JP2017092710A - 弾性波デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い弾性波弾性波デバイスを提供する。
【解決手段】圧電性を有する第１基板１０と、第２基板３０と、第１基板１０と第２基板３０との間に配置され両者を接合する、第１基板１０の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる樹脂部２１と、第１基板１０より延性の高い材料からなり、第１基板１０および第２基板３０の面方向に延びる、樹脂部２１の厚みよりも薄い金属層２２と、を有する接合部２０と、を備える弾性波デバイス１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）デバイスの弾性波デバイス
およびその製造方法に関する。

タンタル酸リチウム等の圧電基板を用いた弾性波デバイスが知られている。しかしながら、このタンタル酸リチウム基板は、周波数温度特性が―３６ｐｐｍ／℃と悪く、例えば２ＧＨｚ帯のデバイスだと―３０〜＋８５℃の温度範囲で±４．３ＭＨｚも変動してしまい、近年の厳しい仕様を満たすことが困難である。そして、弾性波デバイスの温度変動は、これを使用する機器に影響を与えるため、温度に対する周波数変動が少ない、つまり温度特性が良好な弾性波デバイスが望まれていた。

そこで、圧電基板に、熱膨張係数が異なる支持基板（Ｓｉ基板等）を接着剤等で接合することで、圧電基板の熱膨張・熱収縮を抑制し、圧電基板の温度に対する周波数特性を安定化させた技術が知られている（例えば、特許文献１等参照。）。

特開２００５−３４７２９５号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、貼り合せた基板に反りが発生する虞があった。また、接着剤の熱伝導は一般的に低いため、圧電基板上に形成される弾性波素子が発熱したときに効果的に放熱できない虞があった。このため、さらなる温度特性が良好な弾性波デバイスの開発が求められている。

本願はかかる事情のもと勘案されたものであり、その目的は、温度特性が良好な弾性波デバイスおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様としての弾性波デバイスは、圧電性を有する第１基板と、第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置され両者を接合する、前記第１基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる樹脂部と、前記第１基板より延性の高い材料からなり、前記第１基板および前記第２基板の面方向に延びる、前記樹脂部の厚みよりも薄い金属層と、を有する接合部とを備えるものである。

本発明の一態様としての弾性波デバイスの製造方法は、圧電性を有する第１基板の主面に前記第１基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる熱硬化型の第１樹脂層を配置する工程と、第２基板の主面に前記第１基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる熱硬化型の第２樹脂層を配置する工程と、前記第１樹脂層または前記第２樹脂層の少なくとも一方の表面に金属層を形成する工程と、前記第１樹脂層と前記第２樹脂層とを前記金属層を介して対向配置する工程と、前記金属層を電磁誘導により加熱し、前記第１樹脂層および前記第２樹脂層を加熱して硬化させる工程と、を含むものである。

本発明によれば、温度特性が良好な弾性波デバイスおよびその製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る弾性波デバイスの断面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、図１の弾性波デバイスの変形例を示す断面図である。 図１の弾性波デバイスの変形例を示す断面図である。 （ａ）から（ｄ）は、図１に示す弾性波デバイスの製造方法を示す工程ごとの断面図である。

＜弾性波デバイスの構造＞
図１は、本発明の実施形態に係る弾性波デバイス１の断面図である。弾性波デバイス１は、第１基板１０と第２基板３０と接合部２０とを備える。ここで、便宜的に、互いに直交するＤ１軸、Ｄ２軸、Ｄ３軸を設定する。

第１基板１０は、圧電性を有する基板である。例えば、第１基板１０は、タンタル酸リチウム単結晶（ＬｉＴａＯ_３），ニオブ酸リチウム単結晶（ＬｉＮｂＯ_３），水晶などの圧電性を有する直方体状の単結晶基板である。具体的には、例えば、第１基板１０は、３６°〜４８°Ｙ−ＸカットのＬｉＴａＯ_３基板によって構成されている。

第１基板１０の平面形状は適宜に設定されてよいが、例えば、所定方向（Ｄ２方向）を長手方向とする矩形である。第１基板１０の大きさは適宜に設定されてよいが、例えば、厚さは１μｍ〜１００μｍ、１辺の長さは０．５ｍｍ〜２ｍｍである。

第１基板１０の主面１０ａには、図示しない励振電極、接続配線、パッド電極といった各種電極および配線が設けられている。励振電極はＳＡＷを発生させるためのものである。励振電極は、複数の電極指を有する櫛歯状の複数のＩＤＴ電極と複数のＩＤＴ電極の両端に配置された反射器電極とを含んでもよい。このような励振電極により、例えば、ラダー型フィルタや２重モードＳＡＷ共振器フィルタなどが構成されている。なお、励振電極、接続線、パッド電極等は、例えばＡｌ−Ｃｕ合金などのＡｌ合金によって形成されている。

そして、これらの端子として機能するパッド電極のいずれかを介して信号の入力がなされる。入力された信号は、励振電極等によりフィルタリングされる。そして、フィルタリングした信号を端子として機能するパッド電極のいずれかを介して出力する。

接合部２０は、一様な厚みを有し、一方の主面を第１基板１０に、他方の主面を後述の第２基板３０にそれぞれ接合させることで、第１基板１０と第２基板３０との接着剤として機能する。

このような接合部２０は、樹脂部２１と金属層２２とを備える。樹脂部２１は、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等種々の材料を用いることができる。樹脂部２１は、第１基板１０と第２基板３０とを接合することができれば特に限定はされないが、第１基板１０よりも弾性波の伝搬方向における線膨張係数が小さいものとしてもよい。その場合には、第１基板１０の温度変化による変形を抑制することができ、温度特性の優れた弾性波デバイス１とすることができる。

このような樹脂部２１の厚みとしては、例えば１０μｍ〜２００μｍ程度とすればよい
。より具体的には、第１基板１０の厚みよりも厚くすることで、効果的に温度変化による第１基板１の変形を抑えることができる。

樹脂部２１の線膨張係数を調整するためには、例えば、樹脂部２１に低線膨張係数材料からなる無機材料からなるフィラーを含有させてもよいし、ガラス繊維を含有させてもよい。このような材料を添加することで、一般的に第１基板１０よりも線膨張係数の大きい樹脂材料の線膨張係数を小さく制御することができる。

特に、樹脂部２１にガラス繊維を含有させる場合には、樹脂部２１の硬度を高めることができるので、さらに効果的に温度変化による第１基板１の変形を抑えることができる。

金属層２２は、例えばＡｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の材料を用いることができる。そして、第１基板１０の面方向に延びる層状となっている。金属層２２の熱伝導率は、このような金属を用いることで樹脂部２１よりも高くなっている。このことから、第１基板１０の主面１０ａに形成された励振電極により局所的な発熱が生じたときに、熱を面方向に放熱させることができるので、信頼性の高い弾性波デバイスを提供することができる。

さらに、金属層２２は、第１基板１０よりも延性が高いことが好ましい。より好ましくは、第１基板１０，第２基板３０の双方よりも延性の高い材料からなることが好ましい。延性の高い材料からなる場合には、温度変化により接合部２０が変形した場合であっても割れたり破損したりすることがないので信頼性の高いものとすることができる。

また、一般的に、樹脂部２１は硬度が低く変形しやすいが、金属層２２によりそれを支持し補強層的な役割を担うことができる。ここで、より温度特性に優れた弾性波デバイスを提供するために、第１基板１０の厚みを薄くする場合には、第１基板１０が破損しやすくなるが、金属層２２の支持力により破損を抑制することができる。また、より温度特性に優れた弾性波デバイスを提供するために、第１基板１０と線膨張係数の大きさが大きく異なる材料を第１基板１０と貼り合せた場合には、温度変化時に、より大きな力が第１基板１０に加わることとなる。この場合にも、金属層２２の支持力により破損を抑制することができる。

また、金属層２２として、第１基板１０よりも線膨張係数の小さい材料を用いてもよい。この場合には上述の効果に加えて、金属層２２によっても第１基板１０の温度変化による変形を抑制することができるので、より温度特性に優れた弾性波デバイス１を提供することができる。このような材料としては、Ｆｅ−３６Ｎｉ合金等を例示することができる。

このような金属層２２の厚みとしては、例えば、５μｍ〜５０μｍ程度を例示できる。樹脂部２１に温度補償を行なう機能を持たせる場合には、樹脂部２１の機能を発現させるために、金属層２２の厚みは接合部２１の厚みに比べて小さくすることが好ましい。

この例では金属層２２は、樹脂部２１の厚みの途中に配置されている。このような構成とすることで、樹脂部２１全体の変形を抑制することができる。

第２基板３０は、接合部２０にその主面３０ａを接合させて配置されている。第２基板３０は、セラミック基板、有機基板、Ｓｉ等の半導体基板、サファイア、タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム，水晶等の単結晶基板等種々の材料を用いることができる。そして、第２基板３０の厚みは、第１基板１０，接合部２０に応じて適宜設定することができる。この例では、第１基板１０と同じ材料、同じ厚みを有するＬｉＴａＯ_３基板とした。
この場合には、温度変化が生じたときの弾性波デバイス１全体の反りを抑制することができる。

このように反りを抑制するためには、第２基板３０を第１基板１０と同様の材料で構成する他にも、第２基板３０を接合部２０の樹脂部２１の線膨張係数よりも大きい材料で構成することで実現することができる。

その場合には、第２基板の厚みを次式に従うように設定することで反りモーメントを打ち消す事ができる。
Ｔ３０＝Ｔ１０×（Ｅ１０／Ｅ３０）×［（α１０−α２０）／（α３０−α２０）］
ここで、各符号は以下の通りとする。
Ｔ３０：第２基板３０の厚み
Ｔ１０：第１基板１０の厚み
Ｅ１０：第１基板１０の弾性率
Ｅ３０：第２基板３０の弾性率
α１０：第１基板１０の線膨張係数
α２０：接合部２０の線膨張係数
α３０：第２基板３０の線膨張係数
なお、α２０は、接合部２０の平均値を指すものとする。

前述の通り、第２基板３０が第１基板１０と同材料であればＥ１０とＥ３０およびα１０とα３０が等しいため、第２基板３０の厚みＴ３０は第１基板１０の厚みＴ１０と等しいときに反りを最も抑制することができる。また、第２基板３０が第１基板１０の２倍の弾性率を持つ材料で構成されている場合には、第２基板３０の厚みはその逆数の１／２倍の厚みとすれば良い。

＜変形例１＞
上述の例では、第１基板１０の主面１０ａ（接合部２０と接合されていない側の主面）にのみ、励振電極等を設けた場合について説明したが、第２基板３０の主面３０ｂ（接合部２０と接合されていない側の主面）にも素子として機能する電極等を設けてもよい。

例えば、第２基板３０として、第１基板１０と同じ材料を用いる場合には、第２基板３０の主面３０ｂにも弾性波素子として機能する励振電極等を設けてもよい。このように、弾性波デバイス１の表裏面を弾性波素子として機能する素子形成面とすることで、素子形成面を広くとることができ、弾性波デバイス１を小型化することができる。

この場合には、第１基板１０の主面１０ａに送信用フィルタを構成する励振電極を、第２基板３０の主面３０ｂに受信用フィルタを構成する励振電極を、それぞれ形成してもよい。例えば、送信用フィルタとしてはラダー型フィルタを構成するようにすればよいし、受信用フィルタとしては２重モードＳＡＷ共振器フィルタを構成するようにすればよい。この場合には、受信用フィルタと送信用フィルタとを電気的・物理的に分離することができるので、アイソレーション特性の優れた分波器となる弾性波デバイス１を提供することができる。

なお、金属層２２は、厚み方向において、第２基板３０よりも第１基板１０に近い側に配置してもよい。このような構成とすることで、一般的に高い電力が供給される送信フィルタに近い側に放熱板として機能する金属層２２が位置することとなり、効果的に放熱することができる。

また、第２基板３０の主面３０ｂに形成する電極等は励振電極等に限定されない。第２
基板３０として、Ｓｉ基板を用いた場合には、圧電膜とそれを厚み方向に挟む電極を形成して、圧電薄膜共振子を構成してもよい。また、高抵抗Ｓｉ基板や絶縁材料からなる基板を用いて、インダクタンス等の導体パターン等を形成してもよい。

＜変形例２＞
上述の例では、第２基板３０を、第１基板１０を構成する材料と同じにした例を説明したが、第１基板１０を構成する材料よりも線膨張係数の小さい材料を用いてもよい。その場合には、第２基板３０が、第１基板１０の温度変化による変形を抑制する機能を備えるものとなる。このような材料としては、例えば、第１基板１０がＬｉＴａＯ_３基板からなる場合には、第２基板３０として、Ｓｉ基板や、サファイア基板等を用いればよい。

第２基板３０の厚みは、第１基板１０の厚みと、第１基板１０および第２基板３０を構成する材料の線膨張係数の大きさとから決定できる。例えば、第１基板１０としてＬｉＴａＯ_３基板を用いて、その厚みを２０μｍ程度とする場合であれば、第２基板３０としてＳｉ基板を用いる場合にはその厚みを２００μｍ程度とすればよい。

上述の場合には、樹脂部２１を構成する材料の線膨張係数は特に限定されない。第１基板１０よりも小さい線膨張係数を有する材料とする場合には、第２基板３０と共に第１基板１０の温度変化による変形を抑制することができる。第１基板１０と同等もしくは、大きい線膨張係数を有する材料を用いる場合には、薄い第１基板１０の割れ等の破損を抑制する緩衝部として機能する。

＜変形例３＞
上述の例では、金属層２２は樹脂部２１の厚みの途中に位置させた場合を例に説明したが、この例に限定されない。

例えば、図２（ａ）に示すように、金属層２２を接合部２０のうち最も第１基板１０側に位置させてもよい。言い換えると、金属層２２は一方の面を第１基板１０に、他方の面を樹脂部２１にそれぞれ接合させていてもよい。

この場合には、第１基板１０の主面１０ａに形成された励振電極からの発熱を、熱伝導率の低い樹脂部２１に到達する前に金属層２２により面方向に放熱させることができる。また、温度変化により変形する第１基板１０に金属層２２が直接接続されていることから、第１基板１０の割れを抑制することができる。さらに、第１基板１０の変形に追従した樹脂部２１の変形を抑制することができる。

また、図２（ｂ）に示すように、金属層２２を接合部２０のうち最も第２基板３０側に位置させてもよい。言い換えると、金属層２２は一方の面を第２基板３０に、他方の面を樹脂部２１にそれぞれ接合させていてもよい。

この場合には、第１基板１０の主面１０ａと金属層２２との距離を大きくすることができるので、主面１０ａ上に配置された励振電極等の電極と電極層２２との意図しない容量形成を抑制することができる。

なお、図１、図２に示す例では、金属層２２を一層のみ設けた例を説明したが、複数層設けてもよい。

＜変形例４＞
上述の例では、第２基板３０の主面３０ｂは露出していたが、この例に限定されない。例えば、図３に示すように、第２基板３０の主面３０ｂに第２の接合部４０を接合し、第
２の接合部４０のうち第２基板３０と反対側の面に第３基板５０を設けてもよい。ここで、第２の接合部４０は、接合剤となる樹脂部のみで構成してもよいし、接合部２０と同様の構成としてもよい。

この場合には、接合部２０，第２基板３０，第２の接合部４０，第３基板５０を合わせて、第１基板１０の温度変化による変形を抑制することができるので、より精密に温度特性を制御できる。

例えば、第２基板３０を第１基板１０よりも線膨張係数の小さい材料で構成し、第３基板５０を第１基板１０と同等の線膨張係数を有する材料で構成すれば、第３基板５０で反りを抑制しつつ、第２基板３０で確実に第１基板１０の温度変化による変形を抑制することができる。

なお、間に挟まれる第２基板３０は上下面から応力がかかるが、接合部２０および第２の接合部４０に金属層２２が含まれる場合には、第２基板３０の割れを抑制することができる。

＜弾性波デバイスの製造方法＞
次に、図４（ａ）〜（ｄ）を用いて弾性波デバイス１の製造方法を説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、圧電性を有する材料からなる第１基板１０を準備する。そして、第１基板１０の２つの主面１０ａ，１０ｂのうち主面１０ｂに第１樹脂層２５を配置する。第１樹脂層２５としては、熱硬化性の樹脂が用いられ、例えば、スピンコート法を用いて一面に塗布される。フィルム状の第１樹脂層２５を載置してもよい。

ここで、第１樹脂層２５の厚みとしては２０〜１００μｍを例示できる。熱硬化性の樹脂材料としてはエポキシ樹脂を例示できる。

次に、図４（ｂ）に示すように、第２基板３０を準備する。第２基板３０は、樹脂、セラミック、圧電材料、半導体等を各種材料からなる基板を採用することができ、その結晶性に制限はなく、単結晶基板や多結晶基板等適宜選択することができる。この例では、第１基板１０と同じ材料からなり、同じ膜厚を有するものを準備する。そして、第２基板３０の２つの主面３０ａ，３０ｂのうち主面３０ａに第２樹脂層２６を配置する。第２樹脂層２６としては、熱硬化性の樹脂が用いられ、例えば、スピンコート法を用いて一面に塗布される。フィルム状の第２樹脂層２６を載置してもよい。

ここで、第２樹脂層２６の厚みとしては２０〜１００μｍを例示できる。熱硬化性の樹脂材料としてはエポキシ樹脂を例示できる。

次に、第１樹脂層２５または第２樹脂層２６上の少なくとも一方に金属層２２を形成する。この例では、図４（ｃ）に示すように第２樹脂層２６上に金属層２２を形成する場合を例に説明する。

金属層２２を構成する材料は、磁性材料であり、第１樹脂層２５や第２樹脂層２６が硬化したときの熱伝導率に比べて高い熱伝導率を備える材料であれば適宜自由に選択することができる。また、第１樹脂層２５や第２樹脂層２６が硬化したときの延性に比べて高い延性を備える材料であればさらに好ましい。

このような材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、これらの合金等を選択できる。厚みは、理由は後述するが、５０μｍ〜１００μｍ程度とする。

金属層２２は、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等の通常の薄膜形成方法により形成すればよい。フィルム状の膜を載置してもよい。

次に、図４（ｄ）に示すように、第１樹脂層２５と第２樹脂層２６とを金属層２２を介して対向させる。そして、この積層体の周囲に高周波コイル６０を配置して、この高周波コイル６０に高周波交流電界を印加する。具体的には、積層体を高周波コイル６０を内蔵させたステージに載置して誘導加熱を行なう。

これにより、電磁誘導で磁性材料からなる金属層２２を誘導加熱し、その周辺に位置する第１樹脂層２５，第２樹脂層２６を硬化させて、樹脂部２１にするとともに、第１基板１０，樹脂層２１，金属層２２，第２基板３０を接合する。

高周波コイル６０に印加する高周波交流電界としては、電流浸透深さが金属層２２の厚みを超えないような周波数を選択する事で、電力損失を抑える事ができる。例えば金属層２２として５０μｍのＦｅを用いる場合は、高周波交流電界の周波数を３０ｋＨｚ以上にすることで電力浸透深さを５０μｍ以下にする事ができる。また高周波交流電界の電力は、例えば樹脂層２６が、面積が１００ｃｍ^２、厚み１００μｍ、一般的なエポキシ樹脂で、印加前に比べて２００℃の温度上昇をさせたい場合であれば、必要な熱量は７２J程度なので、２００Ｗの電力を７秒程度印加することでも賄うことができる。実際には熱量の漏れなどを考慮して電力か時間のどちらかを増した印加条件で加熱し、前記樹脂層２５，２６が硬化するまで保温用の電力を印加する。このようにして、弾性波デバイス１を製造することができる。

このように、第１樹脂層２５と第２樹脂層２６との間に配置された金属層２２を誘導加熱することで、第１樹脂層２５と第２樹脂層２６とを硬化し、各構成要素の接合を実現する場合には、接合時に線膨張係数の大きい第１基板１０に熱が加わらないため、弾性波デバイス１の各構成部に発生する残留応力を抑制することができ、信頼性を高くすることができる。

なお、上述の例において、第１樹脂層２５，第２樹脂層２６を形成した際に、これらの樹脂の硬化温度よりも低い温度で短時間加熱処理を行なってもよい。具体的には図４（ａ）、図４（ｂ）のそれぞれに続いて上述の仮加熱処理を行なってもよい。

また、上述の例では、誘導加熱を用いて第１基板１０，樹脂層２１，金属層２２，第２基板３０を接合したが、通常の加熱処理、加圧処理で接合してもよいし、接合面の表面を中性子ガンやイオンガン、プラズマ等を照射して活性化して接合してもよい。

また、第１基板１０，第２基板３０を接合部２０を介して接合した後に、両基板を薄層化してもよい。

＜ＳＡＷ装置＞
本発明の弾性波デバイス１を不図示の回路基板に実装してＳＡＷ装置を構成してもよい。回路基板にはパワーアンプモジュールまたはＩＣ等が実装されており、これらと弾性波デバイス１を電気的に接続することで通信装置として機能する。なお、回路基板の実装面と弾性波デバイス１を覆うモールド樹脂を設けてもよい。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。また、実施の形態に示す構成と、各変形例に示す構成を適宜組み合わせてもよい。

１・・・弾性波デバイス
１０・・・第１基板
２０・・・接合部
２１・・・樹脂部
２２・・・金属層
３０・・・第２基板

Claims (9)

1. 圧電性を有する第１基板と、
   第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に配置され両者を接合する、前記第１基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる樹脂部と、前記第１基板より延性の高い材料からなり、前記第１基板および前記第２基板の面方向に延びる、前記樹脂部の厚みよりも薄い金属層と、を有する接合部と、を備える弾性波デバイス。
2. 前記金属層は、前記樹脂部の厚みの途中に設けられている、請求項１に記載の弾性波デバイス。
3. 前記第２基板は、線膨張係数が前記樹脂部よりも大きい材料からなる、請求項１または２に記載の弾性波デバイス。
4. 前記第２基板は、前記第１基板と同じ材料からなる、請求項３に記載の弾性波デバイス。
5. 前記第２基板は、線膨張係数が前記第１基板よりも小さい材料からなる、請求項１または２に記載の弾性波デバイス。
6. 前記樹脂部は、ガラス繊維または無機物のフィラーを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の弾性波デバイス。
7. 前記金属層は、磁性体材料からなる、請求項１乃至６のいずれかに記載の弾性波デバイス。
8. 圧電性を有する第１基板と、
   第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に配置され両者を接合する樹脂部と、前記第１基板より延性の高い材料からなり、前記第１基板および前記第２基板の面方向に延びる、前記樹脂部の厚みよりも薄い金属層と、を有する接合部と、を備える弾性波デバイス。
9. 圧電性を有する第１基板の主面に前記第１基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる熱硬化型の第１樹脂層を配置する工程と、
   第２基板の主面に前記第１基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数の材料からなる熱硬化型の第２樹脂層を配置する工程と、
   前記第１樹脂層または前記第２樹脂層の少なくとも一方の表面に金属層を形成する工程と、
   前記第１樹脂層と前記第２樹脂層とを前記金属層を介して対向配置する工程と、
   前記金属層を電磁誘導により加熱し、前記第１樹脂層および前記第２樹脂層を加熱して硬化させる工程と、を含む弾性波デバイスの製造方法。

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