CN111201710A - 陶瓷基板、层状体和saw器件 - Google Patents
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Abstract
一种陶瓷基板，由多晶陶瓷形成，并且具有支撑主表面。在所述支撑主表面中，所述多晶陶瓷的晶粒尺寸的平均值为至少15μm且小于40μm，并且晶粒尺寸的标准偏差小于所述1.5倍平均值。
Description
技术领域
本公开涉及一种陶瓷基板、层状体和SAW器件。
本申请要求享有基于在2017年10月12日提交的日本专利申请第2017-198780号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
SAW器件(声表面波器件)被安装在如移动电话的通信设备中，以便除去电信号中包含的噪音。SAW器件具有在压电基片上形成电极的结构。为了在运行过程中散热，将压电基片设置在由具有良好散热性能的材料形成的基底基板上。
例如，由单晶蓝宝石形成的基板可以用作基底基板。然而，如果将这种由单晶蓝宝石形成的基板用作基底基板，则SAW器件的生产成本增加。为解决这个问题，已经提出了一种具有如下结构的SAW器件，即，其中将由多晶尖晶石形成的陶瓷基板用作基底基板，并且压电基片和陶瓷基板通过范德华力彼此结合(例如，参照专利文献1)。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本未经审查的专利申请公开第2011-66818号
发明内容
根据本公开的陶瓷基板是由多晶陶瓷形成并且具有支撑主表面的陶瓷基板。在所述支撑主表面中，所述多晶陶瓷的晶粒尺寸的平均值为15μm以上且小于40μm，并且所述晶粒尺寸的标准偏差小于1.5倍平均值。
附图说明
图1为示出包括陶瓷基板和压电基片的层状体的结构的示意性剖面图。
图2为示出陶瓷基板的支撑主表面的示意性平面图。
图3为示意性地示出用于制造陶瓷基板、层状体和SAW器件的方法的流程图。
图4为用于描述制造层状体和SAW器件的方法的示意性剖面图。
图5为用于描述制造层状体和SAW器件的方法的示意性剖面图。
图6为用于描述制造层状体和SAW器件的方法的示意性剖面图。
图7为用于描述制造层状体和SAW器件的方法的示意图。
图8为示出SAW器件的结构的示意图。
具体实施方式
[本公开所要解决的技术问题]
当陶瓷基板和压电基片具有不足的接合强度时，在SAW器件的制造过程中陶瓷基板和压电基片彼此分离，这降低了SAW器件的制造中的成品率。为进一步降低SAW器件的生产成本，需要进一步提高陶瓷基板和压电基片之间的结合强度。
因此，目的在于提供一种能以足够的结合强度与压电基片结合的陶瓷基板，以及包括所述陶瓷基板的层状体和SAW器件。
[本公开的有益效果]
根据本公开的陶瓷基板，可以提供一种能以足够的结合强度与压电基片结合的陶瓷基板。
[本公开的实施方式描述]
首先，将列出并描述本公开的实施方式。根据本公开的陶瓷基板是由多晶陶瓷形成并且具有支撑主表面的陶瓷基板。在该陶瓷基板中，在支撑主表面中，多晶陶瓷的晶粒尺寸的平均值为15μm以上且小于40μm，并且晶粒尺寸的标准偏差小于1.5倍平均值。
根据本发明的发明人进行的研究，通过将陶瓷基板的支撑主表面中的晶粒尺寸的平均值控制为15μm以上且小于40μm可以提供陶瓷基板和压电基片之间的结合强度。然而，即使在支撑主表面中的晶粒尺寸的平均值为15μm以上且小于40μm，陶瓷基板和压电基片有时也具有不足的结合强度。作为对此原由的进一步研究的结果，发现即使在支撑主表面中的晶粒尺寸的平均值为15μm以上且小于40μm，当晶粒尺寸变化较大时，更具体地，当晶粒尺寸的标准偏差大于等于所述1.5倍平均值时，陶瓷基板和压电基片具有不足的结合强度。因此，除了将在支撑主表面中的晶粒尺寸的平均值控制为15μm以上且小于40μm之外，晶粒尺寸的标准偏差需小于1.5倍平均值，以使陶瓷基板和压电基片以足够的结合强度彼此结合。
在根据本公开的陶瓷基板中，在支撑主表面中的多晶陶瓷的晶粒尺寸的平均值为15μm以上且小于40μm，并且晶粒尺寸的标准偏差小于1.5倍平均值。结果是，根据本公开的陶瓷基板，陶瓷基板可以以足够的结合强度结合至压电基片。
在上述陶瓷基板中，在支撑主表面中的残余应力可为-300MPa以上且300MPa以下。在SAW器件的制造过程中，对其中陶瓷基板和压电基片彼此结合的层状体进行包括加热和冷却的热循环。这可能导致陶瓷基板和压电基片之间的结合强度不足。当在支撑主表面中的残余应力的绝对值为300MPa以下时，即使施加这样的热循环，也容易维持足够的结合强度。对于残余应力，负值表示抗压应力，正值表示拉伸应力。残余应力可以用例如X射线衍射仪测量。
上述陶瓷基板可以由选自由尖晶石(MgAl2O4)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、二氧化硅((SiO2)、莫来石(3Al2O3·2SiO2)、堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)、氧化钙(CaO)、二氧化钛(TiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)和碳化硅(SiC)组成的组中的至少一种材料形成。这些材料适合作为根据本公开的陶瓷基板的材料。在这些材料中，尖晶石是优选的。
根据本公开的层状体包括根据本公开的上述陶瓷基板和由压电材料形成并且具有结合主表面的压电基片。陶瓷基板的支撑主表面和压电基片的结合主表面通过范德华力彼此结合。根据本公开的层状体包括根据本公开的陶瓷基板。因此，根据本公开的层状体，陶瓷基板和压电基片可以以足够的结合强度彼此结合。
在上述层状体中，压电基片可以由钽酸锂(LiTaO3)或铌酸锂(LiNbO3)形成。这些材料适合作为在根据本公开的层状体中的压电基片的材料。
根据本公开的SAW器件包括根据本公开的层状体和形成于压电基片的主表面上的电极，该主表面位于与陶瓷基板相反的位置。根据本公开的SAW器件包括根据本公开的陶瓷基板。因此，根据本公开的SAW器件，可以提供在其中陶瓷基板和压电基片以足够的结合强度彼此结合的SAW器件。
[本公开的具体实施方式]
接下来，将参照附图描述根据本公开的实施方式的陶瓷基板和层状体。在图中，相同或相应的部件由相同的附图标记表示，并且省略其描述。
参照图1和图2，根据该实施方式的陶瓷基板10由多晶陶瓷形成，并且具有用于支撑作为另一基板的压电基片20的支撑主表面11。即，陶瓷基板10是许多晶粒10A的集合体。如图2所示，许多晶粒10A暴露在支撑主表面11上。在支撑主表面11中，晶粒10A的直径(晶粒尺寸)的平均值为15μm以上且小于40μm，并且直径的标准偏差小于1.5倍平均值。每个晶粒10A的晶粒尺寸可以通过例如以下方法进行测定。首先，用显微镜观察支撑主表面11来测量晶粒10A的面积。然后，将具有测量面积的圆的直径定义为晶粒尺寸。晶粒尺寸的平均值可以通过例如使用显微镜观察支撑主表面11的多个区域，并且在该区域中晶粒尺寸的算术平均值来测定。
参照图1，根据该实施方式的层状体1包括陶瓷基板10和压电基片20。压电基片20是由单晶压电材料形成，例如单晶钽酸锂或单晶铌酸锂。陶瓷基板10是由多晶陶瓷形成，该多晶陶瓷由选自由尖晶石、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、莫来石、堇青石、氧化钙、二氧化钛、氮化硅、氮化铝和碳化硅组成的组中的至少一种材料制成，并且优选由前述材料中任一种制成的多晶陶瓷形成。
压电基片20具有作为一个主表面的暴露主表面21和作为与暴露主表面21相反的主表面的结合主表面22。压电基片20被设置在陶瓷基板10的支撑主表面11上，以使结合主表面22与支撑主表面11接触。陶瓷基板10和压电基片20通过范德华力彼此结合。
对于陶瓷基板10，在支撑主表面11中的多晶陶瓷的晶粒尺寸的平均值为15μm以上且小于40μm，并且晶粒尺寸的标准偏差小于1.5倍平均值。因此，陶瓷基板10是一种能以足够的结合强度结合至压电基片20的陶瓷基板。层状体1包括陶瓷基板10。因此，层状体1是一种在其中陶瓷基板10和压电基片20以足够的结合强度彼此结合的层状体。
对于陶瓷基板10，支撑主表面11中的残余应力优选为-300MPa以上且300MPa以下。当支撑主表面11中的残余应力的绝对值为300MPa以下时，即使在SAW器件的制造过程中施加热循环，也可以维持陶瓷基板10和压电基片20之间的足够的结合强度。在支撑主表面11中的残余应力更优选为-200MPa以上且200MPa以下，并且进一步优选为-100MPa以上且100MPa以下。
在陶瓷基板10的支撑主表面11中，晶粒尺寸的标准偏差更优选为小于1倍平均值。因此，可以更加确定陶瓷基板10和压电基片20能以足够的结合强度彼此结合。
接下来，将描述用于制造根据该实施方式的陶瓷基板10、层状体1和SAW器件100的方法。参照图3，用于制造根据该实施方式的陶瓷基板10、层状体1和SAW器件100的方法包括首先进行作为步骤(S10)的提供基板步骤。在步骤(S10)中，参照图4，提供了由多晶陶瓷形成的陶瓷基板10，该陶瓷基板10由选自由尖晶石、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、莫来石、堇青石、氧化钙、二氧化钛、氮化硅、氮化铝和碳化硅组成的组中的至少一种材料制成。例如，提供由选自上述组中的一种材料制成的多晶陶瓷形成的陶瓷基板10。具体地，例如，当提供由多晶尖晶石形成的陶瓷基板10时，通过混合氧化镁粉末和氧化铝粉末来提供原料粉末，并且通过模制原料粉末来制造成型体。成型体可以通过例如压模进行预成型，然后进行CIP(冷等静压制)来制造。
随后，在成型体上进行烧结处理。烧结处理可以通过例如真空烧结或HIP(热等静压制)的方法来进行。因此，得到了烧结体。然后将烧结体切成薄片以获得具有所期望的形状(厚度)的陶瓷基板10(参见图4)。在此，可以通过控制烧结时的加热速度、烧结温度和烧结时的保持时间，从而将晶粒10A的尺寸和尺寸的变化调整至期望的范围内。具体地，加热速度可设定为例如0.5℃/min以上且5℃/min以下。烧结温度可设定为例如1500℃以上且2000℃以下。烧结时的保持时间可设定为例如2小时以上且10小时以下。通过控制加热速度、烧结温度和烧结时间容易地将晶粒尺寸的平均值控制在15μm以上且小于40μm，并且容易将晶粒尺寸的标准偏差控制为小于1.5倍所述平均值。
随后，进行作为步骤(S20)的粗抛光步骤。在步骤(S20)中，参照图4，在步骤(S10)提供的陶瓷基板10的支撑主表面11上进行粗抛光处理。
随后，进行作为步骤(S30)的退火步骤。在步骤(S30)中，在陶瓷基板10上进行退火。具体地，例如，将在步骤(S20)中抛光的陶瓷基板加热至1000℃以上且1500℃以下的温度范围，并且保持2小时以上且10小时以下。这减小了在步骤(S10)和步骤(S20)中引入陶瓷基板10的残余应力。因此，容易将支撑主表面11中的残余应力控制在-300MPa以上且300MPa以下。
随后，进行作为步骤(S40)的精抛光步骤。在步骤(S40)中，参照图4，在步骤(S30)中退火的陶瓷基板10的支撑主表面11上进行精抛光处理。这样完成了根据该实施方式的陶瓷基板10。
随后，进行作为步骤(S50)的结合步骤。在步骤(S50)中，在步骤(S40)中经历了精抛光的陶瓷基板10和一个单独提供的由钽酸锂或铌酸锂形成的压电基片20彼此结合。具体地，例如，将陶瓷基板10和压电基片20进行洗涤、干燥，然后插入腔室中，并且降低腔室中的压力。如图4中的箭头所示，支撑主表面11和结合主表面22被例如Ar(氩)光束辐照。这使得陶瓷基板10的支撑主表面11和压电基片20的结合主表面22清洁。然后，陶瓷基板10和压电基片20彼此结合，以使压电基片20的结合主表面22与陶瓷基板10的支撑主表面11接触。因此，陶瓷基板10和压电基片20通过范德华力彼此结合。结果是得到根据该实施方式的层状体1。
接下来，将描述用于制造包括具有陶瓷基板10的层状体1的SAW器件的方法。参照图3，在步骤(S50)之后，进行作为步骤(S60)的厚度减小步骤。在步骤(S60)中，参照图1和图5，使得在步骤(S50)中得到的层状体1的压电基片20的厚度减小。具体地，例如，使压电基片20的暴露主表面21经历研磨处理。因此，压电基片20的厚度减小到适合SAW器件的厚度。
随后，进行作为步骤(S70)的电极形成步骤。在步骤(S70)中，参照图5至图7，在压电基片20的暴露主表面21上形成梳状电极。图6是沿图7中的线VI-VI截取的剖面图。具体地，参照图6和图7，在步骤(S60)中已经适当调整厚度的压电基片20的暴露主表面21上形成由电导体(如铝)制成的导电膜。例如，导电膜可以通过溅射方法形成。然后将抗蚀剂涂布在导电膜上以形成抗蚀剂膜。通过进行曝光和显影，在除了对应于输入侧电极30和输出侧电极40的期望形状的区域之外的区域形成开口。例如，使用具有在其中形成开口的抗蚀剂膜作为掩模来进行湿法蚀刻，以形成如图6和图7所示的多对输入侧电极30和输出侧电极40。图6和图7示出了对应于一对输入侧电极30和输出侧电极40的区域。在输入侧电极30和输出侧电极40中的梳状电极的电极间隔可以根据要输出信号的频率适当地确定。
随后，进行作为步骤(S80)的芯片形成步骤。在步骤(S80)中，将在其上已经形成有多对输入侧电极30和输出侧电极40的层状体1在厚度方向上切割成多个芯片，每个芯片包括一对输入侧电极30和输出侧电极40。
参照图7和图8，然后在步骤(S80)中制造的芯片上形成输入侧布线51和输出侧布线61，以完成根据该实施方式的SAW器件(SAW滤波器)。
在根据该实施方式的SAW器件100的制造方法中，在陶瓷基板10的支撑主表面11中的多晶陶瓷的晶粒尺寸的平均值为15μm以上且小于40μm，并且晶粒尺寸的标准偏差小于1.5倍平均值。因此，陶瓷基板10和压电基片20以足够的结合强度彼此结合。这抑制了在SAW器件制造过程中陶瓷基板和压电基片之间的分离，从而提高了在SAW器件制造中的成品率。注意，从进一步减小支撑主表面11中的残余应力的绝对值的观点来看，可以在步骤(S40)之后再进行另一退火步骤。
参照图8，根据该实施方式的SAW器件100包括层状体1、输入侧电极30、输出侧电极40、连接至输入侧电极30的输入侧布线51和连接至输出侧电极40的输出侧布线61，所述层状体1包括通过范德华力彼此结合的陶瓷基板10和压电基片20，所述输入侧电极30和该输出侧电极40形成为与压电基片20的暴露主表面21接触的一对梳状电极。
输入侧电极30包括第一部分31和第二部分32。第一部分31包括线形基部31A和在垂直于基部31A延伸方向的方向上从基部31A突起的多个线形突起31B。第二部分32包括平行于基部31A延伸的线形基部32A和多个线形突起32B，该多个线形突起32B在垂直于基部32A延伸方向的方向上从基部32A突起，并且被安装于相邻突起31B之间的间隙中。突起31B和突起32B以预定的均匀间隔设置。
输出侧电极40包括第一部分41和第二部分42。第一部分41包括线形基部41A和在垂直于基部41延伸方向的方向上从基部41A突起的多个线形突起41B。第二部分42包括平行于基部41A延伸的线形基部42A和多个线形突起42B，该多个线形突起42B在垂直于基部42A延伸方向的方向上从基部42A突起，并且被安装于相邻突起41B之间的间隙中。突起41B和突起42B以预定的均匀间隔设置。
当将用作输入信号的AC电压通过输入侧布线51施加到输入侧电极30时，由于压电效应，在压电基片20的暴露主表面21(表面)上产生声表面波，并且该声表面波传播至输出侧电极40。在此，输入侧电极30和输出侧电极40具有如图1所示的梳状，并且突起31B和突起32B均匀间隔，以及突起41B和突起42B均匀间隔。因此，在从输入侧电极30朝向输出侧电极40的方向上，以预定的周期(电极周期)存在其中在压电基片20的暴露主表面21上形成电极的区域。因此，当输入信号的波长与电极周期一致时，由输入信号产生的声表面波被最大程度地激发，并且随着波长和电极周期的差异的增加而衰减。因此，只有具有接近电极周期的波长的信号通过输出侧电极40和输出侧布线61输出。
在上述操作中，压电基片20的温度升高。在根据该实施方式的SAW器件100中，由具有良好散热性能材料制成的陶瓷基板10被设置为与压电基片20接触。因此，SAW器件100具有高可靠性。此外，由于SAW器件100包括根据该实施方式的陶瓷基板10，所以抑制了在制造过程中陶瓷基板10和压电基片20之间的分离。因此，可以维持高成品率地制造SAW器件100。
实施例
提供了在支撑主表面中具有不同晶粒尺寸的平均值和标准偏差以及在支撑主表面中具有不同残余应力的11个陶瓷基板(尖晶石基板)的样品(样品1至11)。使用样品进行上述实施方式的步骤(S10)至(S50)之后，通过裂缝张开法评价陶瓷基板和压电基片之间的结合强度。此外，在使样品经历了包括从室温至300℃的加热和然后冷却至室温的热循环之后，以相同的方式评价结合强度。
通过尼康公司(Nikon Corp)制造的显微镜ECLIPSE LV100观察抛光了的支撑主表面来测量晶粒尺寸。使用显微镜附带的图像处理软件计算晶粒尺寸的平均值和标准偏差。通过X射线衍射应力测量来测量支撑主表面中的残余应力。所使用的X射线是Cu-Ka线聚焦。激发条件为45kV和40mA。扫描方法是sin2Ψ方法(ISO-倾斜法)。测量范围为2θ＝93°至95.5°。步长为0.03°。Ψ条件为13级(正极侧6级，0时1级，负极侧6级){0≤sin2Ψ≤0.5}。积分时间为1秒或3秒。测量平面为MgAl2O4(731)平面。表1显示实验结果。
[表1]
在表1中，将结合强度和在热循环后的结合强度评价为如下，A：1.0J/m2以上，B：0.5J/m2以上且小于1.0J/m2，C:小于0.5J/m2。
就结合强度而言，表1显示样品1和样品11具有C评价结果，样品1和样品11为在其中支撑主表面中的晶粒尺寸的平均值在15μm以上且小于40μm的范围之外。这证实了支撑主表面中的晶粒尺寸的平均值需在15μm以上且小于40μm的范围内。即使晶粒尺寸的平均值在15μm以上且小于40μm的范围内，就结合强度而言，样品(样品2、5和8)具有C的评价结果，在其中晶粒尺寸的标准偏差与晶粒尺寸的平均值的比率(σ/μ)为1.5以上。这表明为了达到足够的结合强度，除了上述平均条件之外，晶粒尺寸的标准偏差需小于1.5倍平均值。
此外，即使满足上述平均值和标准偏差的条件，就热循环后的结合强度而言，样品(样品3、6和9)具有B的评价结果，在其中支撑主表面中的残余应力在-300MPa以上且300MPa以下的范围之外，然而，就热循环后的结合强度而言，在其中残余应力在-300MPa以上300MPa以下范围的样品具有A的评价结果。这证实了当支撑主表面中的残余应力的绝对值为300MPa以下时，提高了热循环后的结合强度。
在此公开的实施方式和实施例在各方面仅是示例，并且在任何角度应理解为非限制性的。本发明的范围不是由以上描述限定而是由权利要求限定。本发明的范围旨在涵盖权利要求等同含义和范围内的所有修改。
附图标记
1 层状体
10 陶瓷基板
10A 晶粒
11 支撑主表面
20 压电基片
21 暴露主表面
22 结合主表面
30 输入侧电极
31 第一部分
31A 基部
31B 突起
32 第二部分
32A 基部
32B 突起
40 输出侧电极
41 第一部分
41A 基部
41B 突起
42 第二部分
42A 基部
42B 突起
51 输入侧布线
61 输出侧布线
100 SAW器件
Claims (8)
1.一种陶瓷基板，其由多晶陶瓷形成，并且具有支撑主表面，其特征在于，
在所述支撑主表面中，所述多晶陶瓷的晶粒尺寸的平均值为15μm以上且小于40μm，并且，
所述晶粒尺寸的标准偏差小于1.5倍所述平均值。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基板，其特征在于，在所述支撑主表面中的残余应力为-300MPa以上且300MPa以下。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷基板，其特征在于，所述陶瓷基板由选自由尖晶石、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、莫来石、堇青石、氧化钙(CaO)、二氧化钛、氮化硅、氮化铝和碳化硅组成的组中的至少一种材料形成。
4.根据权利要求1或2所述的陶瓷基板，其特征在于，所述多晶陶瓷由尖晶石形成。
5.根据权利要求1所述的陶瓷基板，其特征在于，在所述支撑主表面中的残余应力为-300MPa以上且300MPa以下，并且所述多晶陶瓷由尖晶石形成。
6.一种层状体，其特征在于，包括：
根据权利要求1至5中的任一项所述的陶瓷基板；以及
压电基片，其由压电材料形成并且具有结合主表面，
其中，所述陶瓷基板的所述支撑主表面和所述压电基片的所述结合主表面通过范德华力彼此结合。
7.根据权利要求6所述的层状体，其特征在于，所述压电基片由钽酸锂或铌酸锂形成。
8.一种SAW器件，其特征在于，包括：
根据权利要求6或7所述的层状体，以及
电极，其形成于所述压电基片的主表面上，所述主表面位于与所述陶瓷基板相反的位置。
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