特許 7601108 弾性波装置

(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】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】弾性波装置

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/25 20060101AFI20241210BHJP

   H03H 9/145 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

H03H9/25 C

H03H9/25 A

H03H9/145 D

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2022555499

(86)(22)【出願日】2021-10-05

(86)【国際出願番号】 JP2021036793

(87)【国際公開番号】W WO2022075311

(87)【国際公開日】2022-04-14

【審査請求日】2023-03-03

(31)【優先権主張番号】P 2020171184

(32)【優先日】2020-10-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】林 泰伸

(72)【発明者】

【氏名】山崎 直

【審査官】石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／２０８４２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０４４２０３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｈ ９／１４５－９／７６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持基板と、
前記支持基板上に配置された圧電層と、
前記圧電層上に配置された機能素子とを備え、
前記支持基板の法線方向から平面視した場合に、前記支持基板および前記圧電層は略矩形状を有しており、
前記圧電層の角部の少なくとも１つは外に凸の曲線状または多角形状になっている、弾性波装置。

【請求項2】

前記圧電層上に設けられ、前記機能素子に接続される電極パッドをさらに備え、
前記支持基板の法線方向から平面視した場合に、前記電極パッドにおいて前記圧電層の角部に面する部分は、曲線状または多角形状になっている、請求項１に記載の弾性波装置。

【請求項3】

前記支持基板の法線方向から平面視した場合に、前記圧電層は前記支持基板の外形よりも内側に配置されている、請求項１または請求項２に記載の弾性波装置。

【請求項4】

前記支持基板の法線方向から平面視した場合に、前記支持基板の外形と前記圧電層の外形との間に設けられる樹脂層をさらに備える、請求項３に記載の弾性波装置。

【請求項5】

前記圧電層と前記支持基板との間に配置された中間層をさらに備える、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の弾性波装置。

【請求項6】

前記中間層は、前記支持基板上に配置され、前記圧電層に伝搬するバルク波の速度よりも低速の弾性バルク波を伝搬する低音速層を含む、請求項５に記載の弾性波装置。

【請求項7】

前記中間層は、前記支持基板上に配置され、前記圧電層に伝搬する弾性波の速度よりも高速の弾性バルク波を伝搬する高音速層を含む、請求項５に記載の弾性波装置。

【請求項8】

前記中間層は、前記高音速層と前記圧電層との間に配置され、前記圧電層に伝搬するバルク波の速度よりも低速の弾性バルク波を伝搬する低音速層をさらに含む、請求項７に記載の弾性波装置。

【請求項9】

前記中間層は、略矩形状を有しており、
前記中間層の角部の少なくとも１つは、曲線状または多角形状になっている、請求項５～請求項８のいずれか１項に記載の弾性波装置。

【請求項10】

支持体と、
前記支持体によって支持されるカバー部とをさらに備え、
前記機能素子は、前記支持体と前記カバー部によって構成される空間内に設けられる、請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の弾性波装置。

【請求項11】

前記機能素子は、弾性表面波素子を含む、請求項１～請求項１０のいずれか１項に記載の弾性波装置。

【請求項12】

前記支持基板は、シリコンを含む、請求項１～請求項１１のいずれか１項に記載の弾性波装置。

【請求項13】

支持基板と、
前記支持基板上に配置された圧電層と、
前記圧電層上に配置された機能素子と、
前記圧電層上に設けられ、前記機能素子に接続される電極パッドとを備え、
前記支持基板の法線方向から平面視した場合に、
前記支持基板および前記圧電層は略矩形状を有しており、
前記圧電層の角部の少なくとも１つは曲線状または多角形状になっており、
前記電極パッドにおいて前記圧電層の角部に面する部分は、曲線状または多角形状になっている、弾性波装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、弾性波装置に関し、より特定的には、ＷＬＰ（Wafer Level Package）構造あるいはＣＳＰ（Chip Size Package）構造を有する弾性波装置における圧電層の剥離を抑制するための技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、携帯電話およびスマートフォンに代表される携帯端末などの通信装置においては、複数の周波数帯域の高周波信号を用いた通信が行なわれている。複数の周波数帯域の信号を処理する場合には、各周波数帯域の信号を選択的に通過させるためのフィルタが用いられる。

【0003】

このようなフィルタとして、たとえば、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）共振子を用いたフィルタが知られている。国際公開第２０１５／０９８６７９号明細書（特許文献１）には、ＷＬＰ構造あるいはＣＳＰ構造を有し、帯域フィルタとして用いられる弾性波装置が開示されている。国際公開第２０１５／０９８６７９号明細書（特許文献１）に開示された弾性波装置においては、外部接続端子に接合されるパッド電極部の下方に圧電薄膜を配置しない構成とすることによって、外部接続端子の接合時あるいは当該弾性波装置の実装時における、支持基板からの圧電薄膜の剥離および割れを防止することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１５／０９８６７９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のような弾性波装置においては、当該弾性波装置を実装基板に実装する際に、リフローあるいはその他の熱衝撃が加わると、その後の温度低下の過程において、支持基板と圧電層との熱膨張係数の差に起因して応力が生じてしまい、圧電層が支持基板から剥離してしまう場合が生じ得る。特に、圧電層の平面形状によっては、圧電層の角の部分に応力が集中してしまい、剥離が生じやすくなる可能性がある。

【0006】

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ＷＬＰ構造あるいはＣＳＰ構造を有する弾性波装置において、支持基板上に配置された圧電層の剥離を抑制することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示に係る弾性波装置は、支持基板と、支持基板上に配置された圧電層と、圧電層上に配置された機能素子とを備える。支持基板の法線方向から平面視した場合に、支持基板および圧電層は略矩形状を有している。圧電層の角部の少なくとも１つは曲線状または多角形状になっている。

【発明の効果】

【0008】

本開示に係る弾性波装置によれば、支持基板上に配置された略矩形状の圧電層の角部が曲線状または多角形状になっている。そのため、熱ストレスが加わった場合においても、当該角部への応力集中が緩和される。したがって、弾性波装置において、支持基板上に配置された圧電層の剥離を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係る弾性波装置の断面図である。

【図2】図１の弾性波装置の平面図である。

【図3】電極パッドの角部の形状を説明するための図である。

【図4】比較例に係る弾性波装置の平面図である。

【図5】図１の弾性波装置の製造プロセスを説明するための図である。

【図6】変形例１の弾性波装置の断面図である。

【図7】変形例２の弾性波装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0011】

（弾性波装置の構成）
図１および図２を用いて、実施の形態に係る弾性波装置１００の詳細な構成について説明する。図２は弾性波装置１００の平面図であり、図１は、図２における線Ｉ－Ｉにおける断面図である。

【0012】

図１および図２を参照して、弾性波装置１００は、支持基板１１０と、積層膜１２０と、機能素子１３０と、電極パッド１４０と、配線電極１４５と、支持体１６０と、支持体１６０内に設けられた接続電極１５０と、はんだバンプ１７０と、樹脂層１８０とを備える。積層膜１２０は、圧電層１２１と、低音速層１２２と、高音速層１２３とを含む。以下の説明においては、低音速層１２２および高音速層１２３をあわせて「中間層」とも称する。なお、以降の説明において、図中の積層方向のＺ軸の正方向を上面側、負方向を下面側と称する場合がある。

【0013】

支持基板１１０は、シリコン（Ｓｉ）で形成された半導体基板である。支持基板１１０は、法線方向（Ｚ軸方向）から平面視した場合に略矩形状を有している。支持基板１１０上には、Ｚ軸の正方向に向かって、高音速層１２３、低音速層１２２および圧電層１２１が順に積層されている。なお、支持基板１１０の材料は、シリコンに限らず、炭化ケイ素（ＳｉＣ）あるいは水晶であってもよい。

【0014】

圧電層１２１は、たとえば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、および水晶のような圧電単結晶材料、あるいは、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電積層材料により形成される。

【0015】

圧電層１２１の上面（Ｚ軸の正方向の面）には、複数の機能素子１３０が配置されている。機能素子１３０として、たとえばアルミニウム、銅、銀、金、チタン、タングステン、白金、クロム、ニッケル、モリブデンの少なくとも一種からなる単体金属、またはこれらを主成分とする合金などの電極材を用いて構成された一対のＩＤＴ電極（Interdigital Transducer）、および反射器が含まれる。圧電層１２１とＩＤＴ電極とによって弾性表面波（ＳＡＷ）共振子が構成される。

【0016】

低音速層１２２は、当該低音速層１２２を伝播するバルク波音速が、圧電層１２１を伝播するバルク波音速よりも低速となる材料で形成されている。弾性波装置１００においては、低音速層１２２は酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）で形成されている。しかしながら、低音速層１２２は酸化ケイ素に限らず、たとえば、ガラス、酸窒化シリコン、酸化タンタルなどの他の誘電体、あるいは酸化ケイ素にフッ素、炭素、ホウ素などを加えた化合物などで形成されてもよい。

【0017】

また、高音速層１２３は、当該高音速層１２３を伝播するバルク波音速が、圧電層１２１を伝播する弾性波音速よりも高速となる材料で形成されている。弾性波装置１００においては、高音速層１２３は窒化ケイ素（ＳｉＮ）で形成されている。しかしながら、高音速層１２３は窒化ケイ素に限らず、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸窒化ケイ素、炭化ケイ素、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ダイヤモンドなどの材料で形成されてもよい。

【0018】

圧電層１２１の下方に、低音速層１２２および高音速層１２３を積層する構成とすることによって、低音速層１２２および高音速層１２３は反射層（ミラー層）１２０として機能する。すなわち、圧電層１２１から支持基板１１０の方向に漏洩した弾性表面波は、伝播する音速の差によって高音速層１２３で反射され、低音速層１２２内に閉じ込められる。このように、中間層により伝播される弾性表面波の音響エネルギの損失が抑制されるため、効率よく弾性表面波を伝播することができる。

【0019】

なお、図１においては、中間層として、低音速層１２２および高音速層１２３がそれぞれ１層配置される例について説明したが、中間層は複数の低音速層１２２および高音速層１２３が交互に配置された構成であってもよい。また、中間層は必須の構成ではなく、積層膜１２０として圧電層１２１のみが含まれる場合であってもよい。あるいは、中間層として低音速層１２２および高音速層１２３のいずれか一方が設けられる場合であってもよい。中間層として低音速層１２２のみが設けられる場合には、支持基板１１０が高音速層として機能する。

【0020】

圧電層１２１および中間層（低音速層１２２，高音速層１２３）を含む積層膜１２０は、支持基板１１０の法線方向（Ｚ軸方向）から平面視した場合に、略矩形状を有しており、支持基板１１０の外形よりも内側に配置されている。支持基板１１０上において、積層膜１２０が配置されていない部分（すなわち、積層膜１２０の周囲）には、たとえばポリイミド、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、またはエポキシなどの材料を用いた樹脂層１８０が配置されている。なお、積層膜１２０は、必ずしも支持基板１１０よりも内側に配置されている必要はなく、後述のように、角部が直角ではなく、曲線状を有するものであれば、同じ外形の大きさであってもよい。

【0021】

圧電層１２１において機能素子１３０が配置される面には、複数の電極パッド１４０が配置されている。電極パッド１４０は、略矩形状の支持基板１１０の周囲に沿って配置されている。また、圧電層１２１の上面には、機能素子１３０同士の間、および、機能素子１３０と電極パッド１４０とを電気的に接続するための配線電極１４５が設けられている。

【0022】

接続電極１５０は、電極パッド１４０からＺ軸の正方向に突出した柱状電極である。接続電極１５０は、はんだバンプ１７０と電極パッド１４０を電気的に接続する。弾性波装置１００は、はんだバンプ１７０によって外部機器に実装される。

【0023】

支持体１６０は、機能素子１３０の周囲を囲む壁状となっており、圧電層１２１の上面からＺ軸の正方向に突出している。支持体１６０は、エポキシあるいはポリイミドなどの絶縁性の樹脂および／または感光性樹脂材料で形成される。支持体１６０の一部は、接続電極１５０を覆っている。支持体１６０によって、機能素子１３０の周囲に空間が形成される。

【0024】

本実施の形態における弾性波装置１００においては、図２に示されるように、積層膜１２０の角部は直角ではなく、曲線状になっており、図２の例においては所定の曲率半径（たとえば、２５～２００μｍ）を有する円弧状になっている。あるいは、積層膜１２０の角部は多角形状であってもよい。

【0025】

また、積層膜１２０の角部に面する電極パッド１４０の部分の形状も、圧電層１２１の角部の形状と同様に円弧状になっている（図３（ａ））。あるいは、電極パッドの角部の形状は、図３（ｂ）の電極パッド１４０Ａのように多角形状であってもよい。

【0026】

上述のように、弾性波装置１００は、はんだバンプ１７０によって、外部機器（実装基板）に実装される。このとき、はんだバンプ１７０を溶融するリフローの工程において、弾性波装置１００の全体に熱が加わり、支持基板１１０および積層膜１２０の温度が上昇する。

【0027】

その後、はんだバンプ１７０の固化のために弾性波装置１００は冷却されるが、実装基板および支持基板１１０を構成する各材料の熱膨張係数の違いにより、冷却過程において弾性波装置１００に応力が加わることになる。たとえば、実装基板がガラスエポキシの場合には熱膨張係数は約５～１５×１０^－５（１／Ｋ）であり、一方支持基板１１０がシリコンの場合には熱膨張係数は約２．５～３×１０^－５（１／Ｋ）であるため、弾性波装置１００には図１の矢印ＡＲ１に示すような方向に力が加わる。

【0028】

そうすると、支持基板１１０と積層膜１２０との間、積層膜１２０が配置される各層間、および／または、圧電層１２１と電極パッド１４０との間において応力が生じて、各要素間で剥離が生じる可能性がある。ここで、図４に示す比較例の弾性波装置１００Ｘのように、積層膜１２０Ｘおよび電極パッド１４０Ｘの角部が直角または直角に近い形状である場合、当該角部の頂点に応力が集中しやすくなる傾向がある。そのため、比較例のような形状では、積層膜１２０Ｘあるいは電極パッド１４０Ｘの角部から剥離が生じやすくなる。

【0029】

一方で、本実施の形態の弾性波装置１００においては、支持基板１１０上の積層膜１２０の角部、および、当該角部に面する電極パッド１４０の部分が曲線状（または多角形状）になっている。このような構成により、リフローなどの熱ストレスが加わった場合でも、当該角部への応力集中が緩和されるため、各要素間における剥離を抑制することができる。

【0030】

なお、積層膜１２０の角部のみを曲線状とし、電極パッド１４０の角部を直角のままとすることも可能であるが、その場合、電極パッド１４０を積層膜１２０の外縁部よりも内側に配置することが必要となるため、機能素子１３０を配置することができる領域の面積が狭められてしまう。曲線状の積層膜１２０の角部に面する電極パッド１４０の部分を曲線状にすることによって、電極パッド１４０を積層膜１２０の端部に接近して配置することができるので、機能素子１３０の配置可能領域を拡大することが可能となる。

【0031】

（製造プロセス）
次に、図５を用いて、本実施の形態の弾性波装置１００の製造プロセスについて説明する。なお、図５においては、説明を容易にするために１つの弾性波装置を対象にして説明するが、実際には、１枚のシリコンウェハ（支持基板１１０）上に複数の弾性波装置が同時に形成され、ダイシングによって個々の弾性波装置に分割される。

【0032】

図５を参照して、まず図５（ａ）の工程において、シリコンの支持基板１１０上に、高音速層１２３、低音速層１２２および圧電層１２１を順番に積層して、積層膜１２０を形成する。その後、図５（ｂ）のように、積層膜１２０において隣接する弾性波装置間の部分（図５中の領域ＰＧ１）をエッチングにより除去する。このとき、図２で示したように、各弾性波装置において、積層膜１２０の角部の部分が曲線状あるいは多角形状になるようにパターニングが行なわれる。

【0033】

次に、図５（ｃ）の工程において、積層膜１２０が除去された領域ＰＧ１の部分に樹脂層１８０が配置される。当該領域に樹脂層１８０を配置することによって、ダイシングにより個々の弾性波装置に分割する際に、積層膜１２０の端部における剥離および／または割れを抑制することができる。

【0034】

樹脂層の配置が完了すると、図５（ｄ）の工程において、圧電層１２１上に銅などの導電層が積層され、パターニングによって、機能素子１３０、電極パッド１４０および配線電極１４５が配置される。このとき、図２および図３で説明したように、積層膜１２０の角部に面する電極パッド１４０の部分が、曲線状あるいは多角形状となっている。

【0035】

その後、図５（ｅ）の工程において、機能素子１３０および電極パッド１４０を取り囲むように支持体１６０が配置される。そして、図５（ｆ）において、電極パッド１４０の上部に配置された支持体１６０の部分にレーザ等を用いて開口部Ｖ１が形成される。開口部Ｖ１は、電極パッド１４０が露出する深さまで形成されている。

【0036】

開口部Ｖ１が形成されると、図５（ｇ）の工程において、開口部Ｖ１内に銅などの導電体を注入することによって接続電極１５０が形成される。そして、接続電極１５０上にはんだバンプ１７０が配置される（図５（ｈ））。その後、隣接する弾性波装置との境界部分（図５（ｂ）の領域ＰＧ１）をダイシングすることにより、個々の弾性波装置に分割される。

【0037】

このように、図５（ｂ）および図５（ｄ）の工程において、積層膜１２０の角部、および当該角部に面する電極パッド１４０の部分を曲線状または多角形上にすることによって、熱ストレスが加わった場合に生じ得る、積層膜１２０および電極パッド１４０の剥離を抑制することができる。

【0038】

（変形例１）
図１で示した弾性波装置１００においては、支持体１６０によって機能素子１３０の周囲に空間が形成されているが、はんだバンプ１７０のない部分においては、当該空間が装置外部と連通した構成となっている。そのため、弾性波装置１００の周囲環境（たとえば、湿度、腐食性ガス等）の変化が機能素子１３０に影響を及ぼす場合がある。

【0039】

変形例１においては、支持体１６０の上部にカバー部を設けることにより、装置外部から隔絶された空間に機能素子１３０を配置して、周囲環境の変化の影響を低減する構成について説明する。

【0040】

図６は、変形例１の弾性波装置１００Ａの断面図である。図６の弾性波装置１００Ａにおいては、図１の弾性波装置１００の構成にカバー部１９０が追加された構成となっている。図６の説明において、図１と重複する要素の説明は繰り返さない。

【0041】

図６を参照して、弾性波装置１００Ａにおいては、支持体１６０の上部に、機能素子１３０を覆うカバー部１９０が配置されている。カバー部１９０は、たとえばエポキシなどの絶縁部材で形成されており、支持体１６０によって支持されている。支持体１６０およびカバー部１９０によって、カバー部１９０と圧電層１２１との間に中空空間２００が形成される。中空空間２００は密閉空間であり、弾性波装置１００Ａの周囲環境からは隔絶されている。そのため、弾性波装置１００Ａの周囲環境が変化した場合でも、機能素子１３０への影響を抑制することができる。

【0042】

また、このようなカバー部を有する構成においても、積層膜１２０の角部および当該角部に面する電極パッド１４０の部分の形状を曲線状または多角形状にすることによって、熱ストレスが加わった場合に生じ得る、積層膜１２０および電極パッド１４０の剥離を抑制することができる。

【0043】

（変形例２）
図７は、変形例２の弾性波装置１００Ｂの断面図である。図７の弾性波装置１００Ｂは、回路基板等に表面実装可能な、いわゆるＣＳＰ部品である。

【0044】

図７を参照して、弾性波装置１００Ｂは、概略的には、図１で示した弾性波装置１００における支持体１６０、接続電極１５０、および、はんだバンプ１７０の部分が、外部接続端子１７５に置き換わった構成となっている。図７において、図１の弾性波装置１００と同じ要素の説明は繰り返さない。

【0045】

外部接続端子１７５は、たとえば金（Ａｕ）のような導電性部材で形成されたスタッドバンプであり、電極パッド１４０に電気的に接続されている。なお、外部接続端子１７５の材料として、Ａｕ以外の金属材料が用いられてもよい。

【0046】

回路基板等への実装の際には、外部接続端子１７５が回路基板上の端子に接続される。回路基板への実装の後に、必要に応じて弾性波装置１００Ｂの周囲が樹脂等で封止される。

【0047】

このようなＣＳＰ部品として形成される弾性波装置１００Ｂにおいても、積層膜１２０の角部および当該角部に面する電極パッド１４０の部分の形状を曲線状または多角形状にすることによって、熱ストレスが加わった場合に生じ得る、積層膜１２０および電極パッド１４０の剥離を抑制することができる。

【0048】

なお、上述の説明においては、機能素子としてＳＡＷ共振子が用いられる場合を例として説明したが、中空空間内に配置される機能素子であれば、バルク弾性波（ＢＡＷ：Bulk Acoustic Wave）共振子のような他の弾性波デバイスであってもよい。

【0049】

今回開示された実施の形態は、すべ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。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0050】

１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｘ 弾性波装置、１１０ 支持基板、１２０，１２０Ｘ 積層膜、１２１ 圧電層、１２２ 低音速層、１２３ 高音速層、１３０ 機能素子、１４０，１４０Ａ，１４０Ｘ 電極パッド、１４５ 配線電極、１５０ 接続電極、１６０ 支持体、１７０ はんだバンプ、１７５ 外部接続端子、１８０ 樹脂層、１９０ カバー部、２００ 中空空間、Ｖ１ 開口部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】