JP2018166259A

JP2018166259A - 弾性波素子

Info

Publication number: JP2018166259A
Application number: JP2017062685A
Authority: JP
Inventors: 剛仲井; Takeshi Nakai; 祐介森本; Yusuke Morimoto; 深野　徹; Toru Fukano; 徹深野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2018-10-25

Abstract

【課題】高い周波数特性を有する弾性波素子を提供する。【解決手段】弾性波素子１は、基板３と、基板３の下面に配置された、基板３に比べて熱伝導率の高い材料からなる支持基板３１と、基板３の上面３ａに配置された、弾性波を励起するＩＤＴ電極５と、外部回路に電気的に接続されるパッド９と、ＩＤＴ電極５またはパッド９の少なくとも一方に電気的に接続された配線８と、基板３を厚み方向に貫通する、基板３に比べて熱伝導率の高い材料からなる、少なくとも１つの中間部２０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、弾性波素子に関するものである。

圧電基板と、圧電基板の主面上に配置された励振電極とを有する弾性波素子が知られている。このような弾性波素子は、例えば、分波器の受信フィルタ（Ｒｘフィルタ）または送信フィルタ（Ｔｘフィルタ）に利用されている。

このような弾性波素子は温度変化により周波数特性が変化してしまうことがあった。そこで、これを解決する技術として、温度補償された圧電基板を用いる技術がある（例えば、特許文献１等を参照）。

特開２００７−２１４９０２号公報

近年、さらに温度変化による周波数特性の変動を抑制した弾性波素子が求められている。本開示はかかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、周波数特性の変化が少ない弾性波素子を提供することにある。

本開示の一実施形態に係る弾性波素子は、基板と、支持基板と、ＩＤＴ電極と、パッドと、配線と、中間部とを備える。支持基板は、前記基板の下面に配置され、前記基板に比べて熱伝導率の高い材料からなる。ＩＤＴ電極は、前記基板の上面に配置され、弾性波を励起する。パッドは、前記基板の上面に配置され、外部回路に電気的に接続される。配線は、前記基板の上面に配置され、前記ＩＤＴ電極または前記パッドの少なくとも一方に電気的に接続されている。中間部は、前記基板を厚み方向に貫通し、前記基板に比べて熱伝導率の高い材料からなる。

本開示の弾性波素子によれば、周波数特性を安定化させることができ、信頼性の高い弾性波素子を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る弾性波素子の構成を示す平面図である。図１の弾性波素子において、ＩＩ−ＩＩ線で切断したときの断面に相当する断面図である。図１の弾性波素子の変形例の構成を示す断面図である。図１の弾性波素子の変形例の構成を示す平面図である。図１の弾性波素子の変形例の構成を示す断面図である。

以下、本開示の実施形態に係る弾性波素子について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、弾性波素子として、複数の電極指からなる櫛歯状電極を少なくとも１対備えるＩＤＴ電極を有する弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）素子を中心に説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。

弾性波素子（以下、ＳＡＷ素子ともいう）は、いずれの方向が上方または下方とされてもよいものであるが、以下では、便宜的に、直交座標系ｘｙｚを定義するとともに、ｚ方向の正側を上方として、上面、下面等の用語を用いるものとする。

（ＳＡＷ素子の構成の概要）
図１は、本開示の一実施形態に係るＳＡＷ素子１の構成を示す平面図である。図２は図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。

ＳＡＷ素子１は、図１に示すように、基板３と、基板３の下面に設けられる支持基板３１とで構成される複合基板に電極群が配置されてなる。すなわち、基板３の上面３ａに、励振（ＩＤＴ：InterDigital Transducer）電極５、ＩＤＴ電極５に信号の入出力を行なうための配線８、および外部回路から信号が入出力されるパッド９が配置されている。また、ＳＡＷ素子１は、この他にも、上面３ａを覆う保護層を有していてもよい。

基板３は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）結晶からなる圧電性を有する単結晶の基板によって構成されている。より具体的には、基板３は、３６°〜４８°Ｙ−ＸカットのＬｉＴａＯ_３によって構成されている。基板３の平面形状および各種寸法は適宜に設定されてよい。一例として、基板３の厚み（ｚ方向）は、例えば０．５μｍ以上５０μｍ以下である。

基板３の下面には、基板３よりも熱伝導率が高い材料からなる支持基板３１が貼り合わされている。また、基板３の温度変化による変形を抑制できるように、支持基板３１を基板３に比べて線膨張係数の小さい材料で構成してもよい。このような材料として、例えばシリコン、石英、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭素系材料等を例示することができる。基板３の厚みが薄い場合には寄生容量を小さくするために絶縁性材料を用いてもよい。

支持基板３１の厚みは、基板３を支持できる厚みであればよく、例えば基板３の厚み以上であって０．1ｍｍ〜０．６ｍｍ程度としてもよい。

基板３と支持基板３１とは、中性子ビームやイオンビーム、プラズマ等を照射して活性化した表面同士を接触させることで接合してもよいし、接合層や接着剤等を用いて接合したりしてもよい。

ＩＤＴ電極５は、図１に示すように、一対の櫛歯電極で構成されている。櫛歯電極は、図１に示すように、互いに対向する２本のバスバーと、各バスバーから他のバスバー側へ延びる複数の電極指とを有している。そして、１対の櫛歯電極は、複数の電極指が互いに交差するように（噛み合うように）配置されている。なお、複数の電極指の間において各バスバーから他のバスバー側へ延びる複数のダミー電極指を備えていてもよい。

弾性波は、複数の電極指に直交する方向に伝搬する。従って、基板３の結晶方位を考慮した上で、２本のバスバーは、弾性波を伝搬させたい方向に交差する方向において互いに対向するように配置され、複数の電極指は、弾性波を伝搬させたい方向に対して直交する方向に延びるように形成される。

なお、弾性波の伝搬方向は複数の電極指の向き等によって設定されるが、本実施形態では便宜的に、弾性波の伝搬方向を基準として複数の電極指の向き等を説明することがある。

また、直交座標系ｘｙｚは、ｘ軸が電極指に直交し（弾性波の伝搬方向に平行であり）、ｙ軸が電極指に平行であり、ｚ軸が基板３の上面３ａに直交するように定義されているものとする。すなわち、直交座標系ｘｙｚは、基板３の外形ではなく、ＩＤＴ電極５（弾性波の伝搬方向）を基準として定義されているものとする。

ＩＤＴ電極５は、例えば金属材料によって形成されている。この金属材料としては、例えば、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金（Ａｌ合金）が挙げられる。Ａｌ合金は、例えばＡｌ−Ｃｕ合金である。なお、ＩＤＴ電極５は、複数の金属層から構成されてもよい。ＩＤＴ電極５の各種寸法は、ＳＡＷ素子１に要求される電気特性等に応じて適宜に設定される。一例として、ＩＤＴ電極５の厚み（ｚ方向）は、例えば５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。

ＩＤＴ電極５は、基板３の上面３ａに直接配置されていてもよいし、別の部材を介して基板３の上面３ａに配置されていてもよい。別の部材としては、例えばＴｉ、Ｃｒ、またはこれらの合金等を用いることができる。ＩＤＴ電極５を別の部材を介して基板３の上面３ａに配置する場合は、別の部材の厚みはＩＤＴ電極５の電気特性に殆ど影響を与えない程度の厚み（例えば、Ｔｉの場合はＩＤＴ電極５の厚みの５％以下の厚み）に設定される。

ＩＤＴ電極５によって基板３に電圧が印加されると、基板３の上面３ａ付近において上面３ａに沿ってｘ方向に伝搬する弾性波が励起される。また、弾性波は、電極指と電極指の非配置領域（隣接する電極指間の長尺状の領域）との境界において反射する。そして、電極指のピッチＰｔを半波長とする定在波が形成される。定在波は、当該定在波と同一周波数の電気信号に変換され、電極指２３によって取り出される。このようにして、ＳＡＷ素子１は、共振子もしくはフィルタとして機能する。

図１には図示していないが、ＩＤＴ電極５の弾性波の伝搬方向の両側において反射器を設けてもよい。反射器は、格子状に形成されている。すなわち、反射器は、弾性波の伝搬方向に交差する方向において互いに対向する反射器バスバーと、これらバスバー間において弾性波の伝搬方向に直交する方向に延びる複数の反射器電極指とを有している。

反射器は、例えば、ＩＤＴ電極５と同一の材料によって形成されるとともに、ＩＤＴ電極５と同等の厚みに形成されている。

配線８は、ＩＤＴ電極５に信号を入出力するためのものであり、例えば、複数のＩＤＴ電極５の間を電気的に接続するようＩＤＴ電極５に接続されたり、後述のパッド９とＩＤＴ電極３との間を電気的に接続するようにパッド９およびＩＤＴ電極３の双方に接続されたりしてもよい。

このような配線８は、ＩＤＴ電極５と同一の材料および同一の厚みとしてもよいが、電気抵抗を低減するために、ＩＤＴ電極５に比べ厚みを厚くしてもよい。

パッド９は、外部回路との電気信号の入出力に用いられるものであり、図１に示す例では、平面視で基板３の外周に沿って配置されている。このようなパッド９は、ＩＤＴ電極５と同一の材料および同一の厚みとしてもよいが、電気抵抗を低減するために、ＩＤＴ電極５に比べ厚みを厚くしてもよい。また、基板３との接合強度を高めるためにＡｕ−Ｎｉ層等を積層してもよい。

このような電極群を覆う保護層（図示せず）を設けてもよい。保護層は、例えば、ＩＤＴ電極５，反射器，配線８を覆うとともに、上面３ａのうちＩＤＴ電極５，反射器および配線８から露出する部分を覆っている。なお、パッド９の一部を覆っていてもよい。保護層の厚みは、例えば１ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定される。

保護層は、絶縁性を有する材料からなり、腐食等からＩＤＴ電極５を保護することに寄与する。保護層１１は、ＳｉＯ_２などの材料によって形成されており、ＩＤＴ電極５をＳｉＯ_２で埋め込むことにより、ＳＡＷ素子１の温度の変化による電気特性への影響を低減することができる。

ここで、図２に示すように、基板３は配線８およびパッド９が配置された領域の一部において貫通孔３２を有する。そして、貫通孔３２の内部には中間部２０が位置している。なお、図１において、中間部２０が配置されている場所を点線で示している。この例では、中間部２０は、上面を配線８やパッド９に接触させるとともに、下面を支持基板３１に接続させている。

中間部２０は、基板３に比べ熱伝導率の高い材料からなり、例えば、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ等が例示できる。これらの材料の複合材料であってもよい。また、導電性材料に限定されず、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＳｉＮｘ、Ｃ、ＡｌＯｘ等を用いてもよい。

中間部２０により、ＩＤＴ電極３で生じた熱を、ＩＤＴ電極３に電気的に接続された配線８を介して中間部２０から熱容量の大きい支持基板３１に放熱させることができる。これにより、ＩＤＴ電極３の発熱によるマイグレーション等を抑制することができるので、信頼性の高く、周波数特性の安定したＳＡＷ素子１を提供することができる。特に短時間に生じるＩＤＴ電極３の発熱に対して有効である。

さらに、本開示の構成によれば、中間部２０はパッド９の下にも設けられている。このため、ＩＤＴ電極３近傍で生じた熱の放熱経路を、配線８の直下に設けた中間部２０を介して、支持基板３１を通り、パッド９直下の中間部２０を介してパッド９まで導くことができる。このため、外部回路およびそれへの接続体を含めた熱容量の大きい放熱経路全体で放熱させることができるのでさらに信頼性を高め、周波数特性を安定化することができる。また、基板３の中ほどで発生する熱を基板３面方向で拡散することで面内の温度分布を緩和させることができ、これにより、ＳＡＷ素子１の電気特性を安定化させることができる。

このような中間部２０はＩＤＴ電極３をＳＡＷの伝搬方向において延長させた仮想領域を避けて配置されている。このような配置にすることで、ＳＡＷの意図しない反射を抑制することができる。

また、中間部２０は、例えば、送信フィルタを複数のＩＤＴ電極５で構成する場合には、送信端子に近い側に位置するＩＤＴ電極５等、大きな発熱が見込まれるＩＤＴ電極３に近い配線８を選択し、その直下に設けてもよい。

さらに、中間部２０は、いずれのパッド９の直下に設けてもよいが、基準電位に接続されるパッド９に設けてもよい。その場合には、基準電位は一般的にＳＡＷ素子１が実装される側の回路基板において広面積の導体層を備えている場合が多い為、より放熱性を高めることができる。

このような中間部２０は、例えば、ＩＤＴ電極３等の電極群の形成に先立ち、基板３の一部を物理的もしくは化学的なエッチングにより除去して貫通孔３２を形成した後に、この貫通孔３２を埋めるように形成してもよい。

このような中間部２０は、基板３よりも熱伝導率が大きければ放熱に貢献するが、基板３上の配線８と同等以上の熱伝導性を有していてもよい。具体的には下記の式の関係を満たしていればよい。
(中間部２０の熱伝導率)×（中間部２０のうち配線８またはパッド９に接する面積もしくは面方向において支持基板３１に接する面積）/(基板３の厚み)≧(配線８の熱伝導率)×(配線８の厚み方向における断面積)/(配線８の中間部２０に接する位置から最も近いパッド９までの長さ)

（変形例）
上述の例では、ＩＤＴ電極５を保護する構成については特に限定されていないが、図３に示すＳＡＷ素子１Ａのように、基板３の上面に配置され、基板３との間に空間を形成し、この空間内にＩＤＴ電極３を収容するような、保護カバー２５を備えていてもよい。

保護カバー２５は、例えば絶縁性の樹脂材料から形成される。樹脂材料としては、エポキシ系、アクリル系等を用いることができる。保護カバー２５はＩＤＴ電極５を囲う枠体と、枠体の開口を塞ぐように枠体の上面に配置される蓋体とで構成してもよい。

図３に示す例では、ＳＡＷ素子１Ａは、パッド７上から保護カバー２５を厚み方向に貫通する柱状電極２６と、この柱状電極２６上に配置された端子２７とを備えている。

柱状電極２６は、基板３の上面３ａから保護カバー２５の上面までを電気的に引き出すものであって、例えばＣｕ等をメッキにより形成すればよい。このような柱状電極２６は、本例のように、パッド９の直上を被覆するように保護カバー２５が配置されている場合には、保護カバー２５を貫通するように形成すればよいし、パッド９が保護カバー２５の外側に露出するように保護カバー２５が配置されている場合には、保護カバー２５の外側面を伝うように配置されていてもよい。

端子２７は、外部の回路基板等とＳＡＷ素子１Ａとを電気的に接続するとともに実装するためのものであり、半田等で形成すればよい。このように、パッド９の直上に柱状電極２６および端子２７を形成することにより、基板３の外周よりも小さいサイズの領域内においてＳＡＷ素子１Ａを実装することができる。

さらに、基板３の内側の領域で発生した熱の放熱経路として、中間部２０から支持基板３１への面方向の放熱経路に加え、柱状電極２６、端子２７を介した保護カバー２５の厚み方向の放熱経路を設けることができ、その結果、不図示の回路基板にも放熱経路を拡張することができる。

なお、柱状電極２６を設ける場合には、パッド９の直下に位置する中間部２０は、平面視で柱状電極２６とずらした位置（重複しない位置）に配置されている。このような位置関係とすることにより、柱状電極２６および端子２７の強度を保ちつつ、放熱性を高めることができる。

（変形例）
上述の例では、中間部２０は、配線８やパッド９の直下にのみ設けられていたが、その限りではない。図４に示すＳＡＷ素子１Ｂのように、上部に配線８等がないところに第２中間部２０ａを設けてもよい。図４に示す例では、基板３の上面に、ＩＤＴ電極５を複数個、ラダー型や多重モード型フィルタを構成するように互いに接続させることで、受信フィルタ５１と送信フィルタ５２とを構成する。受信フィルタ５１はアンテナに接続されるパッド９ＡＮＴと受信端子に接続されるパッド９Ｒとの間にＩＤＴ電極５を有し、送信フィルタ５２は９ＡＮＴと送信端子に接続されるパッド９Ｔとの間にＩＤＴ電極５を有する。そして、第２中間部２０ａは受信フィルタ５１が配置された領域と、送信フィルタ５２が配置された領域との間に形成されている。

このような配置とすることで、高温となる可能性のあるパッド９ＡＮＴ近傍において効率的に放熱することができる。さらに、受信フィルタ５１と送信フィルタ５２との電気的なアイソレーションを高めることができる。

なお、上述の例では受信フィルタ５１が配置された領域と、送信フィルタ５２が配置された領域との間に第２中間部２０ａを設けた例を説明したが、中間部２０を設けてもよい。その場合には、受信フィルタ５１または送信フィルタ５２を基準電位に接続するパッド９Ｇに電気的に接続する配線８を設け、その直下に中間部２０を設けてもよい。

また、配線８のない部分から配線８またはパッド９の直下まで連続して設けられた中間部２０としてもよい。言い換えると、中間部２０は平面視で配線８またはパッド９の少なくとも一方と重なる領域と、重ならない領域との両方を備えていてもよい。

（変形例）
上述の説明では、中間部２０の厚み方向における断面形状（貫通孔３２の厚み方向における形状）は矩形状としていたがこの限りではない。例えば、台形状としてもよい。上面３ａ側の開口が小さく、下面側の開口が大きい場合には、面方向へのすみやかな放熱を可能とする。上面３ａ側の開口が大きく、下面側の開口が小さい場合には、上面３ａ近傍で発生した熱を効率的に中間部２０の側に放熱することを可能とする。

（変形例）
上述の例では、いずれも外部回路との信号のやりとりを基板３の上面３ａの側から行なう例について説明したが、この例には限定されない。例えば、図５に示すＳＡＷ素子１Ｃのように、基板３の下面の側からパッド９と外部回路とを電気的に接続してもよい。

図５において、ＳＡＷ素子１Ｃは保護カバー２５Ｃを備える。保護カバー２５Ｃは、保護カバー２５と同様に、基板３の上面３ａとの間にＩＤＴ電極５を収容する振動空間を形成するものであるが、保護カバー２５が樹脂材料で構成されているのに対して、保護カバー２５ＣはＳｉからなる。

保護カバー２５Ｃは、Ｓｉからなることより強度の高いものとなり、振動空間を安定して維持することができ、信頼性の高いＳＡＷ素子１Ｃを提供することができる。また、支持基板３１と同一材料で構成する場合には、保護カバー２５Ｃを含むＳＡＷ素子１Ｃ全体での熱履歴に対する基板３の変形を抑制することができ、温度特性に優れたＳＡＷ素子１Ｃを提供することができる。

さらに、ＳＡＷ素子１Ｃによれば、パッド９から中間部２０Ｃを介して、その下面に柱状電極２６Ｃを備えている。柱状電極２６Ｃは、支持基板３１に設けられた貫通孔３３の内部に位置し、パッド９を支持基板３１の下面まで電気的に導出するよう連続的に設けられている。

柱状電極２６Ｃを設けることで、中間部２０Ｃに加え、柱状電極２６Ｃによって熱容量の大きい支持基板３１に放熱することができるので、より、周波数特性の優れたＳＡＷ素子１Ｃを提供することができる。さらに、平坦な支持基板３１の下面側で外部の回路基板に実装することができるので、取扱いが容易なＳＡＷ素子１Ｃを提供することができる。

なお、中間部２０Ｃは、パッド９の直下のみではなく、配線８の直下に設けてもよいし、配線８やパッド９の存在しない位置に設けてもよい。また、図５に示す例では、中間部２０Ｃと柱状電極２６Ｃとの側面はずれているが、ずれのない同一面としてもよい、さらに、図５の関係に限定されず、例えば中間部２０Ｃを柱状電極２６Ｃに比べ幅広としてもよい。

中間部２０Ｃと柱状電極２６Ｃとは同一材料で一体的に形成されていてもよい。同様に、直下に中間部２０Ｃが位置する配線８やパッド９は、中間部２０Ｃおよび柱状電極２６Ｃは同一材料で一体的に形成されていてもよい。

３：基板，３１：支持基板，５：ＩＤＴ電極，９：パッド，８：配線，２０：中間部

Claims

基板と、
該基板の下面に配置された、前記基板に比べて熱伝導率の高い材料からなる支持基板と、
前記基板の上面に配置された、弾性波を励起するＩＤＴ電極と、
前記基板の上面に配置された、外部回路に電気的に接続されるパッドと、
前記基板の上面に配置された、前記ＩＤＴ電極または前記パッドの少なくとも一方に電気的に接続された配線と、
前記基板を厚み方向に貫通する、前記基板に比べて熱伝導率の高い材料からなる、少なくとも１つの中間部と、を備える弾性波素子。
少なくとも１つの前記中間部は、前記パッドまたは前記配線の直下に位置する、請求項１に記載の弾性波素子。
少なくとも１つの前記中間部は複数あり、前記パッドの直下と前記配線の直下にそれぞれ位置する、請求項１または２に記載の弾性波素子。
前記基板の上面に位置し、前記基板の前記上面との間に前記ＩＤＴ電極を収容する空間を形成する保護カバーと、
前記パッド上に位置し、前記保護カバーの上面まで導出された柱状電極とを備える、請求項３に記載の弾性波素子。
前記柱状電極と、前記中間部のうち前記柱状電極が電気的に接続された前記パッドの直下に位置する中間部とは、平面視でずれて位置している、請求項４に記載の弾性波素子。
前記中間部は、弾性波の伝搬方向において前記ＩＤＴ電極と重ならないように位置している、請求項１乃至５のいずれかに記載の弾性波素子。
少なくとも１つの前記中間部は、前記パッドの直下に位置しており、
この中間部と平面視で重なる位置に位置するとともにこれと電気的に接続され、前記支持基板を厚み方向に貫通する、柱状電極をそなえる、請求項１に記載の弾性波素子。