JP2022020084A - 弾性表面波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】弾性表面波デバイスにおいて、温度変化に基づく応力による製品の破損を抑制する。【解決手段】圧電基板の表面に設けたＩＤＴを囲むように壁部を設けると共に、ＩＤＴを囲む領域を塞ぐように天板部を設けている。さらにＩＤＴに接続され壁部の外部に引き出されるように引出電極を設け、引出電極における壁部の外部の部位と重なる領域を形成し、天板部の上面の電極端子の配置位置まで引き回された金属層を設けている。このような弾性表面波デバイスにおいて、少なくとも前記引出電極と前記金属層とが重なる領域に、周囲の温度変化に伴う前記金属層と前記引出電極との熱膨張率の差によりこれら金属層及び引出電極に加わる応力を緩和するため緩和層を設けている。【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＤＴ（Inter Digital Transducer）を備えた弾性表面波デバイスに関する。

近年、携帯電話などの通信機器の小型化が急速に進んでいる。このような機器の小型化を受けて、その構成部品である例えば、弾性表面波デバイス(surface acoustic wave device, SAWデバイス)などの電子部品の小型化が求められている。
弾性表面波デバイスを小型化した構造としては、ウエハレベルチップサイズパーケージ（ＷＬ－ＣＳＰ）型の構造が知られている。ＷＬ－ＣＳＰ型の弾性表面波デバイスは、例えば特許文献１に記載されているように圧電基板の表面に櫛歯電極を設け、櫛歯電極の作動空間を形成するように櫛歯電極の周囲に外囲壁層と、天井板を設けた構成となっている。そして櫛歯電極と接続された引出し配線を圧電基板の外縁まで引き出し、さらに当該引出し配線と、天井板の上面に設けられた実装端子とを接続する側面配線を設けた構成となっている。

また弾性表面波デバイスにおいては、周囲の温度変化により応力が加わることに伴う基材（弾性表面波デバイスの構成材）の割れも問題となっている。例えば特許文献２には、圧電基板上に設けたＩＤＴ電極を覆うように誘電体層を設けた弾性表面波デバイスにおいて、誘電体層よりも弾性率が高く、熱応力を緩和する応力緩和層を誘電体層上に設けた構成が記載されており、この構成により熱応力による圧電基板の割れを抑制できる旨が記載されている。
また近年では、弾性表面波デバイスにおいて要求される動作の信頼性が高くなっていることから、製品の課される試験が厳しくなっており、温度変化の過酷な環境下においても動作の信頼性を確保することが求められている。

特開２０１６－６６９８９号公報 特開２０１１－１３５２４４号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、弾性表面波デバイスにおいて、温度変化によって加わる応力の影響を抑制することにある。

本発明の弾性表面波デバイスは、圧電基板の一面に設けられたＩＤＴと、
前記圧電基板上に設けられ、前記ＩＤＴが配置された領域を囲む壁部と、
前記壁部に囲まれた領域の上方を塞ぐ天板部と、
前記圧電基板の一面に設けられ、前記ＩＤＴに接続される位置から、前記壁部に囲まれた領域の外部に引き出されるように設けられた引出電極と、
前記引出電極と前記天板部の上面に形成される電極端子との導通をとるため、前記壁部の外部に引き出された部分の前記引出電極と重なる領域を形成して、当該引出電極と電気的に接続されると共に、前記電極端子の配置位置まで引き回される金属層と、
少なくとも前記引出電極と前記金属層とが重なる領域にて、これら金属層と引出電極との間に挟まれるように形成され、周囲の温度変化に伴う前記金属層と前記引出電極との熱膨張率の差によりこれら金属層及び引出電極に加わる応力を緩和するための緩和層と、を備えたことを特徴とする。

本発明の弾性表面波デバイスは、圧電基板の表面に設けたＩＤＴを囲むように壁部を設けると共に、ＩＤＴを囲む領域を塞ぐように天板部を設けている。さらにＩＤＴに接続され壁部の外部に引き出されるように引出電極を設け、壁部の外部に引き出された部分の引出電極と重なる領域を形成して、引出電極と電気的に接続されると共に、電極端子の配置位置まで引き回される金属層を設けている。このような弾性表面波デバイスにおいて、少なくとも前記引出電極と金属層とが重なる領域に、周囲の温度変化に伴う前記金属層と前記引出電極との熱膨張率の差によりこれら金属層及び引出電極に加わる応力を緩和するため緩和層を設けている。これにより温度変化によって金属層と引出電極との間に生じる応力を緩和することができ断線を防ぐことができる。

弾性表面波デバイスの縦断側面図である。 弾性表面波デバイスの平面図である。 弾性表面波デバイスの横断平面図である。 弾性表面波デバイスの一部を拡大した縦断側面図である 従来の弾性表面波デバイスにおける引出電極及び金属層との積層構造を示す説明図である。 従来の弾性表面波デバイスにおける破損を示す説明図である。 本実施形態に係る弾性表面波デバイスにおける引出電極、金属層及び緩和層の積層構造を示す説明図である。 他の例に係る弾性表面波デバイスにおける引出電極、金属層及び緩和層の積層構造を示す説明図である。

本発明の実施の形態に係る弾性表面波デバイスについて説明する。図１～図４は、夫々弾性表面波デバイスの縦断側面図、平面図、横断平面図、及び一部を拡大した縦断側面図を示している。弾性表面波デバイスは、例えばタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムで構成された矩形平板状の圧電基板１０を備えている。圧電基板１０の一面のほぼ中央には、例えばチタン（Ｔｉ）を下地とし、アルミニウム（Ａｌ）を積層した櫛形電極（ＩＤＴ）２が設けられている。なお実際の弾性表面波デバイスにおいては、多数本のＩＤＴ２が設けられるが、図１、図３等では、ＩＤＴ２の配置数を減らし、簡略化して記載している。

また圧電基板１０の表面には、２本の引出電極４が設けられている。２本の引出電極４は、一端がＩＤＴ２のバスバーに接続され、各引出電極４の他端は、圧電基板１０の長辺方向一端側及び他端側に夫々引き出されている。引出電極４は、ＩＤＴ２と同様にＴｉを下地とし、Ａｌを積層して構成される一方、ＩＤＴ２よりも厚く形成されている。なお図１～図４中の符号１１は、層間絶縁膜である。

また圧電基板１０上には、ＩＤＴ２の振動する作動空間を確保するための例えばセラミック、金属、あるいは感光性ポリイミドなどの樹脂で構成された平面視矩形状のカバー部材３が設けられている。カバー部材３は、圧電基板１０上におけるＩＤＴ２が配置された領域を囲む壁部３１と、前記壁部３１に囲まれた領域の上方を塞ぐ天板部３２と、を備えている。図３に示すように壁部３１は、ＩＤＴ２が配置された圧電基板１０の中央領域を囲むよう設けられた矩形環状の部材である。圧電基板１０の長辺方向に沿ってみたとき、その一端側及び他端側に配置され、当該圧電基板１０の短辺方向に沿って伸びる２つの壁部３１は、各々引出電極４を横断するように配置されている。
即ち引出電極４は、ＩＤＴ２に接続される位置から、壁部３１に囲まれた領域の外部に引き出されるように設けられているといえる。なお明細書中では、２本の引出電極４における壁部３１の外側の部分（図３中斜線を付した部分）を端子部４Ａと呼ぶ。

また弾性表面波デバイスは、各端子部４Ａに電気的に接続され、天板部３２の上面に形成されるボールグリッドアレイ（ball grid array）の各電極端子７と導通をとるため、電極端子７の位置まで引き回される配線となる金属層６を備えている。さらに本例の弾性表面波デバイスは、金属層６と、金属層６が設置される基材、この例では、カバー部材３及び引出電極４の端子部４Ａとの間に、これらの基材に加わる熱応力を緩和するための緩和層５が形成されている。
図２中に破線で示すように、緩和層５は、金属層６が設けられる領域よりも一回り広い領域に亘って設けられている。緩和層５は、例えばニッケル（Ｎｉ）とタングステン（Ｗ）との合金で構成され、スパッタリングや蒸着により、圧電基板１０、引出電極４の端子部４Ａ、及びカバー部材３の表面に１～３μｍの膜厚で形成される。そして緩和層５の上層に例えば銅（Ｃｕ）の電解メッキによって金属層６が積層される。本例では、金属層６は、端子部４Ａの全体と重なるように形成されている。そして天板部３２の上面の金属層６に電極端子７となるはんだが載せられ、熱処理を行うことで、図１中破線で示す位置に、ボールグリッドアレイが形成される。

ここで従来の弾性表面波デバイスは、緩和層５を備えておらず、引出電極４の端子部４Ａの表面に直接Ｃｕをメッキして金属層６が形成されていた。一方、金属層６を構成するＣｕ原子は、引出電極４を構成するＡｌと共晶化しやすくＡｌ中に拡散しやすい性質を持つことから、引出し電極４の表面に金属層６を直接、形成すると、図５に示すように金属層６を構成するＣｕ原子が引出電極４中に拡散し、拡散層４０が形成される。これにより金属層６と、引出電極４と、の密着性が高まり、金属層６と、引出電極４との界面において、これらが強固に結合される。

一方、近年では、弾性表面波デバイスの動作の信頼性の要求が高まっていることもあり、製品の出荷の前に行う試験が厳しくなっている。例えばJIS C 60068-2-14には、低温さらし温度、高温さらし温度に設定した低温槽、高温槽内に交互に弾性表面波デバイスを配置して、各温度雰囲気に交互に曝すことにより、熱衝撃を加える熱衝撃試験が規定されている。この熱衝撃試験においては、低温槽、高温槽内の雰囲気に弾性表面波デバイスを曝す時間、及び交互に曝すサイクル数が設定される。この点、近年では、低温さらし温度をより低くすると共に、高温さらし温度はより高く設定する傾向がある。この観点で、低温さらし温度を、例えば－６０℃、高温さらし温度を、例えば１５０℃に設定する場合を例示できる。また試験によっては、低温さらし温度を、例えば－５５℃、高温さらし温度を、例えば１２５℃に設定する場合もある。そして各さらし温度に設定した低温槽の雰囲気に３０分、常温雰囲気（２５℃）に１５分、高温槽内の雰囲気に３０分ずつ弾性表面波デバイスをさらすサイクルを、７５０回繰り返す熱衝撃試験を想定する。このような試験を行い、例えば部材の破損などの不具合の発生した製品が除かれ、試験を合格した製品のみが出荷される。

この熱衝撃試験を行うと、弾性表面波デバイスを構成する部材が温度変化に応じて伸縮するが、金属層６を構成するＣｕと、引出電極４を構成するＡｌと、では、Ａｌの方が、熱膨張率が大きい。そのため、熱衝撃試験の低温槽、高温槽内の各温度にて、金属層６と引出電極４との伸縮量が相違することに伴い、金属層６と引出電極４との界面付近で応力が発生する。この応力によって、引出電極４や引出電極４の下層の圧電基板１０に負荷がかかり割れが発生し、引出電極４が断線することがある（図６）。
既述のように、近年では温度差の大きい熱衝撃試験が課されることから、熱膨張率の差に基づく引出電極４と、金属層６と、の間の応力が強くなる傾向にあり、従来の製品では歩留まりが低下してしまう懸念がある。

これに対して実施の形態に係る弾性表面波デバイスにおいては、金属層６と、引出電極４（端子部４Ａ）との間にＮｉ－Ｗの合金からなる緩和層５を設けている。図６に示すように金属層６を構成するＣｕは、引出電極４のＡｌと比較して、緩和層５を構成するＮｉ－Ｗ合金と共晶化しにくく、Ｎｉ－Ｗ合金の中には、拡散しにくい性質を持つ。このため、金属層６と、緩和層５と、の界面は、図５に示した拡散層４０が形成される場合と比較して密着の程度が小さくなる。

このように金属層６と、引出電極４との間に、互いの密着の程度が小さな緩和層５を設けることにより、既述の熱衝撃試験に際して、金属層６、緩和層５、引出電極４が比較的自由に伸縮することが可能となる。この結果、金属層６と、引出電極４と、の熱膨張率の差により生じる応力の影響を緩和して、引出電極４の断線を抑制することができる。

ここで緩和層５は、既述のＮｉ－Ｗ合金により構成する例に限定されず、引出電極４と、金属層６との電気的接続を確保することができ、且つ、引出電極４の構成材料と比較して、金属層６の構成材料の原子が内部に拡散しにくい材料であればよい。このような特性を有する材料を選択して緩和層５を設けることで、金属層６と引出電極４との導通を確保しながら、温度変化による伸縮量の差により生じる、金属層６と引出電極４との間の応力を緩和することができる。

また図６を用いて説明したように、金属層６と引出電極４との界面が形成される領域は、温度変化による応力により破損しやすい傾向にあることから、緩和層５は、少なくとも壁部３１の外側に引き出された引出電極４（端子部４Ａ）と金属層６とが重なる領域に設けることが好ましい。
さらに引出電極４の表面以外の部位、例えばカバー部材３の表面においても、弾性表面波デバイスの温度を変化させたときに、金属層６との間に応力が発生し、破損が生じるおそれもある。そのため引出電極４に限らず、他の基材の表面（壁部３１及び天板部３２の表面）に亘って緩和層５を設けてもよい。これらの領域にも緩和層５を設け、当該緩和層５を介して金属層６を設けることで、温度変化によって生じる応力の影響を抑え、これらの基材の破損を抑制することができる。

また図２を用いて説明したように、緩和層５は、金属層６が設置される領域よりも広い領域に設けてもよい。温度の変化により金属層６が伸縮したときに基材における金属層６が設置された領域に加えて、当該領域の周囲の領域も金属層６の伸縮の影響を受けて応力が加わる。このような領域に緩和層５を設けることで金属層６の伸縮に伴って、当該領域に加わる応力を緩和し、基材の破損を抑制することができる。

また他の例として、緩和層は、例えば金（Ａｕ）のような、引出電極４の構成材料よりも延性の高い材料により構成してもよい。例えば図８に示す例は、金属層６を設置する領域に不図示のクロム（Ｃｒ）を下地として、Ａｕを構成材料とした緩和層５１を設け、当該緩和層５１の上面に金属層６を積層した例を示している。
Ａｕは、Ｃｕ原子が拡散しやすくＣｕと密着しやすいが、材料自体の柔軟性が非常に高い。そのため温度変化により金属層６、及び引出電極４が夫々伸縮したときに、金属層６側と引出電極４側とで、緩和層５１の伸縮の程度を相違させることができる。このように緩和層５１自体が変形することで、金属層６、緩和層５１、及び引出電極４の各界面において発生する応力を緩和することができ、引出電極４の破損を抑制することができる。

１０ 圧電基板
２ ＩＤＴ
３１ 壁部
３２ 天板部
４ 引出電極
５、５１ 緩和層
６ 金属層

Claims (7)

1. 圧電基板の一面に設けられたＩＤＴと、
   前記圧電基板上に設けられ、前記ＩＤＴが配置された領域を囲む壁部と、
   前記壁部に囲まれた領域の上方を塞ぐ天板部と、
   前記圧電基板の一面に設けられ、前記ＩＤＴに接続される位置から、前記壁部に囲まれた領域の外部に引き出されるように設けられた引出電極と、
   前記引出電極と前記天板部の上面に形成される電極端子との導通をとるため、前記壁部の外部に引き出された部分の前記引出電極と重なる領域を形成して、当該引出電極と電気的に接続されると共に、前記電極端子の配置位置まで引き回される金属層と、
   少なくとも前記引出電極と前記金属層とが重なる領域にて、これら金属層と引出電極との間に挟まれるように形成され、周囲の温度変化に伴う前記金属層と前記引出電極との熱膨張率の差によりこれら金属層及び引出電極に加わる応力を緩和するための緩和層と、を備えたことを特徴とする弾性表面波デバイス。
2. 前記緩和層は、前記引出電極の構成材料と比較して、前記金属層に含まれる成分が当該緩和層の内部に拡散しにくい材料により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
3. 前記引出電極の構成材料がアルミニウムを含み、前記金属層の構成材料が銅を含むとき、前記緩和層の構成材料は、ニッケルとタングステンとを含む合金であることを特徴とする請求項２に記載の弾性表面波デバイス。
4. 前記緩和層は、前記引出電極の構成材料と比較して、延性が高い材料により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
5. 前記引出電極の構成材料がアルミニウムを含むとき、前記緩和層の構成材料は、金を含むことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
6. 前記緩和層は、前記引出電極と前記金属層とが重なる領域よりも広い範囲に亘って設けられたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
7. 前記緩和層は、前記天板部及び前記壁部の表面と前記金属層との間に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の弾性表面波デバイス。
   

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