(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電単結晶により形成された圧電基板および前記圧電基板上に相互に入り組んで形成された少なくとも一つの一対の櫛の歯状の共振器を備えた弾性表面波素子と、
前記弾性表面波素子が複数の金バンプを介して搭載された実装基板と、
前記弾性表面波素子を包囲するようにして前記実装基板に接着された金属製のキャップとを有し、
前記弾性表面波素子に形成された前記バンプの総面積と前記圧電基板の質量との比が０．００８５ｍｍ２ ／ｍｇ以上とされ、
前記バンプが形成された電極は、膜厚が０．５〜１μｍのアルミニウムで構成されている、
ことを特徴とする弾性表面波装置。
【請求項２】
前記弾性表面波装置は、相互に異なる帯域中心周波数を有する２つの前記弾性表面波素子が搭載された分波器であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の櫛の歯状の共振器を備えた弾性表面波装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話機をはじめとした移動体通信端末機が急速に発展している。この端末機は、持ち運びの便利さから、特に小型且つ軽量であることが望まれている。端末機の小型軽量化を達成するには、そこに使われる電子部品も小型軽量であることが必須であり、このため、端末機の高周波部や中間周波部には、複数の弾性表面波共振器（ＳＡＷ共振子）が圧電基板上に形成された弾性表面波素子を用いた弾性表面波装置が多用されている。
【０００３】
弾性表面波装置に求められる重要な特性として、挿入損失が低く通過帯域周波数外の減衰量が大きいことが挙げられる。挿入損失は、機器の消費電力に影響し、低損失であるほどバッテリの寿命が延びるためバッテリの容量を削減することができ小型軽量化に貢献する。また、一つの装置で高帯域外減衰を得ることができれば、機器の小型軽量化に貢献する。
【０００４】
ここで、弾性表面波素子は、相互に入り組んだ一対の櫛の歯状の共振器が圧電基板上に形成されており、共振器への電圧印加による電界で圧電基板に弾性表面波を生成したり、あるいは生成された弾性表面波を共振器で電気信号に変換している。
【０００５】
そして、このような弾性表面波素子が実装基板に搭載された弾性表面波装置は、移動体通信端末機に用いられた場合を想定して、２ｍの高さから落下しても弾性表面波素子と実装基板との接合性が確保されていることが要求される。なお、２ｍの高さとは、移動体通信端末機を一般人が使用する際の高さに所定のマージンを加えたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、弾性表面波素子と実装基板とがバンプによりフリップチップ実装されている場合、前述した接合性能を確保するには、弾性表面波素子に形成されるバンプの面積を可能な限り大きくすればよい。
【０００７】
そして、バンプ面積を大きくするには、必然的に弾性表面波素子を構成する圧電基板の面積を大きくしなければならない。
【０００８】
しかしながら、端末機の小型軽量化の要請から圧電基板を広くすることは困難であり、したがって、ただ単にバンプの面積を大きくすることはできない。
【０００９】
そこで、本発明は、複数のバンプを介して実装基板に搭載された弾性表面波素子の接合強度を保持しつつバンプ面積を最小化することのできる弾性表面波装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る弾性表面波装置は、圧電単結晶により形成された圧電基板および前記圧電基板上に相互に入り組んで形成された少なくとも一つの一対の櫛の歯状の共振器を備えた弾性表面波素子と、前記弾性表面波素子が複数の金バンプを介して搭載された実装基板と、前記弾性表面波素子を包囲するようにして前記実装基板に接着された金属製のキャップとを有し、前記弾性表面波素子に形成された前記バンプの総面積と前記圧電基板の質量との比が０．００８５ｍｍ２ ／ｍｇ以上とされ、前記バンプが形成された電極は、膜厚が０．５〜１μｍのアルミニウムで構成されている、ことを特徴とする。
【００１１】
このような発明によれば、複数のバンプを介して実装基板に搭載された弾性表面波素子の接合強度を保持しつつバンプ面積を最小化することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、発明の実施の形態は、本発明が実施される特に有用な形態としてのものであり、本発明がその実施の形態に限定されるものではない。
【００１３】
図１は本発明の一実施の形態である弾性表面波素子がパッケージ化された弾性表面波装置を示す断面図、図２は本発明の一実施の形態である弾性表面波素子の回路を示す概略図、図３は図２の弾性表面波素子における共振器のパターンを示す平面図、図４は図１の弾性表面波装置におけるバンプ面積と弾性表面波素子の引き剥がし強度との関係を示すグラフ、図５は本実施の形態における弾性表面波装置の評価試験で用いられた振り子式衝撃試験器を示す概略図である。
【００１４】
図１に示す弾性表面波装置１０は、圧電基板上に所定の導電パターンが形成された弾性表面波素子１１が、単層あるいは複数層からなり所定の配線パターンや回路パターンの形成されたセラミック製や樹脂製の実装基板１２に搭載されたものである。そして、弾性表面波素子１１の素子形成面は実装基板１２と対向配置されており、弾性表面波素子１１と実装基板１２とはバンプ１３を介してフリップチップ接続されている。
【００１５】
ここで、圧電基板は、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 や水晶などの圧電単結晶により形成されている。
【００１６】
そして、実装基板１２には、弾性表面波素子１１を包囲するようにしてキャップ１４が接着されており、弾性表面波素子１１を塵埃や機械的衝撃などから保護している。
【００１７】
このような弾性表面波装置１０に実装された弾性表面波素子１１の圧電基板上には、図２に示すように、所定周波数の弾性表面波に共振する共振器１５が形成されている。この共振器１５には、共振器１５と実装基板１２とを電気的に接続し、共振器１５に対する電気信号が入出力される入力電極１６、出力電極１７および接地電極１８が配線部１９を介して電気的に接続されている。
【００１８】
電極１６，１７，１８と実装基板１２とは、これらに図１に示すバンプ１３を形成し、超音波によりバンプ接続される。したがって、本実施の形態では、弾性表面波素子１１には６つのバンプ１３が形成されている。そして、このようなバンプ接続により、素子形成面が実装基板１２と対向配置されている。
【００１９】
なお、本実施の形態において、電極１６，１７，１８は合計６つ形成されており、したがってバンプ１３も６つ形成されるが、本発明は６つの電極に限定されるものではなく、共振器等のレイアウトパターンにより必要な数だけ設けることができる。よって、バンプ１３の数も６つである必要はなく、電極数だけ設けられる。
【００２０】
ここで、共振器１５は、図３に示すように、相互に入り組んだ一対の櫛の歯状に形成されている。そして、入力側の共振器１５に電圧を印加して電界をかけると、圧電基板には圧電効果により弾性表面波が発生する。また、このようにして生成された弾性表面波による機械的歪みが電界を生じさせ、出力側の共振器１５で電気信号に変換される。
【００２１】
共振器１５の両側には、弾性表面波を反射する反射器２０が配置されている。
【００２２】
なお、本実施の形態は、入力電極１６と出力電極１７との間の配線部１９を直列腕とし、この直列腕と接地電極１８との間に複数の配線部１９である並列腕を構成し、直列腕および並列腕に共振器１５を配置したラダー型回路を構成しているが、本発明はラダー型回路以外であってもよい。
【００２３】
ここで、本発明者は、弾性表面波装置１０におけるバンプ面積と弾性表面波素子の引き剥がし強度との関係を以下のようにして調べた。
【００２４】
すなわち、圧電基板上である３６°回転Ｙ−Ｘ伝搬タンタル酸リチウム単結晶基板上にアルミニウムからなる共振器および反射器を形成した。共振器は膜厚と電極指ピッチで周波数特性が決定される。アルミニウムの膜厚は一般的には０．１〜０．５μｍであるが、この膜厚では金（Ａｕ）のスタッドバンプ形成時に不着バラツキが大きいため、バンプ形成用パッド部分のアルミニウムの膜厚を嵩上げして、０．５〜１μｍとした。
【００２５】
この弾性表面波素子に、金ボールの超音波接合により金のスタッドバンプを６バンプ形成した。なお、金ボールは金ワイヤ（田中電子工業製、ＧＢＣ２５μｍ）をアーク放電により溶融させ形成した。このとき、放電を発生するトーチの距離と電流を制御することにより、金ボールの直径を変化させた。
【００２６】
圧電基板上の入力電極、出力電極および接地電極に金ボールを押し付け、超音波振動を起こして金バンプを形成した。そして、金バンプを形成した弾性表面波素子を金電極でパッドを形成した実装基板に超音波フリップチップ実装してサンプルを作成した。
【００２７】
これらのサンプルをフリップチップした横から観察して、接合後のバンプ直径を測定し、バンプ直径からバンプ面積（総面積）を算出した。その後、弾性表面波素子と実装基板との引き剥がし強度を測定した。
【００２８】
その結果を図４に示す。図示するように、引き剥がし強度はバンプ面積に依存しており、その関係はリニアであることが分かった。
【００２９】
次に、接合後の金バンプの直径を制御して作成した以下の接合面積のサンプルを各３００個準備して、落下試験を行った。このとき、パッケージは通常のＳＡＷフィルタ用セラミックパッケージを用い、金属キャップを溶接して封止して図１に示す構造とした。
【００３０】
このときのバンプ数は６バンプ、弾性表面波素子の素子体積は１．３ｍｍ×０．８ｍｍ×０．３５ｍｍであり、素子質量はタンタル酸リチウムの密度７．５ｇ／ｃｍ３ から、２．７ｍｇである。
【００３１】
落下試験の条件は、コンクリート上に高さ１ｍ、２ｍ、３ｍから自由落下させて、バンプ接合部の剥離不具合の発生数量を確認した。
【００３２】
試験結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
0003919073.tif 000002
【００３４】
この結果から、２ｍの落下試験に合格するためには、バンプ直径７０μｍ（バンプ総面積０．０２３ｍｍ２ ）以上が必要であることが分かる。そして、これをバンプの総面積と弾性表面波素子の質量との比にすると、０．０２３ｍｍ２ ／２．７ｍｇ＝０．００８５ｍｍ２ ／ｍｇとなる。
【００３５】
次に、素子体積１．８ｍｍ×１．４ｍｍ×０．３５ｍｍの弾性表面波素子に前述と同様に６つのバンプを形成し、同様な条件にて落下試験を行った。
【００３６】
試験結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
0003919073.tif 000003
【００３８】
この弾性表面波素子の質量は、６．６ｍｇであり、２ｍの落下試験に合格するためには、バンプ直径１１０μｍ（バンプ総面積０．０５７ｍｍ２ ）以上が必要であることが分かる。そして、これをバンプの総面積と弾性表面波素子の質量との比にすると、０．０５７ｍｍ２ ／６．６ｍｇ＝０．００８６ｍｍ２ ／ｍｇである。
【００３９】
以上の結果から、携帯電話などの移動体通信端末機に要求される条件である２ｍからの落下試験に耐え得るバンプの総面積と弾性表面波素子の質量との比は０．００８５ｍｍ２ ／ｍｇ以上であることが分かった。
【００４０】
そして、この条件を満たすようにバンプの直径を設定することにより、複数のバンプを介して実装基板に搭載された弾性表面波素子の接合強度を保持しつつバンプ面積を最小化することが可能になる。
【００４１】
ここで、バンプ直径を８０μｍとした弾性表面波素子を実装基板にフリップチップ実装し、金属製のキャップを実装基板に溶接して封止した弾性表面波装置１０を作成した。そして、振り子式衝撃試験器２１にて衝撃加速を加えてフリップチップ実装された弾性表面波素子の破壊状況を評価した。
【００４２】
このときに用いた振り子式衝撃試験器２１を図５に示す。
【００４３】
図５に示す振り子式衝撃試験器２１は、支柱２２と、この支柱２２の上部に回動自在に取り付けられた長さ１．５ｍ程度のプラスチック製のアーム２３と、当該アーム２３の先端に固定された重量１００ｇ程度の重り２４と、アーム２３の垂下位置に配置されたステージ２５とを有するものである。
【００４４】
このような振り子式衝撃試験器２１において、ステージ２５上に前述の弾性表面波装置１０を設置し、アーム２３を水平にして高さ１．５ｍの位置から重り２４を円弧状に落下させて当該弾性表面波装置１０に衝突させることにより、弾性表面波装置１０を静止状態から一瞬にして衝突時における重り２４の速度に加速させた。なお、ステージ２５から弾き飛ばされる弾性表面波装置１０の進行方向にはクッション２６が設置されている。そして、弾性表面波装置１０のステージ２５における設置姿勢を種々変化させて、フリップチップ実装部分の破壊状況を観察した。
【００４５】
観察結果を表３に示す。
【００４６】
【表３】
0003919073.tif 000004
【００４７】
表３から分かるように、フリップチップ実装された弾性表面波素子を引き剥がす方向に加速力を加えた場合には１００％破壊されている、つまり不良発生率が１００％となっている。
【００４８】
この実験結果から、前述したコンクリート上への落下試験において、弾性表面波装置１０がキャップからコンクリートに接触した場合に、その瞬間にフリップチップ実装部分を引き剥がす力が生じ、この力により破壊が発生していることが予想される。つまり、フリップチップ実装した弾性表面波素子の引き剥がし強度と落下試験の破壊頻度とが相関する。
【００４９】
なお、以上の説明においては、弾性表面波素子１１が一個搭載された弾性表面波装置１０が示されているが、たとえば相互に異なる帯域中心周波数を有する２つの弾性表面波素子を搭載して分波器とするなど、本発明は種々の形態の弾性表面波装置に適用することが可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば以下の効果を奏することができる。
【００５１】
すなわち、バンプの総面積と弾性表面波素子の質量との比が０．００８５ｍｍ２ ／ｍｇ以上となるようにバンプの直径を設定することにより、複数のバンプを介して実装基板に搭載された弾性表面波素子の接合強度を保持しつつバンプ面積を最小化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である弾性表面波素子がパッケージ化された弾性表面波装置を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態である弾性表面波素子の回路を示す概略図である。
【図３】図２の弾性表面波素子における共振器のパターンを示す平面図である。
【図４】図１の弾性表面波装置におけるバンプ面積と弾性表面波素子の引き剥がし強度との関係を示すグラフである。
【図５】本実施の形態における弾性表面波装置の評価試験で用いられた振り子式衝撃試験器を示す概略図である。
【符号の説明】
１０  弾性表面波装置
１１  弾性表面波素子
１２  実装基板
１３  バンプ
１４  キャップ
１５  共振器
１６  入力電極
１７  出力電極
１８  接地電極
１９  配線部
２０  反射器
２１  振り子式衝撃試験器
２２  支柱
２３  アーム
２４  重り
２５  ステージ
２６  クッション
【図１】
0003919073.tif 000005
【図２】
0003919073.tif 000006
【図３】
0003919073.tif 000007
【図４】
0003919073.tif 000008
【図５】
0003919073.tif 000009