JP6590843B2

JP6590843B2 - 弾性波デバイス

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Publication number: JP6590843B2
Application number: JP2017017850A
Authority: JP
Inventors: 基山内
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: JP2018125773A

Description

本発明は、弾性波デバイスに関し、弾性波素子が形成された基板を有する弾性波デバイスに関する。

弾性波デバイスのパッケージング方法として、上面に弾性波素子が形成された圧電基板上に基板をバンプを用いフリップチップ実装することが知られている（例えば特許文献１）。

特表２００８−５４６２０７号公報

しかしながら、圧電基板は線熱膨張係数が大きい。このため、バンプに応力が加わる。これにより、バンプが破損する恐れがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、バンプに加わる応力を抑制することを目的とする。

本発明は、圧電材料からなる第１基板と、前記第１基板上に設けられた弾性波素子と、前記第１基板上に設けられたバンプと、前記第１基板上に前記バンプを介し設けられ、前記第１基板と空隙を挟み対向する第２基板と、前記第１基板の前記バンプが接合された面とは反対側の面と直接接合され、前記第１基板の線熱膨張係数より小さい線熱膨張係数を有する第３基板と、前記第１基板の周縁の少なくとも一部に設けられた凹部に埋め込まれ、側面が前記凹部の側面と接し、前記第２基板と反対側の面が前記第３基板の前記第１基板側の面に接し、線熱膨張係数が前記第１基板の線熱膨張係数よりも小さい支持層と、を備える弾性波デバイスである。

上記構成において、前記第１基板の平面形状は矩形であり、前記支持層は、前記第１基板の長辺に沿って設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記第１基板の平面形状は矩形であり、前記支持層は、前記第１基板の４辺に沿って設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記第１基板の前記バンプが接合された面とは反対側の面と直接接合され、前記第１基板の線熱膨張係数より小さい線熱膨張係数を有する第３基板を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記支持層は前記第３基板上に設けられる構成とすることができる。

上記構成において、前記第１基板は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である構成とすることができる。

本発明は、圧電材料からなる第１基板と、前記第１基板上に設けられた弾性波素子と、前記第１基板上に設けられたバンプと、前記第１基板上に前記バンプを介し設けられ、前記第１基板と空隙を挟み対向する第２基板と、前記第１基板の周縁の少なくとも一部の前記第２基板側の表面に設けられた凹部に埋め込まれ、側面が前記凹部の側面と接し、線熱膨張係数が前記第１基板の線熱膨張係数よりも小さい支持層と、平面視において前記第２基板を囲むように設けられ、前記支持層の上面に接合する封止部と、を備える弾性波デバイスである。

上記構成において、前記バンプは前記空隙に囲まれている構成とすることができる。

上記構成において、前記第２基板の線熱膨張係数は前記第１基板の線熱膨張係数より小さい構成とすることができる。

上記構成において、前記支持層のヤング率は、前記第１基板のヤング率より大きい構成とすることができる。

本発明によれば、バンプに加わる応力を抑制することができる。

図１（ａ）から図１（ｃ）は、シミュレーションに用いたサンプルの断面図である。図２（ａ）から図２（ｃ）は、シミュレーションに用いたサンプルの平面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、シミュレーションに用いたサンプルの材料および寸法を示す図である。図４は、シミュレーションに用いた各材料のヤング率、ポアソン比および線熱膨張係数を示す図である。図５は、シミュレーションした応力を示す図である。図６は、シミュレーションの結果を示す図である。図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例１およびその変形例に係る弾性波デバイスの断面図である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例１およびその変形例における弾性波素子の平面図である。

圧電基板上に基板をフリップチップ実装したサンプルについて、バンプに加わる応力をシミュレーションした。図１（ａ）から図１（ｃ）は、シミュレーションに用いたサンプルの断面図である。図１（ａ）に示すように、断面Ａでは、圧電基板１０上にバンプ３０を用い基板２０がフリップチップ実装されている。圧電基板１０の厚さはＴ１、基板２０の厚さはＴ３、バンプ３０の高さはＨ１である。

図１（ｂ）に示すように、断面Ｂでは、圧電基板１０の周縁に埋込層３５が埋め込まれている。埋込層３５の厚さはＴ１である。圧電基板１０の厚さから埋込層３５の厚さを引いた厚さはＴ２である。その他の構成は、断面Ａと同じである。

図１（ｃ）に示すように、断面Ｃでは、支持基板１１の上面に圧電基板１０の下面が接合されている。埋込層３５の厚さは圧電基板１０の厚さと同じであり、Ｔ１である。支持基板１１の厚さはＴ２である。その他の構成は断面Ｂと同じである。

図２（ａ）から図２（ｃ）は、シミュレーションに用いたサンプルの平面図である。図２（ａ）に示すように、平面Ａでは、圧電基板１０の上面に埋込層３５は埋め込まれていない。バンプ３０はほぼ対称に６個設けられている。圧電基板１０および基板２０の平面形状は矩形である。圧電基板１０の短辺および長辺の延伸方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向とする。圧電基板１０のＸ方向およびＹ方向の長さはそれぞれＬｘ１およびＬｙ１である。基板２０のＸ方向およびＹ方向の長さはそれぞれＬｘ２およびＬｙ２である。基板２０の４つの角に位置するバンプ３０の中心と基板２０の端とのＸ方向およびＹ方向の距離はそれぞれＬｘ３およびＬｙ３である。バンプ３０の直径はφである。

図２（ｂ）に示すように、平面Ｂでは、圧電基板１０の４辺に沿って埋込層３５が埋め込まれている。埋込層３５の幅はＷ１である。その他の構成は平面Ａと同じである。

図２（ｃ）に示すように、平面Ｃでは、圧電基板１０の２つの長辺に沿って埋込層３５が埋め込まれている。２つの短辺には埋込層３５は設けられていない。埋込層３５の幅はＷ１である。その他の構成は平面Ａと同じである。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、シミュレーションに用いたサンプルの材料および寸法を示す図である。図３（ａ）に示すように、圧電基板１０および支持基板１１の材料はそれぞれタンタル酸リチウム（ＬＴ）およびサファイアである。Ｌｘ１およびＬｙ１はそれぞれ０．７８ｍｍおよび０．９８ｍｍである。基板２０の材料はシリコン（Ｓｉ）である。Ｌｘ２、Ｌｙ２およびＴ３はそれぞれ０．６ｍｍ、０．８ｍｍおよび０．１５ｍｍである。バンプ３０の材料は金（Ａｕ）である。Ｌｘ３、Ｌ３ｙ、φおよびＨ１はそれぞれ１２３μｍ、７０μｍ、８０μｍおよび１５μｍである。埋込層３５の幅Ｗ１は５５μｍである。

図３（ｂ）に示すように、サンプル１から８についてシミュレーションした。サンプル１は埋込層３５が設けられていない断面Ａおよび平面Ａである。サンプル２および３は支持基板１１に接合されていない断面Ｂである。サンプル２は平面Ｂであり、圧電基板１０の上面の４辺に沿って埋込層３５が設けられている。サンプル３は平面Ｃであり、圧電基板１０の上面の長辺に沿って埋込層３５が設けられている。サンプル４から８は支持基板１１上に圧電基板１０が接合された断面Ｃである。サンプル４、６および８は平面Ｂであり、圧電基板１０の上面に４辺に沿って埋込層３５が設けられている。サンプル５および７は平面Ｃであり、圧電基板１０の上面の長辺に沿って埋込層３５が設けられている。サンプル２、３、５から８では埋込層３５の材料はタングステン（Ｗ）である。サンプル４では埋込層３５の材料は銅（Ｃｕ）である。

図４は、シミュレーションに用いた各材料のヤング率、ポアソン比および線熱膨張係数を示す図である。図４に示すように、タンタル酸リチウム基板の線熱膨張係数は結晶方位により異なる。Ｘ、ＹおよびＺは、それぞれ結晶方位がＸ軸方位、Ｙ軸方位およびＺ軸方位の線熱膨張係数である。Ｘ軸方位の線熱膨張係数が最も大きく、Ｙ軸方位の線熱膨張係数が最も小さい。金および銅の線熱膨張係数はタンタル酸リチウムのＸ軸方位の線熱膨張係数と同程度である。サファイア、シリコンおよびタングステンの線熱膨張係数はタンタル酸リチウムのＹ軸方位の線熱膨張係数より小さい。金および銅のヤング率はタンタル酸リチウムのヤング率より小さい。サファイアおよびタングステンのヤング率はタンタル酸リチウムのヤング率より大きい。

図５は、シミュレーションした応力を示す図である。応力は、平面視において４つの角に位置するバンプ３０の圧電基板１０側の面に集中する。そこで、４つの角に位置するバンプ３０のうち１つについて、バンプ３０が圧電基板１０に接する面において最も大きい垂直応力および最も大きいせん断応力をシミュレーションした。基板２０を８０℃、圧電基板１０を２３０℃とし基板２０を圧電基板１０上にフリップチップ実装した後、２５℃および−４０℃に冷却したときの応力をシミュレーションした。

図６は、シミュレーションの結果を示す図である。ドットはシミュレーション結果を示し、数字は応力値を示す。図６に示すように、埋込層３５を設けないサンプル１に比べ、タングステンを材料とする埋込層３５を設けたサンプル２および３は応力が小さくなっている。支持基板１１を設けたサンプル５から８においても、タングステンを材料とする埋込層３５を設けることで、応力が小さくなる。銅を材料とする埋込層３５を設けたサンプル４は、サンプル１と同程度の応力である。平面Ｂのように４辺に埋込層３５を設けたサンプル２、６および８と、平面Ｃのように長辺にのみ埋込層３５を設けたサンプル３、５および７と、では、応力はあまり変わらない。サンプル７および８のように圧電基板１０の厚さＴ１を小さくすると、サンプル５および６より応力が小さくなる。

以上のシミュレーションより、埋込層３５を設けないサンプル１では、圧電基板１０と基板２０との線熱膨張係数の差等により、圧電基板１０が反る。このため、バンプ３０に大きな応力が加わる。そこで、埋込層３５を圧電基板１０の上面に設けられた凹部に埋め込むことにより、バンプ３０に加わる応力が抑制できる。圧電基板１０は線熱膨張係数が大きいため、温度が低くなると収縮する。これにより、サンプル１では、バンプ３０と圧電基板１０との界面における応力が大きくなる。サンプル２、３および５−８では、圧電基板１０より線熱膨張係数が小さい埋込層３５の側面が圧電基板１０内の凹部の側面に接している。これにより、圧電基板１０が縮小することを抑制する。よって、圧電基板１０の反りが小さくなり、バンプ３０に加わる応力を抑制できる。

以上のシミュレーション結果を踏まえ、実施例について説明する。

図７（ａ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの断面図である。図７（ａ）に示すように、圧電基板１０の上面に弾性波素子１２および配線１４が設けられている。配線１４は弾性波素子１２と電気的に接続されている。圧電基板１０の下面に端子１８が設けられている。端子１８は、弾性波素子１２を配線１４を介し外部と接続するためのフットパッドである。圧電基板１０を貫通するビア配線１６が設けられている。ビア配線１６は配線１４と端子１８とを電気的に接続する。配線１４、ビア配線１６および端子１８は例えば銅層、アルミニウム層または金層等の金属層である。

圧電基板１０の上面の周縁に凹部が設けられ、凹部内に埋込層３５が埋め込まれている。埋込層３５は、圧電基板１０より線熱膨張係数が小さく、圧電基板１０よりヤング率が大きい材料である。圧電基板１０がタンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板の場合、このような材料として、例えばタングステン、モリブデン、タンタルもしくはチタン、またはこれらの合金もしくは積層膜を用いる。

基板２０の下面に弾性波素子２２および配線２４が設けられている。基板２０は、例えばシリコン基板、サファイア基板、スピネル基板またはアルミナ基板である。配線２４は例えば銅層、アルミニウム層または金層等の金属層である。基板２０はバンプ３０を介し圧電基板１０にフリップチップ実装（フェースダウン実装）されている。バンプ３０は、例えば金バンプ、半田バンプまたは銅バンプである。バンプ３０は配線１４と２４とを接合する。

圧電基板１０上に基板２０を囲むように封止部３２が設けられている。封止部３２は、エポキシ樹脂等の樹脂層である。弾性波素子１２および２２は空隙３８を挟み対向している。バンプ３０は空隙３８に囲まれている。

［実施例１の変形例１］
図７（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る弾性波デバイスの断面図である。図７（ｂ）に示すように、支持基板１１の上面に圧電基板１０が接合されている。支持基板１１は例えばサファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板またはシリコン基板である。圧電基板１０は、例えばタンタルリチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である。埋込層３５は、圧電基板１０を貫通する凹部に設けられ、埋込層３５の下面は支持基板１１の上面と接している。ビア配線１６は圧電基板１０および支持基板１１を貫通している。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

［実施例１の変形例２］
図７（ｃ）は、実施例１の変形例２に係る弾性波デバイスの断面図である。図７（ｃ）に示すように、封止部３２および基板２０の上面にリッド３４が設けられている。基板２０の上面とリッド３４との間に封止部３２が設けられていてもよい。リッド３４、封止部３２および埋込層３５を覆うように保護膜３６が設けられている。封止部３２は、例えばＳｎＡｇ半田等の金属層である。リッド３４は、コバール板等の金属板または絶縁体板である。保護膜３６は、ニッケル膜等の金属膜または絶縁体膜である。その他の構成は実施例１の変形例１と同じであり説明を省略する。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例１およびその変形例における弾性波素子の平面図である。図８（ａ）に示すように、弾性波素子１２は弾性表面波共振器である。圧電基板１０上にＩＤＴ（Interdigital Transducer）４０と反射器４２が形成されている。ＩＤＴ４０は、互いに対向する１対の櫛型電極４０ａを有する。櫛型電極４０ａは、複数の電極指４０ｂと複数の電極指４０ｂを接続するバスバー４０ｃとを有する。反射器４２は、ＩＤＴ４０の両側に設けられている。ＩＤＴ４０が圧電基板１０に弾性表面波を励振する。ＩＤＴ４０および反射器４２は例えばアルミニウム膜または銅膜により形成される。圧電基板１０上にＩＤＴ４０および反射器４２を覆うように保護膜または温度補償膜が設けられていてもよい。

図８（ｂ）に示すように、弾性波素子２２は圧電薄膜共振器である。基板２０上に圧電膜４６が設けられている。圧電膜４６を挟むように下部電極４４および上部電極４８が設けられている。下部電極４４と基板２０との間に空隙４５が形成されている。下部電極４４および上部電極４８は圧電膜４６内に、厚み縦振動モードの弾性波を励振する。下部電極４４および上部電極４８は例えばルテニウム膜等の金属膜である、圧電膜４６は例えば窒化アルミニウム膜である。

弾性波素子１２および２２は、弾性波を励振する電極を含む。このため、弾性波の励振を阻害しないように、弾性波素子１２および２２は空隙３８に覆われている。

実施例１およびその変形例によれば、圧電基板１０（圧電材料からなる第１基板）上に弾性波素子１２およびバンプ３０が設けられている。基板２０（第２基板）は、圧電基板１０上にバンプ３０を介し設けられ、圧電基板１０と空隙３８を挟み対向する。埋込層３５は、圧電基板１０の周縁の少なくとも一部に設けられ、圧電基板１０の側面と接し、線熱膨張係数が圧電基板１０の線熱膨張係数より小さい。図７（ａ）から図７（ｃ）のように凹部は段差でもよい。埋込層３５は片側の側面が圧電基板１０に接し反対側の側面は圧電基板１０に接していなくてもよい。埋込層３５は両側の側面が圧電基板１０に接していてもよい。埋込層３５は側面が圧電基板１０に接することで圧電基板１０を支持する支持層である。

このように、上面に弾性波素子１２が設けられた圧電基板１０の上面上に、基板２０がバンプ３０を用いフリップチップ実装されている。埋込層３５は、圧電基板１０の周縁の少なくとも一部の上面に設けられた凹部に埋め込まれ、側面が凹部の側面に接している。埋込層３５は圧電基板１０の線熱膨張係数より小さい線熱膨張係数を有する。これにより、線熱膨張係数の大きい圧電基板１０によりバンプ３０に加わる応力を抑制できる。なお、圧電基板１０の線熱膨張係数が結晶方位により異なる場合、圧電基板１０の上面内において最も大きい線熱膨張係数より埋込層３５の線熱膨張係数が小さいことが好ましい。また、圧電基板１０の上面内において最も小さい線熱膨張係数より埋込層３５の線熱膨張係数が小さいことがより好ましい。埋込層３５の線熱膨張係数は、圧電基板１０の線熱膨張係数の２／３以下が好ましく、１／２以下がより好ましい。

埋込層３５が圧電基板１０の収縮をより抑制するため、埋込層３５のヤング率（剛性）は、圧電基板１０のヤング率（剛性）より大きいことが好ましい。埋込層３５のヤング率は、圧電基板１０のヤング率の１．２倍以上が好ましく、１．５倍以上がより好ましい。

図２（ｃ）のように、圧電基板１０の平面形状が矩形の場合、圧電基板１０は長辺方向に最も収縮しやすい。そこで、埋込層３５は、圧電基板１０の長辺に沿って設けられている。これにより、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。埋込層３５は、短辺方向からみてバンプ３０と重なっていることが好ましく、長辺方向全てに設けられることがより好ましい。

図２（ｂ）のように、埋込層３５は、圧電基板１０の４辺に沿って設けられている。これにより、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。

実施例１の変形例１および２のように、支持基板１１（第３基板）は、上面に圧電基板１０が接合され（すなわち、圧電基板１０のバンプ３０が接合された面とは反対側の面と直接接合され）、圧電基板１０の線熱膨張係数より小さい線熱膨張係数を有する。これにより、埋込層３５に加え、支持基板１１が圧電基板１０の収縮を抑制する。よって、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。支持基板１１と圧電基板１０は常温において接合されていることが好ましい。

埋込層３５の下面は、支持基板１１の上面に接していなくてもよいが、支持基板１１の上面に接することが好ましい。これにより、断面視において圧電基板１０が埋込層３５および支持基板１１に囲まれる。よって、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。

圧電基板１０がタンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である場合、圧電基板１０の線熱膨張係数が大きい。よって、埋込層３５を圧電基板１０に埋め込むことが好ましい。

圧電基板１０として、回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板または回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板を用いる場合、埋込層３５は、線熱膨張係数が最も大きいＸ軸方位に延伸することが好ましい。これにより、バンプ３０に加わる応力をより抑制できる。

実施例１およびその変形例では、封止部３２は、平面視において基板２０を囲むように設けられ、埋込層３５の上面に接合する。シミュレーションに用いた構造のように、封止部は設けられていなくてもよい。

バンプ３０が空隙３８に囲まれている場合、バンプ３０が破損しやすい。よって、この場合埋込層３５を圧電基板１０に埋め込むことが好ましい。

基板２０の線熱膨張係数が圧電基板１０の線熱膨張係数より小さい場合、圧電基板１０と基板２０との線熱膨張係数の差に起因し、バンプ３０に応力が加わりやすい。よって、埋込層３５を圧電基板１０に埋め込むことが好ましい。

基板２０の下面に弾性波素子２２が設けられている例を説明したが、基板２０の下面には弾性波素子２２が設けられていなくてもよい。例えば、基板２０の下面にアンプおよび／またはスイッチのような能動素子が設けられていてもよい。また、基板２０の下面にインダクタおよび／またはキャパシタ等の受動素子が設けられていてもよい。

弾性波素子１２および２２の少なくとも一方はフィルタでもよい。弾性波素子１２および２２はそれぞれフィルタであり、弾性波デバイスは、デュプレクサ等のマルチプレクサでもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０圧電基板
１１支持基板
１２、２２弾性波素子
１４、２４配線
１６ビア配線
１８端子
２０基板
３０バンプ
３２封止部
３５埋込層

Claims

圧電材料からなる第１基板と、
前記第１基板上に設けられた弾性波素子と、
前記第１基板上に設けられたバンプと、
前記第１基板上に前記バンプを介し設けられ、前記第１基板と空隙を挟み対向する第２基板と、
前記第１基板の前記バンプが接合された面とは反対側の面と直接接合され、前記第１基板の線熱膨張係数より小さい線熱膨張係数を有する第３基板と、
前記第１基板の周縁の少なくとも一部に設けられた凹部に埋め込まれ、側面が前記凹部の側面と接し、前記第２基板と反対側の面が前記第３基板の前記第１基板側の面に接し、線熱膨張係数が前記第１基板の線熱膨張係数よりも小さい支持層と、
を備える弾性波デバイス。
圧電材料からなる第１基板と、
前記第１基板上に設けられた弾性波素子と、
前記第１基板上に設けられたバンプと、
前記第１基板上に前記バンプを介し設けられ、前記第１基板と空隙を挟み対向する第２基板と、
前記第１基板の周縁の少なくとも一部の前記第２基板側の表面に設けられた凹部に埋め込まれ、側面が前記凹部の側面と接し、線熱膨張係数が前記第１基板の線熱膨張係数よりも小さい支持層と、
平面視において前記第２基板を囲むように設けられ、前記支持層の上面に接合する封止部と、
を備える弾性波デバイス。
前記第１基板の前記バンプが接合された面とは反対側の面と直接接合され、前記第１基板の線熱膨張係数より小さい線熱膨張係数を有する第３基板を備える請求項２記載の弾性波デバイス。
前記支持層は前記第３基板上に設けられる請求項１または３記載の弾性波デバイス。
前記第１基板の平面形状は矩形であり、
前記支持層は、前記第１基板の長辺に沿って設けられている請求項１から４のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
前記第１基板の平面形状は矩形であり、
前記支持層は、前記第１基板の４辺に沿って設けられている請求項１から４のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
前記第１基板は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である請求項１から６のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
前記バンプは前記空隙に囲まれている請求項１から７のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
前記第２基板の線熱膨張係数は前記第１基板の線熱膨張係数より小さい請求項１から８のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
前記支持層のヤング率は、前記第１基板のヤング率より大きい請求項１から９のいずれか一項記載の弾性波デバイス。