：
1. 村田：Hammer Head (锤头结构)
村田通过将IDT电极的末端变宽，形成类似锤头一样的结构，来实现谐振器Piston Mode，专利US9998092B2中有该结构的详细描述。加宽的IDT末端比正常IDT的声速要低，在有效谐振区的边缘引入了一个“慢速区”，使主模态呈现接近理想的Piston Mode，从而显著降低高阶模态的机电耦合效率。
锤头结构的优势是，锤头与IDT电极在同一层，同时被加工出来，无需额外的光刻步骤。但这种结构要求必须具备良好的光刻工艺控制能力，另外，因为锤头之间的间隙空间有限，所以可实现的声波速度调节范围有限，产品设计过程中，金属占比（Duty Factor）的选择也会受到限制。
图8 日本村田用于TC-SAW Piston Mode的Hammer Head结构。上图：专利US9998092B2中的结构侧视及俯视示意图[2,8]；下图：产品FA图片
2. RF360：IDT Tip Loading (IDT末端加厚)
RF360向另外一个方向(Z方向)做文章来实现Piston Mode。他们在IDT电极的末端额外增加了一小块金属，通过质量负载效应(US9673779B2)，降低该部分区域的声速，同样在有效谐振区的边缘引入了“慢速区”，以激发Piston Mode，提高主模态的耦合系数，降低高阶横向模态杂波的耦合系数，进而抑制高阶模态杂波的强度。
图9 RF360用于激发TC-SAW Piston Mode的Tip Loading(IDT末端加厚)结构。上图：专利US9673779B2中的结构侧视及俯视示意图[3]；下图：产品FA图片
3. Skyworks：Step Passivation (台阶钝化层)
2016年，Skyworks全资收购了与Panasonic成立的专注于TC-SAW滤波器产品的合资公司，也顺利获得了Panasonic所有的TC-SAW专利。他们实现Piston Mode的方式最为特殊：通过将IDT末端位置处的氮化硅钝化层削薄(US11444599B2)，利用钝化层厚度对波度的影响，在谐振器边缘制造波速梯度，以达成Piston Mode的激发条件。
这种采用介质层厚度调控的方式，不需要对IDT结构做任何改动。
图10 Skyworks用于激发TC-SAW Piston Mode的Step Passivation结构。上图：专利US11444599B2中的TC SAW结构侧视及俯视示意图[4]；下图：产品FA图片
4. 新声半导体：Top Floating Metal (悬浮金属)
2021年，新声半导体提出了一种全新的结构——Top Floating Metal (悬浮金属) 来激发TC-SAW的Piston Mode。与前述三家不同的是，新声的Top Floating Metal，位于氧化硅之上，钝化层之下，不与IDT相接触(US12101081B2)。从X，Y平面上看，Top Floating Metal 同样位于IDT末端，在谐振器边缘制造波速梯度，以达成Piston Mode激发的边界条件。
新声Top Floating Metal形式的Piston不需要处理IDT核心结构，有利于设计标准化；Top Floating Metal位于氧化硅之上，钝化层之下，有利于ESD和可靠性；频率微调在Floating Metal杂波抑制结构完成之后，不会对抑制效果产生任何影响。
图11 新声半导体公用于激发TC-SAW Piston Mode的Top Floating Metal结构，位于氧化层之上，钝化层之下。上图：专利US12101081B2中的TC SAW结构侧视及俯视示意图[5]；下图：产品FA图片
无论是村田的Hammer Head，RF360的Tip Loading，Skyworks的Step Passivation ，还是新声的Top Floating Metal技术，本质上都是通过对声表波横向传播特性（控制边界条件、调整振动模态）的干预，来实现同一个目标——让TC-SAW的核心区域实现类似活塞一样的平面振动，消除横向模式杂波响应，提高射频前端系统的线性度。
表1 四种实现Piston Mode的结构对比
表1对比了四种实现Piston结构的详细对比。不同方案的差异更多体现在实现路径和工艺兼容性上：有的更改IDT本体结构，有的调整介质层厚度，有的增加辅助金属层。这些路径的选择既基于各自的专利布局，也和自身的强项（比如声学设计能力、光刻能力、以及工艺控制能力）密切相关。自主知识产权的正向设计结构，不单有助于降低海外市场的法律风险，规避主流厂商的专利壁垒，助力产品安全出海；更能建立可持续的技术演进路径，为后续产品结构迭代和性能提升奠定基础。
图12 采用四种Piston方案的TC-SAW产品性能对比。 新声半导体采用Top Floating Metal技术的 B20+28 RX产品NS72128XB，最大插损为2dB
图12 是已搭载于摩托罗拉EDGE 50 PRO等海外旗舰机型手机上的新声Band20+28 Rx滤波器产品NS72128XB与其他厂家产品性能对比。新声Top Floating Metal TC-SAW 带内横向模式杂波抖动在0.1dB以内，作为大带宽高端接收滤波器带内插损在2dB以内。新声Top Floating Metal结构全球唯一，具有鲜明特点、自主IP、且稳定量产累计出货几十亿颗。
写在最后
TC-SAW已是当下高端滤波器领域的绝对主流，而其核心IP——Piston Mode技术，无疑是推动这一技术走向主舞台的关键力量。通过深入解构TC-SAW核心IP，可以看到从村田的Hammer Head、RF360的IDT Tip Loading、Skyworks的Step Passivation到新声半导体的Top Floating Metal，各家企业在Piston Mode技术上的创新与突破，不仅展现了技术的多样性，更彰显了知识产权在高端制造业中的重要性。
掌握TC-SAW的自主核心IP是企业在全球市场中立足的根本，它不仅是工程师智慧的结晶，更是企业长期投入研发、不断探索创新的结果。以此为基础，企业方能在零专利风险下充分释放产品的市场潜力。
未来，随着5G、6G等新一代通信技术的不断发展，TC-SAW滤波器将面临更高的性能要求和更复杂的市场需求。而Piston Mode作为TC-SAW的核心IP，该技术分支将如何发展和演进将决定新的TC-SAW市场格局如何重新洗牌落定。
