CN107005220A - 自身发热降低的baw谐振器、具有baw谐振器的高频滤波器、具有高频滤波器的双工器以及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自身发热降低的BAW谐振器。自身发热通过热桥降低，并将来自电声活跃区域中的热量排放到载体衬底上，而不会影响谐振器的声学效果。

Description

自身发热降低的BAW谐振器、具有BAW谐振器的高频滤波器、具 有高频滤波器的双工器以及制造方法

说明书

自身发热降低的BAW谐振器、具有BAW谐振器的高频滤波器、具有高频滤波器的双工器以及制造方法

本发明提供一种BAW谐振器，其电声特性在工作期间通过降低的自身发热得以改善。本发明还提供具有相应构造的谐振器的高频滤波器或双工器，并且提供制造这种谐振器的方法。

BAW谐振器(BAW＝Bulk Acoustic Wave)包括两个电极层之间的压电材料。施加高频信号激起声波，反之亦然。压电层的厚度基本上相当于属于高频信号的频率的一半波长λ/2。

这种谐振器尤其应用在高频滤波器和移动通信设备的双工器中。通过BAW谐振器的热量变化，谐振器的声学特性也发生变化，其电学特性也一并改变。

相应构造的滤波器因此会对温度变化作出反应，而这样的温度变化是通过平均频率和带宽的变化引起的。因为滤波器具有严格的规格限制，所以不希望出现温度变化。虽然在出现温度变化时，有办法通过改变电学特性来加以补偿。但无论如何，自身发热低的BWA谐振器总是受人欢迎的。

用来降低BAW谐振器的自身发热的可行方案是，扩大谐振器面积。因此可行的是，将谐振器串行级联。为了维持阻抗，两个级联的谐振器中的任何一个都需要使原来的面积加倍，因此总体上需要使单纯的表面需求乘以四。

因此本发明的目的是，说明一种自身发热降低的BAW谐振器。

本发明用以达成上述目的的解决方案为权利要求1所述的BAW谐振器。从属的权利要求说明了谐振器的有利的构造方案以及在滤波器或双工器的应用。同时说明了一种用来制造自身发热降低的谐振器的方法。

自身发热降低的BAW谐振器与常规谐振器的区别在于热桥，其通过消耗性损失将电声区域中产生的热量排放到热沉，例如载体衬底上。

相应的谐振器为此包括电声活跃区域，其具有两个电极和排布在它们之间的压电层。该谐振器还包括作为热沉的载体衬底以及排布在活跃区域和载体衬底之间的声学镜。该声学镜具有至少一个导热能力低的层以及导热能力高的层。涉及导热能力的特征“低”和“高”是相对的，即导热能力高的层比导热能力低的层具有更高的导热能力。此外，谐振器还具有热桥。导热能力低的层会减弱从活跃区域至载体衬底的热量流动。也就是说，在工作期间，在电声活跃区域中会产生热量，由于相应层的导热能力相对较低，从活跃区域至载体衬底的热量排放也被减弱。而如果省略导热能力低的层，虽然电声区域与载体衬底很好地热结合，但声学镜在之后可能无法正常发挥作用，并且谐振器也可能不可用。因此，尽管具有导热能力低的绝缘层，但为了降低自身发热，存在热桥。该热桥设置用来提高从活跃区域至载体衬底的热量流动。

换言之：与常规的BAW谐振器相比，该热桥为电声活跃区域中产生的热量提供了朝向载体衬底的阻力较小的附加路径。就电声活跃区域朝载体衬底的热量流动而言，形成了阻力最小的短路。

在此，热桥自身基本上在热量传导方面是活跃的，但在电声或导电方面并不活跃。因此，就RAW谐振器的导电和声学特性而言，热桥影响不大。这种做法不同于用导热能力高的层替代导热能力低的镜层。对于声学镜来说，以交替的方式设置声学阻抗高和声学阻抗低的层。已知的材料基本上要么具有高的声学阻抗和高的导热能力，要么具有低的声学阻抗和低的导热能力。如果导热能力低的层被导热能力高的层替代，则在此声学阻抗低的层同时也被声学阻抗高的层替代，从而使声学镜在其声学特性方面明显劣化。

可行的是，声学镜除了导热能力低的层以外还具有一个或多个另外的导热能力低的层。这同样适用于导热能力高的层。层的数量在此基本上根据其声学要求来决定。在此适用的是：层数越多，原则上电声活跃区域在载体衬底上的热耦合效果就越差，即镜层越多，热桥就越影响自身发热的降低效果。

尤其可行的是，导热能力低的层具有低的声学阻抗且导热能力高的层具有高的声学阻抗。

导热能力低的层在此尤其能够具有绝缘材料，而导热能力高的层包括金属或由金属或合金组成。在此，常见的材料如二氧化硅用于声学阻抗低且导热能力低的层，而重金属如钨用于声学阻抗高且导热能力高的层。

尤其可行的是，热桥的导热能力高于导热层力低的层。热桥的导热能力在此能够小于、等于或大于导热能力高的层。

因为热桥在声学方面基本上是非活跃的，所以在选择热桥的材料时只考虑导热能力，而在选择声学镜中导热能力高的层的材料时还必须考虑其声学特性。

可行的是，热桥和活跃区域之间的间距小于活跃区域和载体衬底之间的间距。还可行的是，热桥和载体衬底之间的间距小于活跃区域和载体衬底之间的间距。

两个元件之间的间距在此是这两个元件之间最短连接的延伸长度。

热桥与活跃区域或与载体衬底之间的间距很小，这就使热量有效地离开活跃区域和/或引导至载体衬底。热桥自身的导热能力在此相对较高。由于热桥和相应区域之间的距离很小，因此也能够实现足够的热量流动，即使热桥和相应区域之间的材料被导热能力低的材料隔开。

优选的是，热桥既直接与活跃区域相邻也直接与载体衬底相邻，并且在热量流动方面短接活跃区域和载体衬底。

可行的是，热桥具有一个区域，其在侧面方向上包围着活跃区域。

也就是说，电声活跃区域位于热桥区域内。在此，热桥能够在侧面方向上维持足够的间距，从而不干扰谐振器的声学特性。在竖直方向上，热桥能够从活跃区域的层出发，朝下延伸一直到载体衬底。

如果谐振器单独地或与其他自身发热降低的谐振器一起排布在载体衬底上，例如以梯子结构，则尤其可行的是，不同谐振器的不同层垛并排排布。载体衬底的表面在此通常略大于不同谐振器的电声区域的面积的总和。因此在电声区域周围还存在着区域，在其中能够排布热桥的材料，该热桥材料能够将来自谐振器的不同电声区域中的热量排放到载体衬底上。

载体衬底在此不必大于常规的谐振器或滤波器。从而在无其他消极特性的情况下，改善了谐振器或滤波器的自身发热。

备选或附加的是，热桥具有这样的区域，其排布在至少一个导热能力低的层中。该区域将至少一个导热能力高的层与活跃区域或载体衬底连接起来。

备选或附加的是，热桥具有这样的区域，其排布在至少一个导热能力低的层中并且将两个导热能力高的层相互连接起来。

在不干扰层垛的声学特性的情况下，例如通过将层的相应面积选得足够小，导热能力低的层能够包括例如柱状或圆柱形的节段，它们在热量流动方面短接层垛的导热能力高的层。

位于导热能力低的层之内的相应区域在此能够包括节段，其例如起声子格栅的作用并且改善声学镜中的声学特性。因此例如可行的是，将声学镜中的侧面振动限制在几个甚至唯一一个模式中。为此能够例如在声学阻抗方面相应地选择热桥的材料。

尤其可行的是，在高频滤波器中错接一个或多个相应构成的BAW谐振器，并且例如排布在共同的载体衬底上。

这种滤波器或自身发热降低的单个谐振器能够错接在双工器、例如移动通迅设备的前端电路中。

热桥的不同区域的节段尤其能够构成二维或三维的周期性格栅，也就是上述的声子格栅。格栅的节段能够在其大小、形状和位置方面这样构成，即它们在不期望的模式的频率方面满足布拉格条件，以便限制此模式在其他情况下的自由扩展。这些节段可以例如在不期望的模式方面具有λ/4的宽度。这些节段在水平方向上的间距同样可以是λ/4。为了能够简化结构形成过程，优选四分之一波长的整数倍、尤其奇数倍。这些节段的宽度和水平间距可以是相同的或不同的。因此，宽度可以是n个λ/4，间距可以是m个λ/4。尤其可行的是，m明显更大，例如是n的2、5、10、20或100倍。m越大，则对在竖直方向上传播的(纵向的)主模式的影响就越小。

为了同时捕捉多个不期望的模式，例如不同的侧面模式，可以在不同的电声活跃区域中对这些节段的宽度和间距做出不同选择，并且与针对λ/4的不同数值协调一致。

热桥可以包括不同的材料。尤其对于最上层来说，将碳的不同变形如：金刚石、碳-纳米管或石墨、蓝宝石、红宝石或氧化铝、硅(Si)或锗(Ge)的其他变形纳入考虑。但其他材料也是可行的，如金属银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)、钾(K)、钼(Mo)、黄铜、锌、(Zn)、镁(Mg)、钨(W)、钠(Na)、镍(Ni)、铁(Fe)、铂(Pt)、锡(Sn)、钽(Ta)、铅(Pb)或钛(Ti)的氧化物或者具有一种或多种这些金属的氧化陶瓷。

在热桥最上方层下面的层中，可以包含上述金属或含有这些金属的合金。

虽然热桥的最上方层也可以包含金属。但为了避免谐振器的导电特性，优选在最上方层中采用绝缘材料。

用来制造BAW谐振器的方法，其包括以下步骤：

-提供载体衬底；

-排布声学镜，其交替地具有导热能力高的层和导热能力低的层；

-在声学镜上形成电声活跃区域的结构，其在两个电极层之间具有压电层。

此外，该方法还包括形成热桥结构这一步骤，热桥设置且适合用于将热量从活跃区域传递到载体衬底。

在此，用来形成热桥的步骤基本上可以说是涂层沉淀和/或形成结构的常见步骤，例如使用抗蚀层的光刻工艺和曝光工艺。

可行的是，如此实施该方法，即使得热桥包括这样的区域，其具有导热能力比所述导热能力低的层更高的材料。该热桥在此这样形成结构，即使热桥的至少一个区域包围着活跃区域。

因此，热桥的该区域能够在电声活跃区域周围构成框架结构，并且使热量从声学镜侧面经过，从活跃区域引导至载体衬底。

可行的是，该方法包含这样的步骤，即在此期间形成热桥区域的结构，该区域具有导热能力比导热能力低的层更高的材料并且在导热能力低的层之内形成结构。

导热能力低的层之内的该区域在此能够具有一列周期性排布的场，它们适合用于选出期望的模式并因此改善谐振器的耦合。

尤其可行的是，用来制造谐振器的方法采用使热桥材料沉淀的光刻工艺，例如沉淀在导热能力低的层中或在声学镜周围的框架结构中。

下面借助示意性的、非限制定的附图详细地阐述了自身发热降低的BAW谐振器及其制造方法。

其中：

图1示出在从热源至热沉的热量传导方面，作为短路的热桥的工作方式；

图2示出不同的BAW谐振器在载体衬底上的排布；

图3示出谐振器的可能的层垛的横截面；

图4示出层垛的横截面，其中热桥通过框架状结构构成；

图5示出层垛的横截面，其中热桥具有这样的区域，该区域具有导热能力高的节段，该节段位于导热能力高的镜层之间；

图6示出导热能力低的层的水平横截面，其中排布有热桥的节段；

图7示出导热能力低的层的在水平方面上的横截面，其中排布有条带形的热桥的节段；

图8示出导热能力低的层的在水平方面上的横截面，其中热桥一方面包括这样的区域，其具有位于导热能力低的层之内的节段，另一方面包括这样的框架，其包围着导热能力低的层。

图1图示出热桥的功能。在热源WQ中，例如在BAW谐振器运行期间，在电声活跃区域中例如通过消耗性损失产生热量。例如BAW谐振器的载体衬底起热沉WS的作用。在热源WQ和热沉WS之间排布有声学镜，其以交替的顺序构成导热能力高的层WL以及基本上隔热的层WI。热源WQ和热沉WS之间的导热能力尤其通过隔热层WI限定。为了维持热源WQ和热沉WS之间的导热能力，设置有热桥WB的区域，其在热量流动方面在热源WQ和热沉WS之间形成短路。热桥WB的区域在此这样排布和构造，即使得电声区域(热源)和热沉(载体衬底)之间的声学特性不受干扰。因此通过改善的热量管理，获得具有良好导电和声学特性且同时自身发热较低的BAW谐振器BAWR。

图2示出了高频滤波器F的俯视图，其包括许多排布在载体衬底TS上的BAW谐振器BAWR。电声活跃区域和导电接触区域在此用黑色标出。其余区域(用阴影标出)可以用来容纳一个或多个热桥WB，而不会干扰谐振器的声学特性。

图3示出BAW谐振器BAWR的层垛的水平横截面。该层垛排布在载体衬底TS上，后者起到热沉WS的作用。该载体衬底可以例如包括硅，例如结晶的硅，其提供足够高的导热能力，以便接收来自电声区域EAB的热量并且将其排放到周围环境中。

电声活跃区域EAB包括下方电极EL、上方电极EL和它们之间的压电材料。在下方电极EL之下排布有层垛，其由交替设置的导热能力低的层WI和导热能力高的层WL组成。声学镜材料首先根据层垛的声学特性进行选择。与导热能力低的层WI的材料相比，电极EL之间的压电材料具有更高的导热能力。因此，压电层的材料可以同时作为热桥WB的材料来用，并且在直接的路径上将热量从电声区域EAB排放至载体衬底TS。压电层在此这样扩展，即完全遮盖镜层垛并且将电声区域与载体衬底TS直接相连，而不干扰谐振器BAWR的声学特性。

图4示出了一个构造方案，其中与图3的构造方案类似，两个上方电极层和置于其间的压电层构成了电声区域EAB。在下方排布有镜层，其具有交替的导热能力并且相应交替的声学阻抗。BAW谐振器BAWR的层垛也排布在作为热沉的载体衬底WS上。此外，对此并且在载体衬底即热沉WS和压电层的材料之间，构成位于镜层垛两侧的框架结构，其由导热能力相对较高的层组成。这些层构成了热桥，其将来自电声区域EAB的热量通过压电层的材料排放到热沉WS上。

与图3的层垛相比，该热桥WB在这里更好地在声学上脱耦。

图5示出了一种实施例，其中热桥WB具有这样的区域，其位于导热能力低的层之内。该区域在此包括多个位于不同层之内的单个节段，它们能够作为热量通道将导热能力更高的单个层之间的热量从电声区域排放到热沉。在此，热桥WB的区域的节段原则上排布在谐振器的区域中，在此区域中声波以降低的强度朝下传播。但如果这些节段采用相应的尺寸并且在其声学阻抗方面进行选择，则能够改善声学效果和/或尤其能够实现耦合。热桥WB的节段因此能够构成声子格栅，并且减少或避免构成不期望的振动模式的情况。不可避免的不期望的强度降低的模式可以被捕捉，并且减弱其效果。

图6在水平方向的横截面中示出了导热能力低的层WI，在其中排布有格栅结构的热桥WB的节段并且构成声子格栅。单个节段的横截面在此可以是正方形的、长方形的、椭圆形的或复杂形状，例如不同的多边形。横截面的形状和横截面的表面优选在竖直方向中看是恒定不变的，这简化了制造方法。

图7示出了将热桥WB的节段排布在导热能力低的层中的另一可行方案。相应地，这些节段作为交错的条带排布。因此热量不仅可以在竖直方向上传递，而且可以在水平方向上传递，由于电声区域中的热量生成是不均匀的，这使热量排放更加容易。

图8在横截面中示出了导热能力低的层，其中热桥包括第一区域WB1，其框架状地排布在谐振器堆垛周围。另一区域WB2包括位于传导能力低的层之内的节段。

因此很明显，热桥并不局限于单个区域上。热桥的这些单独描述的区域能够组合起来，并因此成为传导能力再次增大的热桥。

附图标记列表

BAWR： BAW谐振器

EAB： 电声区域

EL： 电极

F： 高频滤波器

TS： 载体衬底

WB： 热桥

WB1： 热桥的第一区域

WB2： 热桥的第二区域

WI： 导热能力低的层、隔热层

WL： 导热能力高的层

WQ： 热源

Claims (15)

1.一种BAW谐振器(BAWR)，其包括

-电声活跃区域(EAB)，其具有两个电极(EL)和置于它们之间的压电层；

-载体衬底(TS)；

-置于所述活跃区域(EAB)和所述载体衬底(TS)之间的声学镜，其具有导热能力低的层(WI)和导热能力高的层(WL)；

以及

-热桥(WB)

其中

-所述导热能力低的层(WI)会降低从所述活跃区域(EAB)朝所述载体衬底(TS)的热量流动；以及

-所述热桥(WB)设置用来提高从所述活跃区域(TS)朝所述载体衬底(TS)的热量流动。

2.根据上述权利要求所述的BAW谐振器，其中所述声学镜具有

-两个或多个导热能力低的层(WI)；以及

-两个或多个导热能力高的层(WL)。

3.根据上述权利要求中任一项所述的BAW谐振器，其中所述导热能力低的层(WI)具有低的声学阻抗且所述导热能力高的层(WL)具有高的声学阻抗。

4.根据上述权利要求中任一项所述的BAW谐振器，其中所述导热能力低的层(WI)包括绝缘材料且所述导热能力高的层(WL)包括金属。

5.根据上述权利要求中任一项所述的BAW谐振器，其中所述热桥(WB)具有比所述导热能力低的层(WI)更高的导热能力。

6.根据上述权利要求中任一项所述的BAW谐振器，其中

-所述热桥(WB)和所述活跃区域(EAB)之间的间距小于所述活跃区域(EAB)和所述载体衬底(TS)之间的间距；以及

-所述热桥(WB)和所述载体衬底(TS)之间的间距小于所述活跃区域(EAB)和所述载体衬底(TS)之间的间距。

7.根据上述权利要求中任一项所述的BAW谐振器，其中所述热桥(WB)具有这样的区域(WB1)，其在侧面方向上包围着所述活跃区域(EAB)。

8.根据上述权利要求中任一项所述的BAW谐振器，其中所述热桥(WB)具有这样的区域(WB2)，其排布在至少一个所述导热能力低的层(WI)中并且将至少一个所述导热能力高的层(WL)与所述活跃区域(EAB)或所述载体衬底(TS)相连。

9.根据上述权利要求中任一项所述的BAW谐振器，其中所述热桥(WB)具有这样的所述区域(WB2)，其排布在至少一个所述导热能力低的层(WI)中并且将两个所述导热能力高的层(WL)相互连接起来。

10.一种高频滤波器，其包括根据上述权利要求中任一项所述的BAW谐振器(BAWR)。

11.一种双工器，其包括根据上述权利所述的高频滤波器。

12.用来制造BAW谐振器(BAWR)的方法，其包括以下步骤：

-提供所述载体衬底(TS)；

-排布声学镜，其交替地具有所述导热能力高的层(WL)和所述导热能力低的层(WI)；

-在所述声学镜上形成所述电声活跃区域(WAB)的结构，其在两个所述电极层(EL)之间具有压电层，

其中还形成所述热桥(WB)的结构，其设置用来将热量从所述活跃区域(EAB)传递到所述载体衬底(TS)。

13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述热桥(WB)包括这样的所述区域(WB1)，其具有导热能力比所述导热能力低的层(WI)更高的材料并且在侧面包围着所述活跃区域(EAB)。

14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述热桥(WB)包括这样的所述区域(WB2)，其具有导热能力比所述导热能力低的层(WI)更高的材料并且在所述导热能力低的层(WI)之内形成结构。

15.根据上述权利要求所述的方法，其中所述热桥(WB)的材料通过光刻工艺沉淀在所述导热能力低的层(WI)中。