JP3683737B2 - 弾性表面波装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車電話及び携帯電話等の移動体無線機器に内蔵される共振器及び周波数帯域フィルタ用の弾性表面波装置に関する。
【0002】
【従来技術とその課題】
近年、電波を利用し通信を行なう電子機器用の帯域通過フィルタ等の周波数フィルタ(以下、フィルタという)、遅延線、発信器等の電子部品として、多くの弾性表面波(Surface Acoustic Wave 、以下、SAWと略す)共振子やSAWフィルタが用いられている。
【0003】
特に、移動体通信分野において、携帯電話等の携帯端末装置のRF(Radio Frequency :無線周波数あるいは高周波)ブロック及びIF(Intermidiate Frequency:中間周波数)ブロックのフィルタとして多用されている。例えば、自動車電話及び携帯電話等の移動体無線機器を使用した通信システムでは、占有周波数が約2GHzの高周波帯に設定され、機器内の増幅器のひずみにより高調波が増幅されるため、通過周波数の2倍や3倍の約4GHzや約6GHzの周波数帯にて大きく減衰が可能なフィルタが望まれている。
【0004】
図9(a)〜(c)に従来フィルタの構成を示す。SAWフィルタJを構成するSAW素子Eの共振子Rは、一対の櫛歯状電極(InterDigital Transducer 、以下、IDT電極と略す)を例えばラダー型回路に接続している。なお、IDT電極から励起されるSAWの伝搬路上にSAWを効率良く共振させるため、IDT電極の両側に反射器を配置する場合がある。図中、1はパッケージの蓋体、Kはパッケージを構成する板状の基体、2は側面入力電極、3は側面接地電極、4は入力電極パッド、5は出力電極パッド、6は接地電極パッド、7は接地接続電極、8は接地共通電極、9はボンディングワイヤである。
【0005】
ここで、共振子Rは例えば42°YカットX伝搬タンタル酸リチウム単結晶等からなる圧電基板上に、蒸着法やスパッタ法等によりAlやAl−Cu合金等の導電物が成膜され、フォトリソグラフィ法により微細な電極となるようパターニングされ、SAW素子Eが作製される。
【0006】
また、このSAW素子Eを載置する基体Kは、電極を配した複数の主にアルミナで構成された上部層91と下部層92とで構成されている。そして、入出力電極または接地電極をそれぞれの引き出し電極にワイヤ9で接続したり、またはAuバンプを用いたフリップチップにより接続したり、電気接続部にある保護膜をエッチングやリフトオフで取り除いた状態で電極接続部に導電性樹脂を塗布し接続を行うようにしている。
【0007】
セラミック層で構成した基体Kの斜視図を図9(b)及び図9(c)に示す。上部層91に配線した接地電極6とSAW素子Eの接地接続パッド電極間、および入出力電極パッド4、5とSAW素子Eの接地接続パッド電極間をワイヤボンドにて接続している。下部層92には、上部層91から側面接地電極3を通じて接地共通電極8へ接続されている。
【0008】
また、図10(a)は従来のSAWフィルタJの上面図であり、図10(b)は図10(a)のA−A’断面図、図10(c)は図10(a)のB−B’断面図である。また、図11は従来のSAWフィルタの高周波における電気成分の概略等価回路を示し、符号はそれぞれの部位に相当する等価素子を示した。
【0009】
このように、従来のSAWフィルタJでは、基体KのSAW素子E(入出力信号線Lに対して並列に接続された共振子)の接続される接地電極が等しい電位になるように、全ての基体層にわたり、接地電極が接続することで減衰量を大きくしていた。また、高々3GHz程度の周波数帯における減衰量を確保すればよかったのであり、上記SAWフィルタJの構成でも対応可能であった。
【0010】
しかしながら、SAWフィルタの使用周波数帯が準ミリ波帯側になるにつれ接地電極の長さが周波数波長領域に近づくことになり、もはや接地電極といえども通過帯域の高周波側において、通過周波数の2倍、3倍のハーモニック信号を抑圧する減衰量を確保できないという問題が生じる。
【0011】
そこで、本発明は上述の問題を解決するために提案されたものであり、通過域の特に高域側において阻止減衰が可能な特性の優れたSAWフィルタを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の弾性表面波装置は、基体上に、入出力信号線に対して複数の共振子を並列に接続して成る弾性表面波素子を配設した弾性表面波装置であって、基体は少なくとも第1誘電体層と第2誘電体層とを有し、第1誘電体層に共振子の少なくとも1つに接続された接地電極が複数形成され、且つ第2誘電体層に複数の接地電極の全てに接続された共通電極が形成されており、前記共振子から前記接地電極を経由して前記共通電極までのインダクタ成分を前記共通電極から接地電位までのインダクタ成分よりも大きくしていることを特徴とする。そして、第1誘電体層と第2誘電体層との間にインダクタ成分を有するようにした。また、特に共通電極と接地電位間のインダクタンスで並列共振子と共通電極間のインダクタンスを割った値を10〜20とした。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明に係る弾性表面波装置の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【0014】
図1に本発明の弾性表面波装置であるSAWフィルタS1の一部破断面斜視図を示す。また、その等価回路を図4に示す。なお、既に説明した図と同様な部材については同一符号を付し一部説明を省略する。
【0015】
このように、SAWフィルタS1は、ラダー型回路の入出力信号線Lに対して並列に複数の共振子Rを接続して成り、SAW素子Eを基体Kに載置したものである。
【0016】
ここで、基体Kは並列共振子Rの少なくとも1つを接続した接地電極6を複数備える第1誘電体層である上部基体11と、接地電極6の全てを接続した共通電極8を備える第2誘電体層である下部基体13とを少なくとも含むとともに、上部基体11と下部基体13との間にインダクタ成分を有するようにしている。
【0017】
図2(a)〜(c)に本発明SAWフィルタの基体Kの分解斜視図を示し、図3(a)に本発明のSAWフィルタの基体の上面図を、図3(b)に図3(a)のA−A’線断面図を、図3(c)に図3(a)のB−B’線断面図を示す。また、図4には本発明のSAWフィルタの高周波における電気成分の概略等価回路を示し、符号はそれぞれの部位に相当する等価素子を示す。
【0018】
SAW素子Eの並列共振子Rとそれぞれ接続される接地電極パッド6は、上部基体11においてそれぞれ互いに独立している。また、接地電極6は図2(b)の接地電極接続部7を経由して、図2(c)の接地共通電極8に接続され、同図の側面接地電極3で外部基板と接続される。また、SAW素子Eの入出力信号は、入出力電極パッド4,5に接続され、側面電極2を経由して外部基板の入出力信号と接続される。
【0019】
SAW素子Eに配置する共振子Rは高周波において容量性を有し、等価回路の共振子R、ボンディングワイヤ9、基体の接地電極3,6,7のインダクタ成分により、並列LC回路で減衰極が発生する。減衰極は回路構成により2つ存在し、低周波側にある減衰極は並列共振子Rから接地共通電極8までのインダクタ成分と並列共振子Rの容量で発生し、また、高周波側にある減衰極は接地共通電極8から接地電位までのインダクタ成分と並列共振子Rの容量で発生する。このことから、並列共振子Rから接地共通電極8までインダクタ成分を大きくすることで、上記LC回路により通過帯域の3倍の周波数帯以上で発生していた減衰極を低周波へ移動でき、また、接地共通電極8から接地電位までのインダクタ成分を小さくすることで、前記LC回路により通過帯域の周波数帯で発生していた減衰極を高周波へ移動できる。
【0020】
上部基体11のように接地電極6をそれぞれ独立にすることで、並列共振子Rから接地共通電極8までのインダクタ成分を大きくでき、且つ、共通電極を外部基板の接地電位の近くに配することで、接地共通電極8から接地電位までのインダクタ成分を小さくできる。このような構造により、通過帯域の高周波側の減衰量の良好な電気特性が得られる。
【0021】
また特に、通過帯域の2倍及び3倍の周波数帯で減衰量を大きく出来得る範囲は、接地共通電極8と接地電位間のインダクタ成分で前記並列共振子Rと共通電極8間のインダクタ成分を割った値が10〜20とすれば良い。
【0022】
上記の実施形態の説明では、SAW共振子Eとの接続方法はワイヤボンドにより接続したが、Auバンプを用いたフリップチップにより接続する場合、若しくは電気接続部にある保護膜をエッチングやリフトオフで取り除いた状態で電極接続部に導電性樹脂を塗布し接続を行う場合は、上記ボンディングワイヤのインダクタ成分を図5(b)の蛇行状電極10またはらせん状などの電極配線による構成でとるようにしてもよい。
【0023】
なお、SAW素子を構成する圧電基板はタンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム単結晶、水晶、四ほう酸リチウム単結晶、ランガサイト型結晶構造を有する単結晶、ニオブ酸カリウム単結晶、ガリウム砒素などが主に適用できる。また、IDT電極材はアルミニウム、アルミニウム・銅合金、アルミニウム・チタン合金、アルミニウム・珪素合金、金、銀、銀・パラジウム合金が主に適用できる。また、引き出し電極材は主材にアルミニウム、アルミニウム・銅合金、アルミニウム・チタン合金、アルミニウム・珪素合金、金、銀、銀・パラジウム合金が主に適用でき、電極の密着度向上や電気抵抗の削減のため下地材が必要な場合には、クロム、チタン、銅が主に適用できる。また、絶縁性部材としては、SiO2、SiN、Si、DLC(Diamond Like Carbon)、ZnO、ポリイミド、フッ素系樹脂、オレフィン系樹脂、またウエハプロセスに使用されるポジ型レジストのような感光性硬化樹脂が主に適用できる。これらの比抵抗は10−8cmΩ以上であるが、その他の絶縁部材を使用した場合比抵抗で10−5cmΩ以上の材料であれば適用できる。その他、電極材料に陽極酸化法を用いて絶縁性すれば保護膜同様の効果が現れる。
【0024】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、SAWフィルタだけでなく、SAWデュプレクサにも本発明が適用でき、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更は何等差し支えない。
【0025】
【実施例】
〔実施例1〕
図1に示すように、SAW素子Eは、42°YカットX伝搬タンタル酸リチウム単結晶の圧電基板上に、IDT電極の周期長1.99μm、対数110対、交差幅39.8μmの梯子型直列腕共振子Rを2個と、周期長2.1μm、対数75対、交差幅42.0μmの梯子型並列腕共振子Rを3個、また、全ての共振子の反射器本数が20本で設計し、電極は材料Al−Cu合金をスパッタ法にて膜厚2000Åで成膜し、ウエハプロセスで通常行われているフォトリソグラフィ工程によりパターニングした。保護膜は素子全面に材料SiO2 をスパッタ法にて膜厚500Åで成膜した。この後、ワイヤと接続させる部位をCDE(Chemical Dry Etching)で除去し、このウエハをダイシングし、個々の素子に切り離した。この素子を図1に示す基体Kに載置し、ワイヤボンド9をSAW素子の接続パッドと上部基体11の電極パッド4,5,6の間に接続した。その後、耐候性を持たせるためリッド1にてシーム溶接法で気密封止を行った。
【0026】
図6に本発明のSAWフィルタの電気特性評価を示す。評価方法は、上述の如く組み立てた外部回路基板の入出力端子に3.5mm径のコネクタを接続し、ネットワークアナライザにより測定した。図6における実線が本実施例の結果であり、破線が従来構造の結果である。この測定結果から、通過域の2倍の周波数において減衰量は従来構造のSAWフィルタでは14dB、本実施例では41dBとなり、通過域の3倍の周波数において従来SAWフィルタでは11dB、本実施例では28dBの減衰量であった。
【0027】
〔実施例2〕
次に、図5に示すように、42°YカットX伝搬タンタル酸リチウム単結晶の圧電基板上に、IDT電極の周期長1.99μm,対数110対,交差幅39.8μmの梯子型直列腕共振子Rを2個、周期長2.1μm,対数75対,交差幅42.0μmの梯子型並列腕共振子Rを3個、また、全ての共振子の反射器本数が20本で設計し、電極はAl−Cu合金をスパッタ法にて膜厚2000Åで成膜し、ウエハプロセスで通常行われているフォトリソグラフィ工程によりパターニングを行った。保護膜は素子全面に材料SiO2 をスパッタ法にて膜厚500Åで成膜した。この後、Auバンプと接続させる部位をCDEで除去し、本ウエハをダイシングし、個々の素子に切り離した。
【0028】
この素子を図5に示すような基体Kに載置し、Auバンプにより接続する。その後、耐候性を持たせるためリッド1にてシーム溶接法で気密封止した。第1誘電体層における蛇行状電極は幅0.1mm、長さ2mmの電極構造で電極材質は下地層にW材、上層にAu材とした。
【0029】
図7に上記SAWフィルタの電気特性評価を示す。評価方法は、上述の如く組み立てた外部回路基板の入出力端子に3.5mm径のコネクタを接続し、ネットワークアナライザで測定を行った。図7における実線が本実施例であり、破線が従来のSAWフィルタの結果である。測定結果より、通過域の2倍の周波数において減衰量は従来のフリップチップ型のSAWフィルタでは21dB、本実施例では38dBであり、通過域の3倍の周波数において従来SAWフィルタでは26dB、本実施例では35dBの減衰量であった。本結果より、本発明による構造が良好な値を得ることが判った。
【0030】
また、図5(c)の共通電極8から接地電位までのインダクタ成分を0.05nHにして、図5(b)の蛇行状電極を0.1mm幅で長さを変化させることで各種インダクタ付きの基体を用い、実験的にインダクタの好適な範囲を決定した。
【0031】
図8にその結果を示す。図中の●印は通過域の2倍の周波数での減衰量であり、○印は通過域の3倍の周波数での減衰量である。所望の減衰量は最低20dB以上あれば良いため、上記蛇行状電極またはらせん状電極配線には0.5nH以上1.0nH以下のインダクタ成分があれば良いことが判明した。すなわち、共通電極と接地電位間のインダクタ成分(インダクタンス)で並列共振子と共通電極間のインダクタ成分を割った値を10〜20とすれば、最も良好な特性を示すことが判明した。
【0032】
【発明の効果】
本発明の弾性表面波装置によれば、SAWフィルタの通過帯域の高域側における阻止域減衰量を大幅に改善することが可能となる。また、特に携帯電話等のRF段に用いる場合、ミキサーで発生する局部発振周波数の2倍、3倍におけるハーモニック信号を十分に抑圧することができる。
【0033】
さらに、SAW素子と基体を直接接合する場合、減衰量を大幅に改善することが可能となり、安価で小型なSAWフィルタを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る弾性表面波装置の一部破断面斜視図である。
【図2】(a)〜(c)は本発明に係る弾性表面波装置の基体の斜視図である。
【図3】本発明に係る弾性表面波装置を説明する図であり、(a)は一部破断上面図であり、(b)は(a)のA−A’線断面図、(c)は(a)のB−B’線断面図である。
【図4】本発明に係る弾性表面波フィルタの等価回路図である。
【図5】本発明に係る他の弾性表面波装置を説明する図であり、(a)は一部破断断面図であり、(b)は上部基体の斜視図、(c)は下部基体の斜視図である。
【図6】実施例1における従来の弾性表面波フィルタと本発明に係る弾性表面波フィルタの電気特性を示す。
【図7】実施例2における従来の弾性表面波フィルタと本発明に係る弾性表面波フィルタの電気特性を示す。
【図8】接続電極のインダクタ成分と通過域の2倍の周波数と3倍の周波数での減衰量の関係を示した図である。
【図9】従来の弾性表面波装置を説明する図であり、(a)は一部破断断面図であり、(b)は上部基体の斜視図、(c)は下部基体の斜視図である。
【図10】従来の弾性表面波装置を説明する図であり、(a)は一部破断上面図であり、(b)は(a)のA−A’線断面図、(c)は(a)のB−B’線断面図である。
【図11】従来の弾性表面波フィルタの等価回路図である。
【符号の説明】
1:蓋体
2:側面入力電極
3:側面接地電極
4:入力電極パッド
5:出力電極パッド
6:接地電極パッド
7:接地接続電極
8:接地共通電極
9:ワイヤ
10:蛇行状電極
S1,S2:SAWフィルタ
E:SAW素子
R:共振子
K:基体
Claims (1)
- 基体上に、入出力信号線に対して複数の共振子を並列に接続して成る弾性表面波素子を配設した弾性表面波装置であって、前記基体は少なくとも第1誘電体層と第2誘電体層とを有し、前記第1誘電体層に前記共振子の少なくとも1つに接続された接地電極が複数形成され、且つ前記第2誘電体層に前記複数の接地電極の全てに接続された共通電極が形成されており、前記共振子から前記接地電極を経由して前記共通電極までのインダクタ成分を前記共通電極から接地電位までのインダクタ成分よりも大きくしていることを特徴とする弾性表面波装置。
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