JP2018037719A - 弾性波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低背化を進めることができ、反射係数を十分に大きくすることができ、かつ高調波歪を抑制することができる、弾性波装置を提供する。
【解決手段】弾性波装置１は、互いに対向し合う第１，第２の主面２ａ，２ｂを有する圧電基板２と、圧電基板２の第１の主面２ａに設けられているＩＤＴ電極４を有する、弾性波素子３と、ＩＤＴ電極４を覆うように、圧電基板２の第１の主面２ａ上に設けられている第１の保護膜１６（保護膜）とを備える。ＩＤＴ電極４は、第１の保護膜１６よりも密度が高い金属からなる主電極層を含む。圧電基板２の厚みは０．３５ｍｍ以下であり、第２の主面２ｂに凹凸が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性波装置に関する。

従来、弾性波装置は、携帯電話機のフィルタなどに広く用いられている。下記の特許文献１には、ＷＬＰ（Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｐａｃｋａｇｅ）構造の弾性波装置の一例が開示されている。特許文献１の弾性波装置では、圧電基板上に、ＩＤＴ電極を覆うように保護層が設けられている。これにより、温度変化による弾性波装置の電気的特性の変化が抑制されている。また、圧電基板の厚みは０．２ｍｍ〜０．５ｍｍとされており、低背化が図られている。

特開２０１２−２０９８４１号公報

特許文献１に記載のような保護層を有する弾性波装置においては、ＩＤＴ電極がＡｌなどの密度が低い金属からなる場合、ＩＤＴ電極の反射係数が不十分であった。そのため、弾性波装置の電気的特性が劣化しがちであった。そこで、反射係数が大きい、ＰｔなどからなるＩＤＴ電極が、ＩＤＴ電極表面に弾性波を閉じ込めるラダー型フィルタや縦結合共振子型弾性波フィルタなどに多く用いられている。

しかしながら、上記のような密度が高い金属からなるＩＤＴ電極を用いた弾性波装置においては、バルク波の影響は受けにくい一方、大きな電力を印加した場合、高調波歪が生じることがあった。圧電基板の厚みが薄い場合には、特に高調波歪が発生し易い傾向があった。

本発明の目的は、低背化を進めることができ、反射係数を十分に大きくすることができ、かつ高調波歪を抑制することができる、弾性波装置を提供することにある。

本発明に係る弾性波装置は、互いに対向し合う第１，第２の主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の前記第１の主面に設けられているＩＤＴ電極を有する、弾性波素子と、前記ＩＤＴ電極を覆うように、前記圧電基板の前記第１の主面上に設けられている保護膜とを備え、前記ＩＤＴ電極が、前記保護膜よりも密度が高い金属からなる主電極層を含み、前記圧電基板の厚みが０．３５ｍｍ以下であり、前記第２の主面に凹凸が設けられている。

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記弾性波素子がラダー型フィルタ及び縦結合共振子型弾性波フィルタのうち一方を構成する。この場合には、本発明を特に好適に適用することができる。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記圧電基板の厚みが０．１８ｍｍ以下である。この場合には、通過帯域における高調波歪の影響をより一層容易に小さくすることができる。加えて、低背化をより一層進めることもできる。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、アンテナに接続される弾性波装置であって、前記圧電基板の厚みが、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチにより規定される弾性波の波長をλとしたときに、アンテナ側に最も近い前記弾性波素子のＩＤＴ電極の厚みが４２λ以下である。この場合には、通過帯域における高調波歪の影響をより一層容易に小さくすることができる。加えて、低背化をより一層進めることもできる。

本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記圧電基板の前記第２の主面の前記凹凸による算術平均粗さ（Ｒａ）が１１５ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下である。この場合には、高調波歪をより一層抑制することができ、かつ圧電基板の割れや欠けが生じ難い。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、レイリー波及びラブ波のうち一方を利用している。この場合には、本発明を特に好適に適用することができる。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記保護膜が酸化ケイ素を主成分とする。この場合には、温度変化によって弾性波装置の電気的特性が変化することを抑制し得る。

本発明によれば、低背化を進めることができ、反射係数を十分に大きくすることができ、かつ高調波歪を抑制することができる、弾性波装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 本発明の第１の実施形態におけるＩＤＴ電極の電極指の拡大正面断面図である。 圧電基板の厚みを０．１２５ｍｍとし、第２の主面の算術表面粗さＲａを１１５ｎｍとした、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。 圧電基板の厚みを０．２ｍｍとし、第２の主面の算術表面粗さＲａを１０００ｎｍとした、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。 圧電基板の厚みを０．３５ｍｍとし、第２の主面の算術表面粗さＲａを１０００ｎｍとした、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。 圧電基板の厚みを０．３５ｍｍとし、第２の主面の算術表面粗さＲａを２０００ｎｍとした、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。 圧電基板の厚みを０．１２５ｍｍとした、比較例の弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。 圧電基板の厚みを０．２ｍｍとした、比較例の弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置における圧電基板の厚みと３次高調波歪のピーク間隔との関係を示す図である。 比較例の弾性波装置における入力電力周波数と、高調波歪レベルとの関係を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。

弾性波装置１は圧電基板２を有する。圧電基板２は、互いに対向し合う第１，第２の主面２ａ，２ｂを有する。第２の主面２ｂには凹凸が設けられている。該凹凸は、圧電基板２の第２の主面２ｂ側を粗面処理することにより設けられた凹凸である。粗面処理としては、特に限定されないが、例えば、グラインド処理などを挙げることができる。

圧電基板２の厚みは０．３５ｍｍ以下である。それによって、弾性波装置１の低背化を進めることができる。本実施形態では、圧電基板２は、１２８．５°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ_３基板である。なお、圧電基板２のカット角は上記に限定されない。圧電基板２は、ＬｉＴａＯ_３などのＬｉＮｂＯ_３以外の圧電単結晶や、適宜の圧電セラミックスからなっていてもよい。

圧電基板２の第１の主面２ａには、弾性波素子３が構成されている。本実施形態の弾性波素子３は、特に限定されないが、アンテナに接続される弾性波フィルタである。弾性波素子３は、ラダー型フィルタ及び縦結合共振子型弾性波フィルタのうち一方を構成することが好ましい。この場合には、本発明を特に好適に適用することができる。

なお、本明細書では、弾性波素子３が縦結合共振子型弾性波フィルタである場合、弾性波素子３は、特性調整用の弾性波共振子を有する構成も含むものとする。

弾性波素子３は、第１の主面２ａ上に設けられているＩＤＴ電極４を有する。第１の主面２ａ上には、ＩＤＴ電極４に電気的に接続されている電極ランド５が設けられている。ＩＤＴ電極４に交流電圧を印加することにより弾性波が励振される。本実施形態では、ＩＤＴ電極４の電極指ピッチにより規定される弾性波の波長λは４．３μｍである。なお、波長λの値は上記に限定されない。

弾性波装置１はレイリー波を利用している。なお、弾性波装置１が利用する弾性波は、レイリー波及びラブ波のうち一方であることが好ましい。この場合には、本発明を特に好適に適用することができる。

ＩＤＴ電極４を覆うように、圧電基板２の第１の主面２ａ上に、第１の保護膜１６が設けられている。第１の保護膜１６はＳｉＯ_２からなる。それによって、温度変化によって弾性波装置１の電気的特性が変化することを抑制し得る。このように、本実施形態では、第１の保護膜１６は温度補償膜である。

温度補償膜としての第１の保護膜１６には、ＳｉＯ_２以外の、酸化ケイ素を主成分とする誘電体を用いることもできる。ここで、酸化ケイ素を主成分とする誘電体膜とは、ＳｉＯ_２に限らず、ＳｉＯ_ｘ（ｘは整数）を５０重量％よりも多く含む誘電体材料からなることを意味する。なお、第１の保護膜１６は、酸化ケイ素以外の適宜の誘電体からなっていてもよい。第１の保護膜１６は温度補償膜には限定されない。

第１の保護膜１６上には第２の保護膜１７が設けられている。本実施形態では、第２の保護膜１７はＳｉＮからなる。第２の保護膜１７は周波数調整膜である。なお、第２の保護膜１７は、ＳｉＮ以外の適宜の誘電体からなっていてもよい。第２の保護膜１７は、周波数調整膜には限定されない。ここで、本発明における保護膜は第１の保護膜１６であり、第２の保護膜１７は必ずしも設けられていなくともよい。

ＩＤＴ電極４は、第１の保護膜１６よりも密度が高い金属からなる主電極層を含む。より具体的には、本実施形態では、主電極層はＰｔからなる。なお、本明細書においては、主電極層とは、弾性波の励振において支配的な電極層をいうものとする。

図１に示すように、弾性波装置１はＷＬＰ構造の弾性波装置である。より具体的には、圧電基板２の第１の主面２ａ上には、第１，第２の保護膜１６，１７を介して、支持部材６が設けられている。支持部材６は開口部６ａを有する。平面視において、開口部６ａはＩＤＴ電極４を囲んでいる。平面視において、支持部材６は電極ランド５を覆っている。

なお、支持部材６は第１の主面２ａ上に直接設けられていてもよい。この場合には、第１，第２の保護膜１６，１７は開口部６ａの内側に位置しており、電極ランド５は支持部材６に覆われている。

弾性波装置１においては、開口部６ａを覆うように、支持部材６上にカバー部材７が設けられている。ＩＤＴ電極４は、圧電基板２、支持部材６及びカバー部材７により囲まれた中空空間に配置されている。

支持部材６及びカバー部材７を貫通しており、かつ一端が電極ランド５に接続されている、ビア電極８が設けられている。ビア電極８の他端には、バンプ９が接合されている。弾性波装置１は、バンプ９を介して、実装基板などに実装される。ＩＤＴ電極４は、電極ランド５、ビア電極８及びバンプ９を介して外部に電気的に接続される。

なお、本発明に係る弾性波装置はＷＬＰ構造の弾性波装置ではなくともよく、例えば、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）構造の弾性波装置であってもよい。

本実施形態の特徴は、圧電基板２の厚みが０．３５ｍｍ以下であり、第１の保護膜１６が設けられており、ＩＤＴ電極４が保護膜よりも密度が高い金属からなる主電極層を含み、かつ第２の主面２ｂが凹凸を有することにある。それによって、低背化を進めることができ、反射係数を十分に大きくすることができ、かつ高調波歪を抑制することができる。これを、本実施形態の詳細とともに、以下において説明する。

図２は、第１の実施形態におけるＩＤＴ電極の電極指の拡大正面断面図である。

図２に示すように、ＩＤＴ電極４は、複数の金属層が積層された積層金属膜からなる。より具体的には、ＩＤＴ電極４は第１の金属層４ａ、上記主電極層である第２の金属層４ｂ及び第３〜第５の金属層４ｃ〜４ｅを含む。圧電基板２の第１の主面２ａ上に、第１〜第５の金属層４ａ〜４ｅがこの順序で積層されている。

本実施形態では、第１の金属層４ａは、特に限定されないが、ＮｉＣｒからなる。第１の金属層４ａは、第２の金属層４ｂよりも圧電基板２との密着性が高い金属からなることが好ましい。

第２の金属層４ｂは、上述したように、Ｐｔからなる。なお、第２の金属層４ｂは上記に限定されず、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｉ、ＭｏまたはＴｉなどの、第１の保護膜１６よりも密度が高い金属からなっていればよい。それによって、反射係数を十分に高くすることができる。よって、ＩＤＴ電極４の表面に信号を効果的に閉じ込めることができる。

第３の金属層４ｃは、特に限定されないが、Ｔｉからなる。第３の金属層４ｃが設けられていることにより、第２の金属層４ｂと第４の金属層４ｄとの相互拡散が生じ難い。第４の金属層４ｄは、特に限定されないが、ＡｌＣｕからなる。第４の金属層４ｄは、第２の金属層４ｂよりも導電性が高い金属からなることが好ましい。第５の金属層４ｅは、特に限定されないが、Ｔｉからなる。第５の金属層４ｅは、例えば、耐腐食性が高い金属からなることが好ましい。それによって、ＩＤＴ電極４が劣化し難い。

なお、ＩＤＴ電極４は、第１〜第５の金属層４ａ〜４ｅを含むような、上記の構成には限定されない。例えば、ＩＤＴ電極４は主電極層のみからなっていてもよい。

以下において、第１の実施形態と比較例とを比較することにより、第１の実施形態において、高調波歪を効果的に抑制できることを示す。

第１の実施形態の構成を有する弾性波装置を、圧電基板の厚み及び第２の主面の算術表面粗さＲａを異ならせて、複数作製した。他方、比較例の弾性波装置も、圧電基板の厚みを異ならせて、複数作製した。比較例の弾性波装置は、圧電基板の第２の主面に凹凸が設けられていない点以外は、第１の実施形態と同様の構成を有する。なお、比較例における第２の主面には鏡面処理が施されている。

ここで、本明細書においては、算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３において規定される算術平均粗さＲａを示す。

各弾性波装置の３次高調波歪レベルを評価した。より具体的には、周波数を異ならせて１５ｄＢｍの電力を入力し、３次高調波歪レベルをそれぞれ測定した。各弾性波装置の圧電基板の厚み及び第２の主面の算術平均粗さＲａ並びに３次高調波歪のピークレベル及びピーク間隔Δｆは、下記の表１に示す。各弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係は、下記の図３〜図８に示す。

表１におけるＡ〜Ｄが第１の実施形態の弾性波装置を示し、Ｅ及びＦが比較例の弾性波装置を示す。３次高調波歪のピークが複数ある場合には、表１においては、最も大きいピークレベルが示されている。なお、Ｄの結果のみピークは１つとなっている。比較例においては、第２の主面の算術表面粗さＲａが３５ｎｍとなるように、第２の主面に鏡面処理が施されている。

図３は、圧電基板の厚みを０．１２５ｍｍとし、第２の主面の算術表面粗さＲａを１１５ｎｍとした、第１の実施形態に係る弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。図４は、圧電基板の厚みを０．２ｍｍとし、第２の主面の算術表面粗さＲａを１０００ｎｍとした、第１の実施形態に係る弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。図５は、圧電基板の厚みを０．３５ｍｍとし、第２の主面の算術表面粗さＲａを１０００ｎｍとした、第１の実施形態に係る弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。図６は、圧電基板の厚みを０．３５ｍｍとし、第２の主面の算術表面粗さＲａを２０００ｎｍとした、第１の実施形態に係る弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。

図３は表１におけるＡの結果であり、図４はＢの結果であり、図５はＣの結果であり、図６はＤの結果である。なお、図３〜図６中の一点鎖線は、３次高調波歪レベルがピークとなる入力電力周波数を示す。後述する図７、図８及び図１０においても同様である。

図７は、圧電基板の厚みを０．１２５ｍｍとした、比較例の弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。図８は、圧電基板の厚みを０．２ｍｍとした、比較例の弾性波装置における入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示す図である。図７は表１におけるＥの結果であり、図８はＦの結果である。

圧電基板の厚みが薄く、かつ密度が高い金属からなるＩＤＴ電極を用いた弾性波装置においては、低背化を進めることができ、かつ反射係数を大きくすることができる。しかしながら、図７、図８及び表１に示すように、比較例であるＥ及びＦの３次高調波歪のピークレベルは、いずれも−１００より大きい。ピークレベルが−１００より大きい場合には、弾性波装置の電気的特性が大きく劣化することが多い。

これに対して、第１の実施形態では、圧電基板の第２の主面は、粗面処理により設けられた凹凸を有する。図３〜図６及び表１に示すように、第１の実施形態であるＡ〜Ｄの３次高調波歪のピークレベルは、いずれも−１００より小さい。このように、第１の実施形態によれば、低背化を進めることができ、反射係数を大きくすることができ、かつ高調波歪を効果的に抑制することができる。

圧電基板の第２の主面の算術表面粗さＲａは、１１５ｎｍ以上であることが好ましく、１０００ｎｍ以上であることがより好ましい。それによって、高調波歪をより一層抑制することができる。図６に示す、第２の主面の算術表面粗さＲａが２０００ｎｍの場合は、３次高調波歪のピークレベルが特に小さく、３次高調波歪のピークは１つとなっている。

第２の主面の算術表面粗さＲａは、２０００ｎｍ以下であることが好ましい。それによって、圧電基板の機械強度を好適に高めることができ、圧電基板の割れや欠けが生じ難い。

ここで、表１の結果を用いた、圧電基板の厚みと３次高調波歪のピーク間隔との関係を示す。なお、圧電基板の厚みを、上記波長λで規格化したｔとする。

図９は、第１の実施形態に係る弾性波装置における圧電基板の厚みと３次高調波歪のピーク間隔との関係を示す図である。

図９に示すように、圧電基板の厚みｔが薄くなるほど、ピーク間隔Δｆが広くなっていることがわかる。この関係は、近似式Δｆ＝４１９／ｔにより表すことができる。ピーク間隔Δｆを広くすることにより、例えば、３次高調波歪がピークとなる周波数間の周波数帯域に、弾性波フィルタの通過帯域を容易に配置することができる。この場合には、通過帯域における３次高調波歪の影響を容易に小さくすることができる。圧電基板の厚みｔは４２λ以下であることが好ましい。それによって、ピーク間隔Δｆを１０ＭＨｚ以上とすることができる。従って、通過帯域における３次高調波歪の影響をより一層容易に小さくすることができる。

図３〜図８では、入力電力周波数と３次高調波歪レベルとの関係を示したが、図１０に示すように、２次高調波歪レベルがピークとなる周波数は、３次高調波歪レベルがピークとなる周波数と一致している。なお、図１０においては、実線が３次高調波歪レベルを示し、破線が２次高調波歪レベルを示す。図示していないが、他の高調波歪レベルがピークとなる入力電力周波数も、３次高調波歪がピークとなる周波数と一致する。このように、圧電基板の厚みｔを４２λ以下とすることにより、通過帯域における３次高調波歪以外の高調波歪の影響も、より一層小さくすることができる。

なお、第１の実施形態においては、λ＝４．３μｍであるため、図１に示す圧電基板２の厚みは、０．１８ｍｍにすることが好ましい。この場合においても、上記と同様に、通過帯域における高調波歪の影響をより一層容易に小さくすることができる。加えて、低背化をより一層進めることもできる。

弾性波素子３がラダー型フィルタや縦結合共振子型弾性波フィルタである場合、弾性波素子３は、ＩＤＴ電極４を複数有する。各ＩＤＴ電極４の波長λは、所望の特性に応じて適宜選択してもよい。このとき、アンテナ側に最も近い弾性波共振子または縦結合共振子型弾性波フィルタのＩＤＴ電極４の波長λが、上記のような圧電基板２の厚みの規格化に用いられることが好ましい。それによって、高調波歪をより一層抑制することができる。

例えば、携帯電話機のフロントエンドモジュールなどにおいては、大きな電力が印加されることが多い。第１の実施形態に係る弾性波装置においては、大きな電力が印加された場合においても、高調波歪の影響を効果的に小さくすることができる。このように、本発明は、フロントエンドモジュールなどにも好適に適用することができる。

ところで、弾性波装置の電気的特性を劣化させる要因として、バルク波が知られている。バルク波の影響は、圧電基板の厚みを厚くすることにより低減される傾向がある。他方、レイリー波やラブ波を利用するラダー型フィルタや縦結合共振子型フィルタにおいては、圧電基板の厚みが薄い場合であっても、通過帯域に対するバルク波の影響は小さい。そのため、圧電基板の厚みを薄くし、かつ鏡面処理を行った場合も、バルク波の影響は小さかった。しかしながら、圧電基板を薄くした場合には、相互変調歪などを含む高調波歪の影響を低減することは困難であった。高調波歪は、主に、共振周波数から反共振周波数までの周波数帯域における、圧電基板の微小な厚み振動などにより生じるものと考えられる。本発明においては、第２の主面に凹凸が設けられていることにより、上記厚み振動の影響を低減することができ、高調波歪を抑制することができるものと考えられる。

１…弾性波装置
２…圧電基板
２ａ，２ｂ…第１，第２の主面
３…弾性波素子
４…ＩＤＴ電極
４ａ〜４ｅ…第１〜第５の金属層
５…電極ランド
６…支持部材
６ａ…開口部
７…カバー部材
８…ビア電極
９…バンプ
１６，１７…第１，第２の保護膜

Claims (7)

1. 互いに対向し合う第１，第２の主面を有する圧電基板と、
   前記圧電基板の前記第１の主面に設けられているＩＤＴ電極を有する、弾性波素子と、
   前記ＩＤＴ電極を覆うように、前記圧電基板の前記第１の主面上に設けられている保護膜と、
   を備え、
   前記ＩＤＴ電極が、前記保護膜よりも密度が高い金属からなる主電極層を含み、
   前記圧電基板の厚みが０．３５ｍｍ以下であり、前記第２の主面に凹凸が設けられている、弾性波装置。
2. 前記弾性波素子がラダー型フィルタ及び縦結合共振子型弾性波フィルタのうち一方を構成する、請求項１に記載の弾性波装置。
3. 前記圧電基板の厚みが０．１８ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の弾性波装置。
4. アンテナに接続される弾性波装置であって、
   前記圧電基板の厚みが、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチにより規定される弾性波の波長をλとしたときに、アンテナ側に最も近い前記弾性波素子のＩＤＴ電極の厚みが４２λ以下である、請求項１または２に記載の弾性波装置。
5. 前記圧電基板の前記第２の主面の前記凹凸による算術平均粗さ（Ｒａ）が１１５ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
6. レイリー波及びラブ波のうち一方を利用している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性波装置。
7. 前記保護膜が酸化ケイ素を主成分とする、請求項１〜６のいずれか1項に記載の弾性波装置。