JP3716123B2 - Surface acoustic wave device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車電話及び携帯電話等の移動体無線機器など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】
【従来の技術】
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SAW共振子やSAWフィルタが用いられている。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(Intermediate 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。そして今後、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上、部品の軽量化や薄肉化または小型化が望まれている。
【0003】
従来の弾性表面波(Surface Acoustic Wave で、以下、SAWと略す)装置の基本構成は、圧電基板上に一対の櫛歯状電極(Inter Digital Transducerで、以下、IDT電極と略す)を複数載置し、IDT電極から励起されるのSAWの伝搬路上に、SAWを効率良く共振させるための反射器が配置される構造となっている。
【0004】
図16に従来のSAW装置Jの一例を示す。IDT電極12は、例えば36°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1上に、蒸着法,スパッタ法等によりアルミニウムやアルミニウム−銅合金等の導電物がフォトリソグラフィ法で微細な電極となるようパターン形成されたものである。
【0005】
また、このように構成された弾性表面波素子Mをセラミックで作製した筐体(パッケージ基体20とその上に設けた封止材22,筐体キャップ21から成る)内に収容し、入出力電極3,4または接地電極5をそれぞれの引き出し電極18,19にワイヤー25で接続するか、はんだバンプを用いたフリップチップ法により接続するなどしていた。
【0006】
また、保護膜2が無い状態では、耐候性を高めるため気密性保持可能な構造を成す素子保持基板とキャップがシーム溶接されるか、半田及び樹脂で封止される筐体中に収容させる必要があった。
【0007】
移動体通信用の弾性表面波フィルタは、激化する携帯電話端末を小型化するために、極限にまで低実装面積,低重量且つ低背位であることが要求されている。従来より、主に低実装面積及び低背位を実現させる方法としてフリップチップ実装法が知られている。
【0008】
しかしながら、フリップチップ実装法を行った弾性表面波素子は、圧電基板に形成した励振電極の振動表面の自由度、及び素子表面部における気密性を維持する必要性があるので、素子を収納するパッケージは素子に対するダイアタッチ部のクリアランスとシール部の気密性を両立しなければならない。
【0009】
例えば、セラミックパッケージの場合、上記機能を満足させるためにパッケージが大型化し、パッケージ寸法は素子寸法よりも1辺当たり約1.5〜1.8mm程度大型化し、底面積では約5倍以上にもなり低面積化の妨げとなっていた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の弾性表面波装置は、外部回路基板上に実装する際、上述の如く筐体に収容し、ワイヤボンドやバンプを形成するか保護膜を取り除いて電気接続する必要があり、製造工程が非常に煩雑となるといった問題がある。
【0011】
また、上記弾性表面波装置では実装状態で大型となる上に、保護膜が無い状態では耐候性に乏しく、載置収容の簡便な筐体や外部回路基板への直接接続が困難であった。
【0012】
そこで本発明は、電気接続方法を簡略化し、筐体内への載置や収容を簡便にし、また、直接に外部回路基板上に実装することができる弾性表面波装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の弾性表面波装置は、入出力信号用の導体パターンが形成された基体上に、圧電基板の下面に励振電極を形成した弾性表面波素子を配設して成る弾性表面波装置であって、前記圧電基板の下面と前記基体との間に、誘電体中に50体積%以下のAu−SnまたはAg−Snを成分とする高温はんだから成る導電性粒子が分散された枠状の接着材を介在させ、前記励振電極と前記導体パターンとを導通させており、前記入出力信号の帯域が900MHzであるとともに前記導電性粒子の直径が30〜80μmであることを特徴とする。
【0015】
また、基体の表面と前記励振電極の表面との間が前記弾性表面波の波長以上の距離に設定されていることを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る弾性表面波装置の実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
【0017】
外部回路基板Kまたはパッケージ基体上に載置された参考例の弾性表面波装置S1の様子を模式的に示す平面図を図1に、そのA−A線端面図を図2に示す。
【0018】
圧電基板1の下面には、SAWを励振する励振電極である櫛歯状のIDT電極12と、入出力導体パターンである引き出し電極3,4,接地電極5がフォトリソ工程で形成されている。また、電極3,4,5,12の下方には、例えばSiO2 からなる誘電体層である保護膜2が形成され、ごみや湿気などに対して耐候性を持たせている。また、この下方には外部回路基板Kの引き出し配線の形成領域にマスク蒸着で形成したAuから成る電極層6,7,8が形成されており、電極層6,7,8と外部回路基板Kの引き出し配線部9,10,11と導電性樹脂層13により導電接着されている。なお、接続部材として図3に示す弾性表面波装置S2のごとくにバンプ14,14等を使用しても構わない。
【0019】
このように、弾性表面波装置S1,S2は、入出力信号用の導体パターンである引き出し配線部9,10,11が形成された基体(パッケージ基体や外部回路基板)上に、圧電基板1の下面に励振電極12を形成した弾性表面波素子F1を配設して成るものであり、導体パターンと励振電極12とが誘電体層を介して容量結合しており、電気信号の入出力を行っている。なお、上記誘電体層は励振電極12を被覆しているが、この誘電体層が枠状に形成され、気密性が確保できる場合には励振電極12を保護しなくともよい。なお、上記誘電体とは、比抵抗値で1×105 Ωcm以上の物質をさすものとする。
【0020】
また、外部回路基板Kもしくは基体の表面と励振電極12の表面との間、すなわち、励振電極12の振動空間16における距離hが、伝搬させる弾性表面波の波長以上の距離に設定されているものとする。
【0021】
また、外部回路基板Kには入力信号線9と接地信号線11との間、または出力信号線10と接地信号線11との間に、チップインダクタが載置できるようにしているか、またはジグザク状あるいは蛇行状の配線パターンが形成されている。すなわち、図4に示す外部基板回路K上に又はその内部に蛇行状の配線30を形成するようにしてもよい。また、図5に示すように、パッケージ基体20の上又はその内部に蛇行状の配線31を形成して、このようなインダクタでもって不要な容量性をキャンセルすることも可能である。なお、図5における17,18,19はそれぞれ、引出し入力電極,引出し出力電極,接地電極である。
【0022】
次に、弾性表面波装置S1における等価回路を図6に示す。この図に示すように、弾性表面波素子F1の接続部に直列に接続されたキャパシタンスC1〜C3と外部回路基板Kに並列に接続されたインダクタンスD1,D2が共振状態になり、上記回路における伝送量は、図7に示すように、共振周波数を弾性表面波素子F1の通過帯域とほぼ一致させることで、良好な弾性表面波装置S1の電気特性が得られる。勿論、図8や図9に示すようにパッケージ基体20に弾性表面波素子F1を載置する構造としても構わない。すなわち、図8に示す弾性表面波装置S3のように、入出力導体パターンである配線18,19等が施された基体20に、蓋体21が接合されたパッケージ内に弾性表面波素子F1を収容したり、図9に示す弾性表面波装置S4のように、入出力導体パターンである配線18,19等が施された基体20上に、弾性表面波素子F1を載置することにより、導体パターンと励振電極12とを誘電体層である保護膜2を介して容量結合させてもよい。
【0023】
なお、圧電基板1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、四ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト型構造を有する単結晶、ニオブ酸カリウム単結晶、ガリウム砒素単結晶が主に適用可能である。
【0024】
また、IDT電極12の材料はアルミニウム,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可能である。また、引き出し電極の材料には、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、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,銅が主に適用可能である。
【0025】
また、保護膜2の材料としては、酸化珪素,窒化珪素,珪素,DLC(Diamond Like Carbon ),酸化亜鉛,ポリイミド樹脂,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等が主に適用可能である。
【0026】
また、図10に示すように、IDT電極12,入出力電極3,4、接地電極5の部材をアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金を用い、陽極酸化法により電極表面を酸化させ、アルミナを誘電体層の保護膜15とした弾性表面波素子F2を外部回路基板K上に載置した弾性表面波装置S5とすることもできる。
【0027】
また、図11,12に示すように、励振電極12に保護膜を被覆しない弾性表面波素子F3とし、その周囲に耐候性向上等のために枠状のガラス材24を外部回路基板やパッケージ基体20上に配設し気密封止した弾性表面波装置S6とすることもできる。この場合においても、励振電極12の振動空間16を確保するために、基体20の表面と励振電極12の表面との間hが弾性表面波の波長以上の距離に設定されている。ここで、ガラス材24は弾性表面波素子の入出力及び接地電極4,5等を含むように弾性表面波素子の下面またはその外周部に枠状に塗布し、素子を筐体接続基板に載置する。そして、例えば空隙部16を調整しながら加圧し、320℃に加熱しガラス硬化を行い封止する。
【0028】
なお、図1では弾性表面波素子を共振器梯子型フィルタとして示したが、共振器格子型フィルタや2重モード共振器型フィルタ,マルチIDT電極型フィルタまたはこれらの複合された構成で行っても構わない。また、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。
【0029】
〔実施形態〕図13に弾性表面波装置S7を上からみた模式的な平面図を示す。また、図14にそのB−B線端面図を示す。なお、図において図1の参考例と同様な部材には同一符号を付し説明を省略する。
【0030】
図13に示すように、弾性表面波装置S7は、入出力信号用の導体パターンである電極18,19が形成された基体20上に、圧電基板1の下面に励振電極12を形成した弾性表面波素子F4を配設して成るものであって、圧電基板1の下面と基体20との間に、誘電体中に50体積%以下(より好適には、10〜30体積%)の導電性粒子42が分散された枠状の接着材41を介在させ、励振電極12と電極18,19とを導通させたものである。なお、44はパッケージ蓋体44であり、この下面と圧電基板1との間に外部の電磁波の影響を防止する導電性接着材43が介在している。
【0031】
具体的には、圧電基板1の下面に少なくとも一対の櫛歯状電極指を連接して成る励振電極を複数個配置した弾性表面波素子F4を、セラミック等を用いて作製したパッケージ基体20上にフェイスダウンにて実装したものである。
【0032】
また、セラミック基体20と弾性表面波素子F4を接合する誘電体(比抵抗値で1×105Ωcm以上の物質で、例えば、ガラス、エポキシ樹脂,シリコーン樹脂,ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、感光性硬化樹脂等)に、大きさをほぼ均一にコントロールした導電性粒子(例えば、比抵抗値が1.0×10-5Ωcm以下のもので、Au−Sn合金、Ag−Sn合金のはんだボールのフィラー)6を一定量混合し、このようにして得た接着材を弾性表面波素子F4の電極形成面にIDT電極部に触れないように印刷し、フェイスダウンでパッケージに実装することにより、弾性表面波の励振に必要な空間16の確保と弾性表面波素子電極とパッケージ基体の電極の電気的接合を効果的に同時に行うことが可能である。なお、フェイスダウン実装時の雰囲気は不活性なArガスまたはN2 ガスが望ましい。
【0033】
これにより、究極まで低面積,低背位の弾性表面波装置構造を得ることができる。この際、絶縁性樹脂に混合する導電性粒子の直径は、弾性表面波の励振を妨げない範囲で、且つ弾性表面波素子電極とグランド間が持つ大地容量の影響を考慮し、しかもはんだの電気的機械的な性能により決定される。通常、容量性結合により電極の接続を省略する場合を除けば、容量成分は可能な限り低減することが望ましい。以上の理由を鑑み、帯域が900MHzでは、導電性粒子の直径は30〜80μm程度の範囲とする。30μm以下では大地容量の過増大になり、80μm以上でははんだの機械強度上に問題が発生する。また、導電性粒子は基板実装時の加熱温度を考慮して高温はんだを使用する。
【0034】
導電性粒子は素子電極とそれ以外の場所に均一に存在するため、素子電極2やパッケージ電極を設計する際には、電極間の短絡を防止する。好ましくはパッケージ側でグランド電極を配置し、側面部からの外部雑音を遮断できる。また、導電性粒子の混合率は体積率で50%以下であれば隣接する導電性粒子は接触しないが、製造上の安定性を考慮すると10%〜30%が好適な範囲といえる。
【0035】
次に、パッケージ蓋体44の下面に導電性接着材43を印刷塗布し、パッケージ底部上に搭載した弾性表面波素子F4上に実装する。
【0036】
次に、絶縁性接着材41を加熱硬化させる。この際、導電性粒子6が弾性表面波素子電極2bとパッケージ電極7の両方に接触するように、素子上面から分銅などの荷重を負荷しておく。更に、導電性粒子がはんだボールであり、これを溶融し、素子共通電極2bとパッケージ電極7を電気的に接合することができる。このとき、はんだボールははんだくわれの少ないAu−SnまたはAg−Snを成分とする高温はんだとしている。はんだボールの接合には加熱炉を用いる。なお、例えば高温はんだのピーク温度を考慮して加熱炉の温度は260℃〜280℃をピーク温度として溶接するのが好ましい。
【0037】
【実施例】
〔参考例〕図1に示す弾性表面波装置を作製した参考例について説明する。まず、42°YカットX伝搬タンタル酸リチウム単結晶から成る圧電基板上に、IDT電極12の周期長が1.99μm、対数が110対、交差幅が39.8μmの梯子型直列腕共振子を3個、周期長が2.1μm、対数が75対、交差幅が42.0μmの梯子型並列腕共振子を2個、また、各々の共振子の両端に反射器(本数が20本)を設けた。また、各々の電極はAl−Cu合金をスパッタ法にて膜厚2000Åで膜付けを行い、ウエハプロセスで通常行われているフォトリソ工程によりパターニングした。保護膜2は素子全面に材料SiO2 をスパッタ法にて膜厚500Åで膜付けを行った。この後、500μm×500μmの面積の各接続電極6,7,8を形成するため金属マスクを用いて材料Auを蒸着法で2μm膜付けした。
【0038】
一方、外部回路基板上には引き出し線9,10,11を本発明に係る装置形状に合わせ、銅泊のガラスエポキシ樹脂基板0.5mm厚みをパターニングして、かつ、入出力線と接地線間に1nFのチップインダクタを半田付けし載置した。
【0039】
次に、上記弾性表面波装置の接続電極6,7,8に主材料Agと接着材がエポキシ系樹脂の導電性樹脂を10μmの厚みで転写法により塗布し外部回路基板上に載置した。
【0040】
図15に本発明に係る弾性表面波装置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SMAコネクタを接続し、ネットワークアナライザで測定した。図15の結果より、伝送量が最小挿入損失が2dB、通過帯域内の最大定在波比(VSWR)が1.7と良好な値であることが判った。
【0041】
〔実施例〕次に、図13,14に示した弾性表面波装置の実施例について説明する。42°YカットX伝搬のリチウム・タンタレート単結晶からなる圧電基板上に、リフトオフ工程を用いて励振電極であるIDT電極を作製してラダー型回路を成す弾性表面波フィルタを作製した。この弾性表面波フィルタは、900MHz帯で比帯域幅2.6%の送信用とし、櫛歯状を成すIDT電極の電極幅および電極スペースはそれぞれ約1μmとした。
【0042】
フィルタの構成は、弾性表面波共振子を5個使用したπ型のラダー型回路とし、それぞれの弾性表面波共振子の電極は、低損失と高帯域外減衰量を得るため直列側と並列側の容量比を最大限大きくとってある。
【0043】
弾性表面波共振子の構成は、IDT電極の電極指の対数が約60対から130対、交差幅15λから30λ(但し、λ:弾性表面波の波長)、電極の材質はEB蒸着によって成膜した厚み4100Åのアルミニウムを使用した。
【0044】
また、弾性表面波素子とパッケージ基体との間の接合は高温はんだにて行うため、アルミニウムの単層膜では腐食が発生する。このため、接合部分には下地にニッケルメッキ膜(厚さ約0.5μm)をスパッタにて成膜し、はんだ濡れ性を確保するためこの上に金メッキ膜(厚さ約0.1μm)を同じくDCスパッタにて成膜した。
【0045】
弾性表面波素子を作製したリチウム・タンタレート圧電基板は0.35mm厚のものを使用した。これは、圧電基板の厚みがこれ以上厚くなると、装置の総厚みに影響を与え低背位化の妨げになり、これ以下の厚みになると電極加工時にウエハが破損しやすくなり、歩留まりが著しく低下するためである。また、総厚みを1mm以下とするため、パッケージ底部のセラミックス厚みを単板の0.35mm、蓋体の厚みを0.15mmとして作製した。
【0046】
ウエハの分割はダイシングソーを用い、ダイヤモンド砥粒#600を用いて約1mm角のピッチで切断した。
【0047】
ダイボンディング用パターンの形成は、ダイシング後のウエハを平坦な基板上に吸着し厚膜印刷用のスクリーンマスクを作製し印刷加工した。この際使用した接着材は絶縁性の一液性エポキシ接着材で、低チキソ性且つ低溶剤の熱硬化型のものを選択した。
【0048】
電気的接合を得るためのはんだボールは、直径約50μmのものを使用し、前述の接着材に対して体積比20%で混合した。
【0049】
また、接着材硬化時は脱溶剤時の接着材の膨張により、はんだボールと弾性表面波素子電極およびパッケージ電極が分離することがないように、若干はんだボールが変形する領域を狙って荷重を付加した。加熱温度は約150℃、時間は1時間で所望の硬化を得た。この後、荷重付加状態でピーク温度が約320℃度まで加熱し、はんだボールにより弾性表面波素子電極とパッケージ電極を接合した。蓋体については、下面に導電性エポキシ接着材を塗布し、弾性表面波素子上に載置した。
【0050】
特性の測定にはネットワークアナライザを使用し、900MHzにおいて良好な特性を確認できた。
【0051】
本発明では、ラダー型弾性表面波装置をあげたが、トランスバーサルおよび共振器型等の弾性表面波装置にも適用可能なことは言うまでもない。また、電気的な接合を得るために使用したはんだボールの他に、はんだボールに対して若干直径を小さくした金属製のボールをはんだボールに混合することで弾性表面波素子とパッケージの間のマイクロギャップをコントロールする方法や、はんだボールの代替えとしてはんだめっきを施した銅ボールを使用する方法等があげられる。
【0054】
【発明の効果】
誘電体中に適当量の導電性粒子を分散させた接着材を用いる事により、弾性表面波素子とパッケージの電気的且つ機械的接合を同時に得ることができるため、従来のワイヤボンダやバンプボンダなどの高額の設備および材料が不要とすることができ、高スループットな加熱炉による処理が行え、製造を簡便迅速化することができる。
【0055】
また、弾性表面波素子とパッケージ電極の間に必要な、弾性表面波用の自由振動空間(マイクロギャップ)を、例えばはんだボールの粒径で容易にコントロールできるため、弾性表面波フィルタとグランド電極間に発生する大地容量を精度よく制御可能になり、設計時の特性の再現性が向上する上に、弾性表面波装置の低背位化を可能にすることができる。
【0056】
また、従来のようにパッケージにより気密性を得る必要性がないため、パッケージにキャビティ構造を持たせる必要がなくなり、弾性表面波装置大幅な低面積化(従来比約1/4以下)が可能になり、ひいては携帯電話の小型化、軽量化、低コスト化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 参考例に係る弾性表面波素子の実装構造(弾性表面波装置)を模式的に説明する図であり、弾性表面波装置を基体上に実装する様子を模式的に示す一部破断平面図である。
【図2】図1におけるA−A線端面図である。
【図3】 参考例の弾性表面波装置を模式的に説明する断面図である。
【図4】外部回路基板に形成した補正回路を説明する平面的な模式図である。
【図5】パッケージ基体に形成した補正回路を説明する平面的な模式図である。
【図6】 参考例の弾性表面波装置の等価回路図である。
【図7】 参考例の弾性表面波装置の伝送量を示す線図である。
【図8】 参考例の弾性表面波装置を模式的に説明する断面図である。
【図9】 参考例の弾性表面波装置を模式的に説明する断面図である。
【図10】 参考例の弾性表面波装置を模式的に説明する断面図である。
【図11】 参考例の弾性表面波装置を模式的に説明する断面図である。
【図12】図11の弾性表面波装置を模式的に示す平面図である。
【図13】 本発明に係る弾性表面波素子の実装構造(弾性表面波装置)を模式的に説明する図であり、弾性表面波素子を基体上に実装する様子を模式的に示す平面図である。
【図14】図13におけるB−B線端面図である。
【図15】本発明に係る弾性表面波装置の電気特性評価の結果である。
【図16】従来の弾性表面波装置を模式的に説明する断面図である。
【符号の説明】
1:圧電基板
2:保護膜
3:圧電基板上の入力電極
4:圧電基板上の出力電極
5:圧電基板上の接地電極
6:引出し入力電極
7:引出し出力電極
8:接地電極
7' :下地電極
8' :下地電極
9:外部回路基板の入力電極
10:外部回路基板の出力電極
11:外部回路基板の接地電極
12:IDT電極
13:導電性樹脂
14:バンプ
15:陽極酸化膜
16:間隙
17:筐体側引出し入力電極
18:筐体側引出し出力電極
19:筐体側接地電極
20:筐体接続基板
21:筐体キャップ
22:封止材
30,31:蛇行状インダクタ配線
24:ガラス封止材
25:ワイヤー
F1〜F4:弾性表面波素子
S1〜S7:弾性表面波装置
K:外部回路基板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a resonator and a surface acoustic wave device for a frequency band filter incorporated in a mobile radio device such as a car phone and a mobile phone.
[0002]
[Prior art]
In recent years, many SAW resonators and SAW filters have been used as electronic components such as frequency filters (hereinafter referred to as filters), delay lines, transmitters, and the like for bandpass filters for electronic devices that communicate using radio waves. Yes. In particular, in the field of mobile communication, it is frequently used as a filter for RF (Radio Frequency: radio frequency or high frequency) blocks and IF (Intermediate Frequency) blocks of mobile terminal devices such as mobile phones. In the future, it is desired to reduce the weight, thickness, or size of parts in a communication system using mobile wireless devices such as automobile phones and mobile phones.
[0003]
The basic configuration of a conventional surface acoustic wave (hereinafter abbreviated as SAW) device is that a plurality of pairs of comb-like electrodes (inter digital transducer, hereinafter abbreviated as IDT electrodes) are mounted on a piezoelectric substrate. A reflector for efficiently resonating the SAW is arranged on the SAW propagation path excited from the IDT electrode.
[0004]
FIG. 16 shows an example of a conventional SAW device J. The IDT electrode 12 is formed on a piezoelectric substrate 1 made of, for example, a 36 ° Y-cut X-propagating lithium tantalate single crystal or the like, and a conductive material such as aluminum or an aluminum-copper alloy is finely formed by a photolithography method by vapor deposition or sputtering. A pattern is formed to be an electrode.
[0005]
Further, the surface acoustic wave element M configured as described above is accommodated in a case made of ceramic (consisting of a package base 20, a sealing material 22 provided on the case, and a case cap 21), and input / output electrodes. 3, 4 or the ground electrode 5 is connected to the respective lead electrodes 18 and 19 by a wire 25 or connected by a flip chip method using solder bumps.
[0006]
Further, in the absence of the protective film 2, it is necessary to seam weld the element holding substrate and the cap that have a structure capable of maintaining airtightness in order to improve the weather resistance, or to accommodate them in a case sealed with solder and resin. was there.
[0007]
A surface acoustic wave filter for mobile communication is required to have a low mounting area, a low weight, and a low profile to the limit in order to reduce the size of an intensifying mobile phone terminal. Conventionally, a flip-chip mounting method is known as a method for realizing mainly a low mounting area and a low profile.
[0008]
However, the surface acoustic wave device that has been subjected to the flip chip mounting method needs to maintain the degree of freedom of the vibration surface of the excitation electrode formed on the piezoelectric substrate and the airtightness of the device surface portion. Therefore, the clearance of the die attach part to the element and the air tightness of the seal part must be compatible.
[0009]
For example, in the case of a ceramic package, the package is enlarged to satisfy the above functions, the package size is increased by about 1.5 to 1.8 mm per side than the element size, and the bottom area is about 5 times or more. This hindered the reduction in area.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a conventional surface acoustic wave device is mounted on an external circuit board, it needs to be housed in a housing as described above, and to be electrically connected by forming a wire bond or bump or removing a protective film, There is a problem that becomes very complicated.
[0011]
In addition, the surface acoustic wave device is large in a mounted state and has poor weather resistance in the absence of a protective film, so that it is difficult to directly connect to a housing or an external circuit board that can be easily placed and accommodated.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a surface acoustic wave device that simplifies the electrical connection method, facilitates mounting and housing in a housing, and can be directly mounted on an external circuit board. .
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a surface acoustic wave device according to the present invention includes a surface acoustic wave element in which an excitation electrode is formed on the bottom surface of a piezoelectric substrate on a substrate on which a conductor pattern for input / output signals is formed. A surface acoustic wave device comprising: a conductive particle comprising a high-temperature solder containing 50% by volume or less of Au—Sn or Ag—Sn as a component in a dielectric between the lower surface of the piezoelectric substrate and the substrate. The excitation electrode and the conductor pattern are electrically connected to each other with a frame-shaped adhesive dispersed therein, the input / output signal band is 900 MHz, and the diameter of the conductive particles is 30 to 80 μm. It is characterized by that.
[0015]
Further, the distance between the surface of the substrate and the surface of the excitation electrode is set to a distance equal to or greater than the wavelength of the surface acoustic wave.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a surface acoustic wave device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a plan view schematically showing the state of the surface acoustic wave device S1 of the reference example placed on the external circuit board K or the package base, and FIG.
[0018]
On the lower surface of the piezoelectric substrate 1, comb-like IDT electrodes 12 that are excitation electrodes for exciting SAW and lead electrodes 3 and 4 that are input / output conductor patterns are formed by a photolithography process. Below the electrode 3,4,5,12, for example a protective film 2 is a dielectric layer made of SiO 2 is formed, and to have a weather resistance against dirt and moisture. Below this, electrode layers 6, 7, and 8 made of Au formed by mask vapor deposition are formed in the formation region of the lead wiring of the external circuit board K. The electrode layers 6, 7, and 8 and the external circuit board K are formed. The lead-out wiring portions 9, 10, 11 and the conductive resin layer 13 are conductively bonded. Note that the bumps 14 and 14 of the surface acoustic wave device S2 shown in FIG. 3 may be used as the connection member.
[0019]
As described above, the surface acoustic wave devices S1 and S2 are formed on the substrate (package substrate or external circuit substrate) on which the lead-out wiring portions 9, 10, and 11 that are conductor patterns for input / output signals are formed. The surface acoustic wave element F1 having the excitation electrode 12 formed on the lower surface is disposed, and the conductor pattern and the excitation electrode 12 are capacitively coupled via a dielectric layer to input / output an electric signal. ing. The dielectric layer covers the excitation electrode 12. However, if the dielectric layer is formed in a frame shape and airtightness can be secured, the excitation electrode 12 may not be protected. The dielectric is a substance having a specific resistance value of 1 × 10 5 Ωcm or more.
[0020]
The distance h between the surface of the external circuit board K or the substrate and the surface of the excitation electrode 12, that is, the distance h in the vibration space 16 of the excitation electrode 12 is set to a distance equal to or greater than the wavelength of the surface acoustic wave to propagate. And
[0021]
In addition, a chip inductor can be mounted on the external circuit board K between the input signal line 9 and the ground signal line 11 or between the output signal line 10 and the ground signal line 11, or in a zigzag shape. Alternatively, a meandering wiring pattern is formed. That is, the meandering wiring 30 may be formed on or in the external substrate circuit K shown in FIG. Further, as shown in FIG. 5, it is also possible to form a meandering wiring 31 on or inside the package base 20 and cancel unnecessary capacitance with such an inductor. Note that reference numerals 17, 18, and 19 in FIG. 5 denote an extraction input electrode, an extraction output electrode, and a ground electrode, respectively.
[0022]
Next, an equivalent circuit in the surface acoustic wave device S1 is shown in FIG. As shown in this figure, the capacitances C1 to C3 connected in series to the connection portion of the surface acoustic wave element F1 and the inductances D1 and D2 connected in parallel to the external circuit board K are in a resonance state, and transmission in the above circuit is performed. As shown in FIG. 7, the electrical characteristics of the surface acoustic wave device S1 can be obtained by making the resonance frequency substantially coincide with the pass band of the surface acoustic wave element F1. Of course, a structure in which the surface acoustic wave element F1 is mounted on the package substrate 20 as shown in FIGS. That is, as in the surface acoustic wave device S3 shown in FIG. 8, the surface acoustic wave element F1 is placed in the package in which the lid 21 is joined to the base body 20 to which the wirings 18, 19 and the like as input / output conductor patterns are applied. The surface acoustic wave element F1 is placed on the base 20 on which the wirings 18, 19 and the like as input / output conductor patterns are applied, as in the surface acoustic wave device S4 shown in FIG. The pattern and the excitation electrode 12 may be capacitively coupled via the protective film 2 that is a dielectric layer.
[0023]
The piezoelectric substrate 1 is mainly applied to lithium tantalate single crystal, lithium niobate single crystal, crystal, lithium tetraborate single crystal, single crystal having a langasite structure, potassium niobate single crystal, and gallium arsenide single crystal. Is possible.
[0024]
The material of the IDT electrode 12 is mainly applicable to aluminum, aluminum / copper alloy, aluminum / titanium alloy, aluminum / silicon alloy, gold, silver, silver / palladium alloy. In addition, aluminum, aluminum / copper alloy, aluminum / titanium alloy, aluminum / silicon alloy, gold, silver, silver / palladium alloy can be mainly used as the material of the lead electrode, improving electrode adhesion and reducing electrical resistance. Therefore, when a base material is required, chromium, titanium and copper are mainly applicable.
[0025]
The protective film 2 may be made of silicon oxide, silicon nitride, silicon, DLC (Diamond Like Carbon), zinc oxide, polyimide resin, fluorine resin, olefin resin, or positive resist used in a wafer process. Such a photosensitive curable resin is mainly applicable.
[0026]
Further, as shown in FIG. 10, the members of the IDT electrode 12, the input / output electrodes 3 and 4, and the ground electrode 5 are made of aluminum or an alloy containing aluminum as a main component, and the electrode surface is oxidized by an anodic oxidation method. A surface acoustic wave device S5 in which the surface acoustic wave element F2 serving as the protective film 15 of the dielectric layer is placed on the external circuit board K can also be used.
[0027]
Further, as shown in FIGS. 11 and 12, the excitation electrode 12 is a surface acoustic wave element F3 that does not cover a protective film, and a frame-like glass material 24 is provided around the external circuit board or package base to improve weather resistance. The surface acoustic wave device S6 may be provided on the surface 20 and hermetically sealed. Also in this case, in order to ensure the vibration space 16 of the excitation electrode 12, the distance h between the surface of the substrate 20 and the surface of the excitation electrode 12 is set to a distance equal to or greater than the wavelength of the surface acoustic wave. Here, the glass material 24 is applied in a frame shape to the lower surface of the surface acoustic wave element or its outer periphery so as to include the input / output of the surface acoustic wave element and the ground electrodes 4, 5, etc., and the element is mounted on the housing connection substrate. Put. Then, for example, the gap 16 is pressurized while being adjusted, heated to 320 ° C., cured by glass, and sealed.
[0028]
In FIG. 1, the surface acoustic wave element is shown as a resonator ladder type filter. However, the surface acoustic wave element may be a resonator lattice type filter, a double mode resonator type filter, a multi-IDT electrode type filter, or a combination thereof. I do not care. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the present invention can be applied not only to the SAW filter but also to the SAW duplexer, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
[0029]
[Embodiment] FIG. 13 is a schematic plan view of the surface acoustic wave device S7 as viewed from above. FIG. 14 is an end view taken along line BB. In the figure, the same members as those in the reference example of FIG.
[0030]
As shown in FIG. 13, the surface acoustic wave device S7 has an elastic surface in which an excitation electrode 12 is formed on the lower surface of the piezoelectric substrate 1 on a base 20 on which electrodes 18 and 19 which are conductor patterns for input / output signals are formed. The wave element F4 is disposed, and the conductivity between the lower surface of the piezoelectric substrate 1 and the substrate 20 is 50% by volume or less (more preferably, 10 to 30% by volume) in the dielectric. A frame-shaped adhesive 41 in which particles 42 are dispersed is interposed, and the excitation electrode 12 and the electrodes 18 and 19 are electrically connected. Reference numeral 44 denotes a package lid 44, and a conductive adhesive 43 for preventing the influence of external electromagnetic waves is interposed between the lower surface of the package lid 44 and the piezoelectric substrate 1.
[0031]
Specifically, a surface acoustic wave element F4 in which a plurality of excitation electrodes formed by connecting at least a pair of comb-like electrode fingers on the lower surface of the piezoelectric substrate 1 is arranged on a package substrate 20 made of ceramic or the like. It is implemented face down.
[0032]
Further, a dielectric (a material having a specific resistance value of 1 × 10 5 Ωcm or more, for example, a thermosetting resin such as glass, epoxy resin, silicone resin, polyimide resin, etc.) that joins the ceramic substrate 20 and the surface acoustic wave element F4. , Photosensitive curable resin, etc.) with conductive particles whose size is controlled almost uniformly (for example, those having a specific resistance value of 1.0 × 10 −5 Ωcm or less, Au—Sn alloy, Ag—Sn alloy) Solder ball filler) 6 is mixed in a certain amount, and the adhesive obtained in this way is printed on the electrode forming surface of the surface acoustic wave element F4 so as not to touch the IDT electrode portion, and is mounted on the package face down. Thus, it is possible to effectively secure the space 16 necessary for exciting the surface acoustic wave and to electrically connect the surface acoustic wave element electrode and the electrode of the package base simultaneously. The atmosphere during face-down mounting is preferably inert Ar gas or N 2 gas.
[0033]
Thereby, it is possible to obtain a surface acoustic wave device structure having a low area and a low back to the ultimate. At this time, the diameter of the conductive particles mixed with the insulating resin is within a range that does not hinder the excitation of the surface acoustic wave, considers the influence of the ground capacity between the surface acoustic wave element electrode and the ground, and further the electric Is determined by mechanical performance. Usually, it is desirable to reduce the capacitive component as much as possible, except when omitting the connection of the electrodes by capacitive coupling. In view of the above reasons, when the band is 900 MHz, the diameter of the conductive particles is in the range of about 30 to 80 μm. If the thickness is 30 μm or less, the ground capacity is excessively increased, and if it is 80 μm or more, a problem occurs in the mechanical strength of the solder. The conductive particles use high-temperature solder in consideration of the heating temperature at the time of mounting on the board.
[0034]
Since the conductive particles are uniformly present in the device electrode and other locations, when the device electrode 2 and the package electrode are designed, a short circuit between the electrodes is prevented. Preferably, a ground electrode is disposed on the package side so that external noise from the side surface portion can be blocked. Further, if the mixing ratio of the conductive particles is 50% or less by volume, the adjacent conductive particles do not come into contact with each other, but 10% to 30% can be said to be a preferable range in consideration of manufacturing stability.
[0035]
Next, the conductive adhesive 43 is printed on the lower surface of the package lid 44 and mounted on the surface acoustic wave element F4 mounted on the bottom of the package.
[0036]
Next, the insulating adhesive 41 is cured by heating. At this time, a load such as a weight is applied from the upper surface of the element so that the conductive particles 6 are in contact with both the surface acoustic wave element electrode 2 b and the package electrode 7. Further, the conductive particles are solder balls, which can be melted and the element common electrode 2b and the package electrode 7 can be electrically joined. At this time, the solder ball is a high-temperature solder containing Au-Sn or Ag-Sn as a component with little solder biting. A heating furnace is used for joining the solder balls. For example, in consideration of the peak temperature of high-temperature solder, it is preferable that the temperature of the heating furnace is welded at a peak temperature of 260 ° C. to 280 ° C.
[0037]
【Example】
[Reference Example] A reference example for producing the surface acoustic wave device shown in FIG. 1 will be described. First, on a piezoelectric substrate made of a 42 ° Y-cut X-propagating lithium tantalate single crystal, a ladder-type series arm resonator in which the IDT electrode 12 has a periodic length of 1.99 μm, a logarithm of 110 pairs, and a crossing width of 39.8 μm. Three ladder-type parallel arm resonators having a period length of 2.1 μm, a logarithm of 75 pairs, and a crossing width of 42.0 μm, and reflectors (20 in number) at both ends of each resonator Provided. In addition, each electrode was formed by depositing an Al—Cu alloy with a film thickness of 2000 mm by a sputtering method, and was patterned by a photolithography process normally performed in a wafer process. The protective film 2 was formed by coating the material SiO 2 on the entire surface of the element with a thickness of 500 mm by sputtering. After that, in order to form the connection electrodes 6, 7, 8 having an area of 500 μm × 500 μm, a material Au was deposited by a vapor deposition method using a metal mask.
[0038]
On the other hand, on the external circuit board, the lead lines 9, 10, and 11 are matched to the shape of the apparatus according to the present invention, the copper epoxy glass epoxy resin board is 0.5 mm thick, and between the input / output line and the ground line. A 1 nF chip inductor was soldered and mounted.
[0039]
Next, the main material Ag and a conductive resin whose adhesive is an epoxy resin were applied to the connection electrodes 6, 7, and 8 of the surface acoustic wave device with a thickness of 10 μm by a transfer method and placed on the external circuit board.
[0040]
FIG. 15 shows an electrical characteristic evaluation of the surface acoustic wave device according to the present invention. In the evaluation method, a 3.5 mm diameter SMA connector was connected to the input / output terminals of the external circuit board assembled as described above, and measurement was performed with a network analyzer. From the results of FIG. 15, it was found that the transmission amount is 2 dB and the maximum standing wave ratio (VSWR) in the passband is 1.7, which is a good value.
[0041]
[Embodiment] Next, an embodiment of the surface acoustic wave device shown in FIGS. 13 and 14 will be described. A surface acoustic wave filter forming a ladder circuit was manufactured by manufacturing an IDT electrode as an excitation electrode on a piezoelectric substrate made of a lithium tantalate single crystal of 42 ° Y-cut X propagation using a lift-off process. This surface acoustic wave filter was used for transmission with a specific bandwidth of 2.6% in the 900 MHz band, and the electrode width and electrode space of the comb-like IDT electrode were each about 1 μm.
[0042]
The configuration of the filter is a π-type ladder circuit using five surface acoustic wave resonators, and the electrodes of each surface acoustic wave resonator are connected in series and parallel to obtain low loss and high out-of-band attenuation. The maximum capacity ratio is taken.
[0043]
The structure of the surface acoustic wave resonator is such that the number of electrode fingers of the IDT electrode is about 60 to 130 pairs, the crossing width is 15λ to 30λ (where λ is the wavelength of the surface acoustic wave), and the electrode material is formed by EB evaporation. Aluminum having a thickness of 4100 mm was used.
[0044]
Further, since the bonding between the surface acoustic wave element and the package base is performed by high-temperature solder, corrosion occurs in the single-layer film of aluminum. For this reason, a nickel plating film (thickness of about 0.5 μm) is formed on the bonding portion by sputtering, and a gold plating film (thickness of about 0.1 μm) is similarly formed thereon to ensure solder wettability. The film was formed by DC sputtering.
[0045]
The lithium tantalate piezoelectric substrate on which the surface acoustic wave device was manufactured was 0.35 mm thick. This is because if the piezoelectric substrate is thicker than this, it will affect the total thickness of the device and hinder the low profile, and if it is less than this, the wafer will be easily damaged during electrode processing, and the yield will be significantly reduced. It is to do. In order to make the total thickness 1 mm or less, the ceramic thickness of the bottom of the package was 0.35 mm for a single plate, and the thickness of the lid was 0.15 mm.
[0046]
The wafer was divided using a dicing saw and cut with a diamond abrasive grain # 600 at a pitch of about 1 mm square.
[0047]
The die bonding pattern was formed by adsorbing the diced wafer on a flat substrate to produce a thick film printing screen mask and printing. The adhesive used at this time was an insulating one-part epoxy adhesive, and a low-thixotropic and low-solvent thermosetting type was selected.
[0048]
Solder balls having a diameter of about 50 μm were used to obtain electrical bonding, and were mixed at a volume ratio of 20% with respect to the above-mentioned adhesive.
[0049]
Also, when the adhesive is cured, a load is applied aiming at the area where the solder ball is slightly deformed so that the solder ball does not separate from the surface acoustic wave element electrode and the package electrode due to the expansion of the adhesive during solvent removal. did. The desired curing was obtained with a heating temperature of about 150 ° C. and a time of 1 hour. Thereafter, the peak temperature was heated to about 320 ° C. with a load applied, and the surface acoustic wave device electrode and the package electrode were joined by solder balls. About the cover body, the conductive epoxy adhesive material was apply | coated to the lower surface, and it mounted on the surface acoustic wave element.
[0050]
A network analyzer was used to measure the characteristics, and good characteristics could be confirmed at 900 MHz.
[0051]
In the present invention, a ladder type surface acoustic wave device has been described, but it goes without saying that it can also be applied to a surface acoustic wave device of a transversal type or a resonator type. In addition to the solder balls used to obtain the electrical connection, a metal ball having a slightly smaller diameter than the solder balls is mixed with the solder balls, so that the micro wave between the surface acoustic wave element and the package is mixed. Examples include a method of controlling the gap, and a method of using a soldered copper ball as an alternative to the solder ball.
[0054]
【The invention's effect】
By using an adhesive in which an appropriate amount of conductive particles are dispersed in a dielectric, it is possible to obtain electrical and mechanical joints between the surface acoustic wave element and the package at the same time. Therefore, expensive wires such as conventional wire bonders and bump bonders are used. The equipment and materials can be dispensed with, the treatment with a high-throughput heating furnace can be performed, and the production can be simplified and speeded up.
[0055]
In addition, the free vibration space (microgap) for surface acoustic waves required between the surface acoustic wave element and the package electrode can be easily controlled by, for example, the particle size of the solder ball, so that the surface acoustic wave filter and the ground electrode are Therefore, the ground capacity generated in the surface can be controlled with high accuracy, the reproducibility of the characteristics at the time of design is improved, and the surface acoustic wave device can be lowered.
[0056]
In addition, since there is no need to obtain airtightness with a package as in the past, it is not necessary to provide a cavity structure in the package, and the surface acoustic wave device can be significantly reduced in area (less than about 1/4 of the conventional one). As a result, it can contribute to miniaturization, weight reduction, and cost reduction of the mobile phone.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a surface acoustic wave element mounting structure (surface acoustic wave device) according to a reference example, and is a partially broken view schematically showing how a surface acoustic wave device is mounted on a substrate. It is a top view.
FIG. 2 is an end view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating a surface acoustic wave device of a reference example.
FIG. 4 is a schematic plan view illustrating a correction circuit formed on an external circuit board.
FIG. 5 is a schematic plan view illustrating a correction circuit formed on a package substrate.
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a surface acoustic wave device of a reference example.
FIG. 7 is a diagram showing a transmission amount of a surface acoustic wave device of a reference example.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically illustrating a surface acoustic wave device of a reference example.
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically illustrating a surface acoustic wave device of a reference example.
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically illustrating a surface acoustic wave device of a reference example.
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically illustrating a surface acoustic wave device of a reference example.
12 is a plan view schematically showing the surface acoustic wave device of FIG. 11. FIG.
FIG. 13 is a diagram schematically illustrating a surface acoustic wave element mounting structure (surface acoustic wave device) according to the present invention, and is a plan view schematically illustrating how the surface acoustic wave element is mounted on a substrate. is there.
14 is an end view taken along line BB in FIG.
FIG. 15 is a result of evaluating electrical characteristics of the surface acoustic wave device according to the present invention.
FIG. 16 is a cross-sectional view schematically illustrating a conventional surface acoustic wave device.
[Explanation of symbols]
1: piezoelectric substrate 2: protective film 3: input electrode 4 on piezoelectric substrate 4: output electrode 5 on piezoelectric substrate 5: ground electrode 6 on piezoelectric substrate: lead-out input electrode 7: lead-out output electrode 8: ground electrode 7 ': base Electrode 8 ': Base electrode 9: Input electrode 10 of external circuit board: Output electrode 11 of external circuit board: Ground electrode 12 of external circuit board: IDT electrode 13: Conductive resin 14: Bump 15: Anodized film 16: Gap 17: Case side lead input electrode 18: Case side lead output electrode 19: Case side ground electrode 20: Case side connection substrate 21: Case cap 22: Sealing material 30, 31: Serpentine inductor wiring 24: Glass sealing material 25: Wires F1 to F4: Surface acoustic wave elements S1 to S7: Surface acoustic wave device K: External circuit board

Claims (2)

入出力信号用の導体パターンが形成された基体上に、圧電基板の下面に励振電極を形成した弾性表面波素子を配設して成る弾性表面波装置であって、前記圧電基板の下面と前記基体との間に、誘電体中に50体積%以下のAu−SnまたはAg−Snを成分とする高温はんだから成る導電性粒子が分散された枠状の接着材を介在させ、前記励振電極と前記導体パターンとを導通させており、前記入出力信号の帯域が900MHzであるとともに前記導電性粒子の直径が30〜80μmであることを特徴とする弾性表面波装置。 A surface acoustic wave device in which a surface acoustic wave element in which an excitation electrode is formed on a lower surface of a piezoelectric substrate is disposed on a substrate on which a conductor pattern for input / output signals is formed. A frame-shaped adhesive in which conductive particles made of high-temperature solder containing 50% by volume or less of Au-Sn or Ag-Sn as a component are interposed in a dielectric, and the excitation electrode A surface acoustic wave device characterized in that the conductive pattern is electrically connected, the band of the input / output signal is 900 MHz, and the diameter of the conductive particles is 30 to 80 μm . 前記基体の表面と前記励振電極の表面との間が前記弾性表面波の波長以上の距離に設定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装置。 2. The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein a distance between the surface of the substrate and the surface of the excitation electrode is set to a distance equal to or greater than the wavelength of the surface acoustic wave.
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