JP2007116628A - 弾性表面波装置及び通信装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電基板1上にIDT電極2から成る弾性表面波共振子を複数配設して互いに接続し、前記弾性表面波共振子の間の領域に、少なくとも1つの放熱用パッド電極16a,16bを配置している。放熱用パッド電極16a,16bは、回路基板の導体パターンとバンプ接続体13で接続される。
【効果】放熱用パッド電極16a,16bを通して熱を集めることができ、放熱性が向上する。
【選択図】図2
Description
このような弾性表面波装置では、使用周波数の上昇傾向に伴って、入力レベルの要求が、従来の段間フィルタ用の10mWレベルから、デュプレクサなどに要求される1〜3Wレベルへと電力の範囲が広がってきている。このため、弾性表面波装置として、よりいっそうの耐電力性向上が望まれている。
図24に、従来の弾性表面波装置の断面図を示す。弾性表面波装置は、LiTaO3単結晶等の圧電基板101上に少なくとも1対のIDT電極102等が形成されて成る弾性表面波素子と、それを気密封止する回路基板105とからなる。圧電基板101を回路基板105の上にフェースダウン実装して、IDT電極102等を、バンプ接続体を介して回路基板105の上面に形成されたパッド電極104に接着固定する。これにより、弾性表面波素子と回路基板105の電極とを導通接続した後、封止樹脂107により気密封止している。
このようにフリップチップ実装構造を採用した場合、放熱に比較的不利な構造であるので、熱抵抗を低減する熱設計、放熱対策が課題となっている。
弾性表面波装置のフェースダウン実装で、弾性表面波装置の放熱対策として、積極的に圧電基板上の電極の配置に着目した提案はなされていない。
そこで本発明は、フェースダウン実装で弾性表面装置を構成する場合、励振電極の発熱による影響を低減し、放熱性に優れ、安定した所望の特性が得られる弾性表面波装置及びこれを用いた通信装置を提供することを目的とする。
または、前記入出力パッド電極ではなく、信号入出力機能を持たない放熱用パッド電極が前記弾性表面波共振子同士の間の部位に形成されている。
また、前記圧電基板の主面に、前記弾性表面波素子を取り囲んで、接地された環状電極が形成されている構造であれば、小型軽量で気密性を充分確保でき、さらに耐電力性と放熱性に優れた弾性表面波装置を提供することできる。
なお、前記放熱用パッド電極は、前記圧電基板の前記主面を介して、又は回路基板の実装面を介して、前記環状電極に接続されていることが放熱面でさらに好ましい。
前記放熱用電極として、前記回路基板の実装面や底面以外に、回路基板の内層に形成された放熱用内層電極を利用してもかまわない。
前記複数の弾性表面波共振子を直列及び並列に接続して、ラダー型回路を構成しても良い。ラダー型弾性表面波装置において信号が大きくなると、特に直列共振子における発熱が大きくなり問題となるが、共振子の近傍に積極的に放熱させるパッド電極を配置することにより、発生した熱を対向する回路基板を介して効率良く放熱することができる。
弾性表面波装置は、弾性表面波素子及びこれを実装するための回路基板とから構成される。
なお、本明細書での「主面」とは、圧電基板の表面のIDT電極や反射器電極が形成される面のことをいう。
図1に示すように、弾性表面波素子は、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム単結晶、四ホウ酸リチウム単結晶などの圧電性の単結晶から成る圧電基板1と、圧電基板1の主面に、直列接続、並列接続等の方式で接続された励振電極であるIDT電極2a〜2gと、各IDT電極2a〜2gの弾性表面波伝搬方向両端に位置する反射器9と、IDT電極2a〜2gに接続される複数の引出し電極10a〜10fと、IDT電極2a〜2g同士を接続する内部接続電極20a,20bとを備えている。IDT電極2a〜2gと反射器電極(以下、「反射器」ともいう)9と引出し電極10a〜10fと内部接続電極20a,20bとを、保護膜(図示せず)で覆ってなる。
IDT電極2a,2bにつながる引出し電極10a,10bの端部には、入出力用パッド電極3a,3bが形成され、IDT電極2d,2fにつながる引出し電極10c,10eの端部と、IDT電極2e,2gにつながる引出し電極10d,10fの端部とには、接地用パッド電極4が形成されている。
図1の実施形態では、入出力用パッド電極3a,3bが、弾性表面波共振子の間の領域、すなわちIDT電極2a〜2c,2e,2g、反射器9、内部接続電極20a,20bに囲まれた領域にそれぞれ配置された構成となっている。
その製造方法を概略説明すると、スパッタリング法、蒸着法又はCVD(Chemical Vapor Deposition)法等の薄膜形成法によりAl合金薄膜を形成し、次に縮小投影露光機(ステッパー)とRIE(Reactive Ion Etching)装置を用いてフォトリソグラフィ法によりパターニングし、所定の形状を得る。その上から、CVD法又は蒸着法等の薄膜形成法により保護膜を形成する。保護膜にはSiO2膜、SiN膜、Si膜等が用いられる。
また、圧電基板1の焦電効果による電極破壊を防ぐために、還元処理を施した圧電基板1や、Fe元素が添加された圧電基板1を使用しても何ら問題ない。
また、この弾性表面波素子で分波器を構成する場合、受信用の弾性表面波素子、送信用の弾性表面波素子を、1つの圧電基板1の主面上に形成してもよい。また、それぞれ別々の圧電基板1に作成し、個々にパッケージに実装してもよい。
この構造では、圧電基板1の主面に、IDT電極2a〜2gと、反射器9と、IDT電極2a〜2gに接続される複数の引出し電極10a,10b等と、IDT電極2a〜2g同士を接続する内部接続電極20a,20bと、接地用パッド電極4とを形成している点では、図1と同様である。
弾性表面波素子は、圧電基板1の、IDT電極2a〜2g(総称して「IDT電極2」という)等の設けられた主面が回路基板11の上面(実装面という)に対面するようにして、フェースダウン実装されている。
接続電極12は、回路基板11を貫通するように設けられた貫通導体19を通して、回路基板11の底面に形成された放熱用底面電極21に接続される。放熱用底面電極21は、本弾性表面波装置が搭載されるメインボードの所定の電極に接続されることはもちろんである。
回路基板11に設けられる接続電極12や放熱用底面電極21は、電解めっき又は無電解めっき法によって形成する。
貫通導体19は、回路基板11に設けた孔の中に導電性ペーストを充填した後、加熱硬化することにより形成する。
なお、図3において、圧電基板1と回路基板11との対向面同士の間に形成される振動空間S内に、低湿度の空気を封入し密閉するようにしてもよい。これにより、IDT電極2の酸化等による劣化を抑制でき好ましい。また、空気の代わりに、窒素ガス,アルゴンガスなどの不活性ガス等を封入し密閉すれば、より好ましい効果が得られる。
特に、本発明の実施形態では、圧電基板1の上で、入出力用パッド電極3a,3b又は放熱用パッド電極16a,16bを弾性表面波共振子の間の領域に配置したので、これらの入出力用パッド電極3a,3bや放熱用パッド電極16a,16bによって、熱を集めることが容易にでき、その収集した熱を回路基板11の底面に放熱することで、効率的な放熱を行うことができる。
図4は、本発明の弾性表面波素子のさらに他の構造を示す平面図である。
この構造では、圧電基板1上の弾性表面波共振子の外周部に、弾性表面波共振子を取り囲むように環状電極17が形成されている。そしてIDT電極2d〜2gの接地側に接続された接地用パッド電極4がなく、IDT電極2d〜2gの接地側は環状電極17に接続されている。すなわち、接地用パッド電極4に代えて、環状電極17が接地機能を果たしている。
図5は、図4の弾性表面波素子を、回路基板11にフェースダウン実装した状態を示す断面図である。
この実施形態の図3と異なるところは、圧電基板1の主面と反対側の面(裏面という)に、スパッタリング法等により金属膜22が形成されていることである。
前記金属膜22としては、密着層となるCr、バリアメタル層となるNi、半田の濡れ性を向上させるAu等が順次積層された構造を用いることができる。
なお、金属膜22は、圧電基板1の裏面のみならず、図7に示すように、圧電基板1の側面に形成されていてもよい。
図9に示すように、圧電基板1の主面に、弾性表面波を発生させるための励振電極であるIDT電極2と、IDT電極2に接続される複数の引出し電極10と、IDT電極2同士を接続する内部接続電極20とが形成されたものである。弾性表面波共振子の外周部には、前記電極を取り囲むように環状電極17が形成されている。
圧電基板1を回路基板11上に載置し、環状電極17を、これに対応して回路基板11上に形成された環状導体14に、バンプ接続体13を介して接続している。
環状導体14は、回路基板11を貫通する貫通導体19を介して、回路基板11の放熱用底面電極21と接続される。回路基板11中には、導体層(内層導体という)8が形成されていて、貫通導体19がこの内層導体8に接続されている。したがって、内層導体8によって熱を拡散させる効果が得られる。内層導体8の平面形状は、図示しないが、他の電極に接触しないという条件で、できるだけ広い面積にわたって形成するほうが、放熱性の点で有利なことは言うまでもない。
このフェースダウン実装した弾性表面波装置の特徴は、圧電基板1の主面において、IDT電極2等を取囲む環状電極17を形成し、放熱用パッド電極16をこの環状電極17に接続したことである。環状電極17は、回路基板11の放熱用底面電極21と接続されるので、放熱用パッド電極16で集められた熱を、環状電極17を通して、内層導体8及び回路基板11の放熱用底面電極21に逃がすことが容易にできる。
図11は、図10の構造に加えて、放熱用パッド電極16を、バンプ接続体13を通して回路基板11の接続電極12に直接接続した構造を示す断面図である。回路基板11の接続電極12は、回路基板11を貫通する貫通導体19を介して、回路基板11中の内層導体8に接続されている。
図12に本発明の弾性表面波装置の他の実施形態の平面図を示す。図13は、その模式的な断面図である。
図9との違いは、圧電基板1の主面において、入出力用パッド電極3aが、放熱用パッド電極16aとともに、弾性表面波共振子の間の領域に配置され、入出力用パッド電極3bが、放熱用パッド電極16bとともに、弾性表面波共振子の間の領域に配置されていることである。これらの入出力用パッド電極3a,3bや放熱用パッド電極16a,16bによって、熱を集めることが容易にでき、その収集した熱を回路基板11の底面に放熱することで、効率的な放熱を行うことができる。
図13〜図18は、放熱用パッド電極16からつながる放熱経路の配置例を示す断面図である。
また、図14に他の変形例に係る断面図を示す。
この図14の構造においては、図13の構成に加えて、放熱用パッド電極16a,16bが、回路基板11に形成された接続電極12、貫通導体19a,19bと接続され、貫通導体19a,19bが回路基板11の放熱用底面電極21と接続されている。
また、図15に他の変形例に係る断面図を示す。
この図16の構造では、図13の弾性表面波装置と同様に、圧電基板1の主面に放熱用パッド電極16a,16bとIDT電極2を取囲む環状電極17を設けている。また、回路基板11の実装面において、環状電極17に対向する環状導体14が形成されているとともに、放熱用パッド電極16a,16bに対向する接続電極12が形成されている。
したがって、図16の構造では、放熱用パッド電極16a,16bは、回路基板11の内層面で内層導体8を通して環状導体14と接続される。環状導体14は、貫通導体19を通して回路基板11の放熱用底面電極21と接続されているので、放熱用パッド電極16a,16bで集められた熱を、バンプ接続体13、接続電極12、貫通導体19、内層導体8を通して、回路基板11の放熱用底面電極21に効率的に逃がすことができ、図13の実施形態と同様に、高い放熱性が得られる。
この弾性表面波装置は、図10の弾性表面波装置と同様に、圧電基板1の主面に放熱用パッド電極16a,16bと、環状電極17とを設けている。回路基板11には、これに対応して環状導体14が形成され、環状導体14は、回路基板11を貫通する貫通導体19を介して、回路基板11の放熱用底面電極21と接続される。
側面に形成された導体パターン21aは、同様に導体ペーストを印刷して加熱硬化するか、無電解メッキにて形成される。
この構造では、回路基板11の実装面、底面だけでなく、回路基板11の側面も熱を逃がす経路に利用しているので、より放熱性を高めることができる。
この弾性表面波装置は、図10の弾性表面波装置と同様に、圧電基板1の主面に放熱用パッド電極16a,16bと、環状電極17とを設けている。回路基板11には、これに対応して環状導体14が形成され、環状導体14は、回路基板11を貫通する貫通導体19を介して、回路基板11の放熱用底面電極21と接続される。
図18(b)は、封止樹脂15の側面に、熱良導体21bを被覆形成した例を示す。熱良導体21bの存在により、熱抵抗を小さくして、封止樹脂15の側面から熱を逃がしている。
次に、本発明の通信装置の実施形態について、携帯電話機を例にあげて説明する。
図19に携帯電話機の高周波回路のブロック回路図を示す。携帯電話機から送信される高周波信号は、弾性表面波フィルタ41によりその不要信号が除去され、パワーアンプ42で増幅された後、アイソレータ43と弾性表面波分波器35を通り、アンテナ34から放射される。
本発明の弾性表面波素子を採用すれば、感度が向上した優れた通信装置を提供できる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、以下、弾性表面波素子は、ラダー型弾性表面波フィルタをしたが、2重モード弾性表面波共振器フィルタで構成されてもよい。
圧電基板1として 36 °Yカット−X伝搬のLiTaO3結晶を用い、そのチップサイズは、 1.1mm ×1.5mmであった。また、回路基板11として 70mm ×70mm、厚さ 250 μmのLTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics:低温同時焼成セラミックス)基板を用いた。LTCC基板には約1μm膜厚のAg電極を形成した。
また、スパッタ法により圧電基板1の裏面にCr膜 1000 Å、Ni膜1μm、Au膜 1000 Åを形成した。
図20に、本発明と同じ構造を有し、弾性表面波素子チップの中央で直列腕弾性表面波共振子の間の領域に入出力用パッド電極3を配置した場合の熱解析用モデル(モデル(a))を示す。また、本発明と比較するため、図21に、従来の弾性表面波共振子の外周部に入出力用パッド電極3を配置した場合の熱解析モデル(モデル(b))を示す。なお、外周の環状電極は、両モデルともに存在するものとして評価している。さらに、比較するための極端なモデル(モデル(c)、図示せず。)として、弾性表面波共振子以外の全ての領域にパッド電極が存在する場合も解析した。
解析方法としては、弾性表面波装置に0.4Wの信号電力を入力し、弾性表面波共振子近傍で発生した熱が、弾性表面波装置の内部を伝導し、弾性表面波装置の表面から 25 ℃の雰囲気へ伝達する過程の発熱部における温度を解析した。また、発熱部から雰囲気までの熱抵抗を計算した。結果を表1に示す。
次に、圧電基板1の裏面、裏面と側面に金属膜22を形成したときの放熱性の評価を、弾性表面波装置に信号電力が入ったときのパッド電極の配置による温度上昇の違いについて有限要素法を用いた熱解析により求めた。
結果を図22及び表2に示す。
最後に、同様に圧電基板1の厚みと放熱性の関係の評価を、弾性表面波装置に信号電力が入ったときのパッド電極の配置による温度上昇の違いについて有限要素法を用いた熱解析により求めた。基本構造として、圧電基板1の裏面及び側面に金属膜22を形成しておらず、従来の弾性表面波共振子の外周部に入出力用パッド電極3を配置したものを用いた。圧電基板1として用いるLiTaO3基板の厚みは、モデルC1が0.25mm、モデルC2が0.35mm、モデルC3が0.45mmである。なお、外周の環状電極17は、全モデルともに存在するものとして評価している。解析条件として用いた各材料の熱伝導率は、前述と同じ値を用いている。
このように、本発明の構造を採用した場合、小型軽量で、耐電力性に優れ、フェースダウン実装でありながら弾性表面波共振子で発生した熱を効率良く放熱することができる弾性表面波装置を提供することができる。また、放熱を積極的に行う構造を採用しているため、弾性表面波装置の温度特性に起因する特性の変化が少なく、安定した特性を得ることができる。結果として、IDT電極2の電極指の破壊が生じることなく、長期信頼性に優れた弾性表面波装置を提供することができる。
2:IDT電極
3:入出力用パッド電極
4:接地用パッド電極
9:反射器電極
10:引出し電極
11:回路基板
12:接続電極
13:バンプ接続体
15:封止樹脂
16a,16b:放熱用パッド電極
17:環状電極
18:環状封止材
S:振動空間
Claims (14)
- 弾性表面波素子が回路基板上にフェースダウン実装された構造を有する弾性表面波装置において、
前記弾性表面波素子は、圧電基板の主面にIDT電極及び反射器電極を有する弾性表面波共振子が複数配設され、これらの弾性表面波共振子が互いに接続されてなり、
前記圧電基板の前記主面において、前記弾性表面波共振子同士の間の部位に、入出力パッド電極又は放熱用パッド電極のいずれか一方又は両方が形成され、
前記入出力パッド電極又は放熱用パッド電極は、バンプ接続体を介して、前記回路基板の実装面の接続電極に接続されていることを特徴とする弾性表面波装置。 - 前記圧電基板の主面に、前記弾性表面波素子を取り囲んで、環状電極が形成されている請求項1記載の弾性表面波装置。
- 前記回路基板の前記入出力パッド電極又は前記放熱用パッド電極と対向する部位に、前記接続電極に接続された貫通導体が形成されている請求項1又は請求項2記載の弾性表面波装置。
- 前記圧電基板の裏面及び側面の少なくとも一方の面に金属層が形成されているとともに、前記圧電基板の裏面及び側面が封止樹脂で覆われている請求項1から請求項3のいずれかに記載の弾性表面波装置。
- 弾性表面波素子が回路基板上にフェースダウン実装された構造を有する弾性表面波装置において、
前記弾性表面波素子は、圧電基板の主面にIDT電極及び反射器電極を有する弾性表面波共振子が複数配設され、これらの弾性表面波共振子が互いに接続されてなり、
前記圧電基板の前記主面において、前記弾性表面波共振子同士の間の部位に放熱用パッド電極が形成されているとともに、
前記弾性表面波素子を取り囲む環状電極が形成されていることを特徴とする弾性表面波装置。 - 前記放熱用パッド電極は、圧電基板上において、前記環状電極に接続されている請求項5記載の弾性表面波装置。
- 前記回路基板の実装面に、前記環状電極に対向する環状導体が形成され、
前記放熱用パッド電極は、バンプ接続体及び回路基板上に形成された接続電極を介して、前記環状導体に接続されている請求項5記載の弾性表面波装置。 - 前記放熱用パッド電極は、バンプ接続体、回路基板上に形成された接続電極及び回路基板を貫く貫通導体を介して、前記回路基板の底面に形成された放熱用底面電極に接続されている請求項7記載の弾性表面波装置。
- 前記回路基板の実装面に、前記環状電極に対向する環状導体が形成され、
前記放熱用パッド電極は、バンプ接続体、回路基板上に形成された接続電極及び回路基板を貫く貫通導体を介して、前記回路基板の底面に形成された放熱用底面電極に接続されている請求項5記載の弾性表面波装置。 - 前記回路基板は複数層を重ねた構造であり、
前記回路基板の実装面に、前記環状電極に対向する環状導体が形成され、
前記放熱用パッド電極は、バンプ接続体、回路基板上に形成された接続電極及び貫通導体を介して、前記回路基板の内層に形成された放熱用内層電極に接続されている請求項5記載の弾性表面波装置。 - 前記放熱用パッド電極は、前記バンプ接続体、前記接続電極及び前記回路基板の側面に形成された側面導体を介して前記回路基板の下面に形成された放熱用底面電極に接続されている請求項5記載の弾性表面波装置。
- 前記放熱用パッド電極は、前記バンプ接続体、前記接続電極及び前記貫通導体を介して前記回路基板の下面に形成された放熱用底面電極及び前記回路基板の側面に形成された放熱用側面電極に接続されている請求項5記載の弾性表面波装置。
- 前記複数の弾性表面波共振子は、それらが直列及び並列に接続されたラダー型回路を構成している請求項1から請求項12のいずれかに記載の弾性表面波装置。
- 請求項1から請求項13のいずれかに記載の弾性表面波装置をフィルタ回路部品として用いたことを特徴とする通信装置。
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