JP2002016468A - 弾性表面波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造プロセス中に焦電破壊等のダメージを受
けず、SAW装置の耐電力性を向上させることができ、特
性劣化がなく、周波数温度特性に優れ、小型、低背製造
方法が容易な表面実装型弾性表面波装置を提供するこ
と。 【解決手段】 単結晶から成る圧電基板１上の一主面上
に励振電極５を形成し、他主面上にガラス層８を介して
非単結晶から成る保護基板３を接合させたことを特徴と
する弾性表面波装置とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯電話や自動車
電話等の移動体無線機器に内蔵される共振器、周波数帯
域フィルタなどの弾性表面波装置に関する。

【０００２】

【従来技術とその課題】従来の弾性表面波（Surface Ac
oustic Wave、以下ＳＡＷと略す）装置の模式的な断面
図を図１０に示す。図示する弾性表面波素子Ｊ１におい
て、１０１は圧電基板、１０２は入出力電極のパッド、
１０３はＧＮＤ電極のパッド、１０４は弾性表面波素子
用の圧電基板上に形成された櫛形状のＩＤＴ（Inter Di
gital Transducer）電極、１０９はパッド１０２、１０
３を接続するワイヤである。

【０００３】圧電基板には、一般的に単結晶である例え
ばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）もしくはタンタル
酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）のように高い電気機械結合
係数を有する材料を用いる。

【０００４】同図の構成では、パッド１０２及びＩＤＴ
電極１０４をＡｌ−Ｃｕ合金膜で形成し、パッド１０
２、１０３をＡｕワイヤ１０９により電気的に接続して
いる。なお、図中１０５〜１０８はパッケージを構成す
る部材である。

【０００５】また、他の従来例として図１１にＳＡＷ装
置Ｊ２の断面図を示す。ＩＤＴ電極１１４が形成された
圧電基板１１１は、フェースダウン方式でパッケージに
実装され、パッド１１２はバンプ１１３を介してパッケ
ージ表面に形成された外部の駆動回路、共振回路、接地
回路等に接続される導電パターンのパッド１２０と電気
的に接続される。

【０００６】さらに蓋体１１９をシーム溶接等によりパ
ッケージ内を気密に封止している。

【０００７】圧電基板にＩＤＴ電極を形成するウェハプ
ロセスにおいて、急激な熱履歴がかかる場合、発生する
焦電気によりウェハが製造装置のステージ、搬送治具等
に吸着することがある。また、圧電基板にストレスが発
生して、そり、クラックが発生することがあった。ま
た、急激な温度変化にさらされると圧電基板が分極し、
ＩＤＴ電極間に電位差が生じ、電極間隔が狭いところで
スパークによる焦電破壊が発生するという問題があっ
た。さらに、発生する焦電気により、圧電基板の表面に
ゴミが付着することがあった。

【０００８】また、実装工程において、ダイボンド工
程、フリップチップ実装等におけるマウント時や接合時
に素子にクラックやかけが発生する。

【０００９】従来のダイシング工程において、切削した
素子端面にチッピングによる電極パターンの欠損が発生
したり、後工程の実装工程で端面が破損する問題があっ
た。

【００１０】このようなＳＡＷ装置Ｊ１、Ｊ２は、その
駆動周波数や通過帯域が数１００ＭＨｚ〜数ＧＨｚと高
周波化すると同時に、高出力が要求されてきている。そ
のため、高い入力電力に対する耐電力性を有するＩＤＴ
電極構造が求められている。

【００１１】しかしながら、ＩＤＴ電極の材料には材料
コストが安く、成膜やパターニングが容易なＡｌが用い
られることが多く、高周波化するには電極指のピッチ及
び電極線幅を０．１μｍ〜１μｍオーダーに微細化する
必要があり、このような微細なＩＤＴ電極を用いた場
合、駆動時にＳＡＷによって生じる圧電基板表面の歪み
が、ＩＤＴ電極の電極層に内部応力を発生させる。この
内部応力を緩和させるために電極層内のＡｌ原子が移動
し、Ａｌ結晶粒界に空孔が集積してボイド及び突起（ヒ
ロック）が発生し、ＳＡＷの伝搬及び共振等の特性劣
化、及び電極指破壊が生じるといった問題点があった。

【００１２】上記問題点を解決する方法として、ＩＤＴ
電極材料のＡｌにＣｕを少量添加し、Ａｌ結晶粒界に金
属間化合物のＣｕＡｌ2 等を析出させて電極層を硬化さ
せるといった方法があり、Ｃｕ以外にＴｉ，Ｐｄといっ
た金属を添加したものも用いられている。また、Ａｌ結
晶粒径が電極層の厚さに対して小さい方が耐電力性が高
いことが知られており、Ａｌ結晶粒径を小さくする方法
として、Ａｌ−Ｃｕ合金／Ｃｕ／Ａｌ−Ｃｕ合金の３層
構造とすること等、電極材料及び電極構造の面から耐電
力性を改善する提案がなされている（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３４（１９９５）ｐｐ．２６
８８−２６９２参照）。また、このように微細なＩＤＴ
電極に大きな電力を印加すると、抵抗によるジュール熱
や、振動の熱への変換により、弾性表面波素子自体が高
温状態となる。高温状態においては、圧電基板と電極膜
の熱膨張係数の差による歪みが電極膜に付加されるた
め、電極指の破壊が加速される。

【００１３】従来、耐電力性を向上させるために、Ａｌ
にＣｕ等の金属を添加した合金電極や、Ａｌと他の金属
を積層した電極構造は、電極自体のストレスマイグレー
ション性を高めることにより、いずれもＡｌ膜より比抵
抗が増加して発熱量が増加する。

【００１４】圧電基板は、厚さを約３５０μｍとしたも
のが、取り扱いの点から多く使用されている。弾性表面
波装置の面積が同じであると仮定すると、圧電基板が薄
い方が圧電基板の熱容量も小さくなり、放熱において有
利である。

【００１５】弾性表面波素子を最適設計により、その面
積を小さくして２次元方向のサイズの極小化する試みが
主としてはかられてきた。また、圧電基板と実装基板と
をフェイスダウンでフリップチップ実装化して、小型・
低背化をはかった構造においては、バンプの高さと圧電
基板の厚さによって高さ方向のサイズは規定される。高
さを最小化するには、圧電基板の厚さを低減する必要が
ある。

【００１６】さらに、無線電波周波数帯の有効活用や情
報伝達量の拡大に伴い、受信周波数帯と送信周波数帯の
周波数間隔が狭い仕様になっている。このため、装置に
求められる温度に依存する周波数変動量は小さくなって
いる。

【００１７】従って、本発明は上記事情に鑑みて完成さ
れたものであり、その目的は製造プロセスにおいて、圧
電基板の焦電性に起因して発生するウェハ吸着、ウェハ
のクラック及び櫛歯状電極の焦電破壊を防止し、弾性表
面波装置の周波数温度特性を改善し、さらに圧電基板の
厚さを薄くすることにより、弾性表面波装置の動作中の
発熱量を低減して耐電力性を向上させ、高さ方向のサイ
ズを最小化にし、弾性表面波装置の周波数の温度変化に
よる変動量を小さくすることにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の弾性波装置は、
単結晶から成る圧電基板上の一主面上に励振電極を形成
し、他主面上にガラス層を介して非単結晶から成る保護
基板を接合させたこととする。

【００１９】また、特に前記圧電基板の厚みが前記ガラ
ス層と前記保護基板とを合わせた厚みより薄くしたこ
と、及び前記圧電基板の線膨張係数が前記ガラス層及び
前記保護基板より大きいことを特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る弾性表面波装
置の実施形態について図面に基づき詳細に説明する。

【００２１】図１〜図５は弾性表面波装置Ｈ１〜Ｈ５の
実施形態の断面図である。尚、図１〜５において、同一
部分には同一の符号を付している。さらに図６に弾性表
面波素子の構造断面図を示す。

【００２２】図１の弾性表面波素子Ｈ１において、１は
単結晶から成る圧電基板、２は入出力電極のパッド、３
は圧電基板１を接着固定する非単結晶である絶縁性基板
（保護基板）、４は絶縁性基板７に形成した入出力電極
のパッド、５は弾性表面波素子用の圧電基板上に形成さ
れた櫛歯状をなすＩＤＴ電極（励振電極）である。同図
の構成では、パッド２、４及びＩＤＴ電極５をＡｌを主
成分とするＡｌ−Ｃｕ合金膜で形成し、パッド２、４を
Ａｕ等からなるバンプ接続体６により電気的に接続して
いる。７はセラミックス等からなる絶縁性基板、８は圧
電基板１と絶縁性基板６を接着固定するガラス質体から
なる接着部材（ガラス層）、１０は外部の駆動回路、共
振回路、接地回路等に接続され絶縁性基板７に設けられ
たリード体である。９はセラミックス等からなる蓋体で
ある。１１は絶縁性基板７と蓋体９を接続する絶縁性樹
脂である。

【００２３】絶縁性基板３、７は、非単結晶であるアル
ミナ、窒化アルミニウムやガラスセラミック基板等によ
って作製するか、または樹脂、ガラス等の基板によって
形成する。

【００２４】図６に示すとおり、ホウケイ酸ガラス、石
英ガラスやガラスセラミックスなどのガラス質体からな
る接着部材８を介して行う圧電基板１と絶縁性基板３と
の接合は、櫛歯状電極が形成されるウェハプロセスの前
から実施してもよく、それとは逆にＩＤＴ電極を形成し
た弾性表面波素子をダイシングにより個片に分離する直
前かまたは分離してから実施してもかまわない。

【００２５】弾性表面波装置Ｈ１は、互いに噛み合うよ
うに形成された少なくとも一対の櫛歯状電極のＩＤＴ電
極５を設けることにより作製する。ＩＤＴ電極５は、所
望の特性を得るために、複数対の櫛歯状電極を、直列接
続、並列接続等の方式で接続して構成してもよい。

【００２６】ＩＤＴ電極５は蒸着法、スパッタリング法
又はCVD法等の薄膜形成法により形成する。

【００２７】絶縁性基板７のパッド電極４と圧電基板１
のパッド電極２上に設けられたバンプ接続体６との接続
は、超音波熱圧着併用法等で行われる。

【００２８】ダイボンド材の役割をするホウケイ酸ガラ
ス、石英ガラスやガラスセラミックスなどから成るガラ
ス質体の接着部材８により接着固定され、シリコン樹
脂，ポリウレタン樹脂，エポキシ樹脂などの絶縁性樹脂
１１がＩＤＴ電極５が形成された機能面に浸入しない構
成とし、最後に、セラミックス等からなる蓋体９を絶縁
性基板７に対し接着固定してＳＡＷ装置を完成する。

【００２９】ガラス質体からなる接着部材８を介する圧
電基板１と絶縁性基板３との接続を、櫛歯状電極が形成
されるウェハプロセスの前から実施した場合、ウェハプ
ロセスにおいて、発生する焦電気によるウェハが製造装
置のステージ、搬送治具等への吸着は発生しない。

【００３０】さらに、圧電基板より熱容量が大きい絶縁
性基板と接続した構造を持つため、ＩＤＴ電極の間隔が
狭いところで生ずるスパークによる焦電破壊が発生しに
くく、発生する焦電気による圧電基板表面へのゴミ付着
も起こりにくい。

【００３１】また、圧電基板を絶縁性基板に接合した構
造により、弾性表面波素子を形成した圧電基板を確実に
固定でき、実装工程において、ダイボンド工程、フリッ
プチップ実装等におけるマウント時や接合時に素子にク
ラックやかけ等が発生しにくい。

【００３２】さらに、ダイシング工程において、圧電基
板を確実に固定できるため、切削した素子端面にチッピ
ングによる電極パターンの欠損が発生したり、後工程の
実装工程で端面が破損する問題も解消できる。

【００３３】また、圧電基板１をガラス質体で接合する
ことにより、従来に比べ、温度による周波数特性の変化
量は、約２分の１程度小さくなり、品質の良い弾性表面
波装置を提供できる効果も有する。

【００３４】この考察として、ガラス質体の接着部材と
絶縁性基板として用いた線膨張係数が４〜８×１０^-6ｍ
／℃であり、弾性表面波素子の線膨張係数が１０〜４０
×１０^-6ｍ／℃としており、これらの線膨張係数の差異
により、温度変動による応力が弾性表面波素子主面上の
ＳＡＷ伝搬波長を変化させ、温度特性が良好になると考
えられる。

【００３５】次に、他の実施形態について説明する。図
２は図１における形状の絶縁性基板７の代わりに、異な
る形状の絶縁性パッケージ７を用いた構造のＳＡＷ装置
である。

【００３６】絶縁性パッケージ７は、セラミック基板を
エッチング法、フォトリソグラフィ法とエッチング法、
機械的研削法又はレーザー加工法等により加工して、作
製するか、または、セラミック基板と枠上セラミック基
板とを積層することよって作製する。または、樹脂、ガ
ラス等の基板の一主面を、同様にエッチング法、フォト
リソグラフィ法とエッチング法、機械的研削法又はレー
ザー加工法等により加工して、凹部を容易に形成でき
る。

【００３７】図３は図１の応用例であり、絶縁性基板３
が、蓋体の役割を兼ねた構造を有するＳＡＷ装置であ
る。

【００３８】さらに、図４も図１の応用例であり、絶縁
性基板３が蓋体の役割を兼ね、さらに絶縁性基板７の代
わりに、絶縁性パッケージ７を用いた構造のＳＡＷ装置
である。

【００３９】図５は図１の応用例であり、絶縁性基板３
が蓋体の役割を兼ね、絶縁性基板７との接続に絶縁性樹
脂１１を用いた構造を有するＳＡＷ装置である。

【００４０】図２、図４は、いずれも位置合わせがセル
フアライメントで行うことができる。

【００４１】図１〜図５の弾性表面波装置は、いずれも
絶縁性樹脂１１が振動空間に入り込まない確実な気密構
造が得られる。

【００４２】このように、図１〜図５において、振動空
間内に低湿度の空気を封入し密閉することにより、ＩＤ
Ｔ電極５の酸化による劣化を抑制でき好ましい。また、
空気の代わりに、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性
ガス等を封入し密閉しても、同様な効果が得られる。

【００４３】本発明において、ＩＤＴ電極５はＡｌ−Ｃ
ｕ系のＡｌ合金からなる。そして、ＩＤＴ電極５の対数
は５０〜２００程度、電極指の幅は０．１〜１０．０μ
ｍ程度、電極指の間隔は０．１〜１０．０μｍ程度、電
極指の交差幅は１０〜８０μｍ程度、ＩＤＴ電極５の厚
みは０．２〜０．４μｍ程度とすることが、共振器ある
いはフィルタとしての所期の特性を得るうえで好適であ
る。また、ＩＤＴ電極５のＳＡＷの伝搬路の両端に、Ｓ
ＡＷを反射し効率よく共振させるための反射器を設けて
もよい。

【００４４】弾性表面波素子Ｈ１〜Ｈ５用の圧電基板と
しては、３６°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ３単結
晶、６４°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬｉＮｂＯ３単結晶、４
５°Ｘカット−Ｚ伝搬のＬｉＢ４Ｏ７単結晶は、電気機
械結合係数が大きく且つ群遅延時間温度係数が小さいた
め好ましい。圧電基板の厚みは３０〜１００μｍ程度が
よい。

【００４５】かくして、本発明は、製造プロセスにおけ
る圧電基板の焦電性に起因する焦電破壊等の電極ダメー
ジや、圧電基板へのダメージが発生せず、耐電力性に優
れ、ＳＡＷ装置の温度による周波数特性の変化量が少な
く、また薄型化及び小型軽量化されるという作用効果を
有する。

【００４６】なお、本発明は上記の実施形態に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で変
更・改良を施すことは何ら差し支えない。

【００４７】

【実施例】図１は、本発明の実施例における弾性表面波
装置の概略を表す断面図である。

【００４８】本実施例では、弾性表面波素子Ｈ１用の圧
電基板として３６°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ３単
結晶を用い、そのチップサイズは、０．９ｍｍ×１．０
ｍｍ、厚さ５０μｍであった。圧電基板の加工は、ＩＤ
Ｔ電極５等のパターン形成後、ウェハの裏面を研磨して
薄板化した。なお、これとは逆にダイシングにより個片
化した後、研磨により薄板化してもよい。圧電基板１と
接続するアルミナ製の絶縁性基板３として、サイズ８０
ｍｍ×８０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのガラスを使用した。
圧電基板１を絶縁性基板３に接合してからダイシングし
個片化した。また、絶縁性基板７として２．５ｍｍ×
２．０ｍｍ、リード体１０を合計１μｍ膜厚のＡｕ及び
Ｎｉを無電解めっきにて形成した絶縁性基板７として、
高さ０．５mｍのアルミナ製基板を使用した。

【００４９】アルミナ製の絶縁性基板７のパッド電極４
とＳＡＷ装置の入出力電極２との接続には、超音波熱圧
着併用法を用いて、Ａｕバンプ接続体６を介して接着固
定した。

【００５０】最後に、アルミナ製セラミックからなる蓋
体９を絶縁性樹脂１１により接着固定してＳＡＷ装置を
完成した。

【００５１】このような工程で作製した弾性表面波装置
の高さは、１．０ｍｍであった。以上のように、従来の
ワイヤボンディング工程が不要となり、ワイヤの横方向
の空間及びワイヤの高さ方向のサイズを縮小でき、圧電
基板の厚さを薄板化させた構造を取ることにより、小型
化、低背化を図ることができた。

【００５２】ＲＦ−ＳＡＷフィルタを従来のセラミック
パッケージに実装するとベアチップエレメントと比較し
て高周波側の減衰量が著しく劣化する。また、通過帯域
内の低周波側の減衰特性がフィルタ仕様により劣化する
ことがある。これは、パッケージ及びＡｕワイヤのイン
ダクタンス成分による影響と考えられる。フリップチッ
プ実装を適用することにより、減衰特性の良好なフィル
タ周波数特性が得られた。

【００５３】図８は、ＩＤＴ電極材料としてＡｌ膜を用
いたＳＡＷ装置の圧電基板の厚さと耐電力性の関係を示
し、ＳＡＷ装置の電気特性の内、初期特性と０．１Ｗの
電力を１０００時間印加した後の挿入損失変化量を表
す。圧電基板の厚さが１００μｍ以下の場合、挿入損失
の変化量が少なくなっている。

【００５４】図９は、前記と同様に圧電基板の厚さが３
５０μｍのものと１００μｍのＳＡＷ装置に、０．１Ｗ
の電力を１０００時間印加した後の電気特性の変化を示
しており、厚さが１００μｍの方が挿入損失の変化が少
なくなっている。

【００５５】この実施例の構造で作成した弾性表面波フ
ィルタの温度による周波数特性の変化は、約−２０ｐｐ
ｍ／℃であった。従来の温度変化による周波数特性の変
化の−４０ｐｐｍ／℃の値に比べ、２分の１程度の温度
による周波数特性の変化量になり、良好な温度特性を持
つ弾性表面波装置ができた。

【００５６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の弾性表面
波装置によれば、製造プロセスにおいて、圧電基板の焦
電性に起因して発生するウェハ吸着、ウェハのクラック
及び櫛歯状をなす電極の焦電破壊を防止し、弾性表面波
装置の周波数温度特性を改善することができる。

【００５７】特に圧電基板の厚みを極力薄くすることが
でき、これにより圧電基板の熱容量も小さくなり、放熱
において有利となり、ＳＡＷ装置の動作中の発熱に起因
する電極膜の破壊を防止し、耐電力性を向上させること
ができる。

【００５８】また、従来に比べ、温度による周波数特性
の変化量が、約２分の１程度以下に小さくすることが可
能で、これにより品質の優れた弾性表面波装置を提供で
きる。

【００５９】さらに、圧電基板をフェイスダウンでフリ
ップチップ実装化し、小型・低背化をはかった構造にお
いては、バンプの高さと圧電基板の厚さによって高さ方
向のサイズは規定されるが、本発明によれば高さを最小
化することができ、よりいっそうの小型化・低背化がは
かれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の弾性表面波装置の実施形態の一例を示
す端面図である。

【図２】本発明の弾性表面波装置の実施形態の一例を示
す端面図である。

【図３】本発明の弾性表面波装置の他の実施形態の一例
を示す端面図である。

【図４】本発明の弾性表面波装置の他の実施形態の一例
を示す端面図である。

【図５】本発明の弾性表面波装置の他の実施形態の一例
を示す端面図である。

【図６】本発明の弾性表面波装置の実施形態の一例を示
す斜視図である。

【図７】本発明の弾性表面波装置の実施形態の一例を示
す斜視図である。

【図８】本発明に係る弾性表面波装置の実施形態を説明
するための特性比較図である。

【図９】本発明に係る弾性表面波装置の実施形態を説明
するための特性比較図である。

【図１０】従来の弾性表面波装置の例を示す端面図であ
る。

【図１１】従来の弾性表面波装置の例を示す端面図であ
る。

【符号の説明】

１：圧電基板 ２：入出力パッド電極 ３： 絶縁性基板 ４：入出力パッド電極 ５：ＩＤＴ電極 ６：バンプ接続体 ７：絶縁性基板またはパッケージ ８：ガラス質体の接着部材 ９：蓋体 １０：リード体 １１：絶縁性樹脂 Ｈ１〜Ｈ５：ＳＡＷ装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶から成る圧電基板上の一主面上に
   励振電極を形成し、他主面上にガラス層を介して非単結
   晶から成る保護基板を接合させたことを特徴とする弾性
   表面波装置。
2. 【請求項２】 前記圧電基板の厚みが前記ガラス層と前
   記保護基板との合計厚みより薄いことを特徴とする請求
   項１に記載の弾性表面波装置。
3. 【請求項３】 前記圧電基板の線膨張係数が前記ガラス
   層及び前記保護基板より大きいことを特徴とする請求項
   １に記載の弾性表面波装置。