技術 弾性波デバイス、及び弾性波デバイスの製造方法

0001

本発明は弾性波デバイス、及び弾性波デバイスの製造方法に関する。

0002

携帯電話などの通信機器に搭載されるフィルタ及びデュプレクサとして、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）デバイス、及び弾性薄膜共振器（Film Bulk Acoustic Resonator：ＦＢＡＲ）などの弾性波デバイスが用いられる。弾性波デバイスでは、機能部が弾性波を励振する。ＳＡＷデバイスにおける機能部は圧電基板上のＩＤＴ（Interdigital Transducer）であり、ＦＢＡＲにおける機能部は上部電極、圧電薄膜及び下部電極が重なる領域である。

0003

弾性波デバイスの特性を良好に維持するために、機能部の周囲に空隙を確保し、かつ水分及び不純物から機能部を保護することが重要である。特許文献１には、樹脂により形成された封止部によりＩＤＴを封止する発明が記載されている。

0004

特開２００６−２１７２２６号公報

0005

しかしながら、樹脂が水分を透過し、機能部の封止された空間に侵入することがある。水分により機能部に含まれる電極が腐食する。また、空隙の中に浸入した水分が加熱により気化する。気化に伴う体積増加によりストレスが大きくなり、樹脂にクラックが発生する。クラックにより気密性が低下し、機能部の保護が難しくなる。本発明は上記課題に鑑み、気密性が高く、かつ小型な弾性波デバイス、及び弾性波デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

0006

本発明は、基板と、前記基板上に形成されたパッドと、無機絶縁体により形成され、前記基板上に設けられ、前記基板側の面に設けられたキャビティを有し、かつ前記パッドと重なる位置に形成された貫通孔を有するキャップと、前記貫通孔に充填され、前記基板のパッドと接続され、かつ半田により形成された端子と、前記基板の上面に形成され、かつ、前記キャビティ内に形成された、弾性波を励振する機能部と、を有する弾性波デバイスである。

0007

上記構成において、前記貫通孔は、前記キャップの上面から前記キャビティに向けて細くなるようなテーパー形状を有する構成とすることができる。

0008

上記構成において、前記パッドは前記基板の上面から上方向に突出する突起を含む構成とすることができる。

0009

上記構成において、前記突起は、前記基板の上面から前記貫通孔の内側まで延びる構成とすることができる。

0010

上記構成において、前記端子は前記キャップの上面より上方向に突出している構成とすることができる。

0011

上記構成において、前記キャップの上面から、前記貫通孔の内壁、及び前記キャップの下面にかけて連続的に設けられた金属層を有し、前記端子は前記金属層に接合されている構成とすることができる。

0012

上記構成において、前記端子の表面を覆うメッキ層を有する構成とすることができる。

0013

上記構成において、前記基板は圧電基板であり、前記機能部はＩＤＴである構成とすることができる。

0014

上記構成において、前記キャップは圧電体またはサファイアにより形成されている構成とすることができる。

0015

上記構成において、前記機能部は、圧電薄膜共振器の上部電極、圧電薄膜及び下部電極が重なる領域である構成とすることができる。

0016

上記構成において、前記基板はシリコンにより形成され、前記キャップはシリコンまたはガラスにより形成されている構成とすることができる。

0017

上記構成において、前記基板と前記キャップとは同じ材料により形成されている構成とすることができる。

0018

本発明は、基板の上面に、弾性波を励振する機能部を設ける工程と、前記基板の上面にパッドを設ける工程と、キャップの一方の面にキャビティを形成する工程と、前記キャップに、前記キャップの上面から前記キャビティまで貫通する貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔が前記パッドと重なり、前記機能部が前記キャビティ内に収納されるように、前記キャップを前記基板の上面に設ける工程と、前記貫通孔に半田を充填して端子を設ける工程と、を有する弾性波デバイスの製造方法である。

0019

上記構成において、前記端子を設ける工程は、リフロー処理またはレーザー光の照射により前記半田を溶融させる工程を含む構成とすることができる。

0020

上記構成において、前記パッド上に前記基板の上面から上方向に突出する突起を設ける工程を有する構成とすることができる。

0021

上記構成において、前記キャップの上面から、前記貫通孔の内壁、及び前記キャップの下面にかけて連続的に金属層を形成する工程を有し、前記端子は前記金属層に接合される構成とすることができる。

0022

上記構成において、前記端子の表面を覆うメッキ層を形成する工程を有する構成とすることができる。

0023

本発明によれば、気密性が高く、かつ小型な弾性波デバイス、及び弾性波デバイスの製造方法を提供することができる。

0024

図１（ａ）は実施例１に係る弾性波デバイスを例示する断面図である。図１（ｂ）は弾性波デバイスを例示する平面図である。
図２（ａ）から図２（ｃ）は弾性波デバイスの製造方法のうち基板の加工を例示する断面図である。
図３（ａ）から図３（ｄ）は弾性波デバイスの製造方法のうちキャップの加工を例示する断面図である。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は弾性波デバイスの製造方法のうち基板とキャップとを接合した後の工程を例示する断面図である。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は弾性波デバイスの製造方法のうち基板とキャップとを接合した後の工程を例示する断面図である。
図６（ａ）及び図６（ｂ）は貫通孔付近を拡大した断面図である。
図７（ａ）及び図７（ｂ）は貫通孔付近を拡大した断面図である。
図８はウェハ状態の弾性波デバイスを例示する平面図である。
図９は実施例１の変形例に係る弾性波デバイスを例示する断面図である。
図１０は実施例２に係る弾性波デバイスを例示する断面図である。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は弾性波デバイスの製造方法を例示する断面図である。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は貫通孔付近を拡大した断面図である。
図１３（ａ）は実施例３に係る弾性波デバイスを例示する断面図である。図１３（ｂ）はＦＢＡＲを拡大した断面図である。
図１４は実施例４に係るモジュールを例示する断面図である。
図１５は実施例５に係るモジュールを例示する断面図である。

0025

図面を用いて実施例について説明する。

0026

実施例１は無機絶縁膜のキャップ１２を備えるＳＡＷデバイスの例である。図１（ａ）は実施例１に係る弾性波デバイスを例示する断面図である。図１（ｂ）は弾性波デバイスを例示する平面図であり、キャビティ１２ａの内壁は破線で示している。図１（ａ）は図１（ｂ）の線Ａ−Ａに沿った断面を図示している。

0027

図１（ａ）に示すように、弾性波デバイス１００は、基板１０、キャップ１２、ＩＤＴ１４、及び端子１６を備える、ＳＡＷ共振器またはＳＡＷフィルタなどのＳＡＷデバイスである。基板１０の上面に、キャップ１２、ＩＤＴ１４及びパッド１８が設けられている。キャップ１２は基板１０と常温接合されている。例えばキャップ１２と基板１０との界面がアモルファス状態となることで接合されている、または接着剤を用いて接合されている。キャップ１２の基板１０と対向する面にはキャビティ１２ａが形成されている。ＩＤＴ１４及びパッド１８は、キャップ１２及び端子１６によりキャビティ１２ａ内に封止されている。キャビティ１２ａの深さＤ１は例えば５μｍである。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、キャップ１２は基板１０を覆い、ＩＤＴ１４を完全に囲む。

0028

図１（ａ）に示すように、キャップ１２のパッド１８と重なる位置に、キャップ１２を厚さ方向に貫通し、キャビティ１２ａに接続する貫通孔１２ｂが設けられている。貫通孔１２ｂはキャップ１２の上面からキャビティ１２ａに向けて細くなるようなテーパー形状を有する。貫通孔１２ｂのキャップ１２上面側の径Ｒ１は例えば１５０μｍ、下面側の径Ｒ２は例えば８０μｍである。キャップ１２の上面の貫通孔１２ｂを囲む領域から、貫通孔１２ｂの内壁、及びキャップ１２の下面の貫通孔１２ｂを囲む領域にかけて、金属層２０が連続的に設けられている。

0029

端子１６はパッド１８と電気的に接続され、ＩＤＴ１４とは離間している。端子１６はキャビティ１２ａの内側から、貫通孔１２ｂを通じ、キャップ１２の上面の外へ引き出されている。また端子１６は、金属層２０に接合されており、貫通孔１２ｂを充填している。端子１６の表面にはメッキ層２２が設けられている。図１（ｂ）に示すように、６個の端子１６がキャップの上面から弾性波デバイス１００の外部に露出する。端子１６は、弾性波デバイス１００と外部とを接続する外部端子として機能する。

0030

端子１６を通じてＩＤＴ１４に電圧を印加することで、ＩＤＴ１４は弾性波を励振する。ＩＤＴ１４はキャビティ１２ａに露出するため、ＩＤＴ１４による弾性波の励振は妨げられない。なおＩＤＴ１４の両側には、弾性波をＩＤＴ１４に向けて反射する反射器を設けてもよい。

0031

基板１０は例えば厚さ１８０μｍのタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの圧電体により形成された圧電基板である。キャップ１２は、例えばＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３などの圧電体により形成されている。圧電体のキャップ１２でＩＤＴ１４を封止するため、樹脂封止の場合より気密性が高くなる。気密封止により水分及び異物の浸入が抑制され、ＩＤＴ１４の腐食、クラックの発生などが抑制される。基板１０及びキャップ１２の両方が圧電体からなるため、基板１０及びキャップ１２の熱膨張係数が近くなり、温度変化時の応力を抑制することができる。特に基板１０及びキャップ１２の両方を同じ材料で形成することで、応力を大きく抑制することができる。

0032

後述するようにパッド１８には溶融した半田が濡れ広がる。半田の濡れ広がる面積を大きくし接合強度を高めるために、パッド１８はある程度の厚さを有することが好ましい。パッド１８は、例えば基板１０に近い方から厚さ３μｍのニッケル（Ｎｉ）及び厚さ０．０４μｍの金（Ａｕ）を積層して形成されている。端子１６は例えば錫及び銀（Ｓｎ−Ａｇ）を主成分とする半田により形成されている。金属層２０は例えばＡｕなどの金属により形成されている。パッド１８及び金属層２０の表面は、上記のようにＡｕなど、半田に対する濡れ性の良好な材料とすることが好ましい。これにより、端子１６がパッド１８及び金属層２０に濡れ広がりやすく、端子１６とパッド１８との電気的な接続が安定して行われる。また端子１６が貫通孔１２ｂを充填するため、キャビティ１２ａが密封され、気密性が高くなる。メッキ層２２は例えば銅（Ｃｕ）などの金属により形成されている。メッキ層２２が端子１６を覆うため、弾性波デバイス１００を外部の基板に実装する際に端子１６の半田が流出することが抑制される。ＩＤＴ１４は例えばアルミニウム（Ａｌ）などの金属により形成されている。

0033

弾性波デバイス１００の製造方法について説明する。図２（ａ）から図２（ｃ）は弾性波デバイス１００の製造方法のうち基板１０の加工を例示する断面図である。図３（ａ）から図３（ｄ）は弾性波デバイス１００の製造方法のうちキャップ１２の加工を例示する断面図である。図４（ａ）から図５（ｂ）は弾性波デバイス１００の製造方法のうち基板１０とキャップ１２とを接合した後の工程を例示する断面図である。

0034

図２（ａ）に示すように、ウェハ状態の基板１０を用意する。図２（ｂ）に示すように、例えば蒸着・リフトオフ法により基板１０の上面にＩＤＴ１４を形成する。図２（ｃ）に示すように、例えば蒸着・リフトオフ法により基板１０の上面にパッド１８を形成する。基板１０のキャップ１２と接合する面は鏡面になっている。

0035

図３（ａ）に示すように、ウェハ状態のキャップ１２を用意する。図３（ｂ）に示すように、例えばサンドブラスト法、レーザー光、またはエッチング処理により、キャップ１２の下面にキャビティ１２ａを形成する。キャップ１２の基板１０と接合する部分は鏡面になっている。図３（ｃ）に示すように、レーザー光またはサンドブラスト法により、キャップ１２の上面からキャビティ１２ａまで貫通するテーパー形状の貫通孔１２ｂを形成する。図３（ｄ）に示すように、例えばメッキ処理により金属層２０を形成する。

0036

図４（ａ）に示すように、キャビティ１２ａがＩＤＴ１４と重なり、かつ貫通孔１２ｂがパッド１８と重なるようにキャップ１２を基板１０の上面に常温接合する。図４（ｂ）に示すように半田ボール１７を設け、図５（ａ）に示すように、半田ボール１７を溶融させることで端子１６を形成する。さらに図５（ｂ）に示すように、端子１６を覆うメッキ層２２を形成する。拡大図も参照し、端子１６の形成について詳しく説明する。

0037

図６（ａ）から図７（ｂ）は貫通孔１２ｂ付近を拡大した断面図である。図４（ａ）及び図６（ａ）に示すように、貫通孔１２ｂのキャップ１２の上面側、下面側、及び内壁に金属層２０が設けられている。図４（ｂ）及び図６（ｂ）に示すように、貫通孔１２ｂの上に半田ボール１７を配置する。半田ボール１７の直径は貫通孔１２ｂのキャップ１２上面側の径より大きいため、半田ボール１７は貫通孔１２ｂから下に落下せず、キャップ１２の上に保持される。図５（ａ）及び図７（ａ）に示すように、例えばリフロー処理またはレーザー光の照射により、半田ボール１７を溶融させる。溶融した半田ボール１７が金属層２０に濡れ広がり、貫通孔１２ｂを通じてキャビティ１２ａ内に入り込み、パッド１８に濡れ広がる。これにより、端子１６が形成される。図５（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、例えばメッキ法により端子１６の表面を覆うメッキ層２２を形成する。

0038

溶融した半田が金属層２０からパッド１８にかけて濡れ広がるため、半田とパッド１８との電気的な接続が確保される。金属層２０はＩＤＴ１４と厚さ方向において重なる位置には設けられていないため、半田がＩＤＴ１４側に広がることが抑制され、短絡が発生し難い。貫通孔１２ｂがテーパー形状を有するため、溶融した半田が貫通孔１２ｂを通り、パッド１８に向けて流れやすくなる。端子１６とパッド１８との接続が確保される。また貫通孔１２ｂが端子１６により塞がれるため、ＩＤＴ１４が気密封止される。

0039

図８はウェハ状態の弾性波デバイス１００を例示する平面図である。図３（ａ）から図７（ｂ）に示した工程により、図８に示すように基板１０及びキャップ１２は共にウェハ状態のまま接合され、端子１６がキャップ１２から露出する。基板１０及びキャップ１２にダイシング処理を行うことにより、個片化された弾性波デバイス１００が形成される。

0040

キャップ１２をサファイアにより形成してもよい。サファイアの熱伝導率は樹脂より高いため、弾性波デバイス１００の放熱性が高くなる。サファイアの熱膨張係数は小さく、ヤング率は大きい。このため基板１０の膨張が抑制される。キャップ１２を圧電体及びサファイアなど無機絶縁体により形成することで、気密性を高め、かつ弾性波デバイス１００の温度特性を改善することができる。

0041

実施例１の変形例について説明する。図９は実施例１の変形例に係る弾性波デバイス１１０を例示する断面図である。図９に示すように、基板１１を圧電基板３０と、圧電基板３０の下面に貼り付けられたサファイア基板３２とにより形成する。圧電基板３０の厚さは２０μｍ、サファイア基板３２の厚さは１３０μｍキャップ１２をサファイアで形成する。キャップ１２及びサファイア基板３２が高い熱伝導性を有するため、弾性波デバイス１１０の放熱性が高くなる。基板１１はサファイア基板３２を含み、キャップ１２はサファイアからなるため、基板１１の熱膨張係数がキャップ１２の熱膨張係数と近くなる。従って、温度変化時の応力を抑制することができる。

0042

実施例２はパッド１８が柱状の例である。図１０は実施例２に係る弾性波デバイス２００を例示する断面図である。

0043

図１０に示すように、パッド１８は基板１０の上面から上方向に突出する突起１８ａを含む。突起１８ａの高さＨ１は例えば１０μｍであり、突起１８ａの上面はキャップ１２の下面より上に位置し、貫通孔１２ｂの内側に到達する。端子１６は突起１８ａ、パッド１８及び金属層２０に濡れ広がり、突起１８ａの上面及び側面を覆う。他の構成は弾性波デバイス１００と同じである。

0044

弾性波デバイス２００の製造方法について説明する。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は弾性波デバイス２００の製造方法を例示する断面図である。基板１０の上面にＩＤＴ１４を形成する（図２（ｂ）参照）。図１１（ａ）に示すように、さらにパッド１８を基板１０の上面に形成する。キャップ１２を図３（ａ）から図３（ｄ）に示した工程により加工する。図１１（ｂ）に示すように、貫通孔１２ｂに突起１８ａを挿入することで、キャップ１２の位置合わせを行う。基板１０とキャップ１２とを常温接合する。

0045

端子１６の形成については拡大を参照して説明する。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は貫通孔１２ｂ付近を拡大した断面図である。図１２（ａ）に示すように、貫通孔１２ｂの上に半田ボール１７を配置する。図１２（ｂ）に示すように、溶融された半田ボール１７は突起１８ａの上面及び側面を覆うように濡れ広がる。これにより端子１６が形成される。これ以降の工程は実施例１において説明した工程と同じである。

0046

実施例２によれば、突起１８ａを貫通孔１２ｂに挿入することで、基板１０とキャップ１２との位置合わせの精度が高くなる。突起１８ａの上面から側面にかけて半田が濡れ広がる。半田との接触面積が大きくなるため、端子１６とパッド１８との接合が強固になる。また半田の体積を少なくすることができるため、低コスト化が可能となり、かつ半田がＩＤＴ１４まで広がることが抑制される。突起１８ａの高さは変更可能である。貫通孔１２ｂの内部に達しない突起１８ａを用いても半田との接合強度を高めることができる。上記のように精度の高い位置合わせのため、突起１８ａは貫通孔１２ｂの内部に配置されることが好ましい。なお、例えば弾性境界波デバイスに実施例１及び２を適用してもよい。

0047

実施例３はＦＢＡＲを用いた弾性波デバイスの例である。図１３（ａ）は実施例３に係る弾性波デバイス３００を例示する断面図である。図１３（ｂ）はＦＢＡＲ４０を拡大した断面図である。

0048

図１３（ａ）に示すように、キャビティ１２ａ内にＦＢＡＲ４０が封止されている。図１３（ｂ）に示すように、ＦＢＡＲ４０は下部電極４２、圧電薄膜４４及び上部電極４６を備える。基板１０の上に下部電極４２、下部電極４２の上に圧電薄膜４４、圧電薄膜４４の上に上部電極４６が積層されている。下部電極４２と基板１０の上面との間にはドーム状の空隙４８が形成され、下部電極４２は空隙４８に露出している。下部電極４２、圧電薄膜４４及び上部電極４６が厚さ方向に重なる共振領域４９が弾性波を励振する機能部である。圧電薄膜４４の開口部４４ａから露出する下部電極４２の一部は、電気信号を取り出すための端子部として機能する。図１３（ａ）に示した端子１６は、開口部４４ａから露出する下部電極４２の一部、及び上部電極４６に接続される。

0049

基板１０は例えばシリコン（Ｓｉ）などの無機絶縁体により形成されている。図１３（ａ）に示したキャップ１２は、基板１０と同じくＳｉで形成することができる。基板１０とキャップ１２の両方がＳｉで形成されることで、基板１０の熱膨張係数がキャップ１２の熱膨張係数と近くなり、温度変化による応力が抑制される。基板１０及びキャップ１２の電気抵抗が小さいと、端子１６から基板１０及びキャップ１２に電流が流れ、信号の損失が大きくなる。電流を抑制するために、基板１０及びキャップ１２を例えば１ｋΩ・ｃｍ以上の高い抵抗を有するＳｉで形成することが好ましい。キャップ１２を低抵抗のＳｉで形成し、かつ貫通孔１２ｂの内壁と金属層２０との間に絶縁層（不図示）を設けてもよい。キャップ１２に流れる電流を抑制することができる。またキャップ１２をガラスなどで形成してもよい。Ｓｉで形成された基板１０とガラスで形成されたキャップ１２とは、陽極接合で接合することができる。

0050

下部電極４２と上部電極４６とは、例えば厚さが２５０ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）により形成されている。圧電薄膜４４は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧電体により形成されている。

0051

実施例４は弾性波デバイス１００を備えるモジュールの例である。図１４は実施例４に係るモジュール４００を例示する断面図である。図１４に示すように、モジュール４００は、弾性波デバイス１００、実装基板５０、及びチップ部品７０を備える。

0052

実装基板５０は積層基板であり、絶縁層５１〜５６と導体層６０〜６６が交互に積層して形成されている。導体層間は、各絶縁層を貫通するビア配線６７により電気的に接続されている。なお、複数のビア配線６７の一部に符号を付した。

0053

弾性波デバイス１００は実装基板５０に実装されており、端子１６が導体層６６に含まれるパッドに接合されている。図１（ａ）に示したように端子１６がキャップ１２の上面から突出しているため、図１４のようなフリップチップ実装を容易に行うことができる。チップ部品７０は半田７２を用いて、導体層６６に含まれるパッドに電気的に接続されている。導体層６０は実装基板５０を外部の機器と接続するために用いられる。

0054

複数のチップ部品７０はそれぞれ、インダクタ及びキャパシタなどの受動部品であり、不図示のアンテナと弾性波デバイス１００との間のインピーダンスを整合させる。弾性波デバイス１００は例えば受信フィルタ及び送信フィルタとして機能する。実装基板５０には複数の弾性波デバイス１００を実装してもよい。複数の弾性波デバイス１００がデュプレクサとして機能する。絶縁層５１〜５６は、例えばガラスエポキシ樹脂などの樹脂、またはセラミックなどの絶縁体により形成されている。導体層６１〜６６及びビア配線６７は例えばＣｕなどの金属により形成されている。

0055

実施例５はモジュールの別の例である。図１５は実施例５に係るモジュール５００を例示する断面図である。図１５に示すように、弾性波デバイス１００は、実装基板４１の内部に埋め込まれている。このため、水分及び異物などが弾性波デバイス１００により浸入し難くなる。弾性波デバイス１００の端子１６はビア配線５７に接続されている。図１（ａ）に示したように端子１６がキャップ１２の上面から突出しているため、図１５のように端子１６とビア配線６７との接続を簡単に行うことができる。なお、実施例４及び５において、弾性波デバイス１１０、２００及び３００を実装してもよい。

0056

１０、１１基板
１２キャップ
１２ａキャビティ
１２ｂ貫通孔
１４ ＩＤＴ
１６端子
１８パッド
１８ａ突起
２０金属層
４０ ＦＢＡＲ
４９共振領域
１００、１１０、２００、３００弾性波デバイス
４００、５００ モジュール