JP2012010054A - 複合基板及びそれを用いた弾性波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】圧電基板と支持基板とを樹脂製の接着層で接合した複合基板において、一度高温となった後に反りが残るのを防止する。
【解決手段】圧電基板１１の裏面と支持基板１２とを接合する絶縁樹脂製の接着層１３に、圧電基板１１の電荷を除去する導電性の除電粒子を含有させている。これにより、この複合基板１０及びそれを用いて形成された弾性表面波デバイスが一度高温となった後に反りが残るのを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合基板及びそれを用いた弾性波デバイスに関する。

従来より、弾性波デバイスとして、携帯電話等に使用されるフィルター素子や発振子として機能させることができる弾性表面波デバイスや、薄膜共振子（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）などのバルク波デバイスが知られている。このような弾性波デバイスにおいて、導電率が１×１０^-13［Ω^-1・ｃｍ^-1］以上の圧電基板と導電率が５×１０^-12［Ω^-1・ｃｍ^-1］以下の絶縁体基板とを接着剤を介して張り合わせた複合基板を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。こうすることにより、圧電基板に生ずる焦電効果が抑制され、１８０℃の熱処理後においても複合基板の反り増加量を小さくできることが記載されている。

特開２０１０−６８４８４号公報

しかし、例えば弾性波デバイスをプリント配線基板に実装する際のリフロー工程など、１８０℃よりも高い温度（例えば２５０℃以上）でのプロセスを経ると、特許文献１に記載の複合基板では焦電効果を抑制する効果が弱まり、熱処理後の反り増加量を十分小さくできない場合がある。また、特許文献１に記載の複合基板では、上記の導電率の範囲にある圧電基板及び支持基板（絶縁体基板）を使用する必要があるため、これらの材質が限定されてしまうという問題がある。さらに、圧電基板が焦電体でない場合には焦電効果の抑制は必要がないが、この場合でも、圧電基板と支持基板との熱膨張係数の違いにより高温時に生じた反りが常温で残ってしまう場合がある。反りが残ると、以降のプロセスで不具合が生じる場合があるため、特許文献１記載の手法以外の手法により熱処理後の反りを防止することが望まれている。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、圧電基板と支持基板とを樹脂製の接着層で接合した複合基板において、一度高温となった後に反りが残るのを防止することを主目的とする。

本発明の複合基板は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の複合基板は、
弾性波を伝搬可能な圧電基板と、
前記圧電基板よりも熱膨張係数が小さい支持基板と、
前記圧電基板の裏面と前記支持基板とを接合する絶縁性の樹脂からなる接着層と、
を備え、
前記接着層は、前記圧電基板の電荷を除去する導電性の除電粒子を含有している、
ものである。

この複合基板では、圧電基板の裏面と支持基板とを接合する樹脂製の接着層に、圧電基板の電荷を除去する導電性の除電粒子を含有させている。これにより、この複合基板が一度高温となった後に反りが残るのを防止することができる。なお、この理由は以下のように考えられる。複合基板が高温になると、圧電基板と支持基板との熱膨張係数の違いにより複合基板に反りが生じ、この反りにより生じた応力によって圧電基板の表面には電荷が生じる。また、圧電基板が焦電体である場合には、複合基板が高温になることで圧電基板の表面には焦電効果による電荷も生じる。そして、温度が常温に戻ってもこのような電荷が圧電基板中に存在し続けると、この電荷による逆圧電効果により圧電基板が反ったままとなってしまう。本発明の複合基板では、接着層に導電性の除電粒子が存在するため、圧電基板中の電荷が接着層中に移動することで圧電基板が除電されて反りが解消していると考えられる。なお、本発明の複合基板において、前記除電粒子はカーボン又は金属からなるものとしてもよい。

本発明の第１の弾性波デバイスは、上述した本発明の複合基板を用いて形成され、前記弾性波を励振可能な電極を前記圧電基板の表面に備えたものである。この弾性波デバイスによれば、上述した複合基板で得られる効果と同様の効果を得ることができる。なお、弾性波デバイスとしては、例えば、共振子やフィルター，コンボルバーなどの弾性表面波デバイスや、薄膜共振子などのバルク波デバイスが挙げられる。

本発明の第２の弾性波デバイスは、
弾性波を伝搬可能な圧電基板と、
前記圧電基板の表面に形成され、前記弾性波を励振可能な電極と、
前記圧電基板よりも熱膨張係数が小さい支持基板と、
前記圧電基板の裏面と前記支持基板とを接合する絶縁性の樹脂からなる接着層と、
前記圧電基板の側面に接着され、該圧電基板の電荷を除去する導電性の除電粒子を絶縁性の樹脂に含有させた除電層と、
を備えたものである。

この弾性波デバイスでは、圧電基板の側面に圧電基板の電荷を除去する導電性の除電粒子を絶縁性の樹脂に含有させた除電層を備えている。これにより、圧電基板中の電荷が除電層に移動することで圧電基板が除電されるため、弾性波デバイスが一度高温となった後に反りが残るのを防止することができる。なお、本発明の複合基板において、前記除電粒子はカーボン又は金属からなるものとしてもよい。

本発明の第２の弾性波デバイスにおいて、前記除電層は、前記圧電基板の側面を覆っているものとしてもよい。こうすれば、圧電基板の反りを防止する効果が高くなる。

複合基板１０の斜視図である。 複合基板１０の製造工程を模式的に示す説明図（断面図）である。 複合基板１０を用いて作製した１ポートＳＡＷ共振子３０の斜視図である。 １ポートＳＡＷ共振子３０をセラミックス基板４０に搭載し樹脂で封入し、プリント配線基板６０に実装した様子を示す断面図である。 別の実施形態の１ポートＳＡＷ共振子７０の断面図である。 評価試験１における比較例１の結果をプロットしたグラフである。 評価試験２における比較例２の結果をプロットしたグラフである。

次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態である複合基板１０の斜視図である。この複合基板１０は、弾性表面波デバイスに利用されるものであり、１箇所がフラットになった円形に形成されている。このフラットな部分はオリエンテーションフラット（ＯＦ）と呼ばれる部分であり、弾性表面波デバイスの製造工程において諸操作を行うときのウエハー位置や方向の検出などに用いられる。本実施形態の複合基板１０は、圧電基板１１と、支持基板１２と、接着層１３とを備えている。

圧電基板１１は、弾性表面波を伝搬可能な圧電体の基板である。圧電基板１１の材質としては、例えば、タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム，ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶，ホウ酸リチウム，窒化ガリウム，水晶などが挙げられる。圧電基板１１の大きさは、特に限定するものではないが、例えば、直径が５０〜１５０ｍｍ、厚さが１０〜５０μｍである。

支持基板１２は、接着層１３を介して圧電基板１１の裏面に貼り合わせられた基板である。この支持基板１２は、圧電基板１１よりも熱膨張係数の小さい材質からなるものである。支持基板１２の材質としては、例えば、シリコン，サファイア，窒化アルミニウム，アルミナ，ホウ珪酸ガラス，石英ガラス，スピネルなどが挙げられる。中でもシリコンは半導体デバイス作成用として最も実用化されている材料であり、この複合基板１０を用いて作製した弾性表面波デバイスと半導体デバイスとを複合化しやすくなるため好ましい。支持基板１２の大きさは、特に限定するものではないが、例えば、直径が５０〜１５０ｍｍ、厚さが１００〜５００μｍである。また、支持基板１２の熱膨張係数は、例えば圧電基板１１の熱膨張係数が１３〜２０ｐｐｍ／Ｋの場合には、２〜７ｐｐｍ／Ｋのものを用いるのが好ましい。なお、このように支持基板１２を圧電基板１１よりも熱膨張係数の小さい材質とすることで、温度が変化したときの圧電基板１１の大きさの変化が支持基板１２によって抑制される。すなわち、この複合基板１０の温度特性が向上する。

接着層１３は、圧電基板１１の裏面と支持基板１２の表面とを接着するものである。この接着層１３は、圧電基板１１と支持基板１２とを接着するための絶縁樹脂製の接着剤組成物に、導電性の除電粒子を含有させたものである。接着剤組成物の材質としては、例えばエポキシ樹脂やアクリル樹脂が挙げられる。除電粒子の材質としては、例えば、カーボン又は金属（例えば銀など）が挙げられる。この粒子の大きさは、特に限定するものではないが、例えば、直径が２０〜２００ｎｍである。また、接着層１３における粒子の量は、特に限定するものではないが、例えば接着剤組成物の５〜１５ｗｔ％である。また、接着層１３の厚さは、例えば０．１〜２μｍとするのが好ましい。接着層１３の厚さが２μｍを越えると、複合基板１０の温度特性を向上させる効果が十分得られなくなるため好ましくない。また、接着層１３の厚さが０．１μｍ未満になると十分な接着強度が得られないため好ましくない。

こうした複合基板１０の製造方法について、図２を用いて以下に説明する。図２は、複合基板１０の製造工程を模式的に示す説明図（断面図）である。まず、ＯＦを有する所定の直径及び厚さの支持基板１２を用意する。また、圧電基板１１の研磨前の状態である圧電基板２１を用意する（図２（ａ）参照）。そして、接着剤組成物に導電性の除電粒子を含有させたものを支持基板１２の表面と圧電基板２１の裏面との少なくとも一方に均一に塗布する。その後、両基板を貼り合わせ、接着剤組成物が熱硬化性樹脂の場合には加熱して硬化させ、接着剤組成物が光硬化性樹脂の場合には光を照射して硬化させる。これにより、除電粒子を含有した接着剤組成物が硬化して接着層１３となり、貼り合わせ基板２０（研磨前の複合基板１０）が得られる（図２（ｂ）参照）。その後、研磨機にて圧電基板２１を研磨して所定厚さまで薄くし、さらに圧電基板２１の表面を鏡面研磨することで研磨前の圧電基板２１が圧電基板１１となり、複合基板１０が得られる（図２（ｃ）参照）。

こうして得られた複合基板１０は、この後、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いて電極を形成して、複合基板１０を多数の弾性表面波デバイスの集合体としたあと、ダイシングにより１つ１つの弾性表面波デバイスに切り出される。複合基板１０を弾性表面波デバイスである１ポートＳＡＷ（Surface Acoustic Wave)共振子３０の集合体としたときの様子を図３に示す。１ポートＳＡＷ共振子３０は、フォトリソグラフィ技術により、圧電基板１１の表面にＩＤＴ（Interdigital Transducer)電極３２，３４（櫛形電極、すだれ状電極ともいう）と反射電極３６とが形成されたものである。なお、得られた１ポートＳＡＷ共振子３０は、次のようにしてプリント配線基板６０に実装される。即ち、図４に示すように、ＩＤＴ電極３２，３４とセラミックス基板４０のパッド４２，４４とを金ボール４６，４８を介して接続したあと、このセラミックス基板４０上で樹脂５０により封入する。そして、そのセラミックス基板４０の裏面に設けられた電極５２，５４とプリント配線基板６０のパッド６２，６４との間に鉛フリーのはんだペーストを介在させたあと、リフロー工程によりプリント配線基板６０に実装される。なお、図４には、はんだペーストが溶融・再固化したあとのはんだ６６，６８を示した。ここで、リフロー工程では、１ポートＳＡＷ共振子３０が例えば２６０℃程度に加熱されるため、加熱中は圧電基板１１と支持基板１２との熱膨張係数の差により反りが生じる。そして、この反りによる応力によって圧電基板の表面には電荷が生じる。また、圧電基板１１が焦電体である場合には、１ポートＳＡＷ共振子３０が高温になることで圧電基板１１の表面には焦電効果による電荷も生じる。しかし、本実施形態では、接着層１３中の除電粒子にこれらの電荷が移動することで圧電基板１１が除電される。そのため、リフロー工程後に１ポートＳＡＷ共振子３０が常温に戻ったときには、圧電基板１１には電荷による逆圧電効果が生じず、圧電基板１１の反りは解消される。

以上詳述した本実施形態の複合基板１０によれば、圧電基板１１の裏面と支持基板１２とを接合する絶縁樹脂製の接着層１３に、圧電基板１１の電荷を除去する導電性の除電粒子を含有させている。これにより、この複合基板１０及びそれを用いて形成された弾性表面波デバイスが一度高温となった後に反りが残るのを防止することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、複合基板１０において、絶縁樹脂製の接着層１３に、圧電基板１１の電荷を除去する導電性の除電粒子を含有させるものとしたが、複合基板１０の接着層１３には除電粒子を含有させないものとし、複合基板１０を用いて形成された弾性表面波デバイスにおいて、圧電基板１１の側面に圧電基板の電荷を除去する導電性の除電粒子を絶縁性の樹脂に含有させた除電層を接着させるものとしてもよい。この場合の１ポートＳＡＷ共振子７０の断面図を図５に示す。なお、上述した実施形態における複合基板１０及び１ポートＳＡＷ共振子３０と同じ構成要素については、同じ符号を付すものとし、説明を省略する。この１ポートＳＡＷ共振子７０は、圧電基板１１の裏面と支持基板１２とを接着層７３により接着した複合基板において、圧電基板１１の表面にＩＤＴ電極３２，３４（図示は省略）と反射電極３６とを形成して作製したものである。接着層７３は、接着層１３とは異なり除電粒子を含有しておらず、接着層１３の接着剤組成物と同様の絶縁性樹脂からなるものである。また、この１ポートＳＡＷ共振子７０は、圧電基板１１の側面に圧電基板１１の電荷を除去する除電層７４を備えている。この除電層７４は、接着層１３と同様、絶縁樹脂製の接着剤組成物に導電性の除電粒子を含有させたものである。除電粒子の材質としては、接着層１３における除電粒子と同様に、例えばカーボン又は金属が挙げられる。この除電層７４を、例えば複合基板から１ポートＳＡＷ共振子７０を切り出した後、リフロー工程前に圧電基板１１の側面に接着しておくことで、上述した複合基板１０及び１ポートＳＡＷ共振子３０と同様に、弾性表面波デバイス７０が一度高温となった後に反りが残るのを防止する効果が得られる。なお、除電層７４は、圧電基板１４の側面の一部に接着されるものとしてもよいし、側面を覆っているものとしてもよい。側面を覆うものとした方が一度高温となった後に反りが残るのを防止する効果が高まるため好ましい。また、図５では、除電層７４は圧電基板１１の側面にのみ接着されているが、圧電基板１１の側面に接着されていればよく、例えば、接着層７３や支持基板１２の側面にも接着されているものとしてもよい。さらにまた、除電層７４だけでなく、接着層７３についても接着層１３と同様に除電粒子を含有させるものとしてもよい。

上述した実施形態では、複合基板１０を用いて作製する弾性波デバイスとして１ポートＳＡＷ共振子について説明したが、複合基板１０を用いて他の弾性波デバイスを作製しても同様の効果を得ることができる。他の弾性波デバイスとしては、例えば、２ポートＳＡＷ共振子やトランスバーサル型ＳＡＷフィルター、ラダー型ＳＡＷフィルター、コンボルバーなどの弾性表面波デバイスや、薄膜共振子などのバルク波デバイスが挙げられる。

［実施例１］
実施例１として、図１に示した複合基板１０を作製し、これを用いて図３に示した１ポートＳＡＷ共振子３０を作製した。

具体的には、まず、圧電基板１１となる厚さが２５０μｍ，直径１００ｍｍのタンタル酸リチウム基板（以下、ＬＴ基板）と、支持基板１２となる厚さ２５０μｍ，直径１００ｍｍのシリコン基板とを用意した。ここで、ＬＴ基板は、弾性表面波の伝搬方向をＸとし、切り出し角が回転Ｙカットである４２°ＹカットＸ伝搬ＬＴ基板を用いた。ＬＴ基板の体積抵抗率は５．０×１０¹⁰Ω・ｃｍであった。続いて、エポキシ樹脂系接着剤に除電粒子として平均粒径５０ｎｍのカーボン粒子をエポキシ樹脂系接着剤の１５ｗｔ％の分量だけ混ぜた混合接着剤を用意し、これをシリコン基板の表面にスピンコートにより塗布した。なお、混合接着剤の比抵抗は２．０×１０^-4Ω・ｃｍであった。そして、ＬＴ基板の裏面がシリコン基板の混合接着剤を塗布した側と接するように貼り合わせて１６０℃に加熱し、硬化後の接着層１３の厚さが１μｍとなる貼り合わせ基板を形成した。

次に、この貼り合わせ基板を、研磨機にてＬＴ基板の厚さが１０μｍとなるまで研磨した。研磨機としては、まずＬＴ基板の厚みを薄くし、その後鏡面研磨を行うものを用いた。厚みを薄くするときには、研磨定盤とプレッシャープレートとの間に貼り合わせ基板を挟み込み、その貼り合わせ基板と研磨定盤との間に研磨砥粒を含むスラリーを供給し、このプレッシャープレートにより貼り合わせ基板を定盤面に押し付けながらプレッシャープレートに自転運動を与えて行うものを用いた。続いて、鏡面研磨を行うときには、研磨定盤を表面にパッドが貼られたものとすると共に研磨砥粒を番手の高いものへと変更し、プレッシャープレートに自転運動及び公転運動を与えることによって、ＬＴ基板の表面を鏡面研磨した。具体的には、まず、貼り合わせ基板のＬＴ基板の表面を定盤面に押し付け、自転運動の回転速度を１００ｒｐｍ、研磨を継続する時間を６０分として研磨した。続いて、研磨定盤を表面にパッドが貼られたものとすると共に研磨砥粒を番手の高いものへと変更し、貼り合わせ基板を定盤面に押し付ける圧力を０．２ＭＰａ、自転運動の回転速度を１００ｒｐｍ、公転運動の回転速度を１００ｒｐｍ、研磨を継続する時間を６０分として鏡面研磨した。この結果、研磨前のＬＴ基板が研磨後の圧電基板１１になり、実施例１の複合基板１０が完成した。

続いて、作製した複合基板１０に一般的なフォトリソグラフィ技術を用いてＩＤＴ電極３２，３４、反射電極３６を形成して、４０００個の１ポートＳＡＷ共振子３０の集合体とした。そして、２０００番のレジン系砥石を使用し、回転数２９０００ｒｐｍにてダイシングを行って１つ１つの１ポートＳＡＷ共振子３０を切り出した。なお、ＩＤＴ電極３２，３４は線幅が値０．５５μｍ，周期λが値２．２μｍとなるように形成し、反射電極３６はストライプの線幅が値０．５５μｍ，周期ｐが１／２λとなるように形成した。

［比較例１］
接着層１３をカーボン粒子を混ぜずにエポキシ樹脂系接着剤のみにより形成したした点以外は、実施例１と同様にして複合基板１０を作製し、実施例１と同様に１ポートＳＡＷ共振子３０を作製した。

［評価試験１］
実施例１及び比較例１の１ポートＳＡＷ共振子３０をそれぞれサンプルとして１０個ずつ用意し、２５０℃に設定されたホットプレート上にサンプルをのせ、上方をＳＵＳ製の箱で囲んだ。この状態で３分間保持し、開放してサンプルをφ１００ｍｍ，厚さ２０ｍｍのＳＵＳ板へ移して室温まで冷却した後に、圧電基板１１の表面の反り量及び静電気量（電位）を測定した。なお、反り量はZygo社製光学測定器（NV5010）を用いて測定し、静電気量はKeyence社製の静電気測定器（SK-200)を用いて測定した。その結果、実施例１の１ポートＳＡＷ共振子３０は１０個全てにおいて反り量及び電位がゼロであった。一方、比較例１の１ポートＳＡＷ共振子３０の反り量及び電位は図６のようになった。なお、図６ではプロットされた点は９個に見えるが、これは反り量が１μｍ，電位が２２０Ｖの１ポートＳＡＷ共振子３０が２個あったためである。比較例１の反り量の平均値は１．１９μｍであり、電位の平均値は２２９．８Ｖであった。実施例１の結果及び図６の結果から、実施例１では、一度高温になった後の圧電基板１１の電荷が除電粒子を含有する接着層１３により除去されることで、圧電基板１１の電位がゼロとなり、これにより反りが残っていないことがわかる。

［実施例２］
実施例２として、図５に示した１ポートＳＡＷ共振子７０を作製した。なお、１ポートＳＡＷ共振子７０は、比較例１と同様にして１ポートＳＡＷ共振子を作製し、その後に圧電基板１１の側面を覆うように除電層７４を接着することで作製した。なお、除電層７４は、エポキシ樹脂系接着剤に除電粒子として平均粒径５０ｎｍの銀粒子をエポキシ樹脂系接着剤の１５ｗｔ％の分量だけ混ぜた混合接着剤を用いた。混合接着剤の比抵抗は５．０×１０^-5Ω・ｃｍであった。この混合接着剤を綿棒にて圧電基板１１の側面を覆うように塗布したのち１６０℃に加熱することで硬化させて、除電層７４とした。

［比較例２］
除電層７４をカーボン粒子を混ぜずにエポキシ樹脂系接着剤のみにより形成したした点以外は、実施例２と同様にして１ポートＳＡＷ共振子７０を作製した。

［評価試験２］
実施例２及び比較例２の１ポートＳＡＷ共振子７０をそれぞれ１０個ずつ用意し、これらを評価試験１と同様の条件で加熱・冷却した後、評価試験１と同様に圧電基板１１の表面の反り量及び静電気量（電位）を測定した。その結果、実施例２の１ポートＳＡＷ共振子７０は１０個全てにおいて反り量及び電位がゼロであった。一方、比較例１の１ポートＳＡＷ共振子７０の反り量及び電位は図７のようになった。なお、比較例２の反り量の平均値は１．２９μｍであり、電位の平均値は２２９．９Ｖであった。実施例２の結果及び図７の結果から、実施例２では、一度高温になった後の圧電基板１１の電荷が除電粒子を含有する除電層７４により除去されることで、圧電基板１１の電位がゼロとなり、これにより反りが残っていないことがわかる。

１０ 複合基板、１１ 圧電基板、１２ 支持基板、１３ 接着層、２０ 貼り合わせ基板、２１ 圧電基板（研磨前）、３０ １ポートＳＡＷ共振子、３２，３４ ＩＤＴ電極、３６ 反射電極、４０ セラミックス基板、４２，４４ パッド、４６，４８ 金ボール、５０ 樹脂、５２，５４ 電極、６０ プリント配線板、６２，６４ パッド、６６，６８ はんだ、７０ １ポートＳＡＷ共振子、７４ 除電層。

Claims (6)

1. 弾性波を伝搬可能な圧電基板と、
   前記圧電基板よりも熱膨張係数が小さい支持基板と、
   前記圧電基板の裏面と前記支持基板とを接合する絶縁性の樹脂からなる接着層と、
   を備え、
   前記接着層は、前記圧電基板の電荷を除去する導電性の除電粒子を含有している、
   複合基板。
2. 前記除電粒子は、カーボン又は金属からなる、
   請求項１に記載の複合基板。
3. 請求項１又は２に記載の複合基板を用いて形成され、前記弾性波を励振可能な電極を前記圧電基板の表面に備えた弾性波デバイス。
4. 弾性波を伝搬可能な圧電基板と、
   前記圧電基板の表面に形成され、前記弾性波を励振可能な電極と、
   前記圧電基板よりも熱膨張係数が小さい支持基板と、
   前記圧電基板の裏面と前記支持基板とを接合する絶縁性の樹脂からなる接着層と、
   前記圧電基板の側面に接着され、該圧電基板の電荷を除去する導電性の除電粒子を絶縁性の樹脂に含有させた除電層と、
   を備えた弾性波デバイス。
5. 前記除電粒子はカーボン又は金属からなる、
   請求項４に記載の弾性波デバイス。
6. 前記除電層は、前記圧電基板の側面を覆っている、
   請求項４又は５に記載の弾性波デバイス