(57)【要約】【課題】２個のデバイスを積層することで実装面積を削減しつつ、接合部の金属膜を薄くして常温接合での接合強度を確保した中空封止素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明では第１の電気的機能部と前記第１の電気的機能部に電気的に接続される第１の内部電極とを有する第１の基板と、第２の電気的機能部と前記第２の電気的機能部に電気的に接続される第２の内部電極とを有する第２の基板とを備え、前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方は、それぞれ一つの内部電極の間を電気的に接続する接続部と、第１の基板と第２の基板との間をつなぎ、基板間の空間の一部または全部を気密封止する周縁部とを有し、前記周縁部及び前記接続部が、接合面を形成する金属層と、前記金属層と基板との間に配置される絶縁層とを有することを特徴とする中空封止素子を提供する。【選択図】  図１
2012084705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電気的機能部と前記第１の電気的機能部に電気的に接続される第１の内部電極とを有する第１の基板と、
第２の電気的機能部と前記第２の電気的機能部に電気的に接続される第２の内部電極とを有する第２の基板とを備え、
前記第１の基板及び前記第２の基板は、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との間を電気的に接続する接続部を有し、
前記第１の基板と前記第２の基板とのうち少なくとも一方は、第１の基板と第２の基板との間をつなぎ、基板間の空間の一部または全部を気密封止する周縁部を有し、
前記接続部及び前記周縁部が、接合面を形成する金属層と、前記金属層と基板との間に配置される絶縁層とを有することを特徴とする中空封止素子。
【請求項２】
前記第１の電気的機能部及び前記第２の電気的機能部は、受動素子と前記受動素子を制御する能動素子とを有することを特徴とする請求項１に記載の中空封止素子。
【請求項３】
前記第１の基板と前記第２の基板とはそれぞれの前記電気的機能部が対向して配置されることを特徴とする請求項１に記載の中空封止素子。
【請求項４】
前記第１の基板または前記第２の基板の前記電気的機能部の少なくとも一つが機械的な可動部を有することを特徴とする請求項１に記載の中空封止素子。
【請求項５】
前記周縁部と接続部の接合面が金、銀、銅、アルミ、スズまたはこれらを主体とする合金で形成されており、常温接合法によって接合されていることを特徴とする請求項１に記載の中空封止素子。
【請求項６】
前記絶縁材料部分が二酸化ケイ素、酸化アルミ、窒化ケイ素、窒化アルミまたはこれらを主成分とする無機材料からなることを特徴とする請求項１に記載の中空封止素子。
【請求項７】
前記絶縁材料部分がポリイミド、BCB樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂またはこれらを主成分とする有機材料からなることを特徴とする請求項１に記載の中空封止素子。
【請求項８】
前記周縁部の接続面となる金属部分が、前記周縁部の絶縁材料部分の側面のすくなくとも一面を被覆していることを特徴とする請求項１に記載の中空封止素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話等の通信機器などで使用する弾性表面波デバイスのように中空封止が必要な素子の小型パッケージング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、弾性表面波デバイスと同一基板上にインダクタやコンデンサを形成して整合回路を内蔵として、整合回路部品の実装面積を削減する小型パッケージング技術が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２では、弾性表面波デバイスと、それに接続する電極、および外周の封止部を金属膜で形成した基板と、整合回路と、それに接続する電極、および外周の封止部を金属膜で形成した基板を表面活性化処理を行って室温付近の低温で接合する（以下、常温接合法と呼ぶ）ことで中空封止を行う小型パッケージング技術が記載されている。
【０００４】
また、特許文献３では、特許文献２と同様な常温接合法において、接合する面をRMSあらさ1.8nm以下のAu薄膜と規定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2006-135447
【特許文献２】特開2006-246538
【特許文献３】特開2008-294229
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記の従来技術においては、以下のような問題があった。
【０００７】
特許文献１に述べられている技術では、通常弾性表面波デバイスに用いられるのはタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムと言った高誘電率の圧電性基板であり、その上に形成したインダクタには大きな寄生容量が発生する問題があった。また、コンデンサやインダクタを形成する面積は、弾性表面波デバイスのチップ面積に加算されるため、１ウエハから取れるチップ数が減少し、それがコストを押し上げるという問題もあった。
【０００８】
一方、特許文献２に述べられている方法では、中空部分の高さは接合する電極および封止部の金属膜の厚さの合計となる。この金属膜は一般にはスパッタ法や真空蒸着法で形成される。特許文献３にも述べられているように、膜厚が厚くなると表面荒さが大きくなり、常温接合法での接合強度が低下するという問題がある。そのため、中空部分の高さを十分とることができず、整合回路のインダクタと表面弾性波素子との間で形成される寄生容量が増大する、モールド封止などの圧力で基板がたわみ、整合回路側の基板が表面弾性波素子に接触するなどの問題が起こりうる。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑み、２個のデバイスを積層することで実装面積を削減しつつ、接合部の金属膜を薄くして常温接合での接合強度を確保した中空封止素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述のような問題を解決するために、本発明では第１の電気的機能部と前記第１の電気的機能部に電気的に接続される第１の内部電極とを有する第１の基板と、第２の電気的機能部と前記第２の電気的機能部に電気的に接続される第２の内部電極とを有する第２の基板とを備え、前記第１の基板と前記第２の基板の少なくとも一方は、それぞれ一つの内部電極の間を電気的に接続する接続部と、第１の基板と第２の基板との間をつなぎ、基板間の空間の一部または全部を気密封止する周縁部とを有し、前記周縁部及び前記接続部が、接合面を形成する金属層と、前記金属層と基板との間に配置される絶縁層とを有することを特徴とする中空封止素子を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、２個のデバイスを積層することで実装面積を削減しつつ、接合部の金属膜を薄くして常温接合での接合強度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１における弾性表面波デバイスを示す概念図
【図２】弾性表面波デバイスの回路図及び実装形態の一例を示す図
【図３】本発明の実施例１における弾性表面波デバイスの工程図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１３】
以下に本発明を実施するための実施例について説明する。
【００１４】
携帯電話機などに搭載される弾性表面波デバイスは、多くの場合目的とする帯域外の電波やノイズを除去するフィルタとして使用される。通常単独では用いられず、周辺回路とのインピーダンスマッチングや送受信信号の位相をシフトさせるため、インダクタやコンデンサからなる整合回路や、送受信する電波の帯域を切り替えるためのスイッチ（RFスイッチ）と組み合わせて用いられる。
【００１５】
本実施例における弾性表面波デバイスの回路図及び実装形態の一例について図２を用いて説明する。
【００１６】
図２（１）は送受信信号のアンテナ251を共用する分波器モジュール200の回路図の一例である。
【００１７】
受信側には2つの帯域を分離するための弾性表面波デバイス211、212にそれぞれインダクタ221、222とコンデンサ231、232、233、234からなる位相シフトのための整合回路が接続されている。整合回路はインピーダンス不整合による反射波の発生や信号の減衰を防ぐために挿入される。整合回路を含めた分波器回路201、202はRFスイッチ241、242によって切り替えられる。RFスイッチ241、242はそれぞれ異なる周波数に対応した複数の弾性表面波デバイスの中から一つを選択するために使用される。
【００１８】
送信側には、受信帯域と分離するための弾性表面波デバイス213からなる分波器回路203が接続されている。
【００１９】
これらはRFコネクタ252-254によってアンテナ251や、バックエンド回路（図示せず）に接続される。なお整合回路は、インダクタのみで構成されることもある。また、送信側にも整合回路やスイッチが接続されることもある。
【００２０】
図２（２）は上記の回路を実際の部品で構成した場合の実装形態の一例を示す概略図である。ここでは、分波器回路201の断面を示している。概略図であるのですべての部品を図示していない。
【００２１】
分波器回路201、202、203を構成する部品のうち弾性表面波デバイス211、212、213はセラミック基板261に搭載される。ここではフリップチップを金バンプによりフェイスダウンで実装しているが、フェイスアップでワイヤボンディングを使う方法もある。
【００２２】
弾性表面波デバイス211、212、213は入力側・出力側一組の櫛歯電極（Inter Digital Transducer (IDT) と呼ぶ）と反射電極で形成されている（必要に応じて複数のデバイスを組み合わせることもある）。入力側のIDTに高周波電圧を入力すると、圧電基板に振動波を励起する。振動波はIDTの両端に置かれた反射電極により反射され、IDTの電極ピッチと圧電基板の音速で決まる所定の周波数の振動波のみが共振して増幅され、出力側のIDTに圧電効果を通して電圧（高周波）として出力される。これにより、ごく接近した周波数の電波の中から特定周波数の電波のみの効率よい選択、受信回路への送信波混信の防止、また特定周波数以外のノイズ除去が可能となる。
【００２３】
弾性表面波デバイス211、212、213ではデバイス表面で振動波が励起されることによって稼働する。このときIDTおよび反射電極の表面に封止樹脂や汚染物質が付着すると、振動波の減衰や共振周波数の変移が発生し、所定の性能が発揮できなくなる。従って、弾性表面波デバイス211、212、213には、素子部分に絶縁材やモールド材が接触しない中空封止が必要である。そこで、金属キャップ262を基板261上にはんだ接合することでハーメチックシールされる。
【００２４】
完成した弾性表面波デバイスははんだバンプによりプリント基板260に搭載される。
【００２５】
インダクタ221、コンデンサ231、などはチップ部品としてRFコネクタ252などとともに表面実装で、RFスイッチ241などはICチップとしてはんだバンプ実装でプリント基板260に搭載される。
【００２６】
必要であれば全体を樹脂モールドにより封止したり、シールドケースで覆う場合もある。
【００２７】
しかし、図２（２）のような実装方法では、すべての部品を個別に実装するため実装面積が大きくなるという問題がある。またセラミック基板と金属キャップは、その強度を確保するために比較的厚くする必要が有ることから、全体の厚さも厚くなるという問題もある。さらにセラミック基板はキャップを接続するために弾性表面波デバイスのチップより大きくする必要が有る。これらのことが、分波器の小型化、ひいては携帯電話機など携帯無線端末の小型化の阻害要因となっていた。
【００２８】
特に、携帯電話が普及し、高性能化するとともに、回線数の確保と通信速度の向上を目的として複数の波長帯域を使用するようになったため、一台の携帯電話に搭載される分波器の数は増加しており、分波器の小型化が強く要求されている。
【００２９】
また、セラミック基板と金属キャップによる封止構造は、部品点数が多く、個別に組み立てる必要が有ることからコストが高いという問題もあった。
【００３０】
上記問題点を解決するために作成された本実施例における弾性表面波デバイスについて図１を用いて説明する。
【００３１】
図１は、図１(4) の回路図に示す２個のコンデンサ143とインダクタ142で構成された整合回路と弾性表面波デバイス141からなるデバイスを形成する、本実施例における表面弾性波素子の概略図である。
【００３２】
図１(1-a)は表面弾性波素子を形成した第１の基板101(以下主基板)の第１の表面(以下主一面)の平面図である。また、図１(1-b)は、(1-a)においてA-Aで示す切断線における断面図である。なお、主一面には、機械的な可動部（または振動部）を有する電気的機能部として、2個の表面弾性波素子を構成するIDT 111が配置されており、さらにIDT 111に接続される内部電極と配線を形成する金属膜112を備えている。機械的な可動部（または振動部）を有する電気的機能部としては、前記の表面弾性波素子の他、たとえばRF-MEMSスイッチやMEMS加速度計などのMEMS素子が含まれる。またそれ以外の電気的機能部には例えば、電極、配線、抵抗、コンデンサ、インダクタ等の受動素子やこれらを制御するトランジスタ、IC等の能動素子が含まれる。また、外周の封止部分には基板間の空間の少なくとも一部を気密封止する周縁部を備えている。内部電極および周縁部には絶縁材料からなる突起114、115がそれぞれ形成されている。第１の基板の内部電極を形成する金属膜112は、後述する第２の基板（以下副基板）の内部電極とを電気的に接続する接続部となっている。また、周縁部にも金属膜113が形成されている。即ち、内部電極及び周縁部はそれぞれ、金属膜112、113（金属層）と絶縁材料からなる突起114、115（絶縁層）により形成されている。
【００３３】
図１(２-a)は整合回路を形成した副基板102の第１の表面（以下副一面）の平面図である。また、図１(2-b)は、(2-a)においてB-Bで示す切断線における断面図である。副一面には整合回路を構成するように、電気的機能部として、2個の平行平板型薄膜コンデンサ127とインダクタであるコイル126が配置され、これらに接続される内部電極を備えている。また、外周の封止部分には基板間の空間の少なくとも一部を気密封止する周縁部を備えている。主基板１０１と同様に、電気的機能部には例えば、電極、抵抗、コンデンサ、インダクタ等の受動素子やこれらを制御するトランジスタ、IC等の能動素子が含まれる。また機械的な可動部（または振動部）を有する電気的機能部としてRF-MEMSスイッチ等を形成してもよい。内部電極および周縁部には主一面と同様に絶縁材料からなる突起124、125がそれぞれ形成されている。第２の基板の内部電極を形成する金属膜122は、第１の基板（主基板）の内部電極とを電気的に接続する接続部となっている。また、周縁部にも金属膜123が形成されている。即ち、内部電極及び周縁部はそれぞれ、金属膜122、123（金属層）と絶縁材料からなる突起124、125（絶縁層）により形成されている。
【００３４】
図１(3)は、主基板101および副基板102の接合と、ビアホール加工および外部電極形成が完了した状態における、(1-a)A-A面の断面図である。ここで、主基板101と副基板102は、それぞれの電気的機能部が対向して配置される。副基板102を貫通して副一面の電極122までビアホールとそこに充填された金属材料132が形成されており、副基板102の第２の表面(以下副二面)には外部との入出力を行うための電極131が形成される。また、主一面と副一面の素子は外周の封止部によって気密封止されている。また、主一面と副一面および封止部で囲まれた中空部分(キャビティ)の高さは、接合金属膜113および突起115の高さの合計になっており、常温接合の接合性を向上するために薄い接合金属膜を使用しても十分な高さを確保することが可能である。
【００３５】
上記のように主基板101と副基板102をそれぞれの電気的機能部が対向して配置させ、気密封止を行うことにより、実装面積を削減することができる。また、内部電極及び周縁部はそれぞれ、絶縁層と金属膜により形成することにより、接合部となる金属膜を薄くして常温接合での接合強度を確保することができる。
【００３６】
主基板101と副基板102における周縁部と接続部の接合面は、金属膜112、113（金属層）、金属膜122、123（金属層）であり、これらは金、銀、銅、アルミ、スズまたはこれらを主体とする合金または積層膜で形成されている。このような材料は比較的軟らかく、融点が低いので、常温接合に適している。
【００３７】
また、突起114、115（絶縁層）、突起124、125（絶縁層）は、二酸化ケイ素、酸化アルミ、窒化ケイ素、窒化アルミもしくはこれらを主成分とする無機材料または、ポリイミド、BCB樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂もしくはこれらを主成分とする有機材料から形成されている。二酸化ケイ素、酸化アルミ、窒化ケイ素、窒化アルミまたはこれらを主成分とする無機材料で突起114、115（絶縁層）、突起124、125（絶縁層）を形成することにより、容易に加工をすることができる。また、ポリイミド、BCB樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂もしくはこれらを主成分とする有機材料で突起114、115（絶縁層）、突起124、125（絶縁層）を形成することにより、金属や基板との接着性が比較的良好で、はんだリフローの熱に耐える耐熱性のある絶縁膜を形成することができる。
【００３８】
次に本実施例における弾性表面波デバイスの製造工程を図３を用いて説明する。
【００３９】
図３は主基板側の製造工程を説明する工程図である。図１(1-a)におけるA-A断面を示している。
【００４０】
まず主基板101上に表面弾性波素子の櫛歯電極（IDT）を含む1層目の金属パターン111を形成する(図２(1))。主基板101としては一般的にリチウムタンタレート（LT）やリチウムナイオベート（LN）の単結晶ウエハが用いられるが、ここでは厚さ0.2mmのLTウエハを用いた。1層目の金属パターン111は厚さ150nmのアルミ合金Al-05重量％Cuをスパッタ法で成膜し、  一般的なホトリソグラフィの手法で形成した。
【００４１】
次に、1層目の金属パターン111を次のエッチング工程に対して保護するため、保護レジスト301を形成した(図３(2))。
【００４２】
その上に突起となる膜厚2μｍの酸化ケイ素(SiO2)膜302をスパッタ法で成膜し、外周部および電極部の突起となる部分にレジストパターン303を形成した(図３(3))。フッ素系ガスによる反応性イオンエッチング法(RIE)を用いてSiO2膜302をエッチングし、封止部および電極部の突起114、115を形成した後、SiO2エッチング用およびIDT保護用のレジストを除去した(図３(4))。
【００４３】
なお、外周部および電極部の突起の材料としては上記のSiO2以外に、酸化アルミ(Al2O3)や窒化アルミ(AlN)、スピンオングラス(SOG)を含むガラス材料などの無機絶縁材料、ポリイミド樹脂、BCB樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの有機樹脂材料が用いられる。また、これらの材料を複数積層して形成しても良い。
【００４４】
また、その成膜方法としては、上記のスパッタ法の他、CVD法、真空蒸着法、スピンコーティングを含む塗布法、印刷法、フィルム貼り付けなどの手法をとることができる。また、その加工方法として、上記のRIEの他、酸素プラズマを用いたプラズマアッシング法やウエットエッチング法、リフトオフ法などの主に半導体製造で使用される加工方法や、レーザー加工法、印刷法等を用いることができる。また、主に有機樹脂系材料においては、感光性を付与することによりホトリソグラフィの手法を用いることもできる。
【００４５】
なお、突起形成後における突起上面の表面荒さが常温接合に適するように小さいことが重要となる。ここで用いたSiO2は、スパッタ条件にも依存するが、一般的に微結晶またはアモルファス状態となることが多く、平滑な（表面荒さが小さい）膜を得やすい。これに対し、たとえばAlN膜は、スパッタ法で成膜した場合柱状結晶が成長しやすく、表面荒さが大きい膜となりやすい。また、ポリイミドなどをスピンコーターやスロットコーターで塗布した場合は平滑な膜が得られるが、スクリーン印刷の場合はメッシュ跡が凹凸となって残りやすい。そのため、平滑な表面を得られるよう材料や成膜方法を適切に選定しなくてはならない。
【００４６】
つぎに1層目の金属パターン111を、2層目の金属パターンとの接続点をのぞいて保護レジスト304で再び覆い、続いて2層目の金属膜305を形成する (図３(5)) 。2層目の金属膜305としては膜厚10nmのチタン（Ti）と膜厚500nmのCuからなる積層膜をスパッタ法で成膜した。ここでTi膜は、1層目の金属膜111とCu膜の間の拡散抑制と、基板表面や突起との接着層であり、Tiの他、Cr、Mo、W等が使用できる。また、Cu膜は常温接合によって接合する接合面であるとともに配線でもある。ここではCu膜を用いたが、其れ以外にもAg、Au、Alなどが使用可能である。なお、ここでは配線と接合金属に同じ金属膜を使用したが、配線抵抗低減などの必要性から、配線と接合金属を別々に作成しても良い。2層目の金属膜は、接合金属膜113として使用される。
【００４７】
つぎにレジストパターン306を形成し（図３(6)）、RIE等の手法で2層目の金属膜305をパターン加工する（図３(７)）。最後にレジストを除去して主基板側が完成する(図３(８))。
【００４８】
この段階で周縁部突起上のCu膜の表面荒さを測定したところ、RMS荒さで1.0nmであった。
【００４９】
なお、図３(８)において、周縁部突起115の側面は接合金属膜113に被覆されている。このように周縁部突起115の側壁を金属膜で被覆することにより、突起部分を通して水分やガスがキャビティ内部に浸透してくることを防止することができる。特に周縁部突起115を有機樹脂で形成した場合に有効である。
【００５０】
副基板側については、最初にIDT 111の代わりに薄膜コンデンサ127とコイル126を形成する以外は主基板と同じ工程によって形成される。ここでは、基板102として厚さ0.2mmのホウケイ酸ガラスを用いた。薄膜コンデンサ127は、下部電極となるタンタル（Ta）膜と、その陽極酸化による五酸化タンタル(Ta2O5)の誘電体薄膜、上部電極となる白金(Pt)膜により形成した。コイル126は、IDTと同様Al05Cu合金薄膜で形成している。
【００５１】
以上のようにして形成した主基板と副基板の主一面および副一面に対して、高真空中においてアルゴンイオンビームによる活性化と位置あわせを行い、室温で加圧して常温接合を行った（図３(9)）。
【００５２】
続いて副二面にドライフイルムのパターンを形成し、サンドブラスト法により副基板を貫通するスルーホールを形成した。ドライフィルムを剥離した後、スパッタ法により10nmのTi膜と500nmのCu膜を成膜した。その上に外部電極のためのレジストパターンを形成し、電気メッキ法によりNiとAu膜からなる外部電極を形成した。レジストを剥離した後、不要なCu膜とTi膜を除去した。最後にダイシングを行い、中空封止された分波器を完成した。
【００５３】
以上により、常温接合に適した表面荒さを持つ接合面の確保とキャビティの高さを両立することができ、さらに素子の高さを約0.4mmと低くできる。
〔比較例１〕
実施例１と同じ分波器を形成する際に、接続部および周縁部の突起を膜厚2000nmのCu膜で作成した。つまり、図３(3)において、SiO2膜の代わりに接着層（膜厚10nmのTi膜）を介して膜厚2000nmのCu膜を成膜し、ウエットエッチングによってCu膜を接続部および周縁部の突起に加工した。その後は、実施例１と同様に行程を進めた。主基板完成時に置いて周縁部突起上のCu膜の表面荒さを測定したところ、RMS荒さで6.2nmであった。最終的に常温接合を行ったが、十分な接合強度が得られず、ダイシングに置いて基板間で剥離する不良が多発した。
【符号の説明】
【００５４】
101  弾性表面波デバイスを形成した主基板
102  周辺回路素子を形成した副基板
111  表面弾性波素子を形成するIDT配線
112  配線および接合金属
113  周縁部の接合金属
114  接続部を形成する絶縁材料による突起
115  周縁部を形成する絶縁材料による突起
122  配線および接合金属
123  周縁部の接合金属
124  接合部を形成する絶縁材料による突起
125  周縁部を形成する絶縁材料による突起
126  インダクタ
127  コンデンサ
131  外部電極
132  スルーホールとそこに充填された金属
141  弾性表面波デバイス
142  インダクタ
143  コンデンサ
200  分波器モジュール
201  分波器回路1
202  分波器回路2
203  分波器回路3
211  弾性表面波デバイス1
212  弾性表面波デバイス2
213  弾性表面波デバイス3
221  インダクタ１
222  インダクタ2
231  キャパシタ１
232  キャパシタ2
233  キャパシタ3
234  キャパシタ4
241  RFスイッチ1
242  RFスイッチ2
251  アンテナ
252  端子1
253  端子2
254  端子3
260  モジュール基板
261  弾性表面波デバイス1の基板
262  弾性表面波デバイス1の封止キャップ
301  保護レジスト
302  SiO2膜
303  SiO2エッチング用レジストパターン
304  保護レジスト
305  接合金属膜
306  接合金属エッチング用レジストパターン
【図１】
2012084705.tif 000003
【図２】
2012084705.tif 000004
【図３】
2012084705.tif 000005