JP2023105340A - 弾性波デバイスおよびその弾性波デバイスを備えるモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】機械的強度が向上した弾性波デバイスおよびその弾性波デバイスを備えるモジュールを提供する。【解決手段】主面および他の主面を有する第1の圧電基板と、前記第1の圧電基板の他の主面にその主面が接合された主面および他の主面を有する第2の圧電基板と、前記第1の圧電基板の主面上に形成された複数の電極指を有する櫛形電極が相互に挿間するように配置されたIDT電極を有する共振器とを備え、電力印加時の電力が印加された電極指から隣接する電極指の間において、前記第1の圧電基板の主面および他の主面近傍部分の変位量は前記第1の圧電基板の内部の変位量よりも大きく、かつ、前記第2の圧電基板の主面および他の主面近傍部分の変位量は前記第2の圧電基板の内部の変位量よりも大きい弾性波デバイス。【選択図】図1

Description

本開示は、弾性波デバイスおよびその弾性波デバイスを備えるモジュールに関し、詳しくはラム波やSH波を用いる板波デバイスである弾性波デバイス、例えば、フィルタ、デュプレクサまたはマルチプレクサに関する。
特許文献1は、ラム波型高周波デバイスおよびその製造方法を開示する。構造的強度を高め、安定した共振特性を実現するラム波型高周波デバイスと、製造工程内において割れにくく、歩留りを向上できる製造方法を提供し得る。
特開2007-251910号公報
特許文献1には、ラム波型高周波デバイスにおいて、IDT電極が一方の主面に形成された圧電基板と、前記圧電基板の他方の主面に接合される補強基板と、からなり、前記圧電基板または前記補強基板に、ラム波が伝搬する領域よりも広い面積の空間と、前記空間の周縁に接合面が設けられていることが開示されている。
しかしながら、特許文献1に記載のラム波型高周波デバイスにおいては、近年のさらなる高周波化、それに伴う圧電基板の薄膜化の必要性により、製造工程においても十分に耐えうる機械的強度のある圧電基板の厚みを確保できない。
このため、十分な機械的強度を有する弾性波デバイスを提供することができない。
本開示は、上述の課題を解決するためになされた。本開示の目的は、機械的強度が向上した弾性波デバイスおよびその弾性波デバイスを備えるモジュールを提供することである。
本開示にかかる弾性波デバイスは、
主面および他の主面を有する第1の圧電基板と、
前記第1の圧電基板の他の主面にその主面が接合された主面および他の主面を有する第2の圧電基板と、
前記第1の圧電基板の主面上に形成された複数の電極指を有する櫛形電極が相互に挿間するように配置されたIDT電極を有する共振器と
を備え、
電力印加時の電力が印加された電極指から隣接する電極指の間において、前記第1の圧電基板の主面および他の主面近傍部分の変位量は前記第1の圧電基板の内部の変位量よりも大きく、かつ、前記第2の圧電基板の主面および他の主面近傍部分の変位量は前記第2の圧電基板の内部の変位量よりも大きい弾性波デバイスとした。
電力印加時の電力が印加された電極指近傍の前記第1の圧電基板の主面の変位量は、前記第1の圧電基板の他の主面および前記第2の圧電基板の主面近傍の変位量よりも大きいことが、本開示の一形態とされる。
電力印加時の電力が動力に変換されたエネルギーが印加される電極指近傍の前記第1の圧電基板の主面の変位量は、前記第1の圧電基板の他の主面および前記第2の圧電基板の主面近傍の変位量よりも大きいことが、本開示の一形態とされる。
電力印加時の電力が動力に変換されたエネルギーが印加される電極指近傍の前記第1の圧電基板および第2の圧電基板の総変位量は、電力が印加された電極指近傍の前記第1の圧電基板および第2の圧電基板の総変位量よりも大きいことが、本開示の一形態とされる。
前記第1の圧電基板の主面上の少なくとも一部および前記IDT電極は、気密封止された空間に配置されたことが、本発明の一形態とされる。
前記第2の圧電基板の他の主面の前記共振器が形成された領域が中空構造となるように形成された支持基板を備えることが、本発明の一形態とされる。
前記第1の圧電基板と前記第2の圧電基板の極性は相互に反転していることが、本開示の一形態とされる。
前記第1の圧電基板と前記第2の圧電基板は、ファンデルワールス力により接合されていることが、本開示の一形態とされる。
前記第1の圧電基板と前記第2の圧電基板は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムの単結晶層の少なくとも一方を含むことが、本開示の一形態とされる。
前記共振器により、前記第1の圧電基板と前記第2の圧電基板を伝搬する板波が励振されることが、本開示の一形態とされる。
前記共振器の共振周波数は3~5GHzであることが、本開示の一形態とされる。
前記弾性波デバイスを備えるモジュールが、本発明の一形態とされる。
本開示によれば、機械的強度が向上した弾性波デバイスおよびその弾性波デバイスを備えるモジュールを提供できる。
実施の形態1における弾性波デバイスの縦断面図である。 実施の形態1における弾性波デバイスの弾性波素子の例を示す図である。 実施の形態1におけるシミュレーション条件を模式的に示す図である。 実施の形態1の比較例1におけるシミュレーション条件を模式的に示す図である。 施の形態1の比較例2におけるシミュレーション条件を模式的に示す図である。 実施の形態1における共振特性を示す図である。 比較例1における共振特性を示す図である。 比較例2における共振特性を示す図である。 実施の形態1における電力印加時の圧電基板の変位量を示す図である。 実施の形態2の弾性波デバイスが適用されるモジュールの縦断面図である。
実施の形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略される。
実施の形態1.
図1は実施の形態1における弾性波デバイスの縦断面図である。
図1に示すように、弾性波デバイス1は、配線基板3、外部接続端子31、デバイスチップ5、電極パッド9、バンプ15および封止部17を備える。
例えば、配線基板3は、樹脂からなる多層基板である。例えば、配線基板3は、複数の誘電体層からなる低温同時焼成セラミックス(Low Temperature Co-fired Ceramics:LTCC)多層基板である。
外部接続端子31は、配線基板3の下面に複数形成される。
電極パッド9は、配線基板3の主面に複数形成される。例えば、電極パッド9は、銅または銅を含む合金で形成される。例えば、電極パッド9の厚みは、10μmから20μmである。
バンプ15は、電極パッド9のそれぞれの上面に形成される。例えば、バンプ15は、金バンプである。例えば、バンプ15の高さは、10μmから50μmである。
配線基板3とデバイスチップ5の間は、空隙16が形成されている。
デバイスチップ5は、バンプ15を介して、配線基板3にフリップチップボンディングにより実装される。デバイスチップ5は、複数のバンプ15を介して複数の電極パッド9と電気的に接続される。
デバイスチップ5は、機能素子が形成される基板である。例えば、デバイスチップ5の主面において、送信用フィルタと受信用フィルタとが形成される。
送信用フィルタは、所望の周波数帯域の電気信号が通過し得るように形成される。例えば、送信用フィルタは、複数の直列共振器と複数の並列共振器からなるラダー型フィルタである。
受信用フィルタは、所望の周波数帯域の電気信号が通過し得るように形成される。例えば、受信用フィルタは、ラダー型フィルタである。
デバイスチップ5は、第1の圧電基板11、第2の圧電基板21を含む。
例えば、第1の圧電基板11、第2の圧電基板21は、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムまたは水晶などの圧電単結晶で形成された基板である。例えば、第1の圧電基板11、第2の圧電基板21は、圧電セラミックスで形成された基板である。
第1の圧電基板11の主面上には、弾性波素子52が形成されている。弾性波素子52は、例えば、IDT電極を含む共振器である。
第1の圧電基板11の他の主面に、第2の圧電基板21の主面が接合している。第1の圧電基板11と第2の圧電基板21は、例えば、ファンデルワールス力により接合している。また、接着層(図示しない)を介して接合されてもよい。
第1の圧電基板11と第2の圧電基板21は、極性が相互に反転している。第1の圧電基板11と第2の圧電基板21は、それぞれ単一分極状態に予め調整された基板を極性が相互に反転するように貼り合わせ接合してもよい。
例えば、薄膜化前、板厚500μmのニオブ酸リチウム単結晶基板は、空気中でキュリー点より低い約摂氏1100度程度で5時間程度の熱処理により、板厚の中央を境として分極の反転層を形成することができる。
例えば、タンタル酸リチウム単結晶基板は、安息香酸中の熱処理によるプロトン交換で、結晶中のリチウム原子を水素で置換した後、キュリー点より低い約摂氏590度程度での熱処理により、分極の反転層を形成することができる。
例えば、デバイスチップ5は、第1の圧電基板11、第2の圧電基板21と支持基板とが接合されたチップである。例えば、支持基板は、サファイア、シリコン、アルミナ、スピネル、水晶またはガラスで形成された基板である。
図1に示すように、第2の圧電基板21の他の主面には、支持基板22が接合されている。
第2の圧電基板21と支持基板22は、第2の圧電基板21他の主面のうち、第1の圧電基板11主面上に形成された弾性波素子52に対応する領域が中空構造となるように、空隙26を形成している。
空隙26を形成するための支持基板22上の凹部は、例えば、ドライエッチング法やウエットエッチング法などを用いて、例えば、ウエハプロセスにおいて形成することができる。
これにより、印加された電力による第2の圧電基板21の他の主面の変位が阻害されることを抑制することができる。
封止部17は、デバイスチップ5を覆うように形成される。例えば、封止部17は、合成樹脂等の絶縁体により形成される。例えば、封止部17は、金属で形成される。
封止部17が合成樹脂で形成される場合、当該合成樹脂は、エポキシ樹脂、ポリイミドなどである。好ましくは、封止部17は、エポキシ樹脂を用い、低温硬化プロセスを用いてエポキシ樹脂で形成される。
次に、図2を用いて、デバイスチップ5上に形成された弾性波素子52の例を説明する。
図2は実施の形態1における弾性波デバイスの弾性波素子の例を示す図である。
図2に示されるように、IDT(Interdigital Transducer)52aと一対の反射器52bとは、デバイスチップ5の主面に形成される。IDT52aと一対の反射器52bは、弾性波(主にラム波)を励振し得るように設けられる。
例えば、IDT52aと一対の反射器52bとは、アルミニウムと銅の合金で形成される。例えば、IDT52aと一対の反射器52bとは、チタン、パラジウム、銀などの適宜の金属もしくはこれらの合金で形成される。
例えば、IDT52aと一対の反射器52bとは、複数の金属層が積層した積層金属膜により形成される。例えば、IDT52aと一対の反射器52bとの厚みは、150nmから450nmである。
IDT52aは、一対の櫛形電極52cを備える。一対の櫛形電極52cは、互いに対向する。櫛形電極52cは、複数の電極指52dとバスバー52eとを備える。
複数の電極指52dは、長手方向を合わせて配置される。バスバー52eは、複数の電極指52dを接続する。
一対の反射器52bの一方は、IDT52aの一側に隣接する。一対の反射器52bの他方は、IDT52aの他側に隣接する。
次に、本実施の形態における弾性波デバイス1についての検討結果を説明する。発明者らは、以下の条件で、本実施の形態におけるデバイスチップ5および弾性波素子52の共振特性についてシミュレーションを行った。
図3は、実施の形態1におけるシミュレーション条件を模式的に示す図である。
図3に示すように、ZカットX伝搬ニオブ酸リチウム圧電単結晶を用い、第1の圧電基板11の主面の結晶方位(0,0,0)、第2の圧電基板21の主面の結晶方位(0,180,0)とした。
第1の圧電基板11の厚さは400nmとした。
第2の圧電基板21の厚さは400nmとした。
IDTの厚みは60nmとした。
IDTはアルミニウムにより形成した。
デューティー比は、10%とした。
ピッチは3μmとした。
電極指52dの対数は、無限大とした。
図4は、実施の形態1の比較例1におけるシミュレーション条件を模式的に示す図である。
図4に示すように、単一の圧電基板として、第1の圧電基板11と同様の圧電基板を用いて、その厚さは400nmとした。その他の条件は、実施の形態1と同様である。
図5は、実施の形態1の比較例2におけるシミュレーション条件を模式的に示す図である。
図5に示すように、単一の圧電基板として、第1の圧電基板11と同様の圧電基板を用いて、その厚さは800nmとした。その他の条件は、実施の形態1と同様である。
次に、上述のシミュレーションの結果を説明する。
図6は、実施の形態1における共振特性を示す図である。
図6に示すように、4GHz~6GHz帯において、共振特性が得られている。また、比較例1の圧電基板の厚み400nmに比べて、実施の形態1の圧電基板の厚みは800nmであり、機械的強度が大幅に向上していることがわかる。
図7は、比較例1における共振特性を示す図である。
図7に示すように、4GHz~6GHz帯において、共振特性が得られている。一方で、比較例1の圧電基板の厚みは400nmであり、実施の形態1の圧電基板の厚み(800nm)と比べて、機械的強度が脆弱であり、共振特性と機械的強度の両立ができていないといえる。
図8は、比較例2における共振特性を示す図である。
図8に示すように、比較例2は、デバイスとして利用可能な共振特性が得られていない。一方で、比較例2の圧電基板の厚みは、実施の形態1の圧電基板の厚み(800nm)と同じであり、機械的強度は同等である。しかし、共振特性が得られていないため、共振特性と機械的強度の両立ができていないといえる。
図9は、実施の形態1における電力印加時の圧電基板の変位量を示す図である。
図9に示されるように、電力印加時の電力が印加された電極52dINから隣接する電極指52dOUTの間において、第1の圧電基板11の主面surface1および他の主面urface2近傍部分の変位量は、第1の圧電基板11の内部internal1の変位量よりも大きい。
電極52dINから隣接する電極指52dOUTの間において、第1の圧電基板11の主面surface1および他の主面surface2近傍部は、14から18程度の変位量が多くみられる。第1の圧電基板11の内部internal1は、0から8程度の変位量が多くみられる。
変位量の単位は、μmである。スケールは100倍にしている。なお、圧電基板の変形の視認性を高めるため、見た目の変形は100倍のスケールで図示している。
また、第2の圧電基板21の主面surface2および他の主面surface3近傍部分の変位量は、第2の圧電基板21の内部internal2の変位量よりも大きい。電極52dINから隣接する電極指52dOUTの間において、第2の圧電基板21の主面surface2および他の主面surface3近傍部は、14から18程度の変位量が多くみられる。第2の圧電基板21の内部internal2は、0から8程度の変位量が多くみられる。
なお、第1の圧電基板11の他の主面surface2と第2の圧電基板21の主面surface2は、接合されているため、説明の便宜上同じ符号を用いている。
また、図9に示されるように、電力印加時の電力が印加された電極指52dIN近傍の第1の圧電基板11の主面surface1の変位量は、第1の圧電基板11の他の主面surfac2および第2の圧電基板21の主面surfac2近傍の変位量よりも大きい。
電力印加時の電力が印加された電極指52dIN近傍の第1の圧電基板11の主面surface1は、8程度の変位量がみられた。第1の圧電基板11の他の主面surfac2および第2の圧電基板21の主面surfac2近傍は、2程度の変位量がみられた。
また、図9に示されるように、電力印加時の電力が動力に変換されたエネルギーが印加される電極指52dOUT近傍の第1の圧電基板11の主面surface1の変位量は、第1の圧電基板11の他の主面surface2および第2の圧電基板21の主面surface2近傍の変位量よりも大きい
電力印加時の電力が動力に変換されたエネルギーが印加される電極指52dOUT近傍の第1の圧電基板11の主面surface1は、14程度の変位量がみられた。1の圧電基板11の他の主面surface2および第2の圧電基板21の主面surface2近傍は、2程度の変位量がみられた。
また、図9に示されるように、電力印加時の電力が動力に変換されたエネルギーが印加される電極指52dOUT近傍の第1の圧電基板11および第2の圧電基板21の総変位量は、電力が印加された電極指52dIN近傍の第1の圧電基板11および第2の圧電基板21の総変位量よりも大きい。
以上で説明された実施の形態1によれば、機械的強度が向上した弾性波デバイスを提供することができる。
実施の形態2.
図10は、実施の形態2の弾性波デバイスが適用されるモジュールの縦断面図である。なお、実施の形態1の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
図10において、モジュール100は、配線基板130と複数の外部接続端子131と集積回路部品ICと弾性波デバイス1とインダクタ111と封止部117とを備える。
複数の外部接続端子31は、配線基板130の下面に形成される。複数の外部接続端子131は、予め設定された移動通信端末のマザーボードに実装される。
例えば、集積回路部品ICは、配線基板130の内部に実装される。集積回路部品ICは、スイッチング回路とローノイズアンプとを含む。
弾性波デバイス1は、配線基板130の主面に実装される。
インダクタ111は、配線基板130の主面に実装される。インダクタ111は、インピーダンスマッチングのために実装される。例えば、インダクタ111は、Integrated Passive Device(IPD)である。
封止部117は、弾性波デバイス1を含む複数の電子部品を封止する。
以上で説明された実施の形態2によれば、モジュール100は、弾性波デバイス1を備える。このため、機械的強度が向上した弾性波デバイスを備えるモジュールを提供できる。
少なくとも一つの実施形態のいくつかの側面が説明されたが、様々な改変、修正および改善が当業者にとって容易に想起されることを理解されたい。かかる改変、修正および改善は、本開示の一部となることが意図され、かつ、本開示の範囲内にあることが意図される。
理解するべきことだが、ここで述べられた方法および装置の実施形態は、上記説明に記載され又は添付図面に例示された構成要素の構造および配列の詳細への適用に限られない。方法および装置は、他の実施形態で実装し、様々な態様で実施又は実行することができる。
特定の実装例は、例示のみを目的としてここに与えられ、限定されることを意図しない。
本開示で使用される表現および用語は、説明目的であって、限定としてみなすべきではない。ここでの「含む」、「備える」、「有する」、「包含する」およびこれらの変形の使用は、以降に列挙される項目およびその均等物並びに付加項目の包括を意味する。
「又は(若しくは)」の言及は、「又は(若しくは)」を使用して記載される任意の用語が、当該記載の用語の一つの、一つを超える、およびすべてのものを示すように解釈され得る。
前後左右、頂底上下、横縦、表裏への言及は、いずれも、記載の便宜を意図する。当該言及は、本開示の構成要素がいずれか一つの位置的又は空間的配向に限られるものではない。したがって、上記説明および図面は、例示にすぎない。
1 弾性波デバイス
3 配線基板
5 デバイスチップ、 11 第1の圧電基板、 21第2の圧電基板21
9 電極パッド
15 バンプ
16 26 空隙
17 封止部
22 支持基板
31 外部接続端子
52 弾性波素子、 52a IDT、 52b 反射器、 52c 櫛形電極、 52d 電極指
100 モジュール、 105 デバイスチップ、 111 インダクタ、 117 封止部、 130 配線基板、 131 外部接続端子、 IC 集積回路部品


Claims (13)

  1. 主面および他の主面を有する第1の圧電基板と、
    前記第1の圧電基板の他の主面にその主面が接合された主面および他の主面を有する第2の圧電基板と、
    前記第1の圧電基板の主面上に形成された複数の電極指を有する櫛形電極が相互に挿間するように配置されたIDT電極を有する共振器と
    を備え、
    電力印加時の電力が印加された電極指から隣接する電極指の間において、前記第1の圧電基板の主面および他の主面近傍部分の変位量は前記第1の圧電基板の内部の変位量よりも大きく、かつ、前記第2の圧電基板の主面および他の主面近傍部分の変位量は前記第2の圧電基板の内部の変位量よりも大きい弾性波デバイス。
  2. 電力印加時の電力が印加された電極指近傍の前記第1の圧電基板の主面の変位量は、前記第1の圧電基板の他の主面および前記第2の圧電基板の主面近傍の変位量よりも大きい請求項1に記載の弾性波デバイス。
  3. 電力印加時の電力が動力に変換されたエネルギーが印加される電極指近傍の前記第1の圧電基板の主面の変位量は、前記第1の圧電基板の他の主面および前記第2の圧電基板の主面近傍の変位量よりも大きい請求項1または2に記載の弾性波デバイス。
  4. 電力印加時の電力が動力に変換されたエネルギーが印加される電極指近傍の前記第1の圧電基板および第2の圧電基板の総変位量は、電力が印加された電極指近傍の前記第1の圧電基板および第2の圧電基板の総変位量よりも大きい請求項1に記載の弾性波デバイス。
  5. 前記第1の圧電基板の主面上の少なくとも一部および前記IDT電極は、気密封止された空間に配置された請求項1~4に記載の弾性波デバイス。
  6. 前記第2の圧電基板の他の主面の前記共振器が形成された領域が中空構造となるように形成された支持基板を備える、請求項1~5に記載の弾性波デバイス。
  7. 前記第1の圧電基板と前記第2の圧電基板の極性は相互に反転している請求項1~6に記載の弾性波デバイス。
  8. 前記第1の圧電基板と前記第2の圧電基板は、ファンデルワールス力により接合されている請求項1~7に記載の弾性波デバイス。
  9. 前記第1の圧電基板と前記第2の圧電基板は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムの単結晶層の少なくとも一方を含む請求項1~8に記載の弾性波デバイス。
  10. 前記共振器により、前記第1の圧電基板と前記第2の圧電基板を伝搬する板波が励振される請求項1~9に記載の弾性波デバイス。
  11. 前記共振器の共振周波数は3~5GHzである請求項1~10に記載の弾性波デバイス。
  12. 前記IDT電極のデューティ比は、7%~15%である請求項1~11に記載の弾性波デバイス。
  13. 請求項1~12に記載の弾性波デバイスを備えるモジュール。


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