JP2018129631A - 弾性波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】バンプに加わる応力を抑制すること。【解決手段】第１基板と、前記第１基板上に設けられたバンプ３０と、前記第１基板上に前記バンプを介し設けられ、前記第１基板上と空隙３８を挟み対向するよう配置され、圧電材料からなる圧電基板を含む第２基板と、前記第２基板のうち、前記第１基板側の面に設けられた弾性波素子２２と、前記第２基板のうち、前記第１基板側の面とは反対面に設けられ、前記第２基板の側面と少なくとも一部で接し、熱線膨張係数が前記第２基板よりも小さい支持層と、を具備する弾性波デバイス。【選択図】図７

Description

本発明は、弾性波デバイスに関し、弾性波素子が形成された基板を有する弾性波デバイスに関する。

弾性波デバイスのパッケージング方法として、弾性波素子が形成されたチップをバンプを用い基板の上面フリップチップ実装することが知られている（特許文献１から４）。

特開２００７−１８４６９０号公報 特開２００６−０４２００７号公報 特開２０００−１９６４０７号公報 特開２００７−１１６６２８号公報

しかしながら、圧電基板は線熱膨張係数が大きい。このため、バンプに応力が加わる。これにより、バンプが破損する恐れがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、バンプに加わる応力を抑制することを目的とする。

本発明は、第１基板と、前記第１基板上に設けられたバンプと、前記第１基板上に前記バンプを介し設けられ、前記第１基板上と空隙を挟み対向するよう配置され、圧電材料からなる圧電基板を含む第２基板と、前記第２基板のうち、前記第１基板側の面に設けられた弾性波素子と、前記第２基板のうち、前記第１基板側の面とは反対面に設けられ、前記第２基板の側面と少なくとも一部で接し、熱線膨張係数が前記第２基板よりも小さい支持層と、を具備する弾性波デバイスである。

上記構成において、前記第２基板の平面形状は矩形であり、前記支持層は、前記第２基板の長辺の延伸方向に延伸する構成とすることができる。

上記構成において、前記支持層は、前記第２基板の短辺方向の中央に設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記支持層は、前記第２基板の長辺に沿って設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記第２基板の平面形状は矩形であり、前記支持層は、前記第２基板の４辺に沿って設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記第２基板は前記圧電基板であり、前記支持層は前記圧電基板に埋め込まれている構成とすることができる。

上記構成において、前記第２基板は、前記圧電基板と前記圧電基板よりも熱線膨張係数が小さい支持基板とが接合された基板であり、前記支持層は、前記支持基板側に埋め込まれている構成とすることができる。

上記構成において、前記圧電基板は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である構成とすることができる。

上記構成において、平面視において前記第２基板を囲むように設けられ、前記第１基板の上面に接合する封止部を具備する構成とすることができる。

上記構成において、前記バンプは前記空隙に囲まれている構成とすることができる。

上記構成において、前記第１基板の線熱膨張係数は前記圧電基板の線熱膨張係数より小さい構成とすることができる。

上記構成において、前記支持層のヤング率は、前記第２基板のヤング率より大きい構成とすることができる。

本発明によれば、バンプに加わる応力を抑制することができる。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、シミュレーションに用いたサンプルの断面図である。 図２（ａ）から図２（ｄ）は、シミュレーションに用いたサンプルの平面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、シミュレーションに用いたサンプルの材料および寸法を示す図である。 図４は、シミュレーションに用いた各材料のヤング率、ポアソン比および線熱膨張係数を示す図である。 図５は、応力をシミュレーションした箇所を示す図である。 図６は、シミュレーションの結果を示す図である。 図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例１およびその変形例１および２に係る弾性波デバイスの断面図である。 図８は、実施例１およびその変形例における弾性波素子の平面図である。

基板上に圧電基板をフリップチップ実装したサンプルについて、バンプに加わる応力をシミュレーションした。図１（ａ）および図１（ｂ）は、シミュレーションに用いたサンプルの断面図である。図１（ａ）に示すように、断面Ａでは、基板１０上にバンプ３０を用い基板２０がフリップチップ実装されている。基板２０は圧電基板である。基板１０の上面の周縁に環状金属層１２が設けられている。基板１０の厚さはＴ１、環状金属層１２の厚さはＴ２、基板２０の厚さはＴ３、バンプ３０の高さはＨ１である。

図１（ｂ）に示すように、断面Ｂでは、基板２０の上面に埋込層３５が埋め込まれている。埋込層３５の厚さはＴ４である。その他の構成は、断面Ａと同じである。

図２（ａ）から図２（ｄ）は、シミュレーションに用いたサンプルの平面図である。図２（ａ）に示すように、平面Ａでは、基板２０の上面に埋込層３５は埋め込まれていない。バンプ３０はほぼ対称に６個設けられている。基板１０の周縁に環状金属層１２が設けられている。基板１０および圧電基板２０の平面形状は矩形である。基板１０の短辺および長辺の延伸方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向とする。積層方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は圧電基板の結晶方位とは必ずしも一致しない。基板１０のＸ方向およびＹ方向の長さはそれぞれＬｘ１およびＬｙ１である。基板２０のＸ方向およびＹ方向の長さはそれぞれＬｘ２およびＬｙ２である。基板２０の４つの角に位置するバンプ３０の中心と基板２０の端とのＸ方向およびＹ方向の距離はそれぞれＬｘ３およびＬｙ３である。バンプ３０の直径はφである。環状金属層１２の幅はＷ１である。

図２（ｂ）に示すように、平面Ｂでは、基板２０の４辺に沿って埋込層３５が埋め込まれている。埋込層３５の幅はＷ２である。その他の構成は平面Ａと同じである。

図２（ｃ）に示すように、平面Ｃでは、基板２０の上面に３本の埋込層３５が埋め込まれている。２本の埋込層３５は基板２０の２つの長辺に沿って設けられている。１本の埋込層３５は基板２０の短辺方向の中央に設けられている。埋込層３５の幅はＷ２である。その他の構成は平面Ａと同じである。

図２（ｄ）に示すように、平面Ｄでは、平面Ｃの埋込層３５に加え、長辺方向の中央に短辺の延伸方向に延伸する埋込層３５が設けられている。その他の構成は平面Ｃと同じである。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、シミュレーションに用いたサンプルの材料および寸法を示す図である。図３（ａ）に示すように、基板１０の材料はＨＴＣＣ（High Temperature Co-Fired Ceramic）である。Ｌｘ１、Ｌｙ１および厚さＴ１はそれぞれ０．７８ｍｍ、０．９８ｍｍおよび０．１２ｍｍである。基板２０の材料はチタン酸リチウム（ＬＴ）である。Ｌｘ２、Ｌｙ２およびＴ３はそれぞれ０．６６ｍｍ、０．８６ｍｍおよび０．１５ｍｍである。バンプ３０の材料は金（Ａｕ）である。Ｌｘ３、Ｌ３ｙ、φおよびＨ１はそれぞれ１５５μｍ、１３０μｍ、８０μｍおよび１５μｍである。環状金属層１２の材料はタングステン（Ｗ）である。環状金属層１２の幅Ｗ１および厚さＴ２はそれぞれ５５μｍおよび２０μｍである。埋込層３５の材料はタングステンである。埋込層３５の幅Ｗ２および厚さＴ４はそれぞれ５５μｍおよび３０μｍである。

図３（ｂ）に示すように、サンプル１から４についてシミュレーションした。サンプル１は埋込層３５が設けられていない断面Ａおよび平面Ａである。サンプル２から４は基板２０の上面に埋込層３５が埋め込まれている断面Ｂである。サンプル２から４はそれぞれ平面ＢからＤである。

図４は、シミュレーションに用いた各材料のヤング率、ポアソン比および線熱膨張係数を示す図である。図４に示すように、タンタル酸リチウム基板の線熱膨張係数は結晶方位により異なる。Ｘ、ＹおよびＺは、それぞれ結晶方位がＸ軸方位、Ｙ軸方位およびＺ軸方位の線熱膨張係数である。Ｘ軸方位の線熱膨張係数が最も大きく、Ｙ軸方位の線熱膨張係数が最も小さい。金の線熱膨張係数はタンタル酸リチウムのＸ軸方位の線熱膨張係数と同程度である。ＨＴＣＣおよびタングステンの線熱膨張係数はタンタル酸リチウムのＹ軸方位の線熱膨張係数より小さい。金のヤング率はタンタル酸リチウムのヤング率より小さい。タングステンのヤング率はタンタル酸リチウムのヤング率より大きい。

図５は、応力をシミュレーションした箇所を示す図である。応力は、平面視において４つの角に位置するバンプ３０の基板２０側の面に集中する。そこで、４つの角に位置するバンプ３０のうち１つについて、バンプ３０が基板２０に接する面において、最も応力が集中する（すなわち最も応力が大きい）箇所５０における応力をシミュレーションした。基板１０を８０℃、基板２０を２３０℃とし基板２０を基板１０上にフリップチップ実装した後、２５℃に冷却したときの応力をシミュレーションした。

図６は、シミュレーションの結果を示す図である。ドットはシミュレーション結果を示し、数字は応力値を示す。図６に示すように、サンプル１から４になるに従いバンプ３０に加わる応力が小さくなる。サンプル１とサンプル２から４との比較より、基板２０の上面に埋込層３５を埋め込むと、バンプ３０に加わる応力が小さくなる。サンプル２に比べサンプル３では応力が小さくなっている。これにより、中央に埋込層３５が埋め込まれることでバンプ３０に加わる応力が小さくなると考えられる。サンプル３と４とでは応力はあまり変わっていない。これにより、埋込層３５は短辺の延伸方向に延伸するより長辺の延伸方向に延伸する方が応力が小さくなると考えられる。

以上のシミュレーションのように、埋込層３５を設けないサンプル１では、基板１０と基板２０との線熱膨張係数の差により、基板２０が反る。このため、バンプ３０に大きな応力が加わる。そこで、埋込層３５を基板２０の上面に設けられた凹部に埋め込むことにより、バンプ３０に加わる応力が抑制できる。基板２０は線熱膨張係数が大きいため、温度が低くなると収縮する。これにより、サンプル１では、バンプ３０と基板２０との界面における応力が大きくなる。サンプル２から４では、基板２０より線熱膨張係数が小さい埋込層３５の側面が基板２０内の凹部の側面に接している。これにより、基板２０が縮小することを抑制する。よって、基板２０の反りが小さくなり、バンプ３０に加わる応力を抑制できる。

以上のシミュレーション結果を踏まえ、実施例について説明する。

図７（ａ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの断面図である。図７（ａ）に示すように、基板１０は、絶縁層１０ａおよび１０ｂを有している。基板１０は、ＨＴＣＣ基板、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co‐fired Ceramics）等のセラミック基板または樹脂基板である。基板１０の上面に配線１４が設けられている。基板１０の下面に端子１８が設けられている。内部配線１６はビア配線１６ａ、１６ｂおよび配線１６ｃを有している。ビア配線１６ａおよび１６ｂはそれぞれ絶縁層１０ａおよび１０ｂを貫通する。内部配線１６は絶縁層１０ａと１０ｂとの間に設けられている。内部配線１６は、配線１４と端子１８とを電気的に接続する。配線１４、内部配線１６および端子１８は例えば銅層、アルミニウム層または金層等の金属層である。

基板２０の下面に弾性波素子２２および配線２４が設けられている。基板２０は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である。配線２４は例えば銅層、アルミニウム層または金層等の金属層である。基板２０はバンプ３０を介し基板１０にフリップチップ実装（フェースダウン実装）されている。バンプ３０は、例えば金バンプ、半田バンプまたは銅バンプである。バンプ３０は配線１４と２４とを接合する。

基板２０の上面に凹部が設けられ、凹部内に埋込層３５が埋め込まれている。埋込層３５は、基板２０より線熱膨張係数が小さく、基板２０よりヤング率が大きい材料である。基板１０がタンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板の場合、このような材料として、例えばタングステン、モリブデン、タンタルもしくはチタン、またはこれらの合金もしくは積層膜を用いる。

基板１０上に基板２０を囲むように封止部３２が設けられている。封止部３２は、エポキシ樹脂等の樹脂層である。弾性波素子２２は空隙３８を挟み基板１０の上面に対向している。バンプ３０は空隙３８に囲まれている。

［実施例１の変形例１］
図７（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る弾性波デバイスの断面図である。図７（ｂ）に示すように、基板２０は、圧電基板２０ａと支持基板２０ｂを有している。支持基板２０ｂの下面に圧電基板２０ａが接合されている。支持基板２０ｂは例えばサファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板またはシリコン基板である。圧電基板２０ａは、例えばタンタルリチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である。埋込層３５は、支持基板２０ｂの上面の凹部内に設けられている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

［実施例１の変形例２］
図７（ｃ）は、実施例１の変形例２に係る弾性波デバイスの断面図である。図７（ｃ）に示すように、封止部３２および基板２０の上面にリッド３４が設けられている。基板２０の上面とリッド３４との間に封止部３２が設けられていてもよい。リッド３４、封止部３２および埋込層３５を覆うように保護膜３６が設けられている。封止部３２は、例えばＳｎＡｇ半田等の金属層である。リッド３４は、コバール板等の金属板または絶縁体板である。保護膜３６は、ニッケル膜等の金属膜または絶縁体膜である。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

図８は、実施例１およびその変形例における弾性波素子の平面図である。図８に示すように、弾性波素子２２は弾性表面波共振器である。圧電基板２０上にＩＤＴ（Interdigital Transducer）４０と反射器４２が形成されている。ＩＤＴ４０は、互いに対向する１対の櫛型電極４０ａを有する。櫛型電極４０ａは、複数の電極指４０ｂと複数の電極指４０ｂを接続するバスバー４０ｃとを有する。反射器４２は、ＩＤＴ４０の両側に設けられている。ＩＤＴ４０が圧電基板２０に弾性表面波を励振する。ＩＤＴ４０および反射器４２は例えばアルミニウム膜または銅膜により形成される。圧電基板２０上にＩＤＴ４０および反射器４２を覆うように保護膜または温度補償膜が設けられていてもよい。弾性波素子２２は、弾性波を励振する電極を含む。このため、弾性波の励振を阻害しないように、弾性波素子２２は空隙３８に覆われている。

実施例１およびその変形例２では、基板２０（第２基板）は、下面に弾性波素子２２が設けられた圧電基板である。実施例１の変形例１では、基板（第２基板）は、下面に弾性波素子２２が設けられた圧電基板２０ａを含む。基板２０は、弾性波素子２２が基板１０（第１基板）の上面と空隙３８を挟み対向するように、基板１０の上面上にバンプ３０を用いフリップチップ実装されている。埋込層３５は、基板２０の上面に設けられた凹部に埋め込まれている。実施例１およびその変形例２では、埋込層３５は凹部が設けられた圧電基板の基板２０の線熱膨張係数より小さい線熱膨張係数を有する。実施例１の変形例１では、埋込層３５は凹部が設けられた支持基板２０ｂの線熱膨張係数より小さい線熱膨張係数を有する。

このように、基板１０（第１基板）上に設けられたバンプ３０が設けられている。基板２０（第２基板）は、基板１０上にバンプ３０を介し設けられ、基板１０と空隙３８を挟み対向するよう配置され、圧電材料からなる圧電基板を含む。弾性波素子２２は、基板２０のうち、基板１０側の面に設けられている。埋込層３５（支持層）は、基板２０のうち、基板１０側の面とは反対面に設けられ、基板２０の側面と少なくとも一部で接し、熱線膨張係数が基板２０よりも小さい。図７（ａ）から図７（ｃ）のように凹部は段差でもよい。埋込層３５は片側の側面が基板２０に接し反対側の側面は基板２０に接していなくてもよい。埋込層３５は両側の側面が基板２０に接していてもよい。埋込層３５は側面が基板２０に接することで基板２０を支持する支持層である。

これにより、線熱膨張係数の大きい基板２０によりバンプ３０に加わる応力を抑制できる。基板２０の下面には弾性波素子２２および配線２４が設けられている。このため、埋込層３５を基板２０の下面に設けると、基板２０の面積が大きくなる。実施例１およびその変形例のように、埋込層３５を基板２０の上面に設けることで、基板２０の面積を小さくできる。埋込層３５の線熱膨張係数は、凹部が設けられた基板の線熱膨張係数の２／３以下が好ましく、１／２以下がより好ましい。

基板２０の線熱膨張係数が結晶方位により異なる場合、埋込層３５の線熱膨張係数は、基板２０の上面内において最も大きい線熱膨張係数より小さいことが好ましく、基板２０の上面内において最も小さい線熱膨張係数より小さいことが好ましい。

埋込層３５が圧電基板２０の収縮をより抑制するため、埋込層３５のヤング率（剛性）は、基板２０のうち凹部が埋め込まれた基板のヤング率（剛性）より大きいことが好ましい。埋込層３５のヤング率は、凹部が設けられた基板のヤング率の１．２倍以上が好ましく、１．５倍以上がより好ましい。

図２（ｂ）から図２（ｄ）のサンプル２から４のように、基板２０の平面形状が矩形の場合、圧電基板２０は長辺方向に最も収縮しやすい。そこで、埋込層３５は、基板２０の長辺の延伸方向に延伸する。これにより、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。埋込層３５は、短辺方向からみてバンプ３０と重なっていることが好ましく、長辺方向全てに設けられることがより好ましい。

図２（ｃ）および図２（ｄ）のサンプル３および４のように、埋込層３５は、基板２０の短辺方向の中央に設けられている。これにより、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。埋込層３５は、基板２０の短辺方向の中央は、幾何学的な中心でなくてもよい。

図２（ｂ）から図２（ｄ）のサンプル２から４のように、埋込層３５は、基板２０の長辺に沿って設けられている。これにより、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。

図２（ｂ）のサンプル２のように、埋込層３５は、基板２０の４辺に沿って設けられている。これにより、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。

実施例１およびその変形例２のように、基板２０は圧電基板であり、埋込層３５は圧電基板に埋め込まれている。圧電基板は線熱膨張係数が大きい。よって、圧電基板の上面に埋込層３５を埋め込むことで、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。

実施例１の変形例１のように、基板２０は、圧電基板２０ａと圧電基板２０ａよりも熱線膨張係数が小さい支持基板２０ｂとが接合された基板である。支持基板２０ｂが圧電基板２０ａの収縮を抑制する。よって、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。支持基板２０ｂより線熱膨張係数の小さな埋込層３５が支持基板２０ｂ側に埋め込まれている。これにより、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。支持基板２０ｂと圧電基板２０ａは常温において接合されていることが好ましい。

圧電基板がタンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である場合、圧電基板の線熱膨張係数が大きい。よって、埋込層３５を基板２０に埋め込むことが好ましい。

圧電基板として、回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板または回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板を用いる場合、埋込層３５は、線熱膨張係数が最も大きいＸ軸方位に延伸することが好ましい。これにより、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。

実施例１およびその変形例では、封止部３２は、平面視において基板２０を囲むように設けられ、埋込層３５の上面に接合する。弾性波素子２２において発生した熱を基板２０、埋込層３５を介し封止部３２を介し熱を放出できる。特に、封止部３２が金属の場合、放熱性を向上できる。シミュレーションに用いた構造のように、封止部は設けられていなくてもよい。

バンプ３０が空隙３８に囲まれている場合、バンプ３０が破損しやすい。よって、この場合埋込層３５を圧電基板２０に埋め込むことが好ましい。

基板１０の線熱膨張係数が圧電基板の線熱膨張係数より小さい場合、圧電基板２０と基板１０との線熱膨張係数の差に起因し、バンプ３０に応力が加わりやすい。よって、埋込層３５を基板２０に埋め込むことが好ましい。基板１０の上面に弾性波素子、受動素子または能動素子が設けられていてもよい。

弾性波素子２２はフィルタでもよい。弾性波デバイスは、デュプレクサ等のマルチプレクサでもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０、２０ 基板
１４、２４ 配線
１６ 内部配線
１８ 端子
２０ａ 圧電基板
２０ｂ 支持基板
３０ バンプ
３２ 封止部
３５ 埋込層

Claims (12)

1. 第１基板と、
   前記第１基板上に設けられたバンプと、
   前記第１基板上に前記バンプを介し設けられ、前記第１基板上と空隙を挟み対向するよう配置され、圧電材料からなる圧電基板を含む第２基板と、
   前記第２基板のうち、前記第１基板側の面に設けられた弾性波素子と、
   前記第２基板のうち、前記第１基板側の面とは反対面に設けられ、前記第２基板の側面と少なくとも一部で接し、熱線膨張係数が前記第２基板よりも小さい支持層と、
   を具備する弾性波デバイス。
2. 前記第２基板の平面形状は矩形であり、
   前記支持層は、前記第２基板の長辺の延伸方向に延伸する請求項１記載の弾性波デバイス。
3. 前記支持層は、前記第２基板の短辺方向の中央に設けられている請求項２記載の弾性波デバイス。
4. 前記支持層は、前記第２基板の長辺に沿って設けられている請求項２または３記載の弾性波デバイス。
5. 前記第２基板の平面形状は矩形であり、
   前記支持層は、前記第２基板の４辺に沿って設けられている請求項１から３のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
6. 前記第２基板は前記圧電基板であり、
   前記支持層は前記圧電基板に埋め込まれている請求項１から５のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
7. 前記第２基板は、前記圧電基板と前記圧電基板よりも熱線膨張係数が小さい支持基板とが接合された基板であり、
   前記支持層は、前記支持基板側に埋め込まれている請求項１から５のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
8. 前記圧電基板は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である請求項１から７のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
9. 平面視において前記第２基板を囲むように設けられ、前記第１基板の上面に接合する封止部を具備する請求項１から８のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
10. 前記バンプは前記空隙に囲まれている請求項１から９のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
11. 前記第１基板の線熱膨張係数は前記圧電基板の線熱膨張係数より小さい請求項１から１０のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
12. 前記支持層のヤング率は、前記第２基板のヤング率より大きい請求項１から１１のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
    

Images