WO2019130905A1 - 高周波装置 - Google Patents

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WO2019130905A1
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幸一郎 川崎
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株式会社村田製作所
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    • H04B1/38Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40Circuits

Definitions

  • the present disclosure relates to a high frequency device, and more particularly, to a technique for mounting an acoustic wave device in a high frequency device equipped with a plurality of elastic wave devices.
  • a WLP Wafer Level Package
  • piezoelectric is generated in a hollow space formed by a piezoelectric substrate, a support layer disposed around the surface of the piezoelectric substrate, and a cover portion provided on the support layer.
  • a plurality of functional elements are arranged on the conductive substrate.
  • a comb-like electrode IDT: Inter Digital Transducer
  • Patent Document 1 discloses a high frequency module in which at least two surface acoustic wave devices are flip-chip mounted on a mounting substrate.
  • a method (reflow) of electrically connecting the acoustic wave device and the mounting substrate using solder may be employed.
  • the elastic wave device and the mounting substrate are heated at a high temperature to a temperature at which the solder melts (no stress), and then cooled to room temperature, whereby the conductors of the elastic wave device and the mounting substrate are electrically connected to each other by the solder bumps.
  • the piezoelectric substrate of the acoustic wave device may be, for example, lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), alumina, silicon (Si), and a piezoelectric single crystal material such as sapphire, or LiTaO 3 or LiNbO. It is formed of a piezoelectric laminate material of three .
  • the mounting substrate is formed of a resin such as phenol or epoxy. Therefore, the coefficient of linear expansion often differs between the piezoelectric substrate of the elastic wave device and the mounting substrate. Then, during cooling in the reflow process, mechanical strain occurs in the elastic wave device itself due to the difference in linear expansion coefficient between the piezoelectric substrate and the mounting substrate, and the characteristics of the elastic wave device may fluctuate.
  • strain is further increased depending on the linear expansion coefficient of the piezoelectric substrate of the acoustic wave device and the substrate of the other device, and the acoustic wave device The impact on the characteristics of can be increased.
  • the present disclosure has been made to solve such a problem, and an object of the present disclosure is to provide a high-frequency device in which an acoustic wave device and another device are mounted on a mounting substrate. It is to suppress the deterioration of the characteristics of the wave device.
  • a high frequency device includes a mounting substrate, a first device having a substrate disposed on the mounting substrate, and a second device.
  • the second device is disposed adjacent to the first device on the mounting substrate.
  • the second device includes a piezoelectric substrate and a plurality of functional elements formed on the piezoelectric substrate.
  • the linear expansion coefficient of the substrate of the first device is smaller than the linear expansion coefficient of the mounting substrate, and the linear expansion coefficient of the piezoelectric substrate of the second device is larger than the linear expansion coefficient of the mounting substrate.
  • the substrate of the first device is formed of a single crystal material of silicon (Si) or a laminated material of Si.
  • the first device is a bulk acoustic wave resonator.
  • the piezoelectric substrate of the second device is formed of a single crystal material of LiTaO 3 , LiNbO 3 , or a laminate material of LiTaO 3 or LiNbO 3 .
  • the first device includes a piezoelectric substrate and a plurality of functional elements formed on the piezoelectric substrate.
  • the piezoelectric substrate of the first device is a laminated substrate formed by laminating a second substrate layer of LiTaO 3 or LiNbO 3 on the surface of a first substrate layer of Si.
  • the plurality of functional elements of the first device are formed on the second substrate layer.
  • the piezoelectric substrate of the second device is formed of a single crystal material of LiTaO 3 , LiNbO 3 , or a laminate material of LiTaO 3 or LiNbO 3 .
  • the second device is formed with a ladder type filter including a series arm resonator, a parallel arm resonator, and an inductor connected in series or parallel to the parallel arm resonator.
  • the parallel arm resonators are disposed between adjacent adjacent sides of the adjacent first and second devices and between virtual lines passing through the center of the second device and parallel to the adjacent sides.
  • the second device is formed with a filter including a longitudinally coupled resonator in which a plurality of surface acoustic wave resonators are longitudinally coupled.
  • the longitudinally coupled resonators are disposed between adjacent adjacent sides of adjacent first and second devices and between virtual lines passing through the center of the second device and parallel to the adjacent sides.
  • the second device is formed with a ladder type filter including a series arm resonator, a parallel arm resonator, and an inductor connected in series or parallel to the parallel arm resonator.
  • a ladder type filter including a series arm resonator, a parallel arm resonator, and an inductor connected in series or parallel to the parallel arm resonator.
  • At least one of the series arm resonators that defines the upper limit frequency of the pass band of the filter, and the parallel arm resonator that defines the lower limit frequency of the pass band of the filter is the adjacent first device and It is disposed between adjacent adjacent sides of the second device and an imaginary line passing through the center of the second device and parallel to the adjacent side.
  • the high frequency device is used in a wireless communication device that transmits and receives high frequency signals using an antenna.
  • the second device is formed with a multiplexer including a transmit filter and a receive filter connected to the antenna.
  • the transmission filter is a ladder type filter including a series arm resonator and a parallel arm resonator. Of the series arm resonators, the resonator closest to the antenna is a virtual line passing through the center of the second device and parallel to the adjacent side from adjacent sides adjacent to each other of the first and second devices adjacent to each other. Placed between
  • the substrate of the first device As the first device and the second device mounted adjacent to each other on the mounting substrate, one having a smaller linear expansion coefficient than the mounting substrate is used as the substrate of the first device. Is adopted as a piezoelectric substrate of the second device including the one having a linear expansion coefficient larger than that of the mounting substrate. As a result, the distortion generated between the substrate of each device and the mounting substrate in the reflow process is offset at the portion where two devices are adjacent to each other, so the characteristics of the elastic wave device provided in the second device are degraded. Can be suppressed.
  • FIG. 5 is a schematic layout view of an elastic wave device in the high frequency device according to the first embodiment. It is a 1st figure for demonstrating the distortion of the mounted substrate which arises due to the difference in a linear expansion coefficient. It is a 2nd figure for demonstrating the distortion of the mounted substrate which arises due to the difference in a linear expansion coefficient. It is a 3rd figure for demonstrating the distortion of the mounted substrate which arises due to the difference in a linear expansion coefficient. It is a figure which shows the 1st example of a structure of an elastic wave device. It is a figure which shows the 2nd example of a structure of an elastic wave device. It is a figure which shows the 3rd example of a structure of an elastic wave device.
  • FIG. 7 is a diagram for describing a configuration of a high frequency device in a simulation of Comparative Example 1;
  • FIG. 6 is a diagram for describing a first example of the configuration of the high frequency device in the simulation of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for describing a second example of the configuration of the high-frequency device in the simulation of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for describing a third example of the configuration of the high-frequency device in the simulation of the first embodiment. It is a figure for demonstrating a simulation result. It is a graph for demonstrating a simulation result. It is a figure for demonstrating the area
  • FIG. 7 is a diagram for describing a configuration of a high frequency device in a simulation of Comparative Example 1;
  • FIG. 6 is a diagram for describing a first example of the configuration of the high frequency device in the simulation of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for describing a second example of the configuration of the
  • FIG. 18 is a diagram showing an example of a ladder type filter in a second embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a longitudinally coupled filter according to a third embodiment. It is a figure for demonstrating the influence of distortion of the elastic wave resonator in a longitudinally coupled type filter.
  • FIG. 18 is a diagram showing an example of a ladder type filter in a fourth embodiment. It is a figure for demonstrating the influence which distortion of an elastic wave resonator has on the frequency characteristic of a filter. It is a figure which shows the relationship of the stress and distortion in an elastic wave resonator. It is a figure for demonstrating the influence at the time of using an elastic wave resonator in a nonlinear area
  • FIG. 1 is a schematic layout view of devices in high frequency device 1 according to the first embodiment.
  • high frequency device 1 includes device 10 (device A), device 20 (device B), and mounting substrate 30.
  • the two devices 10 and 20 are electrically connected on the mounting substrate 30 via the solder bumps 40.
  • At least one of the devices 10 and 20 is an elastic wave device including a piezoelectric substrate and a plurality of functional elements.
  • the linear expansion coefficient of the substrate of the device 10 is ⁇ 1
  • the linear expansion coefficient of the substrate of the device 20 is ⁇ 2
  • the linear expansion coefficient of the mounting substrate 30 is ⁇ 3.
  • the solder 40 is applied in advance on the mounting substrate 30 by printing or the like, and the devices 10 and 20 are disposed thereon. Thereafter, the mounting substrate 30 and the devices 10 and 20 are bonded by heating to a high temperature to melt the solder and then cooling. At this time, distortion may occur on the mounting substrate 30 due to the difference between the linear expansion coefficient of the substrate of the devices 10 and 20 and the linear expansion coefficient of the mounting substrate 30. This may cause mechanical deformation of the functional element of the acoustic wave device of the devices 10 and 20, and may change the characteristics of the acoustic wave device.
  • FIGS. 2 to 4 are diagrams for explaining the distortion of the mounting substrate 30 caused due to the difference in linear expansion coefficient.
  • FIG. 2 shows an example where the linear expansion coefficient ⁇ 1 of the substrate of the device 10 and the linear expansion coefficient ⁇ 2 of the substrate of the device 20 are both larger than the linear expansion coefficient ⁇ 3 of the mounting substrate 30 ( ⁇ 1> ⁇ 3, ⁇ 2> ⁇ 3) It is.
  • the devices 10 and 20 have a linear expansion coefficient larger than that of the mounting substrate 30 in the heating process in reflow, the devices 10 and 20 extend more than the mounting substrate 30 in the heated state.
  • the solder 40 solidifies in the middle of the cooling process and the devices 10 and 20 are fixed to the mounting substrate 30.
  • the devices 10 and 20 contract more than the mounting substrate 30.
  • the devices 10 and 20 can be deformed in a convex shape toward the mounting substrate 30 as shown in FIG.
  • distortion occurs in the direction from the mounting substrate 30 toward the devices 10 and 20 in the portion of the mounting substrate 30 facing the end of the devices 10 and 20, which causes deterioration of the characteristics of the devices 10 and 20. obtain.
  • the linear expansion coefficients of the substrates of the devices 10 and 20 are smaller than the linear expansion coefficient of the mounting substrate 30 ( ⁇ 1 ⁇ 3, ⁇ 2 ⁇ 3), the shrinkage of the mounting substrate 30 after solidification of the solder in the cooling process Since the amount is larger than the amount of contraction of the devices 10 and 20, the mounting substrate 30 is distorted in the direction from the devices 10 and 20 toward the mounting substrate 30, as shown in FIG.
  • a substrate having a smaller linear expansion coefficient than mounting substrate 30 is used as a substrate of one device, and a substrate having a linear expansion coefficient larger than mounting substrate 30 is used as a substrate of the other device. It adopts (for example, ⁇ 1 ⁇ 3 ⁇ 2).
  • distortion caused by the difference in linear expansion coefficient between the device 10 and the substrate and distortion caused by the difference in linear expansion coefficient between the device 20 and the substrate Are in opposite directions to each other. Therefore, at a portion where the device 10 and the device 20 are adjacent to each other, at least a part of the distortion is offset and the deformation of the mounting substrate 30 is alleviated.
  • the deformation of the devices 10 and 20 is suppressed, it is possible to suppress the deterioration of the characteristics of the acoustic wave devices included in the devices 10 and 20.
  • 5 to 8 are examples of cross-sectional views of acoustic wave devices 100 and 100A to 100C used in the present embodiment mounted on mounting substrate 200, respectively.
  • the acoustic wave devices 100 and 100A to 100C correspond to the device 10 or the device 20 shown in FIG. 1, and the mounting substrate 200 corresponds to the mounting substrate 30 of FIG.
  • elastic wave device 100 includes piezoelectric substrate 110, support portion 120, cover portion 130, functional element 140, and connection terminal 150.
  • the piezoelectric substrate 110 is formed of a LiTaO 3 or LiNbO 3 piezoelectric single crystal material, or a piezoelectric laminate material thereof.
  • a plurality of functional elements 140 are arranged on one main surface of the piezoelectric substrate 110.
  • the functional element 140 is formed, for example, using an electrode material such as a single metal of at least one of aluminum, copper, silver, gold, titanium, tungsten, platinum, chromium, nickel, and molybdenum, or an alloy containing these metals as main components.
  • a pair of IDT electrodes are included.
  • a surface acoustic wave resonator is formed by the piezoelectric substrate 110 and the IDT electrode.
  • a support portion 120 made of resin is provided around the region where the functional element 140 is formed in the piezoelectric substrate 110.
  • a hollow space is formed around a plurality of functional elements 140 including an IDT electrode by opposingly arranging the cover 130 on the main surface of the piezoelectric substrate 110 on which the functional elements 140 are disposed via the support 120. Be done. As a result, the surface acoustic wave propagates in the portion of the piezoelectric substrate 110 adjacent to the hollow space.
  • Wiring patterns 142 for electrically connecting the functional elements 140 are disposed on the main surface of the piezoelectric substrate 110.
  • the wiring pattern 142 is electrically connected to the conductive portion 146 formed on the surface 131 of the cover portion 130 via a through electrode (via) 144 penetrating the support portion 120 and the cover portion 130.
  • the conductive portion 146 is electrically connected to the wiring pattern 160 on the mounting substrate 200 via the connection terminal 150 such as a solder bump.
  • the linear expansion coefficient in the main surface direction (the propagation direction of the surface acoustic wave in the case of SAW) of the piezoelectric substrate 110 is approximately 16 ppm / ° C.
  • the support portion 120 and the cover portion 130 are formed of a resin containing epoxy, polyimide, acryl, urethane or the like as a main component.
  • the support portion 120 and the cover portion 130 may partially use metal in addition to the above resin.
  • the mounting substrate 200 is a PCB substrate formed of, for example, a glass epoxy containing copper, and the linear expansion coefficient in the main surface direction is approximately 8 to 14 ppm / ° C.
  • the mounting substrate 200 may be a multilayer substrate in which a plurality of layers are stacked. Therefore, the linear expansion coefficient of the elastic wave device 100 is larger than the linear expansion coefficient of the mounting substrate 200.
  • elastic wave device 100A has a configuration in which piezoelectric substrate 110 of elastic wave device 100 of FIG. 5 is replaced with piezoelectric substrate 110A, and elastic wave device 100 with other portions. It is similar.
  • the piezoelectric substrate 110A is formed by laminating a Si-based first layer 115 and a LiTaO 3 -based thin second layer 116.
  • the functional element 140 is disposed on the second layer 116.
  • FIG. 7 and FIG. 8 show an example where BAW is used as an acoustic wave device.
  • the elastic wave device 100B shown in FIG. 7 is a BAW of the FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) type.
  • the FBAR BAW has a configuration in which a resonator composed of a piezoelectric film 180 sandwiched between two electrodes 170 and 172 is disposed on a cavity 185 formed in a Si-based support substrate 190B. Have. By arranging the resonator on the cavity 185, the resonator can vibrate without being affected by the support substrate 190B.
  • molybdenum is used as the electrodes 170 and 172 which form a resonator.
  • aluminum nitride AlN
  • AlN aluminum nitride
  • the acoustic wave device 100C shown in FIG. 8 is a BAW of the SMR (Solidly-Mounted Resonator) type.
  • the SMR type BAW support substrate 190C is formed by laminating a Si-based first layer 191 and an insulator second layer 192.
  • a resonator composed of the two electrodes 170 and 172 and the piezoelectric film 180 is disposed on the second layer 192.
  • a cavity such as a FBAR BAW is not formed in a portion where the resonator of the second layer 192 is disposed, an acoustic mirror 195 is formed inside the second layer 192 instead.
  • the acoustic mirror 195 has a configuration in which low acoustic impedance layers and high acoustic impedance layers each having a thickness of 1 ⁇ 4 of the wavelength of a signal to be transmitted are alternately stacked.
  • the low acoustic impedance layer is an insulator forming the second layer 192, and SiO 2 is used, for example.
  • the high acoustic impedance layer is an electrode 196 disposed inside the second layer 192, and tungsten (W) or the like is used as the electrode 196, for example.
  • the acoustic mirror 195 prevents the elastic wave from leaking to the support substrate 190C by reflecting the elastic wave generated in the resonator.
  • the elastic wave device 100A is smaller than the linear expansion coefficient of the mounting substrate 200.
  • the linear expansion coefficient in the main surface direction of the support substrate is about 3 ppm / ° C. Therefore, the linear expansion coefficients of the elastic wave devices 100 B and 100 C are also smaller than the linear expansion coefficient of the mounting substrate 200.
  • FIG. 9 to FIG. 14 are diagrams for explaining a simulation performed on the amount of strain generated in the reflow process when the acoustic wave devices as shown in FIG. 5 to FIG. 8 are arranged adjacent to each other on the mounting substrate. is there.
  • two acoustic wave devices are disposed adjacent to each other on a common mounting substrate 200 disposed on a board substrate 250, and the acoustic wave device and the mounting substrate 200 are molded. It carried out about the state molded by resin 220.
  • the acoustic wave device on the left side in FIG. 9 is device A
  • the acoustic wave device on the right side is device B
  • the distance in the direction from the left end of device A toward device B is X.
  • the strain ( ⁇ ) in the X direction of the device surface (the surface having the IDT) at the distance X is calculated, the tensile direction is positive, and the compression direction is negative.
  • a configuration using BAW as the device B may be used. Specifically, when using the elastic wave device 100 of FIG. 5 for the device A and using the elastic wave device 100B of FIG. 7 for the device B (FIG. 11), and using the elastic wave device 100 of FIG. When the acoustic wave device 100C of FIG. 8 is used as the device B (FIG. 12).
  • FIG. 13 is a diagram showing the results of the above simulation.
  • Comparative Example 1 of the combination of the elastic wave device 100 using LiTaO 3 having a linear expansion coefficient larger than that of the mounting substrate 200 in FIG. 13 for the device A and the device B, as shown in FIG.
  • the amount of distortion of the portion adjacent to the device is about 9.8 ⁇ 10 ⁇ 5 .
  • the distortion amount in the case of Comparative Example 2 using the elastic wave device 100A using Si for the piezoelectric substrate and the resin for the cover portion is about -1.4 ⁇ . It is 10 -4 .
  • Comparative Example 3 of the elastic wave device using Si for the piezoelectric substrate and the cover portion 130 the distortion amount is about -1.7 ⁇ 10 -4 .
  • the distortion amount of the device B is reduced to about 2 ⁇ 6 ⁇ 10 ⁇ 5 and the distortion amount of the device B is also reduced to about ⁇ 1.0 ⁇ 10 ⁇ 4 and 3 ⁇ 4.
  • the amount of distortion is about -1.5 ⁇ 10 -4 , which is a reduction of about 15%. Is planned.
  • FIG. 14 shows the cases of Comparative Example 1 (lines L11 and L12), Comparative Example 2 (lines L21 and L22), and Example 1 (lines L31 and L32) among the simulations shown in FIG. It is the graph which plotted the profile of distortion amount. Also from FIG. 14, the distortion amount of the part in which two elastic wave devices adjoin is made by making the elastic wave device whose linear expansion coefficient is larger than the mounting substrate adjacent to the elastic wave device whose linear expansion coefficient is smaller than the mounting substrate. Can be confirmed. In each elastic wave device, since the improvement of the distortion amount on the side opposite to the adjacent side is small, the best place where the improvement amount is large is the portion where the elastic wave device is adjacent.
  • the acoustic wave device having a linear expansion coefficient larger than that of the mounting substrate and the acoustic wave device having a linear expansion coefficient smaller than that of the mounting substrate are disposed adjacent to each other. It has been shown to reduce the amount of distortion of the mounting substrate. Therefore, in each of the elastic wave devices, the functional element whose distortion of the mounting substrate greatly affects the characteristics of the elastic wave device is disposed at a position where the distortion is reduced as described above, thereby lowering the characteristics of the elastic wave device. It becomes possible to suppress.
  • a region between adjacent sides adjacent to each other and a virtual line passing through the center of each acoustic wave device and parallel to the adjacent side (hereinafter referred to as It is desirable to arrange a functional element that greatly affects the characteristics of the acoustic wave device in the “improved area”).
  • the region R10 between the adjacent side and the virtual line L40 for the device A and the region R20 between the adjacent side and the virtual line L41 for the device B correspond to the above-mentioned improved region Do.
  • the region R10A between the adjacent side and the virtual line L45 for the device A and the region R20A between the adjacent side and the virtual line L46 for the device B are the above-described improved regions. It corresponds to
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of the ladder type filter 300 according to the second embodiment.
  • ladder type filter 300 includes series arm resonators 310 to 313 connected in series between input terminal In and output terminal Out, a connection node between the series arm resonators, and a ground node. And parallel arm resonators 320 to 322 connected therebetween.
  • One end of parallel arm resonator 320 is connected to the connection node between series arm resonator 310 and series arm resonator 311, and the other end is connected to the ground node via inductor 330.
  • One end of the parallel arm resonator 321 is connected to a connection node between the series arm resonator 311 and the series arm resonator 312, and the other end is connected to the ground node via the inductor 331.
  • One end of the parallel arm resonator 322 is connected to the connection node between the series arm resonator 312 and the series arm resonator 313, and the other end is connected via the inductor 331 like the parallel arm resonator 321. Connected to ground node.
  • the frequency of the attenuation pole that defines the passing range of the filter is determined by the resonance of the capacitance components of the parallel arm resonators 320 to 322 and the inductors 330 and 331.
  • the capacitance components of the parallel arm resonators 320 to 322 are determined by the inter-electrode distance of the IDT electrodes. Therefore, if the inter-electrode distance of the IDT electrodes changes due to the distortion of the mounting substrate, the capacitances of the parallel arm resonators 320 to 322 may change, and a desired attenuation characteristic may not be obtained.
  • the parallel arm resonators 320 to 322 are arranged in the improvement region shown in FIG. By this, it is possible to suppress the capacitance change due to the distortion in the reflow process, and therefore, it is possible to suppress the deterioration of the attenuation characteristics.
  • the configuration of the ladder type filter 300 shown in FIG. 16 is an example, and the present invention is also applicable to a ladder type filter having another configuration in which the number of series arm resonators or the connection configuration of parallel arm resonators is different.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of the longitudinally coupled filter 400 according to the third embodiment.
  • longitudinally coupled filter 400 includes an elastic wave resonator (input-side resonator) 411 connected between input terminal In and the ground node, and between output terminal Out and the ground node.
  • elastic wave resonators (output side resonators) 410 and 412 connected in parallel.
  • the output side resonators 410 and 412 are arranged at equal distances from the input side resonator 411 in the excitation direction of the input side resonator 411.
  • the high frequency signal input to the input terminal In resonates at the input side resonator 411, and its vibration is transmitted to the output side resonators 410 and 412 and output from the output terminal Out.
  • the signal output from the output terminal Out is a signal (A + B) in which the output signal OUT_A output from the output side resonator 410 and the output signal OUT_B output from the output side resonator 412 are added. .
  • the distance between input resonator 411 and output resonator 410 is equal to the distance between input resonator 411 and output resonator 412. It is designed to be the same as the distance between However, if the piezoelectric substrate is deformed in the reflow process, the distance between the input side resonator 411 and each of the output side resonators 410 and 412 is different, and the difference between the output signal OUT_A and the output signal OUT_B occurs. A difference can occur.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining the influence of the distortion of the elastic wave resonator in the longitudinally coupled filter 400.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents the amplitude (intensity) of the output signal.
  • the solid line L41 is an output signal OUT_A
  • the output signal OUT_B has the same phase
  • the output signal OUT_B has a waveform overlapping the solid line L41 (L42).
  • the combined signal is a signal having twice the amplitude.
  • the output signal OUT_B has a phase difference with respect to the output signal OUT_A as indicated by the broken line L43, the combined signal has a waveform different from that in the case where the two output signals are in phase. .
  • the phase difference becomes 180 °, the output signal OUT_A and the output signal OUT_B interfere with each other, and the output signal is not output from the output terminal Out.
  • the elastic wave device includes the longitudinally coupled filter 400 as shown in FIG. 17, the respective elastic wave resonators (input side resonator and output side resonator) included in the longitudinally coupled filter 400 are shown in FIG. Place in the improvement area shown in. As a result, it is possible to reduce the phase difference between the output signal OUT_A and the output signal OUT_B due to distortion in the reflow process.
  • the configuration of the longitudinally coupled filter 400 shown in FIG. 17 is an example, and the present invention is also applicable to longitudinally coupled filters having other configurations.
  • FIG. 19 is a diagram showing a ladder type filter 500 according to the fourth embodiment.
  • ladder type filter 500 is connected between series arm resonators 510 and 520 connected in series between input terminal In and output terminal Out, and between a series arm and a ground node.
  • Parallel arm resonators 530 and 540 are provided.
  • series arm resonator 510 is connected to input terminal In, and the other end is connected to one end of series arm resonator 520.
  • the other end of series arm resonator 520 is connected to output terminal Out.
  • the parallel arm resonator 530 is connected between a connection node of the series arm resonator 510 and the series arm resonator 520 and the ground node.
  • the parallel arm resonator 540 is connected between the output terminal Out and the ground node.
  • the pass band is generally determined by the setting of the attenuation pole of each elastic wave resonator. More specifically, when the band pass filter is formed by the ladder type filter 500, the lower limit of the passband is determined by the impedance characteristic (resonance frequency) of the parallel arm resonator, and the impedance characteristic of the series arm resonator ( The upper limit of the pass band is determined by the antiresonance frequency).
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of the frequency characteristics of the impedance Z (upper view) and the insertion loss (lower view) of each elastic wave resonator in the ladder type filter 500.
  • solid line L51 shows the impedance characteristic of series arm resonator 510
  • broken line L52 shows the impedance characteristic of series arm resonator 510.
  • a broken line L53 indicates the impedance characteristic of the parallel arm resonator 530
  • a solid line L54 indicates the impedance characteristic of the parallel arm resonator 540.
  • the impedance Z of the parallel arm resonator becomes minimum at the resonance frequency (f0 in FIG. 20), and the signal input from the input terminal In at this time passes through the parallel arm resonator to the ground node And not to the output terminal Out. Therefore, the insertion loss becomes large at the resonant frequency of the parallel arm resonator.
  • the impedance Z decreases at the resonance frequency, so that a signal is transmitted from the input terminal In to the output terminal Out.
  • the antiresonance frequency (f1 in FIG. 20) where the impedance Z becomes large no signal is transmitted to the output terminal Out, and the insertion loss becomes large.
  • the lower limit of the pass band is determined by the resonator having the smallest resonance frequency among the parallel arm resonators
  • the upper limit of the pass band is determined by the resonator having the largest antiresonance frequency among the series arm resonators.
  • the lower limit f0 of the pass band is determined by the parallel arm resonator 540 (solid line L54)
  • the upper limit f1 of the pass band is determined by the series arm resonator 510 (solid line L51).
  • the frequency range of f0 to f1 is the pass band of the signal.
  • the series arm resonator 520 and the parallel arm resonator 530 do not directly define the upper and lower limits of the pass band, but the attenuation steepness at the upper and lower limits of the pass band is determined by the respective resonant frequencies and antiresonant frequencies. Will be affected. Specifically, as the resonance frequencies of the parallel arm resonators are closer, the attenuation on the lower limit side becomes steeper. Further, as the antiresonance frequencies of the series arm resonators are closer, the attenuation on the upper limit side becomes steeper.
  • the capacitance of the elastic wave resonator, the inductance, the pitch of the IDT, and the acoustic velocity of the elastic wave may change.
  • the resonant frequency and the antiresonant frequency of each of the elastic wave resonators may fluctuate from the design values, which may make it impossible to obtain a desired pass band width.
  • the resonance frequency of the parallel arm resonators or the shift amount of the antiresonance frequency of the series arm resonators becomes large, the attenuation steepness near the upper and lower limits of the pass band width is degraded. Characteristic failure may occur near the lower limit (broken line L56 in FIG. 20).
  • the elastic wave device has a ladder type filter as shown in FIG. 19, among the parallel arm resonators, the resonator with the lowest resonance frequency and the anti-resonance among the series arm resonators. At least one of the resonators having the highest frequency is disposed in the improvement region shown in FIG. This can suppress the deterioration of the attenuation steepness due to the distortion in the reflow process, so that the characteristic deterioration of the ladder type filter can be suppressed.
  • the ladder type filter forms a band pass filter
  • the configuration of the ladder type filter is not limited to that shown in FIG. 19, and may be, for example, the configuration shown in FIG. 16 of the second embodiment. Also in the case of FIG. 16, the fourth embodiment is applied, and an elastic wave resonator defining the upper limit frequency of the pass band and / or an elastic wave resonator defining the lower limit frequency is arranged in the improvement region. Deterioration can be suppressed.
  • the multiplexer includes a transmission filter and a reception filter connected to a common antenna.
  • the transmission filter is connected between the antenna and the transmission terminal, extracts a signal of a predetermined bandwidth from the high frequency signal transmitted from the control circuit to the transmission terminal, and transmits the signal via the antenna.
  • the reception filter extracts a signal of a predetermined bandwidth from the high frequency signal received by the antenna, and outputs the signal to the control circuit via the reception terminal.
  • the transmission filter is, for example, a ladder type filter including a series arm resonator forming a series arm and a parallel arm resonator forming a parallel arm.
  • the reception filter includes, for example, a ladder type filter and a longitudinally coupled type filter.
  • the transmission signal is amplified in a control circuit (not shown) so that radio waves can be radiated from the antenna by a predetermined distance. Therefore, the transmission signal is a high frequency signal of relatively large power (amplitude) as compared to the reception signal through the series arm resonator. Also, since the transmission signal is the passband frequency of the transmission filter, it is transmitted to the antenna with almost no attenuation.
  • noise (a frequency other than the pass band for transmission and reception) received by the antenna is transmitted not only to the reception filter but also to the transmission filter. Since the signal transmitted to the transmission filter has a frequency other than the pass band, it is gradually attenuated each time it passes through each series arm resonator. Therefore, since two signals of the transmission signal and the noise are simultaneously input to the series arm resonator closest to the antenna side among the series arm resonators, stress greater than the other series arm resonators is applied. Become.
  • the elastic wave resonator converts electrical vibration into mechanical vibration and transmits it, and converts the transmitted mechanical vibration into electrical vibration again. Therefore, when mechanical vibration becomes non-linear, it appears as electrical distortion.
  • the piezoelectric substrate transmitting the mechanical vibration generally has stress-strain characteristics as shown in FIG. Therefore, when the mechanical vibration is performed in the elastic deformation region, the mechanical vibration becomes linear, but when distortion occurs in the piezoelectric substrate due to the deformation in the reflow process, the mechanical vibration in signal transmission is elastic. It takes place in the region beyond the deformation region, and the mechanical vibration tends to be non-linear. Then, for example, as indicated by a solid line L62 in FIG. 22, the waveform is distorted such that the amplitude is limited compared to the signal waveform in the normal state (broken line L61), which may cause the characteristic deterioration of the filter.
  • the elastic wave resonator connected closest to the antenna is stressed more than the other elastic wave resonators, and distortion characteristics are likely to be degraded.
  • the required substrate area may be increased, which may be a factor that hinders miniaturization. Therefore, in the fifth embodiment, distortion of the piezoelectric substrate in the reflow process is reduced by designing the series arm resonator connected closest to the antenna in the improvement region in FIG. , To suppress mechanical vibration in the non-linear region. This makes it possible to reduce the deterioration of distortion characteristics in the multiplexer.
  • both of the two devices disposed on the mounting substrate are elastic wave devices
  • devices other than the elastic wave devices for example, power amplifiers, etc.
  • similar effects can be obtained by setting the relationship between the linear expansion coefficient of the piezoelectric substrate of the substrate and elastic wave device included in the device and the linear expansion coefficient of the mounting substrate as described above You can get it.

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Abstract

高周波装置(1)は、デバイス(10)およびデバイス(20)と、これらのデバイス(10,20)を実装する実装基板(30)とを備える。少なくともデバイス(20)は、圧電性基板と機能素子とを含む弾性波デバイスである。デバイス(10)およびデバイス(20)は、実装基板(30)上に隣接して配置される。デバイス(10)の基板の線膨張係数は、実装基板(30)の線膨張係数よりも小さく、デバイス(20)の圧電性基板の線膨張係数は、実装基板(30)の線膨張係数よりも大きい。

Description

高周波装置
 本開示は高周波装置に関し、より特定的には、複数の弾性波デバイスを搭載した高周波装置における弾性波デバイスの実装技術に関する。
 携帯電話あるいはスマートフォンなどの電子機器において、弾性表面波(SAW:Surface Acoustic Wave)共振子あるいはバルク波(BAW:Bulk Acoustic Wave)共振子を用いた弾性波デバイスが使用されている。近年、電子機器の小型化,薄型化が進められており、それに伴って弾性波デバイス自体についても小型化,低背化が望まれている。
 このような要求を実現するために、弾性波デバイスのチップそのものをパッケージとして利用するWLP(Wafer Level Package)構造が提案されている。一般的なWLP構造を有する弾性波デバイスでは、圧電性基板と、圧電性基板表面の周囲に配置された支持層と、支持層上に設けられたカバー部とで形成される中空空間において、圧電性基板上に複数の機能素子が配置された構成を有している。弾性表面波(SAW)装置の場合には、機能素子として櫛歯状電極(IDT:Inter Digital Transducer)が配置される。
 さらに、1つの基板上に複数の弾性波デバイスを搭載した高周波モジュールとして形成することも提案されている。たとえば、特開2003-51733号公報(特許文献1)には、実装基板上に少なくとも2つの弾性表面波装置がフリップチップ実装された高周波モジュールが開示されている。
特開2003-51733号公報
 このようなWLP構造を有する弾性波デバイスを実装基板に実装する場合、はんだを用いて弾性波デバイスと実装基板とを電気的に接続する手法(リフロー)が採用される場合がある。この場合、はんだが溶融(無応力化)する温度まで弾性波デバイスおよび実装基板を高温で加熱し、その後常温まで冷却することで、はんだバンプにより弾性波デバイスおよび実装基板の導電体が互いに電気的に接続される。
 弾性波デバイスの圧電性基板は、たとえば、タンタル酸リチウム(LiTaO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、アルミナ、シリコン(Si)、およびサファイアのような圧電単結晶材料、あるいは、LiTaOまたはLiNbOからなる圧電積層材料により形成される。一方で、実装基板は、フェノールあるいはエポキシ等の樹脂により形成される。そのため、弾性波デバイスの圧電性基板と実装基板とでは、線膨張係数が異なる場合が多い。そうすると、リフロー工程における冷却の際に、圧電性基板と実装基板との線膨張係数の違いにより弾性波デバイス自体に機械的な歪みが生じ、弾性波デバイスの特性が変動し得る。
 特に、1つの基板上に弾性波デバイスと他のデバイスが搭載される場合、弾性波デバイスの圧電性基板と他のデバイスの有する基板との線膨張係数によっては歪みがさらに増大し、弾性波デバイスの特性への影響が増加し得る。
 本開示は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、実装基板上に弾性波デバイスと他のデバイスとが搭載された高周波装置において、実装工程における歪みによる弾性波デバイスの特性の低下を抑制することである。
 本開示による高周波装置は、実装基板と、実装基板上に配置される基板を有する第1デバイスと、第2デバイスとを備える。第2デバイスは、実装基板上において第1デバイスに隣接して配置される。第2デバイスは、圧電性基板と、圧電性基板上に形成される複数の機能素子とを含む。第1デバイスの基板の線膨張係数は、実装基板の線膨張係数よりも小さく、第2デバイスの圧電性基板の線膨張係数は、実装基板の線膨張係数よりも大きい。
 好ましくは、第1デバイスの基板は、シリコン(Si)の単結晶材料、あるいはSiからなる積層材料で形成される。
 好ましくは、第1デバイスは、バルク弾性波共振器である。
 好ましくは、第2デバイスの圧電性基板は、LiTaO、LiNbOの単結晶材料、あるいはLiTaOまたはLiNbOからなる積層材料で形成される。
 好ましくは、第1デバイスは、圧電性基板と、圧電性基板上に形成される複数の機能素子とを含む。第1デバイスの圧電性基板は、Siからなる第1基板層の表面にLiTaOまたはLiNbOからなる第2基板層を積層して形成された積層基板である。第1デバイスの複数の機能素子は、第2基板層上に形成される。第2デバイスの圧電性基板は、LiTaO、LiNbOの単結晶材料、あるいはLiTaOまたはLiNbOからなる積層材料で形成される。
 好ましくは、第2デバイスには、直列腕共振子と、並列腕共振子と、並列腕共振子に直列または並列に接続されるインダクタとを含むラダー型のフィルタが形成されている。並列腕共振子は、隣接する第1デバイスおよび第2デバイスの互いに隣り合う隣接辺から、第2デバイスの中央を通り隣接辺に平行な仮想線との間に配置される。
 好ましくは、第2デバイスには、複数の弾性表面波共振子が縦結合された縦結合共振子を含むフィルタが形成されている。縦結合共振子は、隣接する第1デバイスおよび第2デバイスの互いに隣り合う隣接辺から、第2デバイスの中央を通り隣接辺に平行な仮想線との間に配置される。
 好ましくは、第2デバイスには、直列腕共振子と、並列腕共振子と、並列腕共振子に直列または並列に接続されるインダクタとを含むラダー型のフィルタが形成されている。直列腕共振子のうちフィルタの通過帯域の上限周波数を規定する共振子、および、並列腕共振子のうちフィルタの通過帯域の下限周波数を規定する共振子の少なくとも一方は、隣接する第1デバイスおよび第2デバイスの互いに隣り合う隣接辺から、第2デバイスの中央を通り隣接辺に平行な仮想線との間に配置される。
 好ましくは、高周波装置は、アンテナを用いて高周波信号の送受信を行なう無線通信装置に用いられる。第2デバイスには、アンテナに接続された送信用フィルタおよび受信用フィルタを含むマルチプレクサが形成されている。送信用フィルタは、直列腕共振子および並列腕共振子を含むラダー型のフィルタである。直列腕共振子のうち、アンテナに最も近く接続される共振子は、隣接する第1デバイスおよび第2デバイスの互いに隣り合う隣接辺から、第2デバイスの中央を通り隣接辺に平行な仮想線との間に配置される。
 本開示による高周波装置においては、実装基板上に隣接して搭載される第1デバイスおよび第2デバイスについて、第1デバイスの基板として実装基板よりも小さい線膨張係数のものを使用し、弾性波装置を含む第2デバイスの圧電性基板として実装基板よりも大きい線膨張係数のものを使用するような構成を採用する。これにより、2つのデバイスが隣接する部分において、リフロー工程において各デバイスの基板と実装基板との間に発生する歪みが相殺されるので、第2デバイスに設けられた弾性波装置の特性が低下することを抑制できる。
実施の形態1に従う高周波装置における弾性波デバイスの概略配置図である。 線膨張係数の違いに起因して生じる実装基板の歪みを説明するための第1の図である。 線膨張係数の違いに起因して生じる実装基板の歪みを説明するための第2の図である。 線膨張係数の違いに起因して生じる実装基板の歪みを説明するための第3の図である。 弾性波デバイスの構成の第1の例を示す図である。 弾性波デバイスの構成の第2の例を示す図である。 弾性波デバイスの構成の第3の例を示す図である。 弾性波デバイスの構成の第4の例を示す図である。 比較例1のシミュレーションにおける高周波装置の構成を説明するための図である。 実施例1のシミュレーションにおける高周波装置の構成の第1の例を説明するための図である。 実施例1のシミュレーションにおける高周波装置の構成の第2の例を説明するための図である。 実施例1のシミュレーションにおける高周波装置の構成の第3の例を説明するための図である。 シミュレーション結果を説明するための図である。 シミュレーション結果を説明するためのグラフである。 歪みが改善される領域を説明するための図である。 実施の形態2におけるラダー型フィルタの一例を示す図である。 実施の形態3における縦結合型フィルタの一例を示す図である。 縦結合型フィルタにおける弾性波共振子の歪みの影響を説明するための図である。 実施の形態4におけるラダー型フィルタの一例を示す図である。 弾性波共振子の歪みがフィルタの周波数特性に及ぼす影響を説明するための図である。 弾性波共振子における応力と歪みとの関係を示す図である。 弾性波共振子を非線形領域で使用した場合の影響を説明するための図である。
 以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
 [実施の形態1]
 図1は、実施の形態1に従う高周波装置1におけるデバイスの概略配置図である。図1を参照して、高周波装置1は、デバイス10(デバイスA)と、デバイス20(デバイスB)と、実装基板30とを備える。2つのデバイス10,20は、実装基板30上にはんだバンプ40を介して電気的に接続されている。デバイス10,20の少なくとも一方は、圧電性基板と複数の機能素子とを含む弾性波デバイスである。
 ここで、デバイス10の有する基板の線膨張係数をα1とし、デバイス20の基板の線膨張係数をα2とし、実装基板30の線膨張係数をα3とする。
 一般的に、デバイス10,20のような機器を実装基板30上に実装する場合には、リフロー工程により行なわれることが多い。リフロー工程においては、予め実装基板30上に印刷等によりはんだ40を塗布し、その上にデバイス10,20を配置する。その後、その状態で高温に加熱してはんだを溶融させた後に冷却することによって、実装基板30とデバイス10,20とを結合させる。このとき、デバイス10,20の有する基板の線膨張係数と実装基板30の線膨張係数との違いにより、実装基板30に歪みが生じ得る。これによってデバイス10,20のうちの弾性波デバイスの機能素子に機械的変形が生じ、弾性波デバイスの特性が変化する可能性がある。
 図2~図4は、線膨張係数の違いに起因して生じる実装基板30の歪みを説明するための図である。
 図2は、デバイス10の基板の線膨張係数α1およびデバイス20の基板の線膨張係数α2が、いずれも実装基板30の線膨張係数α3よりも大きい場合(α1>α3,α2>α3)の例である。
 この場合、リフローにおける加熱工程において、デバイス10,20の方が実装基板30よりも線膨張係数が大きいため、加熱状態においては、デバイス10,20のほうが実装基板30よりも伸長する。冷却過程の途中においてはんだ40が固まってデバイス10,20が実装基板30に固定されるが、さらに常温まで温度が低下すると、デバイス10,20は、実装基板30よりもさらに収縮する。そうすると、デバイス10,20は、図2に示されるように、実装基板30側に凸の形状に変形し得る。これにより、実装基板30におけるデバイス10,20の端部に対向する部分には、実装基板30からデバイス10,20に向かう方向に歪みが生じるので、デバイス10,20の特性の低下の要因になり得る。
 逆に、実装基板30の線膨張係数よりもデバイス10,20の基板の線膨張係数が小さい場合(α1<α3,α2<α3)には、冷却過程におけるはんだの固化後の実装基板30の収縮量が、デバイス10,20の収縮量よりも大きくなるため、図3に示されるように、実装基板30にはデバイス10,20から実装基板30に向かう方向に歪みが生じる。
 そこで、本実施の形態においては、一方のデバイスの基板として実装基板30よりも線膨張係数が小さいものを用い、他方のデバイスの基板として実装基板30よりも線膨張係数が大きいものを用いる構成を採用する(たとえば、α1<α3<α2)。このような構成とすることによって、図4に示されるように、実装基板30において、デバイス10の基板との線膨張係数差によって生じる歪みと、デバイス20の基板との線膨張係数差によって生じる歪みとが互いに逆方向となる。そのため、デバイス10とデバイス20とが隣接する部分においては、歪みの少なくとも一部が相殺されて、実装基板30の変形が緩和される。その結果、デバイス10,20の変形が抑制されるため、デバイス10,20に含まれる弾性波デバイスの特性の低下を抑制することが可能となる。
 以下、本実施の形態の詳細な構成について説明する。
 図5~図8は、それぞれ、本実施の形態において使用される弾性波デバイス100,100A~100Cが実装基板200に搭載された状態の断面図の例である。弾性波デバイス100,100A~100Cは、図1で示したデバイス10あるいはデバイス20に対応し、実装基板200は、図1の実装基板30に対応する。
 図5を参照して、弾性波デバイス100は、圧電性基板110と、支持部120と、カバー部130と、機能素子140と、接続端子150とを備える。
 圧電性基板110は、LiTaOまたはLiNbOの圧電単結晶材料、あるいは、それらの圧電積層材料により形成される。圧電性基板110の一方の主面には、複数の機能素子140が配置されている。機能素子140として、たとえばアルミニウム、銅、銀、金、チタン、タングステン、白金、クロム、ニッケル、モリブデンの少なくとも一種からなる単体金属、またはこれらを主成分とする合金などの電極材を用いて形成された一対のIDT電極が含まれる。圧電性基板110とIDT電極とによって弾性表面波共振子が形成される。
 圧電性基板110において、機能素子140が形成された領域の周囲には、樹脂製の支持部120が設けられている。この支持部120を介して、圧電性基板110の機能素子140が配置されている主面にカバー部130を対向配置することによって、IDT電極を含む複数の機能素子140の周囲に中空空間が形成される。これにより圧電性基板110の当該中空空間に隣接する部分において、弾性表面波が伝搬するようになっている。
 圧電性基板110の主面には、機能素子140間を電気的に接続するための配線パターン142が配置されている。この配線パターン142は、支持部120およびカバー部130を貫通する貫通電極(ビア)144を介してカバー部130の表面131に形成された導電部146と電気的に接続される。導電部146は、はんだバンプなどの接続端子150を介して、実装基板200上の配線パターン160に電気的に接続される。
 圧電性基板110の主面方向(SAWの場合は弾性表面波の伝搬方向)の線膨張係数は、およそ16ppm/℃である。支持部120およびカバー部130は、エポキシ、ポリイミド、アクリル、ウレタン等を主成分とした樹脂により形成されている。支持部120およびカバー部130は、上記樹脂の他に一部金属を用いてもよい。また、実装基板200は、たとえば銅を含有するガラスエポキシで形成されたPCB基板であり、主面方向の線膨張係数は、およそ8~14ppm/℃である。なお、実装基板200は、複数の層が積層された多層基板であってもよい。したがって、弾性波デバイス100の線膨張係数は、実装基板200の線膨張係数よりも大きい。
 図6を参照して、弾性波デバイス100Aは、図5の弾性波デバイス100の圧電性基板110が、圧電性基板110Aに置き換わった構成となっており、その他の部分については弾性波デバイス100と同様である。
 圧電性基板110Aは、Siベースの第1層115と、LiTaOベースの薄い第2層116とを積層することによって形成されている。なお、機能素子140は、第2層116上に配置されている。 図7および図8は、弾性波デバイスとしてBAWが用いられる場合の例である。図7に示される弾性波デバイス100Bは、FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)型のBAWである。FBAR型のBAWは、2つの電極170,172の間に挟まれた圧電膜180で構成される共振器を、Siベースの支持基板190Bに形成された空洞(キャビティ)185上に配置した構成を有している。空洞185上に共振器を配置することで、共振器は支持基板190Bの影響を受けずに振動することができる。
 共振器を形成する電極170,172としては、たとえばモリブデンが用いられる。また、圧電膜180には、たとえば窒化アルミニウム(AlN)が用いられる。
 図8に示される弾性波デバイス100Cは、SMR(Solidly-Mounted Resonator)型のBAWである。SMR型のBAWの支持基板190Cは、Siベースの第1層191と、絶縁体の第2層192とを積層することによって形成されている。2つの電極170,172と圧電膜180とで構成される共振器は、第2層192上に配置される。第2層192の共振器が配置される部分には、FBAR型のBAWのような空洞は形成されていないが、それに代えて、第2層192の内部に音響ミラー195が形成されている。
 音響ミラー195は、通過させる信号の波長の1/4の厚みを有する低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とを交互に積層させた構成を有している。図8においては、低音響インピーダンス層は第2層192を形成する絶縁体であり、たとえばSiO2が用いられる。また、高音響インピーダンス層は、第2層192の内部に配置された電極196であり、電極196として、たとえばタングステン(W)などが用いられる。音響ミラー195によって、共振器で発生した弾性波を反射させることによって支持基板190Cに弾性波が漏洩することを防止している。
 Siの線膨張係数はおよそ3ppm/℃であるため、弾性波デバイス100Aは、実装基板200の線膨張係数よりも小さい。なお、弾性波デバイス100B,100CのようなBAWの場合においても、支持基板にSiが用いられているので、支持基板の主面方向の線膨張係数はおよそ3ppm/℃である。そのため、弾性波デバイス100B,100Cの線膨張係数も、実装基板200の線膨張係数よりも小さう。
 図9~図14は、上記の図5~図8で示したような弾性波デバイスを実装基板上に隣接配置した場合の、リフロー工程で生じる歪み量について行なったシミュレーションを説明するための図である。
 シミュレーションは、図9で示すように、ボード基板250上に配置された共通の実装基板200上に、2つの弾性波デバイスを隣接して配置し、さらに弾性波デバイスと実装基板200とを、モールド樹脂220にてモールドした状態について行なった。なお、図9における左側の弾性波デバイスをデバイスAとし、右側の弾性波デバイスをデバイスBとし、デバイスAの左端からデバイスBに向かう方向の距離をXとした。また、図9において距離Xにおけるデバイス表面(IDTがある面)のX方向の歪み(ε)を算出し、引張方向を正とし、圧縮方向を負とした。
 シミュレーションにおいては、同種の弾性波デバイスを隣接配置した比較例として、図5の弾性波デバイス100を隣接配置した場合(比較例1:図9に対応)、図6の弾性波デバイス100Aを隣接配置した場合(比較例2)、および、圧電性基板に加えてカバー部にもSiを用いた弾性波デバイスを隣接配置した場合(比較例3)についてシミュレーションを行なった。また、実施例としては、デバイスAに図5の弾性波デバイス100を用い、デバイスBに図6の弾性波デバイス100Aを用いた場合(実施例1:図10に対応)、および、デバイスBに比較例3の弾性波デバイスを用いた場合(実施例2)についてシミュレーションを行なった。ここで「隣接」とは、共通の実装基板200上において、2つの弾性波デバイスの間に部品あるいは表面配線が配置されていないことを示す。
 なお、実施例1の変形例として、デバイスBとしてBAWを用いる構成を用いてもよい。具体的には、デバイスAに図5の弾性波デバイス100を用い、デバイスBに図7の弾性波デバイス100Bを用いる場合(図11)、および、デバイスAに図5の弾性波デバイス100を用い、デバイスBに図8の弾性波デバイス100Cを用いる場合(図12)である。
 図13は、上記のシミュレーションの結果を示す図である。図13において、デバイスAおよびデバイスBに、実装基板200よりも線膨張係数の大きいLiTaOを用いた弾性波デバイス100の組合せの比較例1においては、図13に示されるように、各弾性波デバイスが隣接する部分の歪み量は、約9.8×10-5となっている。また、弾性波デバイスの双方について、圧電性基板にSiを用い、かつ、カバー部130に樹脂を用いた弾性波デバイス100Aを用いた比較例2の場合の歪み量は、約-1.4×10-4となっている。圧電性基板およびカバー部130にSiを用いた弾性波デバイスの比較例3の場合には、約-1.7×10-4の歪み量となっている。
 一方で、デバイスAとしてLiTaOを用いた弾性波デバイス100を用い、デバイスBとして圧電性基板にSi、カバー部130に樹脂を用いた弾性波デバイス100Aを用いた実施例1においては、デバイスAの歪み量は約6.6×10-5と2/3程度に低減されており、デバイスBの歪み量についても約-1.0×10-4と3/4程度に低減されている。
 また、デバイスBについて、圧電性基板およびカバー部130にSiを用いた弾性波デバイスを用いた場合には、歪み量が約-1.5×10-4となっており、15%程度の低減が図られている。
 図14は、図13で示したシミュレーションのうち、比較例1の場合(線L11,L12)、比較例2の場合(線L21,L22)、および実施例1(線L31,L32)の場合についての歪み量のプロフィールをプロットしたグラフである。図14からも、実装基板よりも線膨張係数が大きい弾性波デバイスと、実装基板よりも線膨張係数が小さい弾性波デバイスとを隣接させることによって、2つの弾性波デバイスが隣接する部分の歪み量が低減することが確認できる。なお、各弾性波デバイスにおいて、隣接する側とは反対側の歪み量の改善は微量であるため、改善量が大きい最良の場所は弾性波デバイスが隣接する部分である。
 このように、シミュレーションにおいても、実装基板よりも大きい線膨張係数を有する弾性波デバイスと、装基板よりも小さい線膨張係数を有する弾性波デバイスとを隣接して配置することによって、隣接する部分における実装基板の歪み量を低減することが示されている。したがって、各弾性波デバイスにおいて、実装基板の歪みが弾性波デバイスの特性に大きく影響する機能素子を、上記のような歪みが低減される位置に配置することによって、弾性波デバイスの特性の低下を抑制することが可能となる。
 具体的には、図15に示されるように、各弾性波デバイスについて、互いに隣り合う隣接辺から、各弾性波デバイスの中央を通り当該隣接辺に平行な仮想線との間の領域(以下、「改善領域」とも称する。)に、弾性波デバイスの特性に大きく影響する機能素子を配置することが望ましい。
 図15(a)の例においては、デバイスAについては隣接辺から仮想線L40の間の領域R10、および、デバイスBについては隣接辺から仮想線L41の間の領域R20が上記の改善領域に該当する。また、図15(b)の例においては、デバイスAについては隣接辺から仮想線L45の間の領域R10A、および、デバイスBについては隣接辺から仮想線L46の間の領域R20Aが上記の改善領域に該当する。
 以下、実施の形態2~5において、改善領域に配置することが好ましい機能素子の例について説明する。
 [実施の形態2]
 実施の形態2においては、弾性波デバイスが、インダクタを接続した並列腕共振子を有するラダー型フィルタを有する場合の例について説明する。
 図16は、実施の形態2におけるラダー型フィルタ300の一例を示す図である。図16を参照して、ラダー型フィルタ300は、入力端子Inと出力端子Outとの間に直列に接続された直列腕共振子310~313と、当該直列腕共振子間の接続ノードと接地ノードとの間に接続された並列腕共振子320~322とを含む。
 並列腕共振子320は、その一方端が直列腕共振子310と直列腕共振子311との間の接続ノードに接続され、その他方端がインダクタ330を介して接地ノードに接続される。並列腕共振子321は、その一方端が直列腕共振子311と直列腕共振子312との間の接続ノードに接続され、その他方端がインダクタ331を介して接地ノードに接続される。並列腕共振子322は、その一方端が直列腕共振子312と直列腕共振子313との間の接続ノードに接続され、その他方端が、並列腕共振子321と同様にインダクタ331を介して接地ノードに接続される。
 このようなラダー型フィルタ300においては、並列腕共振子320~322の容量成分とインダクタ330,331との共振によって、フィルタの通過範囲を規定する減衰極の周波数が定められる。並列腕共振子320~322の容量成分はIDT電極の電極間距離によって定まる。そのため、実装基板の歪みによってIDT電極の電極間距離が変化すると、並列腕共振子320~322の容量が変化して、所望の減衰特性が得られなくなる可能性がある。
 したがって、弾性波デバイスに図16に示されるようなラダー型フィルタ300が形成される場合には、並列腕共振子320~322を、図15に示される改善領域に配置する。これによって、リフロー工程における歪みに起因する容量変化を抑制することができるので、減衰特性の低下を抑制できる。
 なお、図16に示したラダー型フィルタ300の構成は一例であり、直列腕共振子の数あるいは並列腕共振子の接続構成が異なる他の構成を有するラダー型フィルタについても適用可能である。
 [実施の形態3]
 実施の形態3においては、弾性波デバイスが、縦結合型フィルタを有する場合の例について説明する。
 図17は、実施の形態3における縦結合型フィルタ400の一例を示す図である。図17を参照して、縦結合型フィルタ400は、入力端子Inと接地ノードとの間に接続された弾性波共振子(入力側共振子)411と、出力端子Outと接地ノードとの間に並列接続された弾性波共振子(出力側共振子)410,412とを含む。出力側共振子410,412は、入力側共振子411の励振方向に、入力側共振子411から等距離の位置に配置される。
 縦結合型フィルタ400においては、入力端子Inに入力された高周波信号は、入力側共振子411で共振し、その振動が出力側共振子410,412に伝達され出力端子Outから出力される。このとき、出力端子Outから出力される信号は、出力側共振子410から出力される出力信号OUT_Aと、出力側共振子412から出力される出力信号OUT_Bとが足し合わされた信号(A+B)となる。出力端子Outから正しい信号を出力するためには、出力信号OUT_Aと出力信号OUT_Bとの位相を合わせる必要がある。
 一般的には、出力信号OUT_Aと出力信号OUT_Bとを同位相とするために、入力側共振子411と出力側共振子410との間の距離が、入力側共振子411と出力側共振子412との間の距離と同じなるように設計される。しかしながら、リフロー工程において圧電性基板に変形が生じると、入力側共振子411と各出力側共振子410,412との間の距離が異なってしまい、出力信号OUT_Aと出力信号OUT_Bとの間に位相差が生じ得る。
 図18は、縦結合型フィルタ400における弾性波共振子の歪みの影響を説明するための図である。図18において、横軸は時間を表し、縦軸は出力信号の振幅(強度)を表す。実線L41を出力信号OUT_Aとすると、出力信号OUT_Bが同位相の場合には、出力信号OUT_Bは実線L41と重なる波形となる(L42)。このとき、合成信号は、2倍の振幅を有する信号となる。
 一方で、破線L43のように、出力信号OUT_Bが出力信号OUT_Aに対して位相差を有している場合には、合成信号は2つの出力信号が同位相である場合とは異なった波形となる。たとえば、位相差が180°となった場合には、出力信号OUT_Aと出力信号OUT_Bとが干渉して、出力端子Outからは出力信号が出力されなくなる。
 そのため、弾性波デバイスが図17のような縦結合型フィルタ400を含む場合には、縦結合型フィルタ400に含まれる各弾性波共振子(入力側共振子および出力側共振子)を、図15で示した改善領域に配置する。これによって、リフロー工程における歪みによって、出力信号OUT_Aと出力信号OUT_Bとの間に生じる位相差を低減することができる。
 なお、図17に示した縦結合型フィルタ400の構成は一例であり、他の構成を有する縦結合型フィルタにも適用可能である。
 [実施の形態4]
 実施の形態4においては、弾性波デバイスがラダー型フィルタである場合の、通過周波数帯域の劣化を抑制する例について説明する。
 図19は、実施の形態4におけるラダー型フィルタ500を示す図である。図19を参照して、ラダー型フィルタ500は、入力端子Inと出力端子Outとの間に直列に接続された直列腕共振子510,520と、直列腕と接地ノードとの間に接続される並列腕共振子530,540とを備える。
 直列腕共振子510の一方端は入力端子Inに接続され、他方端は直列腕共振子520の一方端に接続される。直列腕共振子520の他方端は、出力端子Outに接続される。並列腕共振子530は、直列腕共振子510と直列腕共振子520との接続ノードと、接地ノードとの間に接続される。並列腕共振子540は、出力端子Outと接地ノードとの間に接続される。
 このようなラダー型フィルタ500においては、一般的に、各弾性波共振子の減衰極の設定によって通過帯域が定められる。より具体的には、ラダー型フィルタ500によってバンドパスフィルタが形成される場合には、並列腕共振子のインピーダンス特性(共振周波数)によって通過帯域の下限が定められ、直列腕共振子のインピーダンス特性(反共振周波数)によって通過帯域の上限が定められる。
 図20は、ラダー型フィルタ500における、各弾性波共振子のインピーダンスZ(上図)および挿入損失(下図)の周波数特性の一例を示す図である。図20を参照して、上図において、実線L51は直列腕共振子510のインピーダンス特性を示し、破線L52は直列腕共振子510のインピーダンス特性を示している。また、破線L53は並列腕共振子530のインピーダンス特性を示しており、実線L54は並列腕共振子540のインピーダンス特性を示している。
 並列腕共振子については、共振周波数(図20中のf0)において並列腕共振子のインピーダンスZが最小となり、このとき入力端子Inから入力された信号は、並列腕共振子を通過して接地ノードへと伝達され、出力端子Outには伝達されない。そのため、並列腕共振子の共振周波数においては、挿入損失が大きくなる。
 直列腕共振子については、並列腕共振子とは逆に、共振周波数においてはインピーダンスZが小さくなるため、入力端子Inから出力端子Outへと信号が伝達される。一方、インピーダンスZが大きくなる反共振周波数(図20中のf1)においては、出力端子Outには信号が伝達されず、挿入損失が大きくなる。
 したがって、並列腕共振子のうちで最小の共振周波数を有する共振子によって通過帯域の下限が定まり、直列腕共振子のうちで最大の反共振周波数を有する共振子によって通過帯域の上限が定まることになる。図20の例においては、並列腕共振子540によって通過帯域の下限f0が定められ(実線L54)、直列腕共振子510によって通過帯域の上限f1が定められる(実線L51)。これにより、周波数がf0~f1の範囲が信号の通過帯域となる。
 直列腕共振子520および並列腕共振子530については、直接的には通過帯域の上下限を規定するものではないが、それぞれの共振周波数および反共振周波数によって、通過帯域の上下限における減衰急峻性が影響される。具体的には、並列腕共振子同士の共振周波数が近いほど、下限側における減衰が急峻となる。また、直列腕共振子同士の反共振周波数が近いほど、上限側における減衰が急峻となる。
 ここで、リフロー時に実装基板に歪みが生じて弾性波共振子のIDT電極が変形すると、弾性波共振子のキャパシタンス、インダクタンス、IDTのピッチ、および弾性波の音速が変化し得る。そうすると、各弾性波共振子の共振周波数および反共振周波数が設計値から変動してしまうため、所望の通過帯域幅が得られなくなる可能性がある。また、並列腕共振子同士の共振周波数、あるいは、直列腕共振子同士の反共振周波数のずれ量が大きくなった場合には、通過帯域幅の上下限付近の減衰急峻性が劣化して、上下限近傍における特性不良が生じるおそれがある(図20中の破線L56)。
 そのため、弾性波デバイスが図19に示されるようなラダー型フィルタを有している場合には、並列腕共振子のうち共振周波数が最も低くなる共振子、および、直列腕共振子のうち反共振周波数が最も高くなる共振子の少なくとも一方を図15で示した改善領域に配置する。これによって、リフロー工程における歪みに起因する減衰急峻性の劣化を抑制することができるので、ラダー型フィルタの特性劣化を抑制することが可能となる。
 なお、ラダー型フィルタがバンドパスフィルタを形成する場合には、上限周波数を規定する直列腕共振子および下限周波数を規定する並列腕共振子の双方を改善領域に配置することが好ましい。
 なお、ラダー型フィルタの構成は図19に限られず、たとえば実施の形態2の図16で示したような構成であっても構わない。図16の場合においても、実施の形態4を適用して、通過帯域の上限周波数を規定する弾性波共振子および/または下限周波数を規定する弾性波共振子を改善領域に配置することで、特性劣化を抑制することができる。
 [実施の形態5]
 実施の形態5においては、アンテナを介して高周波信号を送受信するためのマルチプレクサにおいて、混変調歪み(Intermodulation Distribution:IMD)を低減する例について説明する。一般的に、マルチプレクサにおいては、共通のアンテナに接続される送信用フィルタと受信用フィルタとを含んでいる。
 送信用フィルタは、アンテナと送信用端子との間に接続され、制御回路から送信用端子に伝達される高周波信号から所定の帯域幅の信号を抽出し、アンテナを介して送信する。受信用フィルタは、アンテナで受信した高周波信号から所定の帯域幅の信号を抽出し、受信用端子を介して制御回路へ出力する。
 送信用フィルタは、たとえば、直列腕を形成する直列腕共振子と、並列腕を形成する並列腕共振子とを含んで構成されるラダー型フィルタである。
 受信用フィルタは、たとえばラダー型フィルタと、縦結合型フィルタとを含んで構成される。
 このようなマルチプレクサの送信用フィルタにおいて、送信信号は、アンテナから所定の距離だけ電波を放射できるように、図示しない制御回路において増幅される。そのため、送信信号は、直列腕共振子を通じて、受信信号に比べると比較的大きなパワー(振幅)の高周波信号とされる。また、送信信号は、送信フィルタの通過帯域周波数であるため、ほぼ減衰せずにアンテナまで伝達される。
 マルチプレクサにおいては、アンテナによって受信されたノイズ(送受信の通過帯域以外の周波数)は、受信用フィルタだけでなく、送信用フィルタにも伝達される。送信用フィルタに伝達された信号は、通過帯域以外の周波数であるため、各直列腕共振子を通過するごとに徐々に減衰される。そのため、直列腕共振子のうち、アンテナ側に最も近い直列腕共振子には、送信信号とノイズの2つの信号が同時に入力されるので、他の直列腕共振子よりも大きな応力がかかることになる。
 弾性波共振子は、電気振動を機械振動に変換して伝達し、伝達された機械振動を再度電気振動に変換する。そのため、機械振動が非線形となってしまうと、電気的な歪みとなって現れることになる。図5あるいは図6で示したような弾性波デバイス100,100Aにおいては、機械振動を伝達する圧電性基板は、一般的に図21に示すような応力-歪み特性を有している。そのため、機械振動が弾性変形領域で行なわれる場合には機械振動が線形的になるが、リフロー工程の際の変形により圧電性基板に歪みが生じていると、信号伝達の際の機械振動が弾性変形領域を超えた領域で行なわれてしまい、機械振動が非線形となりやすくなる。そうすると、たとえば図22の実線L62のように、正常時の信号波形(破線L61)に比べて、振幅が制限されたような歪んだ波形となり、フィルタの特性劣化が生じる可能性がある。
 マルチプレクサにおいては、上述のように、送信用フィルタにおいて、アンテナに対して最も近くに接続される弾性波共振子について、他の弾性波共振子よりも大きな応力がかかり、歪み特性が劣化しやすい。
 このような歪みを軽減するために、該当する弾性波共振子を分割する手法を採用することも可能である。しかしながら、弾性波共振子の分割により、必要とされる基板面積が大きくなり、かえって小型化を阻害する要因になる場合がある。そのため、実施の形態5においては、アンテナの最も近くに接続される直列腕共振子を図15における改善領域に配置するように設計することで、リフロー工程の際の圧電性基板の歪みを低減し、非線形領域で機械振動が行なわれることを抑制する。これにより、マルチプレクサにおいて歪み特性の劣化を低減することが可能となる。
 実施の形態1~5の説明においては、弾性波デバイスとしてSAWを用いる場合の例について説明したが、弾性波デバイスとして図7(FBAR)および図8(SMR)で示したBAWを用いる場合においても上記した実施の形態を適用することができる。また、SAWとBAWとを混在して用いる弾性波デバイスにも適用可能である。
 また、上記の説明においては、実装基板上に配置される2つのデバイスの双方が弾性波デバイスである場合を例として説明したが、一方のデバイスが弾性波デバイス以外の機器(たとえば、パワーアンプ、半導体など)である場合においても、当該機器に含まれる基板および弾性波デバイスの圧電性基板の線膨張係数と実装基板の線膨張係数との関係を上述のようにすることで、同様の効果を得ることができる。
 今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
 1 高周波装置、10,20 デバイス、30,200 実装基板、40 はんだ、100,100A~100C 弾性波デバイス、110,110A 圧電性基板、115,191 第1層、116,192 第2層、120 支持部、130 カバー部、131 表面、140 機能素子、142,160 配線パターン、146 導電部、150 接続端子、170,172,196 電極、180 圧電膜、190B,190C 支持基板、195 音響ミラー、220 モールド樹脂、250 ボード基板、300,500,630 ラダー型フィルタ、310~313,510,520 直列腕共振子、320~322,530,540 並列腕共振子、330,331 インダクタ、400,650 縦結合型フィルタ、411 入力側共振子、410,412 出力側共振子、In 入力端子、Out 出力端子、R10A,R10,R20A,R20 領域。

Claims (9)

  1.  実装基板と、
     前記実装基板上に配置される基板を有する第1デバイスと、
     前記第1デバイスに隣接して前記実装基板上に配置される第2デバイスと、を備え、
     前記第2デバイスは、
      圧電性基板と、
      前記圧電性基板上に形成される複数の機能素子と、を含み、
     前記第1デバイスの前記基板の線膨張係数は、前記実装基板の線膨張係数よりも小さく、
     前記第2デバイスの前記圧電性基板の線膨張係数は、前記実装基板の線膨張係数よりも大きい、高周波装置。
  2.  前記第1デバイスの前記基板は、シリコン(Si)の単結晶材料、あるいはSiからなる積層材料で形成される、請求項1に記載の高周波装置。
  3.  前記第1デバイスは、バルク弾性波共振器である、請求項2に記載の高周波装置。
  4.  前記第2デバイスの前記圧電性基板は、タンタル酸リチウム(LiTaO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)の単結晶材料、あるいはLiTaOまたはLiNbOからなる積層材料で形成される、請求項1に記載の高周波装置。
  5.  前記第1デバイスは、
      圧電性基板と、
      前記圧電性基板上に形成される複数の機能素子と、を含み、
     前記第1デバイスの前記圧電性基板は、Siからなる第1基板層の表面にLiTaOまたはLiNbOからなる第2基板層を積層して形成された積層基板であり、
     前記第1デバイスの前記複数の機能素子は、前記第2基板層上に形成され、
     前記第2デバイスの前記圧電性基板は、LiTaO、LiNbOの単結晶材料、あるいはLiTaOまたはLiNbOからなる積層材料で形成される、請求項1に記載の高周波装置。
  6.  前記第2デバイスには、直列腕共振子と、並列腕共振子と、前記並列腕共振子に直列または並列に接続されるインダクタとを含むラダー型のフィルタが形成されており、
     前記並列腕共振子は、隣接する前記第1デバイスおよび前記第2デバイスの互いに隣り合う隣接辺から、前記第2デバイスの中央を通り前記隣接辺に平行な仮想線との間に配置される、請求項1~5のいずれか1項に記載の高周波装置。
  7.  前記第2デバイスには、複数の弾性表面波共振子が縦結合された縦結合共振子を含むフィルタが形成されており、
     前記縦結合共振子は、隣接する前記第1デバイスおよび前記第2デバイスの互いに隣り合う隣接辺から、前記第2デバイスの中央を通り前記隣接辺に平行な仮想線との間に配置される、請求項1~5のいずれか1項に記載の高周波装置。
  8.  前記第2デバイスには、直列腕共振子と、並列腕共振子と、前記並列腕共振子に直列または並列に接続されるインダクタとを含むラダー型のフィルタが形成されており、
     前記直列腕共振子のうち前記フィルタの通過帯域の上限周波数を規定する共振子、および、前記並列腕共振子のうち前記フィルタの通過帯域の下限周波数を規定する共振子の少なくとも一方は、隣接する前記第1デバイスおよび前記第2デバイスの互いに隣り合う隣接辺から、前記第2デバイスの中央を通り前記隣接辺に平行な仮想線との間に配置される、請求項1~5のいずれか1項に記載の高周波装置。
  9.  前記高周波装置は、アンテナを用いて高周波信号の送受信を行なう無線通信装置に用いられ、
     前記第2デバイスには、前記アンテナに接続された送信用フィルタおよび受信用フィルタを含むマルチプレクサが形成されており、
     前記送信用フィルタは、直列腕共振子および並列腕共振子を含むラダー型のフィルタであり、
     前記直列腕共振子のうち、前記アンテナに最も近く接続される共振子は、隣接する前記第1デバイスおよび前記第2デバイスの互いに隣り合う隣接辺から、前記第2デバイスの中央を通り前記隣接辺に平行な仮想線との間に配置される、請求項1~5のいずれか1項に記載の高周波装置。
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