CN1316826A - 声表面波器件、利用该器件的通信装置和天线转换开关 - Google Patents

声表面波器件、利用该器件的通信装置和天线转换开关 Download PDF

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Abstract

一种声表面波器件包括具有线膨胀系数的封装和一片形成声表面波元件并用倒装焊接方法安装在封装上的压电元件。在由声表面波元件的叉指式电极产生的声表面波的传播方向上和与其垂直的方向上，压电元件有不同的线膨胀系数，并且其长边处在这样的方向上：压电元件在该方向上的线膨胀系数接近于封装的线膨胀系数。压电元件从有X、Y和Z晶轴的单晶切割而成，并且X晶轴与声表面波的传播方向一致。

Description

声表面波器件、利用该器件 的通信装置和天线转换开关
总的说来，本发明涉及声表面波器件和利用该器件的通信装置。更具体地说，本发明涉及利用倒装焊接工艺的、能小型化的和进一步有高可靠性的声表面波器件，和利用该器件的通信装置。
近来，以便携式电话为开端，通信装置小型化的趋势明显。与装置小型化的趋势一起，提高了对用于其中的元件的小型化和降低高度的要求。
详细地说，在通信装置中，滤波器、谐振器和延迟线是重要的元件，其小型化是通过采用倒装焊接工艺的SAW(声表面波)器件来实现的。
图1A和1B是表示把这样一种声表面波器件安装在封装上的方法的示意剖面图。
图1A表示用线连接工艺把声表面波器件安装在封装上的方法。在压电元件(芯片)1上形成声表面波器件。
这压电元件1安装在有由例如陶瓷等介质材料制成凹座部分的封装2上，并用导电粘结材料3粘贴和固定。在把压电元件1固定在封装2上之后，用盖子5把它密封。而且，在封装2的外表面或金属镀层上装上连接到反面接地端的导体金属板。
在此，借助铝线6把压电元件1上的适当电极连接到对应于封装2的电极。因此，要求依照铝线6来预先确定在高度方向上的尺寸。
以这种方式，在图1A所示的线连接工艺的情况下，限制了高度的降低。图1B表示利用倒装焊接工艺作为解决这问题的一个例子。
与图1A比较，在图1B的倒装焊接工艺中，借助金凸块7把压电元件1上的适当电极连接到封装2的电极。因此，与铝线6情况下的高度方向相比，有可能降低高度。
在此，在图1B的倒装焊接工艺中，压电元件1和封装2之间的连接面决定于金凸块7的尺寸，并且变成小于线连接工艺的情况。在另一方面，在压电元件1和通常使用的封装2之间存在着线膨胀系数的差别。
为此，在试验阶段所给定的温度循环(cycle)的时候，加到金凸块7上的应力载荷增大。这是一个使器件可靠性降低(断开等)的因素，并且还是一个阻碍倒装焊接工艺在小型化中应用的因素。
因此本发明解决这问题，并且本发明的一个目的是提供一种能实现小型化和高可靠性的声表面波器件，和一种利用该器件的通信装置。
为了解决这缺陷，根据本发明的第一方面，提供一种声表面波器件，它包括一个有线膨胀系数的封装；以及形成声表面波元件并用倒装焊接方法安装在封装上的压电元件。在由声表面波元件的叉指式电极产生的声表面波的传播方向上和与其垂直的方向上，压电元件有不同的线膨胀系数，并且进一步使其长边处在这样的方向上，压电元件在该方向的线膨胀系数接近于封装的线膨胀系数。
最好是，压电元件进一步有电极图案，并且用来把电极图案连接到封装的金凸块的位置布置成相对于压电元件中心为点对称。
最好这样来形成电极图案，以使其离压电元件中心的距离为压电元件短边的1/2或更小。
声表面波元件最好有构成梯型滤波器的电板图案。所有把电极图案连接到封装的金凸块的位置，最好布置在这样的一侧，它比布置在梯型滤波器的短边的那一侧的谐振器更靠近压电元件的中心。
为了解决上述缺陷，根据本发明的第二方面，提供一种声表面波器件，它包括一个有线膨胀系数的封装；以及两片形成声表面波元件并用倒装焊接方法安装在封装上的压电元件。在由声表面波元件的叉指式电极产生的声表面波的传播方向上和与其垂直的方向上，这两片压电元件中的每一片都有不同的线膨胀系数，并且进一步使其长边处在这样的方向上，压电元件在该方向上的线膨胀系数接近于封装的线膨胀系数，并且还有各自不同的中心频率。
分别在两片压电元件上形成的声表面波元件的接地电极最好是在封装中公用的。
分别在两片压电元件上形成的声表面波元件的接地电极最好是在封装中独立的。
声表面波元件最好是一个双模型滤波器，其中滤波器的输入侧的接地电极与输出侧的接地电极是在封装中分开的。
在两压电元件中的任一片上形成的声表面波元件最好是级联的双模型滤波器，其中在封装中滤波器的输入侧的接地电极与输出侧的接地电极是分开的。
压电元件可以从有X、Y和Z晶轴的单晶切割而成，并且X晶轴与声表面波的传播方向一致。
压电元件可以从LiTaO3单晶切割而成，切割的方式是绕X轴从Y轴到Z轴旋转一定的转角，该转角在40°和44°之间的范围。
当结合附图阅读下面的详细描述，就会更清楚本发明的上述的和其它的目的、方面、特征和优点。
图1A和1B是表示把一种声表面波器件安装在封装上的方法的示意剖面图；
图2是形成了传统的声表面波元件的压电元件1的平面图；
图3是图2的声表面波元件中的梯型滤波器的等效电路；
图4是表示根据本发明的一个实施例的用来解决图2配置的问题的一种配置的图；
图5是解释把压电元件安装在陶瓷封装上的操作的图；
图6是根据本发明的有叉指式电极配置的声表面波元件的一个例子，并且是表示IIDT(交错对插的叉指式换能器)型滤波器的一个例子的图；
图7是根据本发明的级联的双模型滤波器的一个例子；
图8是形成另一双模型声表面波滤波器的压电元件1的顶视图；
图9是解释本发明的一个特征的图；
图10A和10B是表示用于解释本发明的另一个特征的实施例的图；
图11是以无线通信装置例如便携式电话的高频电路为中心的方框图；
图12是以便携式电话的另一高频电路为中心的方框图；
图13用来解释依照声表面波器件小型化的要求，根据本发明来安装声表面波器件的实施例；
图14是表示根据图13的实施例安装之后的状态的图；
图15是另一个例子，其中安装在公共封装上的两片压电元件1的接地电极焊盘被分开成封装2的用于连接的两个接地端4；和
图16是再一个例子，其中在一片压电元件1上形成的双模型滤波器的输入和输出接地电极焊盘彼此分开连接到封装2的两个接地端4。
此后将解释本发明的实施例。顺便指出，各图中，相同的标号或参考符号用来表示相同或相似的组件和另件。
图2是形成有传统的声表面波元件的压电元件1的平面图。
在此，通过进一步把压电衬底(晶片)分割成多片长方的平行六面体芯片而获得压电元件1，而该压电衬底可以从例如LiTaO3这样的有X、Y和Z晶轴的单晶以预先确定的角度切割而成。压电元件1有一条侧边沿着所述晶轴。在图2的例子中，长边Lx是沿着X轴的边，短边Lz是沿着Z轴的边。
在压电元件1上形成的声表面波元件有叉指式电极10、12、11，并且连接到输入电极焊盘P1、输出电极焊盘P2、和接地电极焊盘P3，使得叉指式电极10、12构成并联谐振器，而叉指式电极11构成串联谐振器，并构成梯型滤波器。图3是包括图2的声表面波元件的梯型滤波器的等效电路，它有两级串联谐振电路11和三级并联谐振电路。
在此，在图2中，压电元件1的长边Lx与由声表面波元件的叉指式电极产生的声表面波传播方向一致。此外，这压电元件1在长边Lx方向上的线膨胀系数与在短边Lz方向上的线膨胀系数不同。
根据切割出的压电衬底的单晶的种类和切割角，唯一重要的是作为这些声表面波(SAW)传播方向的晶轴和在各边的方向上的线膨胀系数。
例如，在从LiTaO3单晶切割出的压电衬底中，在声表面波传播方向(沿X轴方向)上的线膨胀系数是αx=16.1ppm，而在与其垂直方向上(沿Z轴方向)的线膨胀系数是αz=9.5ppm。
另一方面，在图2所示的压电元件1用倒装焊接工艺安装在封装上的情况下，压电元件1被凸块7连接到封装2的电极上，而这些凸块7处在与各电极焊盘P1、P2、P3对应的位置上，如图1所示。
可是，封装2本身有线膨胀系数。例如，在使用陶瓷封装的情况下，线膨胀系数大约是α=7到8ppm。
因此，在示于图2的压电元件1中，沿声表面波传播方向的侧边即沿长边Lx上的线膨胀系数与封装的线膨胀系数的差值较大，在这情况下，有大的应力加到凸块7上，使得连接的可靠性成了问题。
本发明解决这问题，图4表示一个实施例的配置，并且，与图2的一样是压电元件1的平面图。与图2的例子相比，根据图4的实施例的压电元件1的长边正好和短边对调。即长边Lz是沿Z轴的边，而短边Lx是沿X轴的边。
这样，根据本发明，接近封装2的线膨胀系数的边Lz被配置为长边。因此，与示于图2的先有技术相比，减小了凸块7上的应力。
另外，在从上述LiTaO3单晶绕X轴从Y轴到Z轴转40度、42度和44度转角切割成的压电衬底中，在沿X轴方向上的线膨胀系数是αx=16.1ppm，而在Z轴方向上的各线膨胀系数是αz=9.1ppm、9.5ppm和9.9ppm。因此，甚至在压电衬底以任何转角切割成的情况下，与沿X轴方向的情况相比，陶瓷封装的线膨胀系数接近于α=7到8ppm。
此外，作为另一个例子，在使用LiNbO3的情况下，在绕X轴从Y轴到Z轴转41度的情况下，在X轴方向的线膨胀系数是αx=15.4ppm，而在Z轴方向上的线膨胀系数是αz=10.9ppm，而在64度的情况下，在X轴方向的线膨胀系数是αx=15.4ppm，而在Z轴方向上的线膨胀系数是αz=13.9ppm。在这情况下，Z轴方向上的线膨胀系数也比X轴方向的线膨胀系数更接近于α=7到8ppm的陶瓷封装的线膨胀系数。
在任何情况下，其线膨胀系数较接近于陶瓷封装的线膨胀系数的沿Z轴的方向被设为长边，这就有可能减小所述凸块上的应力负荷。这样，根据本发明，利用这样的压电元件1，其中令其线膨胀系数较接近于封装2的线膨胀系数的晶轴方向为长边，并把这样的压电元件1安装在陶瓷封装2上，如图5所示，并通过凸块7与封装2的电极连接。这样，就可以获得高可靠性的声表面波器件。
回到图4，将解释本发明的另一种特性。即，在图4中，电极焊盘A,A’、和B,B’和C,C’分别相对于压电元件1的中心以点对称的方式分布。
这样，电极焊盘相对于压电元件1的中心以点对称的方式分布，能够分别把随着电极焊盘的位置而加到这些凸块的应力负荷分散开，并能分散所述应力。
本发明的上述适应性变化不限于图4中所示的有梯形叉指式电板结构的声表面波元件，作为在压电元件1上形成的声表面波元件，还包括其中形成具有另外的叉指式电极结构的声表面波元件的情况。
例如，图6到8是具有其它叉指式电极结构的声表面波元件的例子。详细地说，图6所示的例子是IIDT(交错对插叉指式换能器)型滤波器中的一种，并且沿Z轴的边被设定为长边Lz，而在I/O电极焊盘P1、P2的关系方面和在各接地电极焊盘P3的关系方面，都呈对称分布。
图7是级联的双模型滤波器的例子，并且长边被设定为沿Z轴方向。在图7中，第一个双模型滤波器101通过连接电极103，104级联到第二个双模型滤波器102，于是由两级双模型滤波器构成具有较高选择性的滤波器。
此外，在图7中，电极焊盘也相对于压电元件1的中心以点对称的方式分布。
图8也是形成另一双模型声表面波滤波器的压电元件1的顶视图。详细地说，这是一个有两个级联的双模型滤波器101,102的例子，并且它属于平衡型，其中输出取自两个输出电极焊盘P4。
图9也是解释本发明的一个特征的图。这实施例也有前面所解释的本发明的第一个特征，并且，长边Lz被设定为其线膨胀系数接近于封装2的线膨胀系数的晶轴的方向。此外，在图9的实施例中，从压电元件1中心位置到电极焊盘P50到P54的距离是不超过短边Lx长度的一半的长度。
这样，就有可能因P50到P54的电极焊盘而进一步降低加到凸块上的应力负荷。
图10也是表示解释本发明的另一个特征的实施例的图。这实施例是这样一种考虑的延续，即图9的电极焊盘位置处于靠近压电元件1的中心位置的距离上。
即，在图10A所示的梯型滤波器中，并联谐振器R1的接地电极焊盘P6和串联谐振器R2的接地电极焊盘P7分别在并联谐振器R1,R2的外侧。因此，作为图9中本发明的特征的延续，把接地电极焊盘P6和P7分别布置在并联谐振器R1,R2之内，如图10B所示。
这样，就有可能减小从压电元件1中心位置到接地电极焊盘P6和P7的距离，因此，有可能随着接地电极焊盘P6和P7而降低加到凸块上的应力负荷。
在此，将考虑通信装置中的滤波器的适应性变化。图11是以无线通信装置例如便携式电话的高频电路为中心的方框图。与天线链接的天线转换开关21具有发送滤波器210和接收滤波器211。发送滤波器210和接收滤波器211分别有预先确定的通频带，并且中心频率彼此不同。
发送端用调制器22以声音或数字信号来调制发送的IF信号。调制过的信号被混频器24与来自本地振荡器23的载波信号混频，并被变换成发送频带信号。随后，它们通过级间滤波器25，并被功率放大器26功率放大，通过天线转换开关21的发送滤波器210，从天线20发送出去。
另一方面，天线20接收到的接收信号通过天线转换开关21的接收滤波器211，被前置放大器27放大。前置放大器27的输出通过级间滤波器28，被送到混频器29。
本地振荡器23输出一个频率信号，滤波器30从该频率信号中提取出不同于发送频率的频率信号，这样，所接收到的信号被混频器29转换成IF信号。转换成的IF信号被IF滤波器31去掉高次谐波分量，并被送到解调器解调。
图12也是以便携式电话的另一种高频电路为中心的方框图。详细地说，它是在欧洲使用的便携式电话的高频电路部分的原理配置图。即，配置一种适应两种系统的电话。这对应于有900MHz频带的EGSM系统和有1.8GHz频带的DCS系统。
因此，为每个系统提供发送和接收双滤波器40,41。此外，在某些情况下，可以在与天线20链接的系统，例如在用于把发送和接收信号分开的转换开关模块30和放大器31,32之间安装SAW滤波器。
级间滤波器40,41的每个后一级以与图11的配置的相同方式连接到调制和解调电路，因为这与本发明的解释无关，所以不作进一步的解释。
很容易从图11和12的描述理解到，在把多个滤波器用于通信装置的情况下，要求小型化，正如便携式电话的情况，为了实现这样的滤波器，需要小尺寸的声表面波器件。
图13是解释依照这种要求、根据本发明来安装声表面波器件的实施例的图。图14是表示安装之后的状态的图。这实施例是这样的例子，其中两片有上面已经解释过的本发明特征的压电元件1安装在同一个封装2内，并用盖子5密封起来。封装2有凹座部分，并且接地端和I/O端被金凸块7连接到对应于压电元件1的电极焊盘，从而彼此固定。
在此，正如前面所解释的那样，选择压电元件1的长边处在有接近于封装2的线膨胀系数的晶轴上，并且电极焊盘相对于压电元件1的中心对称地分布。因此，在图14中，减小了凸属块7的应力。
图14是一个这样的例子，其中两片压电元件1的接地电极焊盘都一起接到封装2的接地端4上。
图15是另一个例子，其中安装在一个共同的封装上的两片压电元件1的接地电极焊盘被分开地接到封装2的用于连接的两个接地端4。这样，就有可能防止两片压电元件1之间的干扰。
图16是再一个例子，其中在一片压电元件1上形成的两个声表面波元件的输入和输出接地电极焊盘彼此分开地与封装2的两个接地端4连接。这样，就有可能防止输入和输出之间的干扰。
这例子可以应用到在图7早已解释过的以连接电极103,104级联的两级双模型滤波器上、单级双模型滤波器上或类似的器件上。
在此，在图13到16中，以两片压电元件装在共同的封装内的例子来作解释，但本发明的适应性变化不限于这样的例子。在两片压电元件安装在共同的封装内的情况下，它们在例如图11中呈现为天线转换开关21，或在图12中呈现为双滤波器40,41。
此外，在两片或多片压电元件安装在共同的封装内的情况下，例如，在图11中，可以配置成含有级间滤波器、IF滤波器或另一系统的滤波器。
附带指出，在上面的实施例的描述中，描述了在单片压电元件上构成单个滤波器的情况，但本发明不限于此，而是可以在单片压电元件上构成两个或多个滤波器。
以上参考附图描述了实施例，并根据本发明，通过用倒装焊接工艺把形成了声表面波元件的压电元件安装在封装上，就有可能以高可靠性来使声表面波器件小型化。

Claims (14)

1．一种声表面波器件，它包括：
具有线膨胀系数的封装；和
一片形成声表面波元件并用倒装焊接方法安装在所述封装上的压电元件，所述压电元件在由所述声表面波元件的叉指式电极产生的声表面波的传播方向上和与其垂直的方向上具有不同的线膨胀系数，并且所述压电元件的长边处在这样的方向上：所述压电元件在该方向的线膨胀系数接近于所述封装线膨胀系数。
2．权利要求1的声表面波器件，其特征在于：
所述压电元件还具有电极图案，并且用来把所述电极图案连接到所述封装的凸块的位置相对于所述压电元件的中心以点对称的方式分布。
3．权利要求2的声表面波器件，其特征在于：
这样形成电极图案，使得其离所述压电元件中心的距离为所述压电元件短边的1/2或更小。
4．权利要求1的声表面波器件，其特征在于：
所述声表面波元件的所述电极图案构成梯形滤波器。
5．权利要求4的声表面波器件，其特征在于：
把所述电极图案连接到所述封装的所有所述凸块的位置布置在这样的一侧，它比布置在所述梯形滤波器的所述短边的那一侧的谐振器更靠近所述压电元件的中心。
6．一种声表面波器件，它包括：
有线膨胀系数的封装；和
两片形成声表面波元件并用倒装焊接方法安装在所述封装上的压电元件，所述两片压电元件中的每一片在由所述声表面波元件的叉指式电极产生的声表面波的传播方向上和与其垂直的方向上具有不同的线膨胀系数，并且所述两片压电元件中的每一片的长边处在这样的方向上：所述压电元件在该方向上的线膨胀系数接近于所述封装的线膨胀系数，并且还具有各自不同的中心频率。
7．权利要求6的声表面波器件，其特征在于：
在所述封装中，分别在所述两片压电元件上形成的所述声表面波元件的接地电极是公共的。
8．权利要求6的声表面波器件，其特征在于：
在所述封装中，分别在所述两片压电元件上形成的所述声表面波元件的接地电极是独立的。
9．权利要求1的声表面波器件，其特征在于：
所述声表面波元件是双模型滤波器，其中所述滤波器的输入侧的接地电极与输出侧的接地电极在所述封装中是分开的。
10．权利要求6的声表面波器件，其特征在于：
在所述两压电元件中的任一片上形成的所述声表面波元件是级联的双模型滤波器，其中在所述封装中所述滤波器的输入侧的接地电极与输出侧的接地电极是分开的。
11．权利要求1的声表面波器件，其特征在于：
压电元件从有X、Y和Z晶轴的单晶切割而成，并且X晶轴与声表面波的传播方向一致。
12．权利要求11的声表面波器件，其特征在于：
所述压电元件以40度到44度的Y轴转角(rotation angle)从LiTaO3单晶切割而成，此单晶以从Y轴到Z轴的转角绕X轴转动，转角在40°到44°之间的范围内。
13．一种通信装置，它包括：
具有线膨胀系数的封装；和
一片形成声表面波元件并用倒装焊接方法安装在所述封装上的压电元件，所述压电元件在由所述声表面波元件的叉指式电极产生的声表面波的传播方向上和与其垂直的方向上具有不同的线膨胀系数，并且所述压电元件的长边处在这样的方向上：所述压电元件在该方向的线膨胀系数接近于所述封装线膨胀系数。
14．一种天线转换开关，它包括：
具有线膨胀系数的封装；和
两片分别形成声表面波元件并用倒装焊接方法安装在所述封装上的压电元件，所述两片压电元件中的每一片在由所述声表面波元件的叉指式电极产生的声表面波的传播方向上和与其垂直的方向上具有不同的线膨胀系数，并且所述两片压电元件中的每一片的长边处在这样的方向上：所述压电元件在该方向上的线膨胀系数接近于封装线膨胀系数，其中
在所述两片压电元件上形成的声表面波滤波器的各自的中心频率彼此也不同。
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