JP5854742B2 - 弾性表面波素子 - Google Patents

Description

この発明は、弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）素子に関し、特に、圧電基板に温度補償のために異種基板を接合して温度に対する周波数特性を安定化させた弾性表面波素子に関する。

例えば、アナログテレビの跡地帯域にＩＴＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ、高度道路交通システム）の車車間通信や路車間通信などが割り当てられた場合、要求仕様が７６０±５ＭＨｚと広帯域でありながら、ガードバンドが高域側、低域側ともに５ＭＨｚであり、急峻な肩特性が必要となる。一方、広帯域の弾性表面波素子には、結合係数が高いＬｉＴａＯ_３基板が、圧電基板として一般に使用されている。しかしながら、このＬｉＴａＯ_３基板は、周波数温度特性が−３６ｐｐｍ／℃と悪く、−３０〜＋８５℃では±１．７ＭＨｚも変動してしまい、仕様を満たすことが困難である。そして、弾性表面波素子・デバイスの温度変動は、これを使用する機器に影響を与えるため、温度に対する周波数変動が少ない、つまり温度特性が良好な弾性表面波素子が望まれていた。

そこで、圧電基板に、熱膨張係数が異なる支持基板（Ｓｉ基板等）を接着剤等で接合することで、圧電基板の熱膨張・熱収縮を抑制し、圧電基板の温度に対する周波数特性を安定化させた技術が知られている（例えば、特許文献１等参照。）。さらに、この技術は、Ｓｉ製の支持基板（温度補償基板）の両表面にＳｉＯ_２膜を形成することで、反りを抑制する、というものである。

特開２００５−３４７２９５号公報

ところで、圧電基板と支持基板とを接合した弾性表面波素子の温度特性は、圧電基板の厚さに依存し、薄い程温度特性が良好である。しかしながら、圧電基板が薄すぎると、製造時や実使用時に、圧電基板にクラック・亀裂や割れなどが発生してしまう。同様に、接着剤の厚さを適正にしないと、圧電基板に作用する応力やたわみが大きくなり、圧電基板にクラックや割れなどが発生してしまう。

そこでこの発明は、圧電基板と支持基板とが接合されていても、クラックや割れなどが発生せず、しかも周波数温度特性が良好な弾性表面波素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、ＬｉＴａＯ３製の圧電基板にＳｉ製の支持基板が、エポキシ剤の接着剤を介して接合された弾性表面波素子であって、前記圧電基板の厚さが、４０〜５０μｍに設定され、前記接着剤の厚さが、２０μｍに設定されている、ことを特徴とする。

すなわち、本願発明者は、シミュレーションや実験、その考察などの結果、弾性表面波素子としての周波数温度特性が良好で、しかも、クラックや割れなどが発生しない条件として、圧電基板の厚さが４０〜５０μｍで、エポキシ剤の接着剤の厚さが２０μｍであることが必要である、という結論に至った。

請求項１に記載の発明によれば、圧電基板と接着剤との厚さが、適正値に設定されているため、弾性表面波素子としての周波数温度特性が良好で、つまり、温度に対する周波数特性が安定し、しかも、クラックや割れなどが発生しない。

この発明の実施の形態に係る弾性表面波素子の断面をモデル化した図である。 図１の弾性表面波素子に生じるたわみなどを示す図である。 図１の弾性表面波素子の変形状態を示す図であり、（ａ）は、温度上昇時を示し、（ｂ）は、温度下降時を示す。 図１の弾性表面波素子における、温度変化とたわみ上限値との関係を示す図である。 図１の弾性表面波素子における、圧電基板の厚さとたわみとの関係を示す図である。 図１の弾性表面波素子における、接着剤の厚さとたわみとの関係を示す図である。 図１の弾性表面波素子における、圧電基板の厚さと圧電基板に作用する応力との関係を示す図である。 図１の弾性表面波素子において、圧電基板の厚さを変化させた場合の割れの有無と、周波数温度特性とを確認した実験結果を示す図である。 図８の周波数温度特性結果をグラフ化した図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る弾性表面波素子１の断面をモデル化した図である。この弾性表面波素子１は、ＬｉＴａＯ_３製の圧電基板２にＳｉ製の支持基板３が、接着剤（接合層）４を介して接合された素子であり、圧電基板２の上面に、図示されていない櫛型（ＩＤＴ：ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極が配置されている。

この弾性表面波素子１では、次のような理由により、圧電基板２の厚さＨｕが、４０〜５０μｍに設定され、接着剤４の厚さｈが、２０μｍ以上に設定されている。

すなわち、温度変化によって弾性表面波素子１（接合体）には、図２に示すようなたわみω_ｍａｘが生じ、このたわみω_ｍａｘは、次式によって表される。ここで、接着剤４は、後述するようなエポキシ剤とする。

ｅ_Ｕ，ｅ_Ｌ［ｍ］：接着剤４の中央（Ｚ＝０）から上下部材中央までの距離（Ｚ座標の絶対値）
ω_ｍａｘ［ｍ］：たわみ
ω_０［ｍ］：たわみの上限値
ｆ_１：被接合部材の剛性を表すωの影響を表すもの
ｆ_２：接着剤４の剛性比λの影響を表すもの
α_Ｕ，α_Ｌ［／℃］：熱膨張係数
Δθ［℃］：温度変化
Ｂ_Ｕ，Ｂ_Ｌ［Ｐａ・ｍ］：伸び剛性、Ｂ_Ｕ＝Ｅ_Ｕ＊Ｈ_Ｕ、Ｂ_Ｌ＝Ｅ_Ｌ＊Ｈ_Ｌ
Ｅ_Ｕ，Ｅ_Ｌ［Ｐａ］：ヤング率
Ｈ_Ｕ，Ｈ_Ｌ［ｍ］：厚さ
λ：接着剤４の剛性比、λ＝√｛（Ｓ_Ｕ＋Ｓ_Ｌ）／Ｓ_Ｂ｝
Ｓ_Ｕ［／Ｐａ・ｍ］：Ｓ_Ｕ＝１／Ｂ_Ｕ＋ｅ_Ｕ（ｅ_Ｕ＋ｅ_Ｌ）／（Ｄ_Ｕ＋Ｄ_Ｌ）
Ｓ_Ｌ［／Ｐａ・ｍ］：Ｓ_Ｌ＝１／Ｂ_Ｌ＋ｅ_Ｌ（ｅ_Ｕ＋ｅ_Ｌ）／（Ｄ_Ｕ＋Ｄ_Ｌ）
Ｓ_Ｂ［／Ｐａ・ｍ］：Ｓ_Ｂ＝４ｈ／｛（１−β）ＧＬ^２｝
β：ボイド面積率
Ｇ［Ｐａ］：横弾性係数、Ｇ＝Ｅ／２（ｖ＋１）
ｖ：ポアソン比
Ｌ［ｍ］：長さ
ｈ［ｍ］：接着剤４の厚さ
Ｄ_Ｕ［Ｐａ・ｍ^３］：圧電基板２の曲げ剛性、Ｄ_Ｕ＝Ｅ_Ｕ＊Ｈ_Ｕ＾（３／１２）
Ｄ_Ｌ［Ｐａ・ｍ^３］：支持基板３の曲げ剛性、Ｄ_Ｌ＝Ｅ_Ｌ＊Ｈ_Ｌ＾（３／１２）

ＬｉＴａＯ_３（ＢＹＬＴ）の熱膨張係数α_Ｕ＝１．６１×１０^−０５［／℃］（Ｚ方向）
Ｓｉの熱膨張係数α_Ｌ＝４．２０×１０^−０６［／℃］
接着剤４の熱膨張係数＝１．００×１０^−０４［／℃］
ＬｉＴａＯ_３（ＢＹＬＴ）のヤング率Ｅ_Ｕ＝２３０［ＧＰａ］
Ｓｉのヤング率Ｅ_Ｌ＝１７０［ＧＰａ］
接着剤４のヤング率＝１．５０［ＧＰａ］
ＬｉＴａＯ_３（ＢＹＬＴ）のポアソン比＝０．３
Ｓｉのポアソン比＝０．１７

接着剤４として使用されるエポキシ剤は、例えば、概略次のようなものである。
主成分：エポキシメタクリレート
粘度：１３０±３０［ｍＰａ・ｓｅｃ］（回転粘度計２５±１℃）
硬化前の屈折率：１．５０３±０．００５［ｎＤ（５８９．３ｎｍ）］（アッベ屈折計２５±１℃）
硬化前の比重：１．１０（比重計２５±１℃）
硬化後の比重：１．２０（アルキメデス法）
硬化収縮率：８〜９％
引張弾性率：１０００〜１３００［ＭＰａ］
表面硬度：１３±２［Ｈｖ］（微小硬度計）
熱膨張係数：１．０〜１．１×１０^−０４［／℃］
硬化後の屈折率：ｎＤ１．５３４、ｎＦ１．５４３、ｎＣ１．５３１（アッベ屈折計）
接着強度：１０［Ｎ／ｍｍ^２］

上記の式から、Ｓｉ製の支持基板３の方が、ＬｉＴａＯ_３製の圧電基板２よりも熱膨張係数が小さいため、常温から温度上昇した場合には、図３（ａ）に示すように、弾性表面波素子１全体が凸状に変形し、圧電基板２には圧縮応力が発生する。また、常温から温度下降した場合には、図３（ｂ）に示すように、弾性表面波素子１全体が凹状に変形し、圧電基板２には引張り応力が発生する。

ところで、ＬｉＴａＯ_３もセラミックスの一種であり、セラミックスは、原子が共有結合で結びついているため、金属なような延性、展性がなく、圧縮応力よりも引張り応力に弱い。つまり、ＬｉＴａＯ_３製である圧電基板２は、温度上昇時・高温時よりも、温度下降時・低温時の方が弱く、クラックや割れなどが発生しやすい。

一方、上記の式から、次のようなことがわかる。すなわち、上記の（数１）から、たわみω_ｍａｘを小さくするには、ω_０、ｆ_１およびｆ_２を小さくすればよく、上記の（数２）から、被接合部材である圧電基板２および支持基板３の厚さ（ｅ_Ｕ，ｅ_Ｌ）を厚くすることで、たわみω_ｍａｘを小さくすることができる。また、ｆ_１は、被接合部材の剛性を表すパラメータωの影響を表すものであり、ωを大きくすると、たわみω_ｍａｘを小さくすることができる。さらに、ｆ_２は、接着剤４の剛性比λの影響を表すものであり、剛性比λを小さくすると、たわみω_ｍａｘを小さくすることができる。つまり、柔らかい接着剤４を用いることや、接着剤４を厚くすることなどによって、たわみω_ｍａｘを小さくすることができる。

図４は、上記の式に基づいて、厚さが異なる複数の圧電基板２における、温度変化Δθとたわみ上限値ω_０との関係を示す図である。この図から、たわみ上限値ω_０は、圧電基板２の厚さに対して反比例状に変化し、圧電基板２が薄いほど、たわみ上限値ω_０が大きくなることが明らかである。また、図５は、上記の式に基づいて、厚さが異なる複数の接着剤４における、圧電基板２の厚さとたわみω_ｍａｘとの関係を示す図である。この図から、圧電基板２の厚さが４０μｍ未満では、たわみω_ｍａｘが急激に大きくなることが確認される。

また、図６は、上記の式に基づいて、厚さが異なる複数の圧電基板２における、接着剤４の厚さとたわみω_ｍａｘとの関係を示す図である。この図から、接着剤４の厚さが２０μｍ未満では、たわみω_ｍａｘが急激に大きくなることが確認される。

次に、厚さ方向の垂直応力について検討すると、接着剤４の端部で生じる最大垂直応力σ_ｚｍａｘは、次式によって表される。

σ_Ｚ：接着剤４の厚さ方向の垂直応力
Ｘ_ｅ：接着剤４の端部からの距離
Ｘ_０：垂直応力の作用範囲寸法
Ｔ_ｍａｘ：接着剤４に生じる最大せん断応力
Ｋ：接着剤４の厚さ方向の変形に対するバネ定数
β：ボイド面積率
ｈ：接着剤４の厚さ
Ｅ：厚さ方向のヤング率

上記の（数１６）から、最大垂直応力σ_ｚｍａｘを小さくするには、接着剤４のヤング率を小さくすること（柔らかい接着剤４を用いること）や、接着剤４を厚くすることなどが有効である、ことがわかる。また、（数１２）から、同式中の（ｅ_Ｕ／Ｄ_Ｕ−ｅ_Ｌ／Ｄ_Ｌ）の項がゼロとなるように、圧電基板２と支持基板３との剛性比を選択すれば、最大垂直応力σ_ｚｍａｘがゼロになることがわかる。
次に、圧電基板２に生じるｘ方向の応力σ_ｕについて検討すると、この応力σ_ｕは、次式によって表される。

σ_ｕｏ：接着剤４を剛体とした場合のσ_ｕの上限値
Ｙ：接着剤４のせん断ひずみ
Ｙ_ｍａｘ：最大せん断ひずみ
Ｙ_０：境界条件ｄｙ／ｄξ

上記の（数２１）から、応力σ_ｕを低減するには、接着剤４の剛性比λを小さくすること、すなわち、柔らかい接着剤４を用いることや、接着剤４を厚くすることなどが、有効であることがわかる。また、上記の式から、せん断ひずみを低減するには、圧電基板２と支持基板３との熱膨張係数の差（α_Ｌ−α_Ｕ）や接合寸法Ｌを小さくすること、あるいは、接着剤４を厚くすることが有効であることがわかる。

図７は、上記の式に基づいて、厚さが異なる複数の接着剤４における、圧電基板２の厚さと圧電基板２に作用する応力σ_ｕとの関係を示す図である。この図から、圧電基板２の厚さを厚くすると、圧電基板２に作用する応力σ_ｕが低減・緩和されることが明らかである。

このようなシミュレーション・計算による検討に基づいて、接着剤４の厚さを２０μｍとし、圧電基板２の厚さを変化させて、圧電基板２の割れの有無および弾性表面波素子１の周波数温度特性を確認した実験結果を、図８、９に示す。ここで、上記のように、支持基板３の厚さを厚くするほど、たわみω_ｍａｘを小さくすることができ、また、弾性表面波素子１全体の強度・剛性、厚さなどを考慮して、支持基板３の厚さは、約３６０μｍに設定されている。この実験結果から、少なくとも圧電基板２の厚さが３２μｍ以下では、製造時などに圧電基板２に割れが発生することが確認された。また、圧電基板２の厚さを薄くするに従って、周波数温度特性が向上・良化し、圧電基板２の厚さが５０μｍの場合には−１８ｐｐｍ／℃で、従来の−３６ｐｐｍ／℃に比べて半減することが確認された。

以上のようなシミュレーションや実験、およびその考察により、圧電基板２の厚さが４０μｍ以上であれば、たわみω_ｍａｘを抑制可能で、実際・実験においても割れが発生しないことが判明した。一方、圧電基板２の厚さを５０μｍ以下にすることで、周波数温度特性を良好にすることができることが判明した。さらに、接着剤４の厚さについては、２０μｍ以上であれば、たわみω_ｍａｘを抑制可能で、実際・実験においても圧電基板２の厚さを適正（４０μｍ以上）にすれば、割れが発生しないことが判明した。

すなわち、圧電基板２の厚さＨｕを４０〜５０μｍに設定し、接着剤４の厚さｈを２０μｍ以上に設定することで、弾性表面波素子１としての周波数温度特性を良好にした上で、製造時や実使用時におけるクラックや割れなどの発生を防止・抑制することができるものである。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、接着剤４の厚さの上限値については規定していないが、この上限値は、弾性表面波素子１全体の厚さや接合性などを考慮して設定され、例えば、５０μｍとしてもよい。また、接着剤４は、上記のようなエポキシ剤に限らない。

１ 弾性表面波素子
２ 圧電基板
３ 支持基板
４ 接着剤（接合層）

Claims (1)

1. ＬｉＴａＯ３製の圧電基板にＳｉ製の支持基板が、エポキシ剤の接着剤を介して接合された弾性表面波素子であって、
   前記圧電基板の厚さが、４０〜５０μｍに設定され、前記接着剤の厚さが、２０μｍに設定されている、ことを特徴とする弾性表面波素子。