JP7015215B2 - 弾性表面波デバイス、無線周波数モジュール及び無線通信デバイス - Google Patents

弾性表面波デバイス、無線周波数モジュール及び無線通信デバイス Download PDF

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Description

本開示の複数の実施形態は、弾性表面波デバイスに関する。
優先権出願の相互参照
本願とともに提出された出願データシートにおいて外国又は国内の優先権主張が特定されている任意かつすべての出願は、米国特許法セクション1.57のとおり、ここに参照により組み入れられる。本願は、2017年6月20日に出願された「熱伝導層を備えた弾性表面波デバイス」との名称の米国仮特許出願第62/522,603号の、米国特許法セクション119(e)による優先権の利益を主張し、その開示は全体がここに参照により組み入れられる。本願は、2017年6月20日に出願された「熱伝導層を備えた弾性表面波フィルタ」との名称の米国仮特許出願第62/522,588号の、米国特許法セクション119(e)による優先権の利益を主張し、その開示は全体がここに参照により組み入れられる。
弾性表面波フィルタは、無線周波数信号をフィルタリングするべく配列された複数の共振器を含み得る。各共振器は弾性表面波デバイスを含み得る。弾性表面波フィルタは、無線周波数電子システムに実装することができる。例えば、携帯電話機の無線周波数フロントエンドにおけるフィルタは、弾性表面波フィルタを含み得る。2つの弾性表面波フィルタはデュプレクサとして配列することができる。電力レベルが相対的に高い信号をフィルタリングすることにより熱が生じ得る。
特許請求の範囲に記載のイノベーションはそれぞれが、いくつかの側面を有し、その単独の一つのみが、その所望の属性に対して関与するわけではない。特許請求の範囲を制限することなく、本開示のいくつかの卓越した特徴の概要が以下に記載される。
本開示の一側面は、弾性表面波デバイスであって、圧電層と、当該圧電層上のインターデジタルトランスデューサ電極と、当該弾性表面波デバイスの熱を散逸させるべく構成された熱伝導層とを含む弾性表面波デバイスである。熱伝導層は圧電層よりも薄い。
熱伝導層とインターデジタルトランスデューサ電極とは、圧電基板の対向側に存在し得る。熱伝導層はまた、圧電層に物理的に接触し得る。
熱伝導層は電気絶縁層としてよい。熱伝導層は無毒性としてよい。熱伝導層の熱伝導率は、圧電層の熱伝導率の少なくとも5倍としてよい。熱伝導層の熱伝導率は、少なくとも23W/mKとしてよい。例えば、熱伝導層の熱伝導率は、23W/mKから300W/mKの範囲としてよい。
熱伝導層の厚さは、圧電層の厚さの半分未満としてよい。熱伝導層の厚さは、6.3マイクロメートルよりも大きくてよい。
熱伝導層は窒化アルミニウムを含み得る。熱伝導層は窒化シリコンを含み得る。熱伝導層は、シリコン又は窒化物の少なくとも一方を含み得る。
圧電層はタンタル酸リチウムを含み得る。圧電層はニオブ酸リチウムを含み得る。圧電層の厚さは300マイクロメートル未満としてよい。
弾性表面波デバイスはさらに、インターデジタルトランスデューサ電極を覆うように二酸化シリコンを含み得る。
本開示の一側面は、ニオブ酸リチウム層と、当該ニオブ酸リチウム層上のインターデジタルトランスデューサ電極と、当該インターデジタルトランスデューサ電極の当該ニオブ酸リチウム層を挟んで反対側にある窒化アルミニウム層とを含む弾性表面波デバイスである。窒化アルミニウム層は、弾性表面波デバイスの熱を散逸させるように構成される。窒化アルミニウム層はニオブ酸リチウム層よりも薄い。
ニオブ酸リチウム層の厚さは、窒化アルミニウム層の厚さの少なくとも2倍としてよい。窒化アルミニウム層の厚さは、少なくとも6.3マイクロメートルとしてよい。
窒化アルミニウム層は、ニオブ酸リチウム層に物理的に接触し得る。
弾性表面波デバイスはさらに、インターデジタルトランスデューサ電極を覆うように二酸化シリコン層を含み得る。
本開示の他側面は、圧電層と、当該圧電層上のインターデジタルトランスデューサ電極と、弾性表面波デバイスの熱を散逸させるべく構成された熱伝導層とを含む弾性表面波フィルタである。熱伝導層は圧電層よりも薄い。弾性表面波フィルタは、無線周波数信号をフィルタリングするように構成される。
弾性表面波フィルタは、ここに説明される複数の弾性表面波デバイスのいずれかの一以上の適切な特徴を含み得る。
本開示の他側面は、無線周波数信号を与えるべく構成された電力増幅器と、当該無線周波数信号をフィルタリングするべく構成された弾性表面波フィルタとを含む無線周波数モジュールである。弾性表面波フィルタは、圧電層と、当該圧電層上のインターデジタルトランスデューサ電極と、当該弾性表面波デバイスの熱を散逸させるべく構成された熱伝導層とを含む。熱伝導層は圧電層よりも薄い。
弾性表面波フィルタは、第2の弾性表面波フィルタとともに単一のダイに実装することができる。熱伝導層は、第2の弾性表面波フィルタの一領域の第1の弾性波フィルタからの熱を散逸させるように構成することができる。
無線周波数モジュールは、ここに説明される複数の弾性表面波デバイス及び/又は複数の弾性表面波フィルタのいずれかの一以上の適切な特徴を含み得る。
本開示の他側面は、フィルタリングされた無線周波数信号を与えるべく構成された弾性表面波フィルタと、当該フィルタリングされた無線周波数信号を送信するべく構成されたアンテナとを含む携帯デバイスである。弾性表面波フィルタは、圧電層と、当該圧電層上のインターデジタルトランスデューサ電極と、当該弾性表面波デバイスの熱を散逸させるべく構成された熱伝導層とを含む。熱伝導層は圧電層よりも薄い。
携帯デバイスは、ここに説明される複数の弾性表面波デバイス、複数の弾性表面波フィルタ、及び/又は複数の無線周波数モジュールのいずれかの一以上の適切な特徴を含み得る。
本開示の他側面は、圧電層を含む第1の弾性表面波フィルタと、第2の弾性表面波フィルタと、第2の弾性表面波フィルタに対応する一領域において第1の弾性表面波フィルタからの熱を散逸させるべく構成された熱伝導シートとを含む弾性表面波フィルタチップである。熱伝導シートは圧電層よりも薄い。
第1の弾性表面波フィルタを送信フィルタとし、第2の弾性表面波フィルタを受信フィルタとしてよい。第1の弾性表面波フィルタをデュプレクサの送信フィルタとし、第2の弾性表面波フィルタをデュプレクサの受信フィルタとしてよい。第1の弾性表面波フィルタを第1の送信フィルタとし、第2の弾性表面波フィルタを第2の送信フィルタとしてよい。ここで、第1の送信フィルタと第2の送信フィルタとは、異なる時刻にアクティブになるように配列される。
第1の弾性表面波フィルタは、圧電層上の第1のインターデジタルトランスデューサ電極を含み、第2の弾性波フィルタは第2のインターデジタルトランスデューサ電極を含み得る。熱伝導層は、第1のインターデジタルトランスデューサ電極の、圧電層を挟んで対向側にあり、第1のインターデジタルトランスデューサ電極及び第2のインターデジタルトランスデューサ電極の下において延びる。熱伝導シートは窒化アルミニウム層としてよい。弾性表面波フィルタチップはさらに、第1のインターデジタルトランスデューサ電極及び第2のインターデジタルトランスデューサ電極を覆う二酸化シリコン層を含み得る。
熱伝導シートは、第1の弾性表面波フィルタのインターデジタルトランスデューサ電極とともに、圧電層の対向側に存在し得る。熱伝導シートは、圧電層に物理的に接触し得る。
熱伝導シートは無毒性電気絶縁層としてよい。
熱伝導シートの厚さは、圧電層の厚さの半分未満としてよい。熱伝導シートの厚さは、6.3マイクロメートルよりも大きくてよい。
熱伝導層は窒化アルミニウムを含み得る。圧電層はニオブ酸リチウムを含み得る。圧電層の厚さは、300マイクロメートル未満としてよい。
弾性表面波フィルタチップはさらに、第1の弾性表面波フィルタのインターデジタルトランスデューサ電極を覆う二酸化シリコンを含み得る。
本開示の他側面は、ニオブ酸リチウム層を含む第1の弾性表面波フィルタと、第2の弾性表面波フィルタと、第2の弾性表面波フィルタに対応する一領域において第1の弾性表面波フィルタからの熱を散逸させるべく構成された窒化アルミニウム層とを含む弾性表面波フィルタチップである。窒化アルミニウム層はニオブ酸リチウム層よりも薄い。
第1の弾性表面波フィルタを送信フィルタとし、第2の弾性表面波フィルタを受信フィルタとしてよい。第1の弾性表面波フィルタをデュプレクサの送信フィルタとし、第2の弾性表面波フィルタをデュプレクサの受信フィルタとしてよい。第1の弾性表面波フィルタを第1の送信フィルタとし、第2の弾性表面波フィルタを第2の送信フィルタとしてよい。ここで、第1の送信フィルタと第2の送信フィルタとは、異なる時刻にアクティブになるように配列される。
第1の弾性表面波フィルタは、圧電層上の第1のインターデジタルトランスデューサ電極を含み、第2の弾性波フィルタは第2のインターデジタルトランスデューサ電極を含み得る。窒化アルミニウム層は、第1のインターデジタルトランスデューサ電極の、圧電層を挟んで対向側にあり、第1のインターデジタルトランスデューサ電極及び第2のインターデジタルトランスデューサ電極の下において延びる。
ニオブ酸リチウム層の厚さは、窒化アルミニウム層の厚さの少なくとも2倍としてよい。窒化アルミニウム層の厚さは、少なくとも6.3マイクロメートルとしてよい。
窒化アルミニウム層は、ニオブ酸リチウム層に物理的に接触し得る。
弾性表面波チップはさらに、第1の弾性表面波フィルタのインターデジタルトランスデューサ電極を覆う二酸化シリコン層を含み得る。
本開示の他側面は、圧電層と、第2の弾性表面波フィルタと、第1の弾性波フィルタに対する第1の領域及び第2の弾性波フィルタに対応する第2の領域を覆うように延びる熱伝導シートとを含む第1の弾性表面波フィルタを含む弾性表面波フィルタ組付体である。熱伝導シートは、第2の領域を覆う第1の弾性表面波フィルタから熱を散逸させるように構成される。熱伝導シートは圧電層よりも薄い。
弾性表面波フィルタ組付体は、ここに説明される弾性表面波チップの一以上の適切な特徴を含み得る。
本開示の他側面は、無線周波数信号を与えるべく構成された電力増幅器と、ここに説明される弾性表面波フィルタの一以上の適切な特徴を含む弾性表面波フィルタ組付体とを含む無線周波数モジュールである。
本開示の他側面は、ここに説明される弾性表面波デバイスの一以上の適切な特徴を含む弾性表面波フィルタ組付体と、当該弾性表面波フィルタ組付体から無線周波数信号を送信するべく構成されたアンテナとを含む携帯デバイスである。
本開示を要約する目的で、本イノベーションの所定の側面、利点、及び新規な特徴がここに記載されている。理解すべきことだが、そのような利点のすべてが、任意の特定の実施形態により必ずしも達成されるわけではない。すなわち、本イノベーションは、ここに教示される一つの利点又は利点群を達成又は最適化する態様で、ここに教示又は示唆される他の利点を必ずしも達成することはなく具体化又は実行することができる。
本開示は、同日付の「熱伝導シートを備えた弾性波フィルタ」との名称の米国特許出願第______号[代理人整理番号SKYWRKS.819A2]に関連し、その開示全体がここに参照により組み入れられる。
本開示の複数の実施形態が、添付図面を参照する非限定的な例を介して以下に記載される。
一実施形態に係る、インターデジタルトランスデューサ電極側に熱伝導層を備えた弾性表面波デバイスの断面を例示する。 一実施形態に係る、裏側に熱伝導層を備えた弾性表面波デバイスの断面を例示する。 図1Aの弾性表面波デバイス及び図1Bの弾性表面波デバイスの複数の実施形態に対する、シミュレーションされた最大チップ温度と、窒化アルミニウム熱伝導層の厚さとの関係を例示するグラフである。 図1Bの弾性表面波デバイスの一実施形態に対する、異なる圧電層厚さの窒化アルミニウム熱伝導層の、温度と厚さとの関係を例示するグラフである。 図3Aは、熱伝導層を備えない弾性表面波チップのシミュレーションされたヒートマップである。図3Bは、一実施形態に係る、インターデジタルトランスデューサ電極側に窒化アルミニウム層を備えた弾性表面波チップのシミュレーションされたヒートマップである。 図3Cは、一実施形態に係る、裏側に窒化アルミニウム層を備えた弾性表面波チップのシミュレーションされたヒートマップである。 図4Aは、熱伝導層を備えた別個のチップ上に実装されたフィルタのブロック図である。図4Bは、図4Aの断面図である。図4Cは、図4Aのチップの、位置に対する温度を例示する。 図5Aは、共通熱伝導層を備えた別個のチップに実装されたフィルタのブロック図である。図5Bは、図5Aの断面図である。図5Cは、図5Aのチップの、位置に対する温度を例示する。 図6Aは、熱伝導層を備えた単一チップ上に実装された送信フィルタ及び受信フィルタのブロック図である。図6Bは、図6Aの断面図である。図6Cは、図6Aのチップの、位置に対する温度を例示する。 図7Aは、熱伝導層を備えた単一チップ上に実装された送信フィルタのブロック図である。図7Bは、図7Aの断面図である。図7Cは、図7Aのチップの、位置に対する温度を例示する。 一の電力増幅器と、一のスイッチと、一以上の実施形態に係る複数のフィルタとを含むモジュールの模式的なブロック図である。 複数の電力増幅器と、複数のスイッチと、一以上の実施形態に係る複数のフィルタとを含むモジュールの模式的なブロック図である。 複数の電力増幅器と、複数のスイッチと、一以上の実施形態に係る複数のフィルタと、一のアンテナスイッチとを含むモジュールの模式的なブロック図である。 一以上の実施形態に係るフィルタを含む無線通信デバイスの模式的なブロック図である。
所定の実施形態の以下の記載は、特定の実施形態の様々な記載を表す。しかしながら、ここに記載の新機軸は、例えば特許請求の範囲によって画定され及びカバーされる多数の異なる態様で具体化することができる。本記載において参照される図面では、同じ参照番号が同一の又は機能的に類似の要素を示し得る。理解されることだが、図面に例示される要素は必ずしも縮尺どおりではない。さらに理解されることだが、所定の実施形態は、図面に例示されるよりも多くの要素を含んでよく、及び/又は図面に例示される要素の部分集合を含んでよい。さらに、いくつかの実施形態は、2以上の図面からの特徴の任意の適切な組み合わせを組み入れてよい。
所定のアプリケーションにおいて、弾性表面波(SAW)フィルタデバイスの耐電力性が著しく増大している。本開示は、SAWフィルタデバイスの耐電力性を改善し得る技術的な解決策を与える。SAWフィルタを、直列弾性表面波デバイス共振器及びシャント弾性表面波デバイス共振器を含むラダー型フィルタとして配列することができる。
熱伝導層を備えたSAWデバイスが開示される。熱伝導層は、相対的に高い熱伝導率を有し得る。熱伝導層の伝導性は、SAWデバイスの圧電層よりも高い。例えば、熱伝導層の熱伝導率は、SAWデバイスの圧電層の熱伝導率よりも少なくとも5倍高い。この例では、圧電層を、熱伝導率が4.6W/mKのニオブ酸リチウム層、又は熱伝導率が4.24W/mKのタンタル酸リチウム層とするとともに、熱伝導層の熱伝導率を少なくとも23W/mKとすることができる。熱伝導層の熱伝導率は、例えば140W/mKから300W/mKの範囲のような、23W/mKから300W/mKの範囲とすることができる。一定の例では、熱伝導層の熱伝導率は、SAWデバイスの圧電層の熱伝導率よりも少なくとも25倍高くてよい。熱伝導層は、窒化物及び/又はシリコンを含む熱伝導層のような、窒化アルミニウム(AlN)層、窒化シリコン(SiN)層又は任意の他の適切な熱伝導層としてよい。
熱伝導層は圧電層に結合することができる。熱伝導層は、SAWデバイスのインターデジタルトランスデューサ(IDT)電極の対向側において圧電基板と物理的に接触し得る。
熱伝導層は圧電層よりも薄く、少なくとも6.3マイクロメートル(μm)の厚さを有し得る。熱伝導シートの厚さは、圧電層の厚さ未満としてよい。熱伝導層は、熱伝導シートと称してもよい。圧電層は300μmよりも薄い。圧電層は、タンタル酸リチウム(LiTaO)層又はニオブ酸リチウム(LiNbO)層としてよい。
単一チップは、ここに説明される原理及び利点に係る熱伝導層を含む2以上のSAWフィルタを含み得る。
図1Aは、一実施形態に係る、インターデジタルトランスデューサ電極側に熱伝導層を備えた弾性表面波デバイス10の断面を例示する。例示の弾性表面波デバイス10は、窒化アルミニウム層12、ニオブ酸リチウム層14、インターデジタルトランスデューサ(IDT)電極16、及び二酸化シリコン層18を含む。窒化アルミニウム層12は熱伝導層である。窒化アルミニウム層12はヒートシンクとして機能することができる。窒化アルミニウム層12は、多結晶窒化アルミニウムセラミックとしてよい。
図1Aにおいて、窒化アルミニウム層12は、ニオブ酸リチウム層14のIDT側に形成される。例示のように、窒化アルミニウム層12は、IDT電極16の上方の一領域を除いてニオブ酸リチウム層14を覆うように形成される。これにより、弾性表面波デバイス10の機能に対する窒化アルミニウム層12の音響効果を、回避及び/又は実質的に低減することができる。図1Aにおいて、二酸化シリコン層18は、IDT電極16を覆い、ニオブ酸リチウム層14と窒化アルミニウム層12との間に存在する。IDT電極16は、アルミニウムIDT電極としてよい。IDT電極の材料は、チタン(Ti)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、白金(Pt)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、又はこれらの任意の適切な組み合わせが含み得る。例えば、IDT電極16は、所定のアプリケーションにおいて、アルミニウム及びモリブデンを含み得る。
図1Bは、一実施形態に係る、裏側に熱伝導層を備えた弾性表面波デバイス19の断面を例示する。例示の弾性表面波デバイス19は、窒化アルミニウム層12、ニオブ酸リチウム層14、IDT電極16、及び二酸化シリコン層18を含む。図1Bにおいて、窒化アルミニウム層12は、ニオブ酸リチウム層14の、IDT電極16に対向する側に形成される。ニオブ酸リチウム層14の、IDT電極16に対向する側は、弾性表面波デバイス19の裏側と称してもよい。例示のように、窒化アルミニウム層12は、ニオブ酸リチウム層14に物理的に接触する。窒化アルミニウム層12は、ニオブ酸リチウム層14に接合され得る。図1Aにおいて、二酸化シリコン層18は、ニオブ酸リチウム層14の、窒化アルミニウム層14に対向する側においてIDTトランスデューサ電極16を覆う。
図1Bにおいて、窒化アルミニウム層12の厚さはhとして標識され、ニオブ酸リチウム層14の厚さはHとして標識される。図1A及び図1B双方に示されるように、窒化アルミニウム層12は相対的に薄くしてよい。窒化アルミニウム層12の厚さhは、ニオブ酸リチウム層14の厚さHよりも小さい。窒化アルミニウム層12の厚さhは、例示のように、ニオブ酸リチウム層14の厚さHの半分未満である。
窒化アルミニウム層12は、熱伝導層を実装するのに望ましい特性を有する。窒化アルミニウムは電気絶縁性である。窒化アルミニウムは無毒性である。窒化アルミニウムは相対的に高い熱伝導率を有する。例えば、窒化アルミニウムの熱伝導率は、約140W/(m・K)(ワット毎メートル毎ケルビン)から260W/(m・K)の範囲としてよい。そのような熱伝導率は、絶縁性セラミックに対して相対的に高い。窒化アルミニウムの熱伝導率は、ニオブ酸リチウムの熱伝導率の25倍を超える大きさである。ニオブ酸リチウムの熱伝導率は約4.6W/(m・K)となり、タンタル酸リチウムは、約4.24W/(m・K)の熱伝導率を有し得る。窒化アルミニウムの粒界に存在する不純物を減少させることは、窒化アルミニウムの熱伝導率を増加させる一つの方法と考えられる。
図1Aの弾性表面波デバイス10、及び図1Bの弾性表面波デバイス19は、弾性表面波デバイスの例である。これらの表面波デバイスは、弾性表面波を生成するべく配列された複数の共振器である。これらの弾性表面波デバイスにおいて、ニオブ酸リチウム層は圧電層であり、窒化アルミニウム層は熱伝導層である。いくつかの他の実施形態において、タンタル酸リチウムのような、異なる圧電層を使用してよい。代替的又は付加的に、窒化物及び/又はシリコンを含む熱伝導層のような任意の他の適切な熱伝導層のような、例えば窒化シリコンのような他の適切な熱伝導層を実装することもできる。熱伝導層は、電気伝導性又は半導体というよりはむしろ電気絶縁性である。熱伝導層は無毒性としてよい。
図1A及び1Bのこれらの弾性表面波デバイスにおいて、二酸化シリコン層は、弾性表面波デバイスの周波数温度係数(TCF)をゼロ近くにすることができる温度補償層である。いくつかの他の実施形態において、異なる温度補償層を実装することができる。温度補償層は、正のTCFを有してよい。いくつかの温度補償層の例には、二酸化テルル(TeO)層又はシリコンオキシフルオライド(SiOF)層が含まれる。図1Aの弾性表面波デバイス10及び図1Bの弾性表面波デバイス19が二酸化シリコン層を含むにもかかわらず、ここに説明される原理及び利点のいずれかに係る弾性表面波デバイスは、所定の実施形態においてIDT電極を覆う二酸化シリコン層なしで実装することができる。
図1Cは、図1Aの弾性表面波デバイス10及び図1B弾性表面波デバイス19の実施形態に対する、シミュレーションされた最大チップ温度と窒化アルミニウム層の厚さとの関係を例示するグラフである。窒化アルミニウム層の厚さは、図1Bにおいてhとして示される。これらのシミュレーションにおいて、窒化アルミニウムの0.71×10J/(kg・K)の比熱が使用され、窒化アルミニウムの3.26×10kg/mの密度が使用され、窒化アルミニウムの150W/(m・K)の熱伝導率が使用された。図1Cに示されるように、窒化アルミニウムの厚さは、最大チップ温度に著しい影響を与え得る。
図2は、図1Bの弾性表面波デバイス19の複数の実施形態の異なる圧電層厚さに対する、窒化アルミニウム熱伝導層の、温度と厚さとの関係を例示するグラフである。図2の曲線は、ニオブ酸リチウム層14の異なる厚さH対最大チップ温度に対応する。これらの曲線が示すのは、弾性表面波デバイス19における、厚さが少なくとも6.3マイクロメートル(μm)の窒化アルミニウム層12が、熱性能を著しく改善することができ、厚さが20μmから300μmの範囲のニオブ酸リチウム層の望ましい熱性能をもたらし得るということである。したがって、相対的に薄い窒化アルミニウム層が、熱的改善をもたらし得る。図2における曲線は、望ましい熱的改善が、ニオブ酸リチウム層の厚さの半分未満となる厚さを有する窒化アルミニウム層によって達成可能なことを示す。所定のニオブ酸リチウム厚さに対し、窒化アルミニウム層の厚さが当該ニオブ酸リチウム層の厚さの10分の1以下となると、望ましい熱的改善が達成することができる。窒化アルミニウム層の厚さが6.3μmから100μmの範囲にあると、図2に示されるような望ましい熱的改善がもたらされる。
相対的に薄い熱伝導層は、様々なアプリケーションにおいて有利である。相対的に厚い熱伝導層と比べ、相対的に薄い熱伝導層によれば、薄い部品が得られ、使用する材料が少なくて済み、安価に実装でき、及び/又は少ない時間で製造できる。熱伝導層の堆積は、ウェハに内部応力及び/又は反りを引き起こし得る。相対的に厚い熱伝導層と比べて相対的に薄い熱伝導層によれば、割れ及び/又は反りが少なくなり得る。
図3Aは、熱伝導層なしの弾性表面波チップのシミュレーションされたヒートマップである。シミュレーションされたチップは、図1Aの弾性表面波デバイス10及び図1Bの弾性表面波デバイス19と同様の弾性表面波デバイスを含むが、窒化アルミニウム層が含まれない点で異なる。図3Aのヒートマップに示されるように、このシミュレーションにおいて最大チップ温度は93℃であった。図3A~3Cにおけるシミュレーションは、1785MHzの周波数において30dBmの入力電力に対応する。
図3B及び3Cは、熱を散逸させるべく配列された窒化アルミニウム層を備えた弾性表面波デバイスのシミュレーションのヒートマップを示す。図3B及び3Cのシミュレーションにおいて、窒化アルミニウムの0.71×10J/(kg・K)の比熱が使用され、窒化アルミニウムの3.26×10kg/mの密度が使用され、窒化アルミニウムの150W/(m・K)の熱伝導率が使用された。
図3Bは、一実施形態に係る、インターデジタルトランスデューサ電極側に窒化アルミニウム層を備えた弾性表面波チップのシミュレーションされたヒートマップである。図3Bのヒートマップは、3μm窒化アルミニウム層12を備えた図1Aの弾性表面波デバイス10に対応する。図3Bのヒートマップに示されるように、シミュレーションにおいて最大チップ温度は83℃であった。したがって、このシミュレーションは、図3に対応するシミュレーションと比べて10℃の最大チップ温度改善を代表する。
図3Cは、一実施形態に係る、裏側に窒化アルミニウム層を備えた弾性表面波チップのシミュレーションされたヒートマップである。図3Bのヒートマップは、5μm窒化アルミニウム層12を備えた図1Bの弾性表面波デバイス19に対応する。図3Cのヒートマップに示されるように、このシミュレーションにおいて最大チップ温度は73℃であった。したがって、このシミュレーションは、図3Aに対応するシミュレーションと比べて20℃の最大チップ温度改善を代表する。
ここに説明される熱伝導層は、様々なフィルタ組付体に実装することができる。弾性表面波フィルタ組付体は弾性表面波フィルタを含む。図4A~7Cは、複数のフィルタ組付体の例及びそれに関連するグラフを例示する。これらのフィルタ組付体の任意の適切な原理及び利点は、互いに実装し合い及び/又はここに説明される他の特徴とともに実装することができる。複数の実施形態が弾性表面波フィルタを参照して説明されてよいが、熱伝導層に関する任意の適切な原理及び利点は、弾性表面波フィルタ及び他の弾性波フィルタを含む弾性波フィルタ組付体に実装することができる。例えば、一の弾性波フィルタ組付体が、弾性表面波フィルタと、バルク弾性波フィルタと、当該フィルタの一方からの熱を他方のフィルタに対応する一領域へと散逸させるべく配列された共通熱伝導層とを含み得る。他例として、一の弾性波フィルタ組付体が、弾性表面波フィルタと、ラム波フィルタと、当該フィルタの一方からの熱を他方のフィルタに対応する一領域へと散逸させるべく配列された共通熱伝導層とを含み得る。もう一つの例として、一の弾性波フィルタ組付体が、弾性表面波フィルタと、弾性境界波フィルタと、当該フィルタの一方から他方のフィルタに対応する一領域へと熱を散逸させるべく配列された共通熱伝導層とを含み得る。
図4Aは、別個の熱伝導層を備えた別個のチップに実装されたフィルタを含むフィルタ組付体40のブロック図である。図4Aは、送信フィルタ43を含む第1のチップ42、及び受信フィルタ45を含む第2のチップ44を例示する。送信フィルタ43及び受信フィルタ45は、デュプレクサ又は他のマルチプレクサ(例えばクワッドプレクサ、ヘキサプレクサ、オクトプレクサ等)に含まれ得る。送信フィルタ43及び受信フィルタ45はそれぞれが、図1Bの弾性表面波フィルタ19の原理及び利点に従って実装された弾性表面波デバイスを含み得る。いくつかの例において、送信フィルタ43及び/又は受信フィルタ45はまた、図1Aの弾性表面波フィルタ10の任意の適切な原理及び利点、ここに説明される任意の適切な原理及び利点に従う任意の適切な熱伝導層、任意の適切な圧電層、又はこれらの任意の適切な組み合わせに従って実装されてよい。
図4Bは、図4Aの断面図である。送信フィルタ43は、相対的に高い電力信号をフィルタリングするので、発熱が相対的に大きい。相対的に高い電力信号は、電力増幅器により与えられる無線周波数信号としてよい。受信フィルタ45は、相対的に低い電力信号をフィルタリングするので、送信フィルタ43と比べて発熱が相対的に小さい。図4Bは、熱の流れ及び大きさを例示する矢印を含む。図4Bに示されるように、相対的に大量の熱が、送信フィルタ43のIDT電極16Aから、ニオブ酸リチウム層14Aを経由して窒化アルミニウム層12Aへと流れ、相対的に少量の熱が、受信フィルタ45のIDT電極16Bから、ニオブ酸リチウム層14Bを経由して窒化アルミニウム層12Bへと流れる。
図4Cは、図4Aのチップの、位置に対する温度を例示する。図4Cは、チップ42及び44の熱の流れの大部分が第1のチップ42に存在することを例示する。これは、この例において送信信号が受信信号よりも高い電力を有することに起因する。窒化アルミニウム層12Aは、第1のチップ42の最大温度を、窒化アルミニウム層なしの対応チップよりも低下させる熱拡散を実行する。
図5Aは、共通熱伝導層を備えた別個のチップに実装されたフィルタを含むフィルタ組付体50のブロック図である。フィルタ組付体50は、図4Aのフィルタ組付体40と同様であるが、フィルタ組付体50においてチップ42及び44の下に共通窒化アルミニウム層12が実装される点が異なる。
図5Bは、図5Aの断面図である。図5Bは、熱の流れ及び大きさを例示する矢印を含む。図5Bに示されるように、窒化アルミニウム層12は、送信フィルタ43からの熱を拡散させることができるので、この熱を、受信フィルタ45に対応する一領域において散逸させることができる。送信フィルタ43からの熱は、窒化アルミニウム層12全体に、さらには受信フィルタ45のニオブ酸リチウム層14Bへと拡散され得る。
図5Cは、図5Aのチップの、位置に対する温度を例示する。図5Cに示されるように、窒化アルミニウム層は、送信フィルタ43からの熱を受信フィルタ領域に分配することができる。これにより、送信フィルタ領域における熱が、図4Aのフィルタ組付体40よりも低減され得るので、最大チップ温度が低下し得る。
図6Aは、熱伝導層を備えた単一チップ62に送信フィルタ43及び受信フィルタ45が実装されたフィルタ組付体60のブロック図である。上述したように、送信フィルタ43及び受信フィルタ45は、デュプレクサ又は他のマルチプレクサ(例えばクワッドプレクサ、ヘキサプレクサ、オクトプレクサ等)に含まれ得る。フィルタ組付体60において、そのようなデュプレクサ又は他のマルチプレクサが単一チップに実装される。フィルタ組付体60は、図5Aのフィルタ組付体50と同様であるが、フィルタ43及び45が単一チップ62に実装される点が異なる。送信フィルタ43及び受信フィルタ45は単一チップ62上において、例えば図5Aのフィルタ組付体50において別個のチップに存在する場合よりも、互いに近くに実装することができる。これにより、所定のアプリケーションにおける熱の散逸がさらに改善され得る。
図6Bは、図6Aの断面図である。図6Bは、熱の流れ及び大きさを例示する矢印を含む。図6Bに例示のように、窒化アルミニウム層12は、送信フィルタ43からの熱を、単一チップ62の受信フィルタ領域に有効に拡散させることができる。
図6Cは、図6Aのチップの、位置に対する温度を例示する。図6Cは、図4Aのフィルタ組付体40と比べ、窒化アルミニウム層を備えた単一チップ上に送信フィルタ43及び受信フィルタ45を含むことによる最大チップ温度の著しい改善を示す。
図7Aは、熱伝導層を備えた単一チップ72上に実装された送信フィルタ43A及び43Bを含むフィルタ組付体70のブロック図である。フィルタ組付体70は、図6Aのフィルタ組付体60と同様であるが、図6Aの受信フィルタ45の代わりに第2の送信フィルタ43Bが実装される点が異なる。図7A~7Cは、図6A~6Cを参照して説明された原理及び利点が、単一チップ上に複数のフィルタを備えて一つのフィルタが相対的に大量の熱を生成している一方で他のフィルタが相対的に少量の熱を生成している任意の適切なマルチフィルタチップに適用できることを例示する。例えば、フィルタ組付体70において、一方の送信フィルタがアクティブであるが、他方の送信フィルタは非アクティブである。アクティブな送信フィルタからの熱を、非アクティブな送信フィルタの一領域に拡散及び散逸させることができる。
図7Bは図7Aの断面図である。図7Bは、熱の流れ及び大きさを例示する矢印を含む。図7Bに示されるように、窒化アルミニウム層12は、チップ72のアクティブな送信フィルタ43Aから非アクティブな送信フィルタ領域へと熱を拡散させることができる。図7Cは、図7Aのチップ72の、位置に対する温度を例示する。図7Cは、図4Aのフィルタ組付体40と比べ、窒化アルミニウム層を備えた単一チップ上に送信フィルタ43A及び43Bを含むことによる最大チップ温度の著しい改善を示す。チップ72の最大温度は、同様の電力を有する送信信号に対し、図6Aのチップ62の最大温度に匹敵し得る。
シミュレーション結果は、弾性表面波デバイス19の窒化アルミニウム層12のような相対的に高い熱伝導率を備えた熱伝導層が、最大チップ温度を低下させ得ることを示す。シミュレーション結果はまた、そのような熱伝導層を備えた(例えば図6A~6C又は7A~7Cに従う)単一チップ上の複数の弾性表面波フィルタが、さらに最大チップ温度を低下させ得ることを示す。そのような最大チップ温度改善は、例えば、上に説明された任意の適切な原理及び利点に従う相対的に薄い熱伝導層によって実現することができる。
図5A~7Cは、相対的に高い電力の無線周波数信号のフィルタリングによる熱を散逸させ得るフィルタ組付体を例示する。弾性表面波フィルタの熱を散逸させる方法は、これらのフィルタ組付体のいずれかを使用して行うことができる。電力増幅器は、無線周波数信号を増幅することにより、増幅された無線周波数信号を生成することができる。弾性表面波デバイスは、増幅された無線周波数信号をフィルタリングすることができる。フィルタリングに関連する熱は、他の弾性波フィルタに対応する一領域において散逸されるように、熱伝導シートを使用して散逸させることができる。熱伝導シートは相対的に薄くしてよい。例えば、熱伝導シートは、弾性表面波フィルタの圧電層よりも薄くしてよい。
複数の弾性表面波デバイスを一のフィルタに含めることができる。一以上の弾性表面波デバイスを含むフィルタを、弾性表面波フィルタと称してもよい。複数の弾性表面波デバイスが、直列共振器及びシャント共振器として配列されて一のラダー型フィルタを形成する。いくつかの例において、フィルタは、弾性表面波共振器と、一以上の他の共振器(例えば一以上の他のバルク弾性波共振器)とを含み得る。
ここに説明されるフィルタは、様々なパッケージモジュールに実装することができる。ここに説明されるフィルタの任意の適切な原理及び利点が実装可能ないくつかのパッケージモジュールの例が、ここで説明される。図8、9及び10は、所定の実施形態に係るパッケージモジュールを例示する模式的なブロック図である。無線周波数信号を処理するべく配列されたモジュールは、無線周波数モジュールと称してもよい。
図8は、電力増幅器82と、スイッチ84と、一以上の実施形態に係るフィルタ86とを含むモジュール80の模式的なブロック図である。モジュール80は、例示の要素を包囲するパッケージを含み得る。電力増幅器82と、スイッチ84と、フィルタ86とは、共通のパッケージ基板に配置することができる。パッケージ基板は、例えば積層基板としてよい。電力増幅器82は、無線周波数信号を増幅することができる。電力増幅器82は、所定のアプリケーションにおいて、ガリウムヒ素バイポーラトランジスタを含み得る。スイッチ84は多投無線周波数スイッチとしてよい。スイッチ84は、電力増幅器82の出力を、フィルタ86の選択されたフィルタに電気的に結合することができる。フィルタ86は、任意の適切な数の弾性表面波フィルタ及び/又は他の弾性波フィルタを含み得る。フィルタ86の弾性表面波フィルタの一以上を、ここに説明される弾性表面波デバイスの任意の適切な原理及び利点に従って実装することができる。
図9は、電力増幅器82A及び82Bと、スイッチ84A及び84Bと、一以上の実施形態に係るフィルタ86’とを含むモジュール90の模式的なブロック図である。モジュール90は、図8のモジュール80と同様であるが、モジュール90が付加電力増幅器82B及び付加スイッチ84Bを含み、フィルタ86’が、複数の電力増幅器82A及び82Bに関連付けられた信号経路のための信号をフィルタリングする点で異なる。異なる信号経路は、異なる周波数帯域及び/又は異なる動作モード(例えば異なる電力モード、異なる信号伝達モード等)に関連付けてよい。
図10は、電力増幅器82A及び82Bと、スイッチ84A及び84Bと、一以上の実施形態に係るフィルタ86A及び86Bと、アンテナスイッチ102とを含むモジュール100の模式的なブロック図である。モジュール100は、図9のモジュール90と同様であるが、モジュール100が、フィルタ86A又はフィルタ86Bからアンテナノードへの信号を選択的に結合するべく配列されたアンテナスイッチ102を含む点で異なる。フィルタ86A及び86Bは、図9のフィルタ86’に対応し得る。
図11は、一以上の実施形態に係るフィルタ86を含む無線通信デバイス110の模式的なブロック図である。無線通信デバイス110は、任意の適切な無線通信デバイスとしてよい。例えば、無線通信デバイス110は、スマートフォンのような携帯電話機としてよい。例示のように、無線通信デバイス110は、アンテナ111、RFフロントエンド112、RF送受信器114、プロセッサ115及びメモリ116を含む。アンテナ111は、RFフロントエンド112により与えられたRF信号を送信することができる。アンテナ111は、受信したRF信号を、処理を目的としてRFフロントエンド112に与え得る。
RFフロントエンド112は、一以上の電力増幅器、一以上の低ノイズ増幅器、一以上のRFスイッチ、一以上の受信フィルタ、一以上の送信フィルタ、一以上のデュプレクサ、又はこれらの任意の適切な組み合わせを含み得る。RFフロントエンド112は、任意の適切な通信規格に関連付けられたRF信号を送信及び受信することができる。ここに説明される弾性表面波デバイス及び/又はフィルタ組付体及び/又は無線周波数モジュールのいずれも、RFフロントエンド112に実装することができる。
RF送受信器114は、増幅及び/又は他の処理を目的としてRF信号をRFフロントエンド112に与えることができる。RF送受信器114はまた、RFフロントエンド112の低ノイズ増幅器が与えるRF信号を処理することができる。RF送受信器114はプロセッサ115と通信する。プロセッサ115はベース帯域プロセッサとしてよい。プロセッサ115は、無線通信デバイス110のための任意の適切なベース帯域処理機能を与えることができる。メモリ116には、プロセッサ115がアクセス可能である。メモリ116は、無線通信デバイス110のための任意の適切なデータを記憶することができる。
ここに説明される原理及び利点のいずれも、上に説明されたシステム、モジュール、フィルタ、マルチプレクサ、無線通信デバイス及び方法に限られない他のシステム、モジュール、チップ、弾性表面波デバイス、フィルタ、デュプレクサ、マルチプレクサ、無線通信デバイス及び方法に適用することができる。上述した様々な実施形態の要素及び動作は、さらなる実施形態を与えるように組み合わせることができる。ここに説明される原理及び利点のいずれも、周波数の範囲が約30kHz~300GHz、例えば約450MHz~6GHzの範囲の信号を処理するべく構成された無線周波数回路に関連付けて実装することができる。例えば、ここに説明されるフィルタのいずれも、周波数の範囲が約30kHz~300GHz、例えば約450MHz~6GHzの範囲の信号をフィルタリングすることができる。
本開示の複数の側面は、様々な電子デバイスに実装することができる。電子デバイスの例は、消費者用電子製品、チップ及び/又はパッケージ無線周波数モジュールのような消費者用電子製品の部品、電子試験機器、アップリンク無線通信デバイス、パーソナルエリアネットワーク通信デバイス等を含むがこれらに限られない。消費者用電子製品の例は、スマートフォンのような携帯電話機、スマートウォッチ又はイヤーピースのような装着可能コンピューティングデバイス、電話機、テレビ、コンピュータモニタ、コンピュータ、ルータ、モデム、ハンドヘルドコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)、自動車電子システムのような車両電子システム、電子レンジ、冷蔵庫、ステレオシステム、デジタル音楽プレーヤ、デジタルカメラのようなカメラ、携帯型メモリチップ、家電製品等を含んでよいがこれらに限られない。さらに、電子デバイスは、未完成の製品を含んでよい。
さらに、とりわけ「できる」、「し得る」、「してよい」、「かもしれない」、「例えば」、「のような」等のようなここに記載の条件付き言語は一般に、特にそうでないことが述べられ、又は使用の文脈上そうでないことが理解される場合を除き、所定の実施形態が所定の特徴、要素及び/又は状態を含む一方で他の実施形態がこれらを含まないことを伝えるように意図される。ここで一般に使用される用語「結合」は、互いに直接結合されるか又は一以上の中間要素を介して結合されるかのいずれかとなり得る2以上の要素を言及する。同様に、ここで一般に使用される用語「接続」は、直接接続されるか又は一以上の中間要素を介して接続されるかのいずれかとなり得る2以上の要素を言及する。加えて、用語「ここ」、「上」、「下」及び同様の趣旨の用語は、本願において使用される場合、本願全体を言及し、本願の任意の固有部分を言及するわけではない。
所定の実施形態が記載されてきたが、これらの実施形態は、例示により提示されたにすぎないので、本開示の範囲を制限することを意図しない。実際のところ、ここに記載の新規なデバイス、チップ、方法、装置及びシステムは、様々な他の形態で具体化することができる。さらに、ここに記載の方法、装置及びシステムの形態における様々な省略及び変更が、本開示の要旨から逸脱することなくなし得る。例えば、ここに記載される回路ブロックは、削除、移動、追加、細分化、結合、及び/又は修正することができる。これらの回路ブロックはそれぞれが、様々な異なる態様で実装することができる。添付の特許請求の範囲及びその均等物が、本開示の範囲及び要旨に収まる任意のそのような形態又は修正をカバーすることが意図される。

Claims (19)

  1. 弾性表面波デバイスであって、
    電層と、
    前記圧電層上のインターデジタルトランスデューサ電極と、
    前記インターデジタルトランスデューサ電極を覆って前記インターデジタルトランスデューサ電極に物理的に接触する温度補償層であって、正の周波数温度係数を有する温度補償層と、
    前記弾性表面波デバイスの熱を散逸させるべく構成された熱伝導層と
    を含み、
    前記熱伝導層は、少なくとも6.3マイクロメートルの厚さを有して前記圧電層よりも薄く、
    前記熱伝導層と前記インターデジタルトランスデューサ電極との間に前記圧電層存在し、
    前記弾性表面波デバイスは弾性表面波を生成するように構成され
    前記熱伝導層は前記圧電層に物理的に接触し、
    前記熱伝導層は電気絶縁層である、弾性表面波デバイス。
  2. 前記熱伝導層は窒化アルミニウム層であり、
    前記温度補償層は二酸化シリコン層である、請求項の弾性表面波デバイス。
  3. 前記圧電層の厚さは300マイクロメートル未満である、請求項の弾性表面波デバイス。
  4. 前記熱伝導層の熱伝導率は、前記圧電層の熱伝導率の少なくとも5倍である、請求項1の弾性表面波デバイス。
  5. 前記熱伝導層の熱伝導率は23W/mKから300W/mKの範囲にある、請求項1の弾性表面波デバイス。
  6. 前記熱伝導層の厚さは、前記圧電層の厚さの半分未満である、請求項1の弾性表面波デバイス。
  7. 前記熱伝導層は窒化物を含む、請求項1の弾性表面波デバイス。
  8. 前記熱伝導層は窒化アルミニウムを含む、請求項の弾性表面波デバイス。
  9. 前記圧電層はニオブ酸リチウムを含む、請求項1の弾性表面波デバイス。
  10. 前記圧電層の厚さは300マイクロメートル未満である、請求項1の弾性表面波デバイス。
  11. 前記温度補償層は二酸化シリコン層である、請求項1の弾性表面波デバイス。
  12. 無線周波数モジュールであって、
    無線周波数信号を与えるべく構成された電力増幅器と、
    前記無線周波数信号をフィルタリングするべく構成された弾性表面波フィルタと
    を含み、
    前記弾性表面波フィルタは、
    電層と、
    前記圧電層上のインターデジタルトランスデューサ電極と、
    前記インターデジタルトランスデューサ電極を覆って正の周波数温度係数を有する温度補償層と、
    前記弾性表面波フィルタの熱を散逸させるべく構成された熱伝導層と
    を含み、
    前記熱伝導層と前記インターデジタルトランスデューサ電極との間に前記圧電層存在し、
    前記熱伝導層は、少なくとも6.3マイクロメートルの厚さを有して前記圧電層よりも薄く、
    前記熱伝導層は前記圧電層に物理的に接触し、
    前記熱伝導層は電気絶縁層である、無線周波数モジュール。
  13. 前記弾性表面波フィルタと第2弾性表面波フィルタとが単一ダイ上に実装され、
    前記熱伝導層は、前記弾性表面波フィルタからの熱を前記第2弾性表面波フィルタの一領域にわたって散逸させるように構成される、請求項12の無線周波数モジュール。
  14. 前記電力増幅器と前記弾性表面波フィルタとの間の信号経路に無線周波数スイッチをさらに含む、請求項12の無線周波数モジュール。
  15. 前記熱伝導層の熱伝導率は、前記圧電層の熱伝導率の少なくとも25倍である、請求項12の無線周波数モジュール。
  16. 前記熱伝導層の熱伝導率は140W/mKから300W/mKの範囲にある、請求項12の無線周波数モジュール。
  17. 前記圧電層の厚さは、300マイクロメートル未満である、請求項12の無線周波数モジュール。
  18. 無線通信デバイスであって、
    フィルタリングされた無線周波数信号を与えるべく構成された弾性表面波フィルタと、
    前記フィルタリングされた無線周波数信号を送信するべく構成されたアンテナと
    を含み、
    前記弾性表面波フィルタは、
    電層と、
    前記圧電層上のインターデジタルトランスデューサ電極と、
    前記インターデジタルトランスデューサ電極を覆う温度補償層と、
    熱を散逸させるべく構成された熱伝導層と
    を含み、
    前記熱伝導層は6.3マイクロメートルよりも大きな厚さを有し、
    前記熱伝導層は前記圧電層よりも薄く、
    前記熱伝導層と前記インターデジタルトランスデューサ電極との間に前記圧電層存在し、
    前記熱伝導層は前記圧電層に物理的に接触し、
    前記熱伝導層は電気絶縁層である、無線通信デバイス。
  19. 前記弾性表面波フィルタを含む無線周波数フロントエンドと通信する送受信器をさらに含む、請求項18の無線通信デバイス。
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