JP4646557B2

JP4646557B2 - 通信装置

Info

Publication number: JP4646557B2
Application number: JP2004190457A
Authority: JP
Inventors: 幹男藤井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: JP2006014095A

Description

本発明は、送信回路等の高電力の信号を扱う部分に弾性表面波装置が使用されている携帯電話等の通信装置に関し、特に高電力の信号が入力されることにより発熱する弾性表面波装置について放熱性を良好なものとした通信装置に関する。

近年、電波を利用する電子機器のフィルタ，遅延線，発振器等の構成素子として多くの弾性表面波装置が用いられている。特に、小型・軽量で、かつフィルタとしての急峻遮断性能が高い弾性表面波フィルタは、移動体通信分野において携帯電話等の携帯通信端末装置のＲＦ段およびＩＦ段のフィルタとして多用されるようになってきている。そして、それに伴い弾性表面波フィルタには、低損失であるとともに、通過帯域外の遮断特性について高い減衰特性と広い帯域幅とを有することが要求されている。

携帯電話等のＲＦ段に用いるフィルタの１種として、同一の圧電基板上に一端子対の電極からなる弾性表面波共振子を複数個配設し、これら弾性表面波共振子を直並列に梯子状に接続したラダー型弾性表面波フィルタが知られている。このラダー型弾性表面波フィルタは、小型であるとともに低損失であり、急峻な減衰特性のフィルタが実現できるため、携帯電話等の通信装置においてＲＦ段の弾性表面波フィルタとして広く使用されている。

このような弾性表面波装置をフィルタとして使用する場合に、急峻な減衰特性を得るためには、一端子対の電極間の間隔（ピッチ）を場合によっては１μｍ以下と非常に狭くする必要がある。このように狭ピッチの電極を使用しなければならないため、電極の耐電力特性が不十分であり、弾性表面波フィルタは耐電力性に問題があると言われてきた。すなわち、弾性表面波フィルタに長時間にわたって高電力の信号を入力すると、電極間で短絡不良を発生させる場合があった。そのために、通信装置において、高電力の信号が入力される、例えばアンテナ直下のデュープレクサの部品として弾性表面波フィルタを使用することができないという問題点があった。

しかし、これに対して電極材料の改善や電極構造の改善を進めることによって、弾性表面波フィルタの耐電力性が改善されるようになり、高電力の信号が入力されるデュープレクサ等の部品としても弾性表面波装置が使用され始めている。

一方、弾性表面波フィルタをさらに小型化するための技術も進化している。従来の弾性表面波装置では、パッケージの中に弾性表面波デバイス（弾性表面波素子）を実装し、ワイヤボンディング技術によりこのデバイスの電極パッドとパッケージの端子部とを接続した後、キャップ等によりデバイスの気密封止を行なうことにより弾性表面波フィルタを作製することが通常であった。しかし、近年では弾性表面波装置をより小型にするために、弾性表面波デバイスを配線基板上に導体バンプによってフリップチップ実装して、パッケージを不要とするとともに回路基板によって外部端子の小型化を図ろうとする、いわゆるＣＳＰ（Chip Size Package）タイプの弾性表面波装置の開発も積極的に行なわれている（例えば、特許文献１，特許文献２を参照。）。

また、弾性表面波装置においては端子対を構成する電極がアルミニウム等の合金で形成される場合が多く、アルミニウム等の合金から成る電極は何らかの保護が施されなければ酸化して電気的特性が劣化してしまい、そのため弾性表面波装置が故障してしまうという問題点もあった。これに対し、電極の保護のためにＬＳＩ等の分野で行なわれているように、弾性表面波素子を構成する圧電体から成る基板の表面と電極の表面とを酸化珪素や窒化珪素等の無機物の膜で覆って保護しようとすると、十分に保護するためにはその無機物の膜にピンホール等が無視できる程度の膜厚が必要となるが、弾性表面波素子は圧電体の弾性表面波を利用するデバイスであるために、基板の圧電体材料以外の材料で基板の表面と電極の表面とを覆うことは、著しい特性の劣化をもたらすこととなるという問題点があった。

そのために、電極が形成された基板の表面を気密封止することにより弾性表面波デバイスを保護することが必要となり、例えば特許文献１の弾性表面波装置においても、プラスチックカバーで閉鎖構造を形成した後、金属層の保護層により気密封止構造を完成させるといった構造が採用されている。
特表平11−510666号公報特表2002−504773号公報

以上のように弾性表面波装置についてはＣＳＰタイプによって小型化を図りつつ信頼性も高めようと開発が進められているが、その一方で、通信機器の小型化のためにＣＳＰタイプの弾性表面波装置を耐電力性が要求される部品として使用しようとすると、ＣＳＰタイプの弾性表面波装置において弾性表面波素子は導体バンプで配線基板に接続されているだけであるので、高電力の信号が入力されることによって素子で発生する熱の放熱性が悪いという問題点がある。そのために、動作時に弾性表面波装置の温度が上昇してしまい、その影響によって耐電力性が劣化してしまうという問題点がある。従って、小型の弾性表面波装置を高電力の信号が入力される部分に用いて小型化を図りながら、その放熱対策を行なって信頼性を確保した通信装置が求められている。

本発明は以上のような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、高電力の信号が入力されることにより発熱する弾性表面波装置について放熱性を良好なものとし、小型化が可能で信頼性を良好なものとした通信装置を提供することにある。

本発明の第１の通信装置は、送信電力増幅器とアンテナとの間に、圧電基板の一主面にＩＤＴ電極を有する弾性表面波素子を配線基板上にフリップチップ実装した弾性表面波装置が電気的に接続されており、この弾性表面波装置の前記圧電基板の他主面と筐体の内面との間に伝熱性部材が介在していることを特徴とするものである。

また、本発明の第２の通信装置は、送信電力増幅器とアンテナとの間に、圧電基板の一主面にＩＤＴ電極を有する弾性表面波素子を配線基板上にフリップチップ実装した弾性表面波装置が電気的に接続されており、この弾性表面波装置の前記圧電基板の他主面が筐体の内面に当接していることを特徴とするものである。

また、本発明の第１または第２の通信装置は、上記構成において、前記弾性表面波素子は前記一主面に前記ＩＤＴ電極を取り囲む環状導体を有しており、この環状導体が前記配線基板上に対応して形成された配線基板側環状導体に接合されていることを特徴とするものである。

本発明の第１の通信装置によれば、送信電力増幅器とアンテナとの間に、圧電基板の一主面にＩＤＴ電極を有する弾性表面波素子を配線基板上にフリップチップ実装した弾性表面波装置が電気的に接続されており、この弾性表面波装置の圧電基板の他主面と筐体の内面との間に伝熱性部材が介在していることにより、送信電力増幅器から高電力の信号が入力されて発熱する弾性表面波素子からの放熱経路が、配線基板上にフリップチップ実装されている圧電基板の一主面側の導体バンプのみではなく、弾性表面波素子の圧電基板の他主面側にも伝熱性部材を介して大面積で確保することが可能となるために、従来のようにフリップチップ実装の導体バンプのみから放熱する場合と比較して弾性表面波素子の温度をより効果的に確実に下げることができる。その結果、弾性表面波装置の耐電力性が向上することとなるので、信頼性の高い通信装置となる。

また、本発明の第２の通信装置によれば、送信電力増幅器とアンテナとの間に、圧電基板の一主面にＩＤＴ電極を有する弾性表面波素子を配線基板上にフリップチップ実装した弾性表面波装置が電気的に接続されており、この弾性表面波装置の圧電基板の他主面に筐体の内面に当接していることにより、送信電力増幅器から高電力の信号が入力されて発熱する弾性表面波素子からの放熱経路が、配線基板上にフリップチップ実装されている圧電基板の一主面側の導体バンプのみではなく、弾性表面波素子の圧電基板の他主面側にも大面積で確保することが可能となるために、従来のようにフリップチップ実装の導体バンプのみから放熱する場合と比較して弾性表面波素子の温度をより効果的に確実に下げることができる。その結果、弾性表面波装置の耐電力性が向上することとなるので、信頼性の高い通信装置となる。

以上のように、本発明の第１および第２の通信装置によれば、弾性表面波装置の圧電基板の他主面から筐体の内面への大面積の放熱経路を設けたことから、ＣＳＰタイプの弾性表面波装置を送信電力増幅器とアンテナとの間で高電力の信号が入力されるように使用する場合であっても弾性表面波素子の温度の上昇を抑えることができ、信頼性を向上させることができる。

さらに、本発明の第１または第２の通信装置によれば、弾性表面波素子は一主面にＩＤＴ電極を取り囲む環状導体を有しており、この環状導体が配線基板上に対応して形成された配線基板側環状導体に接合されているときには、環状導体とこれに接合された配線基板側環状導体とが、弾性表面波素子のＩＤＴ電極を取り囲んでこれを圧電基板と配線基板との間で保護するように機能するので、筐体から弾性表面波装置の圧電基板に伝熱性部材を介して、あるいは直接に外力が加わったとしても、その外力が弾性表面波素子のＩＤＴ電極近傍に加わることを防止することができ、弾性表面波装置の耐久性を良好に確保することができる、信頼性のさらに高い通信装置となる。

以下、図面に基づいて本発明の通信装置を詳細に説明する。

図１は本発明の第１の通信装置の実施の形態の一例を示す、弾性表面波装置の近傍の要部断面図である。また、図２は本発明の第２の通信装置の実施の形態の一例を示す、弾性表面波装置の近傍の要部断面図である。また、図３は従来の通信装置の例を示す、弾性表面波装置の近傍の要部断面図である。

図１〜図３において同様の箇所には同じ符号を付してあり、１は通信装置の筐体、２は伝熱性部材、３は例えばゴム状の弾性部材であり、４は弾性表面波素子の圧電基板であり、５は導体バンプであり、６は配線基板であり、７は弾性表面波装置である。

まず、通信装置の筐体１は、携帯電話等の携帯通信端末装置に通常使用されている樹脂製あるいは金属製の筐体を使用することができる。この筐体１は、本発明の通信装置においては弾性表面波装置７からの熱を外部に伝熱するための伝熱体あるいは放熱するための放熱体としても機能する。

弾性表面波装置７は、圧電基板４の一主面にＩＤＴ電極（図示せず）を有する弾性表面波素子を配線基板６上に導体バンプ５を介してフリップチップ実装したものである。

より詳細には、圧電基板４の一主面の中央部に複数の電極指と一対の共通電極とから構成される複数のＩＤＴ電極およびパッド電極が形成されてなる弾性表面波素子を、配線基板６上に所定間隔をあけて導体バンプ５によってフリップチップ実装した弾性表面波装置７である。

この弾性表面波素子は、タンタル酸リチウム等の圧電基板４の一主面に、真空成膜装置等を使ってアルミニウム等の質量の小さい導体膜を成膜し、それをフォトリソグラフィの手法を使ってＩＤＴ電極（櫛歯状電極）に加工する、という通常の製造方法で製造することが可能である。

この弾性表面波素子を、所定のサイズに成形されたセラミックスあるいはガラスセラミックスあるいは樹脂あるいは樹脂とガラスとの複合材料等で作製された配線基板６上に導体バンプ５を用いてフリップチップ実装することによって、ＣＳＰタイプの弾性表面波装置７を作ることができる。この際、母基板に複数個の配線基板６となる同じパターンを複数個形成して複数個の配線基板領域を形成し、それら各配線基板領域の上に弾性表面波素子をフリップチップ実装し、配線基板領域毎に切断して複数個の弾性表面波装置７を得るようにしてもかまわない。

そして、この弾性表面波装置７は、本発明の通信装置において、送信電力増幅器とアンテナとの間に電気的に接続されて、高電力の信号が入力されるフィルタあるいはデュープレクサとして使用される。そして、高電力の信号が入力されることにより、弾性表面波素子が発熱することとなる。

このような弾性表面波装置７は、通信装置に使用される部品で他の発熱部品、例えば送信電力増幅器と比較すると、以下のような特徴を持つ。

まず、発熱量自体は小さく、かつ圧電基板４のほぼ前面という比較的広い面積で発熱するために、温度上昇は送信電力増幅器に比較して小さい。また、圧電基板４に使うタンタル酸リチウム等の圧電材料は、送信電力増幅器の増幅素子に使われるＳｉやＧａＡｓ等の半導体材料に比較して熱伝導率が小さい。そして、圧電材料には焦電効果があるために、圧電基板４内で温度分布が生じると、弾性表面波素子の特性が劣化し、極端な場合には弾性表面波素子の破壊が生じる。

したがって、弾性表面波装置７における発熱を効果的に放熱して弾性表面波素子の動作を安定して行なわせるために、本発明の第１の通信装置においては、図１に示すように、弾性表面波装置７の圧電基板４の他主面と筐体１の内面との間に伝熱性部材２を介在させて弾性表面波装置７の熱を筐体１に逃がすようにしており、本発明の第２の通信装置においては、図２に示すように、弾性表面波装置７の他主面を筐体１の内面に当接させて弾性表面波装置７の熱を筐体１に逃がすようにしている。

伝熱性部材２としては、弾性表面波装置７の圧電基板４の他主面と筐体１の内面とに接して圧電基板４からの熱を筐体１に効果的に伝えるものであれば種々の材料を用いることができ、必ずしも金，銅，アルミニウム等の金属や窒化アルミニウム等のような高熱伝導材料のみを使用する必要はなく、少なくとも空気と比較して熱伝導率が高ければよい。また、伝熱性部材２用の材料としては、所定の形状を安定して維持できるような固体の材料あるいは弾性体の材料を使用することが好ましい。弾性体の材料であれば、筐体１から弾性表面波装置７に加わる衝撃等の外力を吸収して緩衝することができる。このような伝熱性部材２用の材料としては、上記の高熱伝導材料の他にも、エポキシ樹脂・エポキシ系複合材料・アクリル樹脂・アクリル系複合材料・シリコーン樹脂・シリコーン樹脂系複合材料等の樹脂またはその複合材料や、軟鋼・真鍮・亜鉛合金等の合金材料や、アルミナ等の無機材料やゴムまたはゴム中に伝熱性粉末を分散させたゴム系複合材料等を用いればよい。中でも、ゴム系もしくはシリコーン系複合材料を用いると、弾性に富んでいるために弾性表面波素子と良好に密着できるものとなる。そして、この伝熱性部材２は、圧電基板４の圧電材料の熱伝導率が小さく、かつ弾性表面波素子内の温度分布をできるだけ小さくする必要があるために、圧電基板４の他主面のほぼ全面をカバーして効率的に伝熱し放熱ができる大きさおよび構造とすることが好ましい。

また、伝熱性部材２は、圧電基板４の他主面のほぼ全面および筐体１の内面に密着できるように、その表面にゴムのような低弾性率材料から成るシート状の弾性部材３を有することが望ましい。また、この弾性部材３は、伝熱の妨げとならないように良好な伝熱性を有するものであることが好ましく、熱伝導率が伝熱性部材２よりも低いものである場合には、その厚みはできるだけ薄い方がよい。図１に示す例では、圧電基板４の他主面と伝熱性部材２との間に弾性部材３を配した例を示している。弾性部材３に用いる材料としては、例えば、ゴム・ゴム中に金属粉末等の伝熱性材料を分散した複合材料・シリコーン樹脂・シリコーン樹脂に伝熱製材料を分散した複合材料等が挙げられる。なお、このような弾性部材３は、伝熱性部材２が同様の弾性を有する材料から成る場合には、特に用いなくてもよい。

なお、ごく薄い層であれば、伝熱性部材２あるいは弾性部材３と圧電基板４の他主面との間に空気層が存在してもかまわない。ただし、この場合には、伝熱性部材２あるいは弾性部材３が圧電基板４の他主面の一部にしか接触しないようにすると、圧電基板４内に温度勾配をもたせることとなって、熱膨張係数と温度勾配とに起因する熱応力分布が生じ、その結果として弾性表面波素子内に電位の分布が発生し、異常放電による素子破壊等をもたらすおそれがあることから不適当であるので、伝熱性部材２あるいは達成部材３が圧電基板４の他主面に密着しない場合には、全面的に密着しないようにすることが好ましい。

次に、弾性表面波装置７の圧電基板４の他主面を筐体１の内面に当接させる場合は、その筐体１の内面は圧電基板４の他主面と同様の平坦面であればよいが、図２に示す本発明の第２の通信装置の例では、弾性表面波装置７の圧電基板４の他主面を筐体１の内面に当接させるにあたって、当接させる部位の筐体１の内面を圧電基板４の大きさに合わせて凸部としている。このように筐体１の内面に圧電基板４の大きさに合わせた凸部を形成し、その表面に圧電基板４の他主面を当接させると、弾性表面波装置７を実装した配線基板内において、他の電子部品の高さを弾性表面波装置７の高さに制限されることなく選択でき、設計自由度を広げることができるものとなる。

また、圧電基板４の他主面を筐体１の内面に当接させる場合にも、図２に示す例のように、図１に示す例と同様の弾性部材３を介在させてもよい。このように弾性部材３を介在させておくことにより、圧電基板４の他主面の全面を筐体１の内面に均一に密着させることが容易となり、圧電基板４の温度勾配を小さくすることができるものとなる。

また、以上のような本発明の第１および第２の通信装置において、弾性表面波装置７は、その圧電基板４の一主面の外周部にＩＤＴ電極を取り囲む環状導体（図示せず）が形成されていることが好ましく、ＩＤＴ電極を構成する一方の共通電極と環状電極とがグランド電極として一体的に形成されていることが好ましい。これによれば、弾性表面波素子と配線基板６との電気的接続がパッド電極および環状導体を介して行なわれ、環状導体がアース電位に接続されることによって、気密性およびフィルタ特性の帯域外減衰特性の向上を図ることができる弾性表面波装置７となる。そして、環状導体と接続されているＩＤＴ電極の一方の共通電極と環状導体とが一体的に形成されていることから、その部分のパッド電極を省くことができるので、パッド電極およびパッド電極と環状導体との間に形成されていた間隙の分だけ小型化することが可能となり、環状導体とＩＤＴ電極を構成する一方の共通電極とが一体化しているため、グランド電極で発生する不要なインダクタンスを排除することができるとともに、圧電基板４の一主面と配線基板６の実装面との間の間隙は環状導体とこれに対応して形成された配線基板側環状導体（図示せず）によって気密封止されているので、配線基板６への実装と同時に気密封止接合が可能となり、気密封止のために要していたパッケージを省略することができ、弾性表面波装置７を飛躍的に小型化することができる。また、環状導体とこれに接合された配線基板側環状導体とが、弾性表面波素子のＩＤＴ電極を取り囲んでこれを圧電基板４と配線基板６との間で保護するように機能するので、筐体１から弾性表面波装置７の圧電基板４に伝熱性部材２を介して、あるいは直接に衝撃等の外力が加わったとしても、その外力が弾性表面波素子のＩＤＴ電極近傍に加わることを防止することができ、弾性表面波装置７の耐久性を良好に確保することができる、信頼性のさらに高い通信装置とすることができる。

以上のように、本発明の第１および第２の通信装置によれば、送信電力増幅器とアンテナとの間にＣＳＰタイプの弾性表面波装置を電気的に接続して、高電力の信号が入力されて弾性表面波素子が発熱しても安定して良好な特性を維持して使用することが可能となり、小型化が可能で高い信頼性を有する通信装置を提供することができる。

なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。例えば、弾性表面波装置７の圧電基板４の他主面と伝熱性部材２または筐体１の内面あるいは弾性部材３との間には、圧電基板４が封止樹脂等で封止されている場合には、その樹脂層が介在していてもかまわない。ただし、この場合には樹脂層は一般的には伝熱性が低いので、効率的に放熱させるためには、その厚みは薄い方がよく、できれば圧電基板４の他主面には樹脂層を形成しないことが好ましい。

また、圧電基板４が配線基板上に直接に実装されているのではなく、セラミックスあるいはシリコン等の無機材料製のパッケージにフリップチップ実装して収納された状態で配線基板に実装されているものとしてもよく、この場合にも、パッケージの主面のうち圧電基板４の実装されていない主面に近い側を筐体１に当接させることにより、同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の通信装置の実施の形態の一例を示す、弾性表面波装置の近傍の要部断面図である。本発明の第２の通信装置の実施の形態の一例を示す、弾性表面波装置の近傍の要部断面図である。従来の通信装置の例を示す、弾性表面波装置の近傍の要部断面図である。

符号の説明

１・・・筐体
２・・・伝熱性部材
３・・・弾性部材
４・・・圧電基板
５・・・導体バンプ
６・・・配線基板
７・・・弾性表面波装置

Claims

筺体と、前記筺体に実装され、送信電力増幅器とアンテナとの間に接続される弾性表面波装置と、を備えた通信装置であって、
前記弾性表面波装置は、タンタル酸リチウムからなる圧電基板の一主面に一対の共通電極を含んで構成されるＩＤＴ電極及び前記ＩＤＴ電極を取り囲む環状導体を有する弾性表面波素子と、前記環状導体に対応して形成された配線基板側環状導体を有し、前記環状導体を前記配線基板側環状導体に接合させることにより前記弾性表面波素子がフリップチップ実装された配線基板と、を含み、
前記環状導体がアース電位とされているとともに、前記一対の共通電極のうち一方の共通電極と前記環状導体とが一体的に形成されており、
前記筺体は、前記圧電基板の幅より大きい幅を有する凸部を有し、
前記圧電基板の他主面全面が前記凸部に当接していることを特徴とする通信装置。
前記弾性表面波装置がデュープレクサであることを特徴とする通信装置。