特許 7461810 圧電デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-27

(45)【発行日】2024-04-04

(54)【発明の名称】圧電デバイス

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/25 20060101AFI20240328BHJP

【ＦＩ】

H03H9/25 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020111420

(22)【出願日】2020-06-29

(65)【公開番号】P2022010717

(43)【公開日】2022-01-17

【審査請求日】2023-01-16

(73)【特許権者】

【識別番号】320009163

【氏名又は名称】ＮＤＫ ＳＡＷ ｄｅｖｉｃｅｓ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002756

【氏名又は名称】弁理士法人弥生特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石川 貴大

【審査官】▲高▼橋 徳浩

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１２／０８１２４０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－３５２４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１２３０２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｈ３／００７－Ｈ０３Ｈ３／１０

Ｈ０３Ｈ９／００－Ｈ０３Ｈ９／７６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電基板と、
前記圧電基板に形成された圧電素子と、
前記圧電素子を囲むように前記圧電基板に設けられた囲壁と、前記圧電基板に対向する区画用対向部と、を備え、前記圧電素子が臨む中空領域を形成する非導電性の区画部と、
前記圧電素子から前記囲壁の下方を介して前記圧電基板の周縁へ向けて形成される導電パターンと、
前記導電パターンと接続されるように前記圧電基板に対向する対向面を備え、前記中空領域の外側において前記囲壁から前記区画用対向部に亘って形成される配線部と、
前記導電パターンにおける前記囲壁の外側に設けられる部位であり、前記対向面よりも前記中空領域とは反対側における前記圧電基板の周縁側に突出する接続用端部と、
を備え、
前記区画部の囲壁と前記導電パターンとの間には非導電性の薄層が介在し、
前記配線部は前記囲壁に沿って前記圧電基板側から前記区画用対向部側へ向けて形成された脚部と、当該脚部における前記圧電基板側から当該圧電基板の周縁部へ向けて突出することで前記対向面を形成する支持部と、を備え、
前記薄層の端が、前記脚部の外面よりも前記中空領域寄りに位置する圧電デバイス。

【請求項2】

前記薄層は、前記圧電基板においてその周縁部から前記囲壁に重なる領域に亘って形成され、且つ前記対向面と前記接続用端部とを接続するための開口部を備え、
前記薄層の端は、当該開口部における前記中空領域側の口縁である請求項１記載の圧電デバイス。

【請求項3】

前記開口部は、前記接続用端部の周縁と重ならない請求項２記載の圧電デバイス。

【請求項4】

前記圧電素子はＩＤＴ電極からなる弾性表面波素子である請求項１ないし３のいずれか一つに記載の圧電デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電基板に圧電素子が形成された圧電デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

圧電基板に圧電素子が形成された圧電デバイスとして、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave:弾性表面波）デバイスが知られている。そして、圧電デバイスとしては小型化が図られており、ウエハの状態で配線等を形成した後にダイシングを行うことでパッケージとして形成されるＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）と呼ばれるフリップチップ構造が採用される場合が有る。例えば特許文献１においては、このＷＬＣＳＰであるＳＡＷデバイスについて示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－６６９８９

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ＷＬＣＳＰのＳＡＷデバイスについて、発明の実施の形態にて比較例として示すように、配線間の接続箇所にて比較的強い熱応力が加わる場合が有る。その熱応力によって、デバイスが破損してしまう懸念が有る。

【0005】

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱応力が抑えられることで信頼性が高い圧電デバイスを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の圧電デバイスは、圧電基板と、
前記圧電基板に形成された圧電素子と、
前記圧電素子を囲むように前記圧電基板に設けられた囲壁と、前記圧電基板に対向する区画用対向部と、を備え、前記圧電素子が臨む中空領域を形成する非導電性の区画部と、
前記圧電素子から前記囲壁の下方を介して前記圧電基板の周縁へ向けて形成される導電パターンと、
前記導電パターンと接続されるように前記圧電基板に対向する対向面を備え、前記中空領域の外側において前記囲壁から前記区画用対向部に亘って形成される配線部と、
前記導電パターンにおける前記囲壁の外側に設けられる部位であり、前記対向面よりも前記中空領域とは反対側における前記圧電基板の周縁側に突出する接続用端部と、
を備え、
前記区画部の囲壁と前記導電パターンとの間には非導電性の薄層が介在し、
前記配線部は前記囲壁に沿って前記圧電基板側から前記区画用対向部側へ向けて形成された脚部と、当該脚部における前記圧電基板側から当該圧電基板の周縁部へ向けて突出することで前記対向面を形成する支持部と、を備え、
前記薄層の端が、前記脚部の外面よりも前記中空領域寄りに位置する。

【発明の効果】

【0007】

本発明の圧電デバイスによれば、圧電素子が格納される中空領域を形成する区画部の側壁に形成される配線部と、圧電素子から圧電基板の周縁部へ向けて形成される導電パターンとの接続箇所において熱応力が抑制される。その結果として、当該熱応力による圧電デバイスの破損を防ぎ、当該圧電デバイスの信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第１の実施形態に係るＳＡＷデバイスの縦断正面図である。

【図2】前記ＳＡＷデバイスの配線の接続部を示す縦断正面図である。

【図3】前記ＳＡＷデバイスを構成する圧電基板の概略平面図である。

【図4】前記ＳＡＷデバイスを構成する樹脂膜を示す横断平面図である。

【図5】比較例に係るＳＡＷデバイスの配線の接続部を示す縦断正面図である。

【図6】前記比較例に係るＳＡＷデバイスの樹脂膜の平面図である。

【図7】前記比較例に係るＳＡＷデバイスについての評価試験の結果を示す模式図である。

【図8】前記第１の実施形態についての評価試験の結果を示す模式図である。

【図9】本発明の第２の実施形態に係るＳＡＷデバイスの配線の接続部を示す縦断正面図である。

【図10】前記第２の実施形態についての評価試験の結果を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスであるＳＡＷ（Surface Acoustic Wave:弾性表面波）デバイス１について、図１、図２の縦断正面図を参照しながら説明する。図２は、図１の一部を拡大して示している。ＳＡＷデバイス１はＷＬＣＳＰ型のＳＡＷデバイスであり、フリップチップ実装により実装基板に搭載される。ＳＡＷデバイス１は角型の圧電基板１１を備えている。

【0010】

以降、ＳＡＷデバイス１について、当該実装基板への接続側（＝圧電基板１１の表面側）を上側として説明する。図１、図２においても当該接続側が上側になるように示している。また、圧電基板１１の長辺、短辺に夫々沿った方向を夫々前後方向、左右方向と記載する場合が有る。なお、デバイスの構成の説明の便宜上、このように各方向を定義するが、ＳＡＷデバイス１はどのような向きで使用されてもよい。

【0011】

圧電基板１１は、例えばタンタル酸リチウムなどの圧電材料により構成されている。圧電基板１１の表面には、圧電素子としてＩＤＴ（Interdigital Transducer）電極及び反射器を備えたＳＡＷフィルタ１２が形成されている。圧電基板１１の表面を概略的に示した平面図である図３も参照すると、弾性表面波素子であるＳＡＷフィルタ１２を構成するＩＤＴ電極から、圧電基板１１の周縁部へ向かうように、例えばアルミニウム膜である下側導電パターン１３が６つ形成されている。６つの下側導電パターン１３のうちの３つはＳＡＷフィルタ１２の左側から圧電基板１１の左側端部へ、他の３つはＳＡＷフィルタ１２の圧電基板１１の右側端部へ向けて、夫々伸びている。

【0012】

各下側導電パターン１３上にはデバイスの配線抵抗値を低減させるために、アルミニウム膜である上側導電パターン１４が積層されている。上側導電パターン１４は、ＳＡＷフィルタ１２の近傍から下側導電パターン１３よりも圧電基板１１の端寄りの位置に亘って形成されている。これらの上側導電パターン１４及び下側導電パターン１３については、まとめて導電パターン１５として示す場合が有る。

【0013】

そして圧電基板１１の周縁部は樹脂膜２１によって被覆されており、従って、上記の導電パターン１５において圧電基板１１の周縁部寄りに形成された部位は、当該樹脂膜２１に被覆されている。非導電性の薄層である樹脂膜２１は、導電パターン１５と後述する囲壁３２とを接着する役割をなすと共に、ＳＡＷデバイス１の製造時のダイシングのために圧電基板１１の周縁に形成される金属性のパターン（不図示）について、不要な露出を防止する役割を有する。

【0014】

以降、樹脂膜２１の表面を示した平面図である図４も参照しながら説明する。なお、図４では当該樹脂膜２１の表面に、上記の図３では導電パターン１５の表面に、夫々多数のドットを付して示している。樹脂膜２１は、２×３の行列状（左右方向に２個、前後方向に３個）に並んだ矩形状の開口部２２を備えており、図４ではそのうちの一つを示している。より具体的には、図３の左下に示す導電パターン１５に対応する開口部２２を示している。各開口部２２は上記の導電パターン１５に重なり、開口部２２の各辺の向きは圧電基板１１の各辺の向きに対して揃っている。

【0015】

また圧電基板１１上には非導電性部材、例えば樹脂からなる区画部３１が設けられており、当該区画部３１は囲壁３２と、天井板３３とを備える。囲壁３２は圧電基板１１の周に沿ってＳＡＷフィルタ１２を囲み、既述した樹脂膜２１の内周側に重なるように設けられている。従って、当該樹脂膜２１については圧電基板１１においてその周縁部から囲壁３２に重なる領域に亘って形成されている。なお、上記の樹脂膜２１における各開口部２２は、この囲壁３２から離れて圧電基板１１の周縁部寄りに設けられている。

【0016】

区画部３１の説明に戻ると、囲壁３２と圧電基板１１によって囲まれる領域を上から塞ぐように、圧電基板１１に対向する区画用対向部である天井板３３が設けられており、囲壁３２の上面に支持されている。囲壁３２、圧電基板１１及び天井板３３により、ＳＡＷフィルタ１２が臨むと共にデバイスの外部から区画された中空領域３５が形成されている。天井板３３の側周は、囲壁３２の側周よりも圧電基板１１の中心寄りに位置し、天井板３３及び囲壁３２により段が形成されている。

【0017】

上記の樹脂膜２１上から、囲壁３２の表面及び天井板３３の表面に沿って天井板３３上に向けて伸びるように、例えば銅によって構成される金属膜である配線部４１が設けられている。上記の囲壁３２と天井板３３とがなす段に沿うことで、配線部４１は階段状に形成されている。この配線部４１において、囲壁３２の側周面に沿って設けられた部位を脚部４２とし、この脚部４２の下端部から圧電基板１１の周縁に向けて伸びる部位を支持部４３とする。この支持部４３の下面を４４として示しており、当該下面４４は、圧電基板１１に対向する対向面をなす。

【0018】

配線部４１は６つ設けられており、各配線部４１の下面４４が開口部２２上に位置し、この開口部２２を介して導電パターン１５に対して電気的に接続される。そして天井板３３上において、各配線部４１上には、実装基板への実装用のはんだボール４５が設けられている。つまりＳＡＷデバイス１には、開口部２２、配線部４１、導電パターン１５、はんだボール４５の組が６つ設けられており、図示は省略するが配線部４１及びはんだボール４５については樹脂膜２１の開口部２２と同様に、平面視２×３の行列状に配置されている。

【0019】

そして以上のような構成により、ＳＡＷデバイス１とはんだボール４５とが、導電パターン１５及び配線部４１を介して電気的に接続されている。また、圧電基板１１の周縁部上には、溶融したはんだボール４５が配線部４１に沿って流れることを防止するための樹脂層４６が設けられている。当該樹脂層４６は区画部３１を囲うように形成されることで配線部４１のうち、天井板３３上に形成された部位以外の部位を被覆する。

【0020】

続いて樹脂膜２１の開口部２２、配線部４１及び導電パターン１５の位置関係について、さらに詳しく説明する。説明にあたり、導電パターン１５において囲壁３２よりも圧電基板１１の周縁側に突出して形成された部位を接続用端部１６とする。接続用端部１６は矩形状であり、その各辺が圧電基板１１の各辺に揃うように形成されている。また、樹脂膜２１の開口部２２の口縁について、中空領域３５側の部位を中空領域側口縁２２Ａ、中空領域３５とは反対側における圧電基板１１の周縁側の部位を基板周縁側口縁２２Ｂとして述べる場合が有る。なお、上記のように開口部２２、配線部４１及び導電パターン１５の組は６つ設けられるが、６つとも同様の位置関係である。

【0021】

同じ組をなす導電パターン１５の接続用端部１６及び配線部４１の下面４４について見ると、接続用端部１６は下面４４よりも、中空領域３５とは反対側の圧電基板１１の周縁側に向けて突出している。つまり左右方向において下面４４の端と接続用端部１６との端との位置はずれており、このずれの大きさＷ１（図２、図３参照）は、例えば１μｍ～４μｍであり、より具体的には例えば２．５μｍである。なお、前後の幅について比べると、配線部４１の下面４４の幅の方が導電パターン１５の接続用端部１６の幅よりも若干大きい。

【0022】

また、平面視、開口部２２については配線部４１の下面４４及び接続用端部１６よりも小さく形成されており、図４に示すように、当該開口部２２の周縁は当該下面４４の周縁及び接続用端部１６の周縁に囲まれている。つまり開口部２２は、下面４４の周縁及び接続用端部１６の周縁に重ならないように形成されている。

【0023】

ここで、比較例のＳＡＷデバイスの配線構造について説明する。この比較例については、以下に述べる差異点を除いて、発明の実施例である既述のＳＡＷデバイス１と同様の構成である。図５は比較例のＳＡＷデバイスの縦断正面図であり、図６は当該比較例における樹脂膜２１の上面を示す平面図である。

【0024】

比較例における導電パターン１５の接続用端部１６について、前後、左右の幅が、実施例における接続用端部１６の前後、左右の幅よりも夫々小さい。そのように左右の幅が小さいことで、開口部２２の基板周縁側口縁２２Ｂと、接続用端部１６の端との位置が揃っている。また、前後方向における開口部２２の端の位置と接続用端部１６の端の位置とについても揃っている。従って、ＳＡＷデバイス１と比較例のＳＡＷデバイスとの関係を端的に述べると、比較例における接続用端部１６を前後方向及び左右方向における圧電基板１１の周縁に向けて拡張させ、拡張された分を樹脂膜２１の開口部２２の口縁部下方に潜り込ませたものが、ＳＡＷデバイス１の構成となる。そのように接続用端部１６が広げられているため、上記したように開口部２２は接続用端部１６の周縁とは重なっていない。

【0025】

図７は、シミュレーションによる実験によって取得された、温度変化が生じたときの比較例のＳＡＷデバイスの導電パターン１５におけるミーゼスの応力の分布を示したものである。なお実際に実験で取得されたコンター図は、カラーのグラデーションで応力の分布を表示するものであるが、図７では図示の便宜上、応力範囲に応じた等高線を引き、等高線で囲まれた領域にその領域の圧力範囲に対応する模様を付すことで、応力分布の概要を示している。

【0026】

この図７に示すように比較例では導電パターン１５の接続用端部１６について、開口部２２に重なる領域、即ち配線部４１の下面４４との接続領域に比較的高い応力が加わっている。より詳しく述べると当該接続領域の周縁部、特に前方側の端部及び後方側の端部における応力が高かった。このように接続用端部１６に比較的高い応力が加わると、接続用端部１６が設けられる圧電基板１１の破損を招くおそれが有る。

【0027】

図８はＳＡＷデバイス１について、比較例のＳＡＷデバイスで行ったシミュレーションと同様のシミュレーションを行って得た試験結果を、図７と同様に表した応力分布の概要図である。この図８から分かるように比較例に比べるとＳＡＷデバイス１では、上記の接続領域についての前後方向の端部の応力に関して周囲への分散がなされており、当該端部の応力について緩和されている。従って、接続領域の縁（開口部２２の縁）と接続用端部１６の縁とが離れることで応力分布が改善された。さらに述べるとこの応力分布の改善は、いわば柱をなす配線部４１の下面４４の面積に対して土台をなす接続用端部１６の面積が大きくなったことで、配線部４１の安定性が増したことによると考えられる。

【0028】

上記した導電パターン１５の接続用端部１６が配線部４１の下面４４よりも周縁側に向けて突出するように構成することは、下面４４の面積に対して当該接続用端部１６の面積を増大させ、応力分布を改善することに寄与している。以上に述べたように、ＳＡＷデバイス１では温度変化時に過度な応力が接続用端部１６に加わることが抑制される。より具体的に述べると、例えば＋２５℃を基準にしてデバイスの温度が上昇あるいは低下すると熱応力が生じる。そして、周囲環境について高温、低温のサイクルが繰り返される状態となったり、デバイスに熱衝撃が加えられたりしたときに、そのような熱応力が生じるが、ＳＡＷデバイス１では比較例に比べて、接続用端部１６におけるこの熱応力が緩和されるので、信頼性が高い。

【0029】

続いて、第２の実施形態のＳＡＷデバイス１Ａについて、ＳＡＷデバイス１との差異点を説明する。図９は当該ＳＡＷデバイス１Ａの縦断正面図である。ＳＡＷデバイス１Ａでは樹脂膜２１の開口部２２について、中空領域３５側に向けて拡大されている。そのように開口部２２が広げられることで、当該開口部２２を形成する中空領域側口縁２２Ａの位置（図９中Ｌ１）は、配線部４１の脚部４２における外面の位置（図９中Ｌ２）よりも、中空領域３５寄りに位置する。例えばＬ１とＬ２との間隔Ｗ２は１μｍ～１０μｍであり、より具体的には例えば５μｍである。

【0030】

図１０はＳＡＷデバイス１Ａについて、比較例のＳＡＷデバイスで行ったシミュレーションと同様のシミュレーションを行って得た試験結果を、図７と同様に表した応力分布の概要図である。ＳＡＷデバイス１の試験結果である図８と比べると、図８では接続用端部１６における中空領域側口縁２２Ａが位置する付近に、前後に帯状に伸びるように応力が若干高い領域が存在している。しかしこの図１０に示すようにＳＡＷデバイス１Ａでは、接続用端部１６においてそのようにＳＡＷデバイス１で若干応力が高くなった領域の応力が周囲に分散されることで緩和されている。そしてＳＡＷデバイス１Ａにおいて中空領域側口縁２２Ａが位置する付近の応力は比較的低い

【0031】

このように比較例の試験結果に対して、ＳＡＷデバイス１ＡではＳＡＷデバイス１よりもさらなる応力の分散、緩和が見られた。また、最も高い応力が加わった箇所の応力についてＳＡＷデバイス１ＡとＳＡＷデバイス１とを比べると、ＳＡＷデバイス１Ａの応力の方が低く、ＳＡＷデバイス１Ａについては熱応力に対する配線の信頼性がより高いことが示された。

【0032】

なお、開口部２２の中空領域側口縁２２Ａについて、図９に示した位置よりもさらに囲壁３２寄りにすることで開口部２２を広げ、導電パターン１５の接続用端部１６と配線部４１の下面４４との接続領域の面積を増加させ、さらなる応力の緩和を図ることも考えられる。しかし、デバイスの製造誤差を考慮して、囲壁３２と導電パターン１５との接着が確実になされるように、当該中空領域側口縁２２Ａについては既述の各例のように囲壁３２から圧電基板１１の周縁側に離れた位置とすることが好ましい。

【0033】

例えば圧電デバイスとしてＳＡＷデバイスを例示したが、本発明の圧電デバイスはＳＡＷデバイスには限られず、水晶発振器やＭＥＭＳ共振器など、各種のデバイスに適用することが可能である。なお、今回開示された実施形態は、全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。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更、組み合わせが行われてもよい。

【符号の説明】

【0034】

１ ＳＡＷデバイス
１１ 圧電基板
１２ ＳＡＷフィルタ
１５ 導電パターン
１６ 接続用端部
３１ 区画部
３５ 中空領域
４１ 配線部
４４ 下面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】