JP7340344B2 - 弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents

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Description

本発明は、弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサに関し、例えば弾性波素子を有する弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサに関する。
スマートフォン等の通信機器に用いられる弾性波素子が知られている。弾性波素子は圧電基板を含む基板の上面に形成される。基板を貫通するビア配線を用い基板の下面に設けられた端子と弾性波素子とを電気的に接続することが知られている(例えば特許文献1)。
特開2017-169139号公報
しかしながら、基板にビア配線を形成する平面位置は弾性波素子の配置により制限される。これにより、設計自由度が低下する。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、設計の自由度を向上させることを目的とする。
本発明は、圧電基板を含む基板と、前記圧電基板の表面に設けられた弾性波素子と、前記圧電基板の表面に設けられ前記弾性波素子と接続された配線と、前記基板の前記弾性波素子が設けられた表面と反対の表面に設けられた端子と、前記基板を貫通し前記配線と前記端子とを接続する第1ビア配線と、を備え、前記第1ビア配線は、前記基板を貫通する第1ビアホールに充填されており、前記第1ビアホールの少なくとも一部の中心線は、前記基板の厚さ方向に対し傾斜した方向に延伸し、前記配線が設けられた前記基板の表面において前記第1ビアホールが前記配線と接する箇所の少なくとも一部は平面視において前記端子と重ならない弾性波デバイスである。
本発明は、圧電基板を含む基板と、前記圧電基板の表面に設けられた弾性波素子と、前記圧電基板の表面に設けられ前記弾性波素子と接続された配線と、前記基板の前記弾性波素子が設けられた表面と反対の表面に設けられた端子と、前記基板を貫通し前記配線と前記端子とを接続する第1ビア配線と、を備え、前記第1ビア配線は、前記基板を貫通する第1ビアホールに充填されており、前記第1ビアホールの少なくとも一部の中心線は、前記基板の厚さ方向に対し傾斜した方向に延伸し、前記端子が設けられた前記基板の表面において前記第1ビアホールが前記端子と接する箇所の少なくとも一部は平面視において前記弾性波素子と重なる弾性波デバイスである
上記構成において、前記端子が設けられた前記基板の表面において前記第1ビアホールが前記配線と接する箇所の少なくとも一部は平面視において前記端子と重ならない構成とすることができる。
上記構成において、前記基板を貫通する第2ビアホールに充填されており、前記第2ビアホールの中心線は前記基板の厚さ方向に延伸する第2ビア配線を備える構成とすることができる。
上記構成において、前記基板は、前記圧電基板の前記弾性波素子が設けられた表面の反対の面に直接的または間接的に接合する支持基板を含み、前記端子は前記支持基板の前記圧電基板と反対の表面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、前記端子は前記圧電基板の前記弾性波素子が設けられた表面と反対の表面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ビアホールの前記少なくとも一部分の前記中心線の延伸方向と前記基板の厚さ方向のなす角度は10°以上である構成とすることができる。
本発明は、上記弾性波デバイスを含むフィルタである。
本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。
本発明によれば、設計の自由度を向上させることができる。
図1は、実施例1に係る弾性波デバイスの断面図である。 図2(a)は、実施例1における弾性波素子12の平面図、図2(b)は弾性波素子22の断面図である。 図3(a)から図3(c)は、実施例1に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図(その1)である。 図4(a)から図4(c)は、実施例1に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図(その2)である。 図5(a)は、実施例1を用いたフィルタの平面図、図5(b)は、図5(a)のA-A断面図である。 図6(a)は、比較例1を用いたフィルタの平面図、図6(b)は、図6(a)のA-A断面図である。 図7(a)から(c)は、それぞれ実施例1の変形例1から3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におけるビア配線の例を示す断面図である。 図9(a)は、実施例2に係るフィルタの回路図、図9(b)は、実施例2の変形例1に係るデュプレクサの回路図である。
以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。
図1は、実施例1に係る弾性波デバイスの断面図である。図1に示すように、基板10は支持基板10aと圧電基板10bとを有する。支持基板10aは例えばサファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、水晶基板またはシリコン基板である。圧電基板10bは、例えば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。圧電基板10bは支持基板10aの上面に接合されている。支持基板10aの線膨張係数は圧電基板10bより小さい。圧電基板10bと支持基板10aとの間に酸化シリコンまたは窒化アルミニウム等の絶縁体層を設けてもよい。このように、圧電基板10bと支持基板10aとは直接的または間接的に接合されている。
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。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および22を外部と接続するためのフットパッドである。支持基板10aを貫通するビア配線16aおよび16bが設けられている。ビア配線16aは基板の厚さ方向に延伸し、ビア配線16bは基板10の厚さ方向に対し傾斜している。ビア配線16aおよび16bは端子18と配線14とを電気的に接続する。
基板10の外縁において圧電基板10bが除去されている。弾性波素子12を囲むように支持基板10a上に環状金属層32が設けられている。配線14、ビア配線16a、16b、端子18および環状金属層32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。環状金属層32上に環状金属層34が設けられている。環状金属層34は例えばニッケル層である。
基板10上に基板20が搭載されている。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、ガラス基板、サファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板または水晶基板等の絶縁基板または半導体基板である。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28を介し基板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28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28は、配線14および24と接合する。
基板10上に基板20を囲むように封止部30が設けられている。封止部30は、例えば半田等の金属層または樹脂等の絶縁層である。封止部30は、環状金属層34に接合されている。基板20の上面および封止部30の上面に平板状のリッド36が設けられている。リッド36は例えばコバール板等の金属板または絶縁板である。リッド36および封止部30を覆うように保護膜38が設けられている。保護膜38はニッケル膜等の金属膜または絶縁膜である。
弾性波素子12は空隙26を介し基板20に対向している。弾性波素子22は空隙26を介し圧電基板10bに対向している。弾性波素子12および22は、封止部30、基板10、基板20およびリッド36により封止される。バンプ28は空隙26に囲まれている。端子18はビア配線16aまたは16bおよび配線14を介し弾性波素子12と電気的に接続され、さらに、バンプ28および配線24を介し弾性波素子22に電気的に接続されている。
支持基板10aの厚さは例えば50μmから200μmである。圧電基板10bの厚さは例えば0.5μmから20μmであり、例えば弾性波の波長以下である。ビア配線16aおよび16bの幅は例えば20μmから50μmである。バンプ28の厚さは例えば10μmから20μmである。基板20の厚さは例えば50μmから200μmである。
図2(a)は、実施例1における弾性波素子12の平面図、図2(b)は弾性波素子22の断面図である。図2(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。基板10の圧電基板10b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10bに弾性表面波を励振する。弾性波の波長は一対の櫛型電極40aの一方の櫛型電極40aの電極指40bのピッチにほぼ等しい。すなわち、弾性波の波長は一対の櫛型電極40aの電極指40bのピッチの2倍にほぼ等しい。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10b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2(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。圧電膜46の少なくとも一部を挟み下部電極44と上部電極48とが対向する領域が共振領域47である。共振領域47において、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。基板20は、例えばサファイア基板、スピネル基板、アルミナ基板、ガラス基板、水晶基板またはシリコン基板である。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。空隙45の代わりに弾性波を反射する音響反射膜が設けられていてもよい。
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、弾性波を制限しないように、弾性波素子12および22は空隙26に覆われている。
[実施例1の製造方法]
図3(a)から図4(c)は、実施例1に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図である。図3(a)に示すように、支持基板10aの上面に例えばレーザ光を照射しビア17aおよび17bを形成する。ビア17aは支持基板10aの厚さ方向に延伸し、ビア17bは支持基板10aの厚さ方向に対し傾斜している。ビア17bは支持基板10aを傾けてレーザ光を照射することにより形成する。
図3(b)に示すように、支持基板10aの上面に圧電基板10bの下面を例えば表面活性化法を用い常温接合する。支持基板10aと圧電基板10bとは数nmのアモルファス層等を介し直接的に接合されていてもよいし、接着剤等により間接的に接合されていてもよい。圧電基板10bを例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用い研磨する。これにより、圧電基板10bを所望の厚さとする。圧電基板10bを例えばエッチングにより除去し開口17cおよび17dを形成する。開口17cはビア17aおよび17bに通じビア17aおよび17bより大きく形成される。図3(c)に示すように、支持基板10aおよび圧電基板10b上にシード層31aを例えばスパッタリング法を用い形成する。シード層31aは、例えば基板10側からチタン層および銅層である。
図4(a)に示すように、シード層31a上に金属層31を例えばめっき法を用い形成する。金属層31は例えば銅層である。図4(a)以降では、シード層31aの図示を省略する。図4(b)に示すように、圧電基板10bの表面が露出するように金属層31の上面を例えばCMP法を用い平坦化する。これにより、ビア配線16a、16bおよび環状金属層32が形成される。環状金属層32の厚さは圧電基板10bの厚さと略等しくなる。図3(c)の後に、ビア17a、17bおよび開口17c内に銀ペースト等の導電性樹脂を印刷法により形成し、焼結することによりビア配線16aおよび16bを形成してもよい。また、金属層31をめっき法で形成する場合、めっき処理を施す前に支持基板10aの下面をCMP法等により研磨し、開口17cが支持基板10aを貫通させることが望ましい。これにより、メッキ処理時にビア配線16aおよび16bをより均一に充填させることができる。図4(c)に示すように、圧電基板10b上に弾性波素子12を形成する。圧電基板10b、ビア配線16aおよび16b上に配線14を形成する。環状金属層32上に環状金属層34を形成する。
その後、基板20を囲むように、封止部30を形成する。封止部30は環状金属層34と接合する。封止部30および基板20上にリッド36を設ける。リッド36は設けられてなくてもよい。支持基板10aの下面をCMP法等を用い研磨する。これにより、ビア配線16aおよび16bが支持基板10aの下面に露出する。ビア配線16aおよび16bに接触する端子18を形成する。基板10を切断する。これにより、弾性波デバイスが個片化される。封止部30およびリッド36を囲む保護膜38を形成する。これにより、図1の弾性波デバイスが製造される。
[実施例1を用いたフィルタ]
図5(a)は、実施例1を用いたフィルタの平面図、図5(b)は、図5(a)のA-A断面図である。図5(a)では、基板10の下面の端子18も図示している。図5(a)および図5(b)に示すように、基板10上には、弾性波素子12および配線14が設けられている。弾性波素子12は直列共振器S1からS6および並列共振器P1からP3を含む。配線14は、パッドPin、Pout、PgおよびPgaを含む。直列共振器S1からS6は配線14を介しパッドPinとPoutとの間に直列に接続されている。並列共振器P1からP3は配線14を介しパッドPinとPoutとの間に並列に接続されている。
基板10の下面に端子18が設けられている。端子18は、入力端子Tin、出力端子Toutおよびグランド端子Tg、Tgaを含む。入力端子Tin、出力端子Toutおよびグランド端子Tgは、ビア配線16aを介しそれぞれパッドPin、PoutおよびPgに電気的に接続されている。グランド端子Tgaはビア配線16bを介しパッドPgaに電気的に接続されている。
平面視においてパッドPgaはグランド端子Tgaに重なっていない。ビア配線16bが基板10の厚さ方向に対す傾斜しているため、ビア配線16bはグランド端子TgaとパッドPgaとを接続することができる。
[比較例1のフィルタ]
図6(a)は、比較例1を用いたフィルタの平面図、図6(b)は、図6(a)のA-A断面図である。図6(a)および図6(b)に示すように、比較例1では、平面視においてパッドPgaはグランド端子Tgaに重なっている。グランド端子TgaとパッドPgaとは、基板10の厚さ方向に延伸するビア配線16aにより接続されている。
実施例1では、パッドPgaをグランド端子Tgaと重ねなくてもよいため、並列共振器P2を比較例1に比べ大きくできる。このように、実施例1では、パッドと端子18の配置の自由度を比較例1より大きくできる。また、実施例1では、ビア配線16bと支持基板10aとが接する面積がビア配線16aより大きい。支持基板10aは圧電基板10bに比べ熱伝導率が高い。このため、図5(b)の矢印54のように、ビア配線16bを介した放熱性を高めることができる。
[実施例1の変形例1]
図7(a)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(a)に示すように、複数のビア配線16bの傾斜方向が互いに異なる。その他の構成は実施例1と同じである。実施例1の変形例1のように、傾斜方向が異なるビア配線が設けられていてもよい。基板10の厚さ方向に傾斜する角度が異なるビア配線が設けられていてもよい。
[実施例1の変形例2]
図7(b)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(b)に示すように、ビア配線は全て傾斜するビア配線16bである。その他の構成は実施例1と同じである。実施例1の変形例2のように、ビア配線は全て基板10の厚さ方向に対し傾斜するビア配線16bでもよい。複数のビア配線16bのうち、傾斜方向の異なるビア配線および/または傾斜角度が異なるビア配線が含まれていてもよい。
[実施例1の変形例3]
図7(c)は実施例1の変形例3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、基板10は圧電基板であり、例えばタンタル酸リチウム基板、ニオブ酸リチウム基板または水晶基板である。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3のように、実施例1およびその変形例1および2において、基板10は圧電基板単体でもよい。
実施例1およびその変形例1および3では、ビア配線16bの一部分(支持基板10aの部分)が基板10の厚さ方向に対し傾斜していたが、実施例1の変形例2のように、ビア配線16bの全てが基板10の厚さ方向に対し傾斜していてもよい。ビア配線16bの一部分が基板10の厚さ方向に対し傾斜する場合、一部分の厚さ(例えば支持基板10aの厚さ)は基板10の厚さの1/2倍以上が好ましく、4/5倍以上がより好ましく、9/10倍以上がさらに好ましい。
実施例1およびその変形例において、弾性波デバイスはチップ状態でもよいし、図1のように基板10と20とが実装されていてもよい。実施例1のように、弾性波素子22として圧電薄膜共振器の例を説明したが、弾性波素子22は弾性表面波共振器でもよい。基板20の下面に設けられる機能素子として弾性波素子22の例を説明したが、機能素子は、インダクタまたはキャパシタ等の受動素子、トランジスタを含む能動素子、またはMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子でもよい。
図8(a)および図8(b)は、実施例1におけるビア配線の例を示す断面図である。図8(a)はビア配線16aの断面図であり、図8(b)はビア配線16bの断面図である。基板10の厚さ方向のうち上に向かう方向をZ方向とする。
図8(a)および図8(b)に示すように、ビア配線16aおよび16bの幅は、-Z方向に行くに従い小さくなってもよいし、Z方向によらず一定もよいし、-Z方向に行くに従い大きくなってもよい。ビア配線16aおよび16bの延伸方向は、例えばビア配線16aおよび16bの中心線56の延伸方向に平行である。ビア配線16aでは、中心線56は、基板10のZ方向と略平行である。ビア配線16bでは、中心線56はZ方向57に対し角度θ傾斜する。
実施例1によれば、基板10は圧電基板10bを含む。弾性波素子12は、圧電基板10bの表面に設けられている。配線14は、圧電基板10bの表面に設けられ弾性波素子12と接続されている。端子18は、基板10の弾性波素子12が設けられた表面と反対の表面に設けられている。ビア配線16b(第1ビア配線)は、基板10を貫通し配線14と端子18とを接続し、基板10の厚さ方向における少なくとも一部分は基板10の厚さ方向に対し傾斜した方向に延伸する。これにより、パッドおよび端子の配置の自由度が高くなる。また、ビア配線16bを介した放熱性を向上できる。
配置の自由度を向上させるため、ビア配線16bの少なくとも一部分の中心線の延伸方向と基板10の厚さ方向のなす角度θは、10°以上であることが好ましく、20°以上であることがより好ましい。角度θは、60°以下が好ましく、45度以下がより好ましい。
図5(a)および図5(b)に示すように、ビア配線16bが配線14と接続する箇所の少なくとも一部は平面視において端子18に重ならない。これにより、パッドと端子の配置の自由度を向上させることができる。
ビア配線16bが端子18と接続する箇所の少なくとも一部は平面視において弾性波素子12と重なる。これにより、弾性波素子12を大きくできる、またはチップを小型化できる。
全てのビア配線をビア配線16bとすると、配置の自由度が低下する。そこで、ビア配線16a(第2ビア配線)は、基板10を貫通し、基板10の厚さ方向に延伸する。これにより、配置の自由度をより向上させることができる。
基板10は、圧電基板10bの下面に(弾性波素子12が設けられた表面の反対の面)に直接的または間接的に接合する支持基板10aを含み、端子18は支持基板10aの下面に設けられてもよい。また、端子18は圧電基板10bの弾性波素子12が設けられた面と反対の面に設けられていてもよい。
実施例2は、フィルタおよびデュプレクサの例である。図9(a)は、実施例2に係るフィルタの回路図である。図9(a)に示すように、入力端子Tinと出力端子Toutとの間に、1または複数の直列共振器S1からS4が直列に接続されている。入力端子Tinと出力端子Toutとの間に、1または複数の並列共振器P1からP3が並列に接続されている。実施例2のフィルタを弾性波素子12および/または22で形成してもよい。直列共振器および並列共振器の個数等は適宜設定できる。フィルタとしてラダー型フィルタを例に説明したが、フィルタは多重モード型フィルタでもよい。
図9(b)は、実施例2の変形例1に係るデュプレクサの回路図である。図9(b)に示すように、共通端子Antと送信端子Txとの間に送信フィルタ50が接続されている。共通端子Antと受信端子Rxとの間に受信フィルタ52が接続されている。送信フィルタ50は、送信端子Txから入力された高周波信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Antに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ52は、共通端子Antから入力された高周波信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Rxに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ50および受信フィルタ52の少なくとも一方を実施例2のフィルタとすることができる。また、送信フィルタ50を弾性波素子12で形成し、受信フィルタ52を弾性波素子22で形成してもよい。
マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。
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、20 基板
10a 支持基板
10b 圧電基板
12、22 弾性波素子
14、24 配線
16a、16b ビア配線
18 端子
26 空隙
28 バンプ
30 封止部
32、34 環状金属層
36 リッド
50 送信フィルタ
52 受信フィルタ

Claims (9)

  1. 圧電基板を含む基板と、
    前記圧電基板の表面に設けられた弾性波素子と、
    前記圧電基板の表面に設けられ前記弾性波素子と接続された配線と、
    前記基板の前記弾性波素子が設けられた表面と反対の表面に設けられた端子と、
    前記基板を貫通し前記配線と前記端子とを接続する第1ビア配線と、
    を備え
    前記第1ビア配線は、前記基板を貫通する第1ビアホールに充填されており、前記第1ビアホールの少なくとも一部の中心線は、前記基板の厚さ方向に対し傾斜した方向に延伸し、
    前記配線が設けられた前記基板の表面において前記第1ビアホールが前記配線と接する箇所の少なくとも一部は平面視において前記端子と重ならない弾性波デバイス。
  2. 圧電基板を含む基板と、
    前記圧電基板の表面に設けられた弾性波素子と、
    前記圧電基板の表面に設けられ前記弾性波素子と接続された配線と、
    前記基板の前記弾性波素子が設けられた表面と反対の表面に設けられた端子と、
    前記基板を貫通し前記配線と前記端子とを接続する第1ビア配線と、
    を備え、
    前記第1ビア配線は、前記基板を貫通する第1ビアホールに充填されており、前記第1ビアホールの少なくとも一部の中心線は、前記基板の厚さ方向に対し傾斜した方向に延伸し、
    前記端子が設けられた前記基板の表面において前記第1ビアホールが前記端子とする箇所の少なくとも一部は平面視において前記弾性波素子と重なる弾性波デバイス
  3. 前記端子が設けられた前記基板の表面において前記第1ビアホールが前記配線とする箇所の少なくとも一部は平面視において前記端子と重ならない請求項に記載の弾性波デバイス。
  4. 前記基板を貫通する第2ビアホールに充填されており、前記第2ビアホールの中心線は前記基板の厚さ方向に延伸する第2ビア配線を備える請求項1から3のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
  5. 前記基板は、前記圧電基板の前記弾性波素子が設けられた表面の反対の面に直接的または間接的に接合する支持基板を含み、
    前記端子は前記支持基板の前記圧電基板と反対の表面に設けられる請求項1から4のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
  6. 前記端子は前記圧電基板の前記弾性波素子が設けられた表面と反対の表面に設けられる請求項1から4のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
  7. 前記第1ビアホールの前記少なくとも一部分の前記中心線の延伸方向と前記基板の厚さ方向のなす角度は10°以上である請求項1から6のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
  8. 請求項1から7のいずれか一項に記載の弾性波デバイスを含むフィルタ。
  9. 請求項8に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
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