JP2006013576A - Ｓａｗデバイスとこれを用いた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＧＰＳ受信機のＲＦ用ＳＡＷデバイスの要求規格を満たす手段を得る。
【解決手段】 オイラー角（０°±４°，１４４．１°〜１６０．０°，０°±４°）のタンタル酸リチウム基板の上に少なくとも１つのＩＤＴ電極と該ＩＤＴ電極の両側に配置したグレーティング反射器とを備えたＳＡＷデバイスであって、前記ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器をアルミニウムあるいはアルミニウム合金で形成し、その基準化電極膜厚Ｈ／λ（Ｈは電極膜厚、λは波長）を０．１０から０．１４の範囲に設定して構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＳＡＷデバイスとこれを用いた装置に関し、特に要求される通過帯域幅と減衰特性とを共に満たすように改善したＳＡＷデバイスと、これを用いた装置に関するものである。

近年、ＳＡＷフィルタ（弾性表面波フィルタ）は通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の優れた特徴を有することから特に携帯電話機等に多く用いられている。例えば、米国の１．９ＧＨｚ帯携帯電話システム（ＰＣＳ）には、送受とも６０ＭＨｚの帯域幅（比帯域幅で約３％）を有するＲＦフィルタが用いられ、韓国の１．８ＧＨｚ帯携帯電話システム（Ｋｏｒｅａ−ＰＣＳ）では、送受とも３０ＭＨｚ（比帯域幅で約１．６％）のＲＦフィルタが用いられている。
携帯電話システムのＲＦ用ＳＡＷフィルタには、温度特性の比較的良好な回転ＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）基板が用いられ、カット角としては３６°や４２°等が多く使用されている。これらのカット角のＬｉＴａＯ_３基板を用いると、大きな電気機械結合係数が得られ、携帯電話のＲＦフィルタに要求される保証帯域幅（比帯域で約１．６％〜約３％）を満たすことができる。

一方、複数の航行衛星からの信号電波を受信し、これに基づいて地上の位置情報を高精度に算出するＧＰＳ受信機には、中心周波数が１５７５．４２ＭＨｚ、帯域幅が２．０４６ＭＨｚ（比帯域幅で約０．１３％）の狭帯域ＲＦフィルタが要求される。このＲＦ帯域（１５７５．４２±１．０２３ＭＨｚ、以下ＧＰＳ帯と称す）の近傍には、インマルサット衛星通信システムに使用されている帯域（ダウンリンクは１５２５〜１５５９ＭＨｚ，アップリンクは１６２６．５〜１６６０．５ＭＨｚ）やイリジウム携帯電話システムに使用されている帯域（１６１６〜１６２６．５ＭＨｚ）、さらには日本のＭＣＡ業務用無線システムに使用されている帯域（１５０１〜１５２５ＭＨｚ）があり、これらのシステムとの相互干渉を避けるために、ＧＰＳ受信機のＲＦ用ＳＡＷフィルタは狭帯域で、且つ通過域近傍の減衰特性が急峻のものが要求される。また、ＧＰＳ衛星から到来する信号電波は微弱であり、また最近ではＧＰＳ受信機を搭載した携帯電話機も普及しつつあることから、ＧＰＳ受信機のＲＦフィルタには低損失な伝送特性も要求されている。

ＧＰＳ受信機のＲＦ用ＳＡＷフィルタには、４２°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３基板を使用したＳＡＷフィルタが多く用いられているが、３６°あるいは４２°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３基板を用いてラダー型ＳＡＷフィルタ、ＤＭＳフィルタ（二重モードＳＡＷフィルタ）等を構成すると、要求される通過帯域幅に対して通過帯域幅が広くなり過ぎる。そのため、前記インマルサット衛星通信システム等の帯域における減衰量が不十分となる。特に、ＤＭＳフィルタは通過域近傍の高域側における減衰特性がラダー型ＳＡＷフィルタのそれより劣るため、インマルサット・アップリンク帯やイリジウム帯で十分な減衰量が得られない。

図７（ａ）はラダー型ＳＡＷフィルタの基本区間の構成を示す概略図であって、並列腕のＳＡＷ共振子Ｘｐと直列腕のＳＡＷ共振子Ｘｓとから構成され、それぞれの腕のリアクタンス曲線は同図（ｂ）に示すように設定される。即ち、並列腕ＳＡＷ共振子Ｘｐ（破線）の反共振周波数と、直列腕ＳＡＷ共振子Ｘｓ（実線）の共振周波数とをほぼ一致するように設定すると、その周波数を中心周波数として、図７（ｂ）のＦ（太い実線）に示すようにバンドパスフィルタが形成される。そして、並列腕ＳＡＷ共振子Ｘｐの共振周波数と直列腕ＳＡＷ共振子Ｘｓの反共振周波数とにそれぞれ減衰極が形成され、低損失で減衰傾度の急峻なフィルタが得られる。さらに、減衰傾度の急峻なフィルタや、保証減衰量の大きなフィルタが必要な場合には、ラダー型基本区間フィルタをインピーダンスが整合するように縦続接続して高次のフィルタを構成すればよい。

図７（ｂ）から明らかなように、ラダー型ＳＡＷフィルタの帯域幅はＳＡＷ共振子の共振周波数ｆｓと反共振周波数ｆａとの差ｄｆ＝ｆａ−ｆｓに依存する。そして、共振周波数差ｄｆはＳＡＷ共振子の容量比γ（モーショナルキャパシタンスＣ１に対する静電容量Ｃ０の比γ＝Ｃ０／Ｃ１）により次式のように表される。
ｄｆ＝ｆｓ（（１＋１／γ）^１／２−１）
従って、ラダー型ＳＡＷフィルタの帯域幅はＳＡＷ共振子の容量比γによって決定されることになる。即ち、狭帯域のラダー型ＳＡＷフィルタを得るにはＳＡＷ共振子の容量比γを大きくすることが必要となる。

特開平９−１６７９３６号公報にはカット角３８°〜４６°の回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３基板上にアルミニウム（Ａｌ）を主成分とした電極パターンを形成し、該電極パターンの膜厚Ｈを表面波の波長λで基準化した基準化電極膜厚Ｈ／λが０．０３〜０．１５の範囲のＳＡＷデバイスが開示されている。そして、これらのパラメータを用いて複数のＳＡＷ共振子を同一圧電基板上に形成し、該ＳＡＷ共振子を梯子状に接続したラダー型ＳＡＷフィルタについても記述されている。
また、米国特許６５５６１０４号公報にはオイラー角（０，μ，０）の回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３基板上にアルミニウム（Ａｌ）の電極パターンを形成し、基準化電極膜厚Ｈ／λを約０．０５〜約０．１５の範囲に設定したＳＡＷデバイスであって、オイラー角のμが −４４°＜μ≦−３６°の範囲のＳＡＷ共振子と、該ＳＡＷ共振子を用いたラダー型ＳＡＷフィルタが開示されている。

これらの先行技術に基づき、ＧＰＳ受信機のＲＦ用ラダー型ＳＡＷフィルタのフィルタ特性をシミュレーションにより求めることにした。回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３基板のカット角は４２°と４６．５°とに設定し、該圧電基板上に形成する電極パターンとして銅（Ｃｕ）を１．０ｗｔ％含むアルミニウム合金を用いた。図８はシミュレーションに用いたラダー型ＳＡＷフィルタの回路構成を示す図で、４個の直列腕のＳＡＷ共振子Ｘｓと、３個の並列腕のＳＡＷ共振子Ｘｐとを梯子状に順次接続して構成した回路である。この回路構成は、ラダー型基本区間フィルタをインピーダンスが整合するように縦続接続して構成した回路構成と若干異なり、直列腕のＳＡＷ共振子Ｘｓを全て同一、並列腕のＳＡＷ共振子Ｘｐを全て同一とする構成である。このような回路構成とすることによりフィルタ特性の通過域の中央部のみが平坦となり、通過域の端寄りでリップルが大きくなる特徴がある。

図９、１０はそれぞれ、図８に示したラダー型ＳＡＷフィルタに用いた直列腕及び並列腕ＳＡＷ共振子Ｘｓ、Ｘｐの電極パターン構成を示す図である。直列腕腕ＳＡＷ共振子ＸｓはＩＤＴ電極の交差幅Ｗが全電極指で一様な、所謂正規型ＩＤＴ電極とし、電極指とバスバーとの接続部にライン占有率（電極指ライン幅／（電極指ライン幅＋スペース幅））の大きなダミー電極を設けることにより、ＳＡＷ導波路構造としている。直列腕ＳＡＷ共振子Ｘｓのパラメータは図９に示すように、波長Ｌｔ＝λを２．４４μｍ、ＩＤＴ電極対数Ｎを５０対、反射器本数Ｍをそれぞれ１００本、交差幅Ｗを１４．７λ、電極指先端ギャップＧ０を０．２０λ、ダミー電極長Ｄ０を２．００λ、ダミー電極ライン占有率を６０．０％、Ｌｔ／Ｌｒ（Ｌｒは反射器の電極指間間隔の２倍）を０．９８、Ｌｔｒ（ＩＤＴ電極とグレーティング反射器（以下、反射器と称す）との最隣接電極指間の間隔）を０．４５λとした。なお、ＩＤＴ電極上には絶縁膜（ＳｉＯ_２膜等）は付着しない。

並列腕ＳＡＷ共振子Ｘｐの電極構成も図１０に示すように、ダミー電極を設けてＳＡＷ導波路構造としているが、ＩＤＴ電極は楕円状のアポダイズ重み付けを施した構成とした。他のパラメータは、波長Ｌｔ＝λを２．５３μｍ、ＩＤＴ電極対数Ｎを１００対、反射器本数Ｍをそれぞれ１５０本、交差幅Ｗを３９．３λ、電極指先端ギャップＧ０を０．２０λ、ダミー電極長Ｄ０を０．７５λ、ダミー電極ライン占有率を６０．０％、Ｌｔ／Ｌｒ（Ｌｒは反射器の電極指間間隔の２倍）を０．９８、Ｌｔｒ（ＩＤＴ電極と反射器との最隣接電極指間の間隔）を０．４５λとした。ＩＤＴ電極上には絶縁膜（ＳｉＯ_２膜等）は設けていない。電極膜厚Ｈは直列腕及び並列腕ＳＡＷ共振子とも０．２４μｍとした。また、ＩＤＴ電極のライン占有率は圧電基板のカット角により僅かに異ならせ、カット角が４２°の場合は直列腕及び並列腕のＳＡＷ共振子とも４８．７％、カット角が４６．５°の場合は両ＳＡＷ共振子とも共に５０．０％に設定した。

図１１はラダー型ＳＡＷフィルタの断面図を示す概略図であり、所謂チップ・サイズ・パッケージ（ＣＳＰ）の構造を採用した。圧電基板３１の主表面上にＩＤＴ電極３２と接続用のパッド電極３３とを形成したラダー型ＳＡＷフィルタ素子（ＳＡＷチップ）Ｔは、アルミナセラミック基板３４に形成した接続用の電極３５と金バンプ３６を介してフリップチップ実装される。そして、この上に封止用樹脂３７を塗布し、硬化させればＳＡＷチップＴは密封され、内部に空間３８の有るチップ・サイズ・パッケージ（ＣＳＰ）が構成される。アルミナセラミック基板３４は多層構造でパッケージの内側の電極３５と外側の電極３９とはアルミナセラミック基板３４の内部配線４０により接続さる。
図８の回路図に示すようにラダー型ＳＡＷフィルタは３つの並列腕ＳＡＷ共振子Ｘｐを含んでいるが、それぞれの並列腕ＳＡＷ共振子ＸｐのアースボンディングパッドはＳＡＷチップＴ上では独立している。アルミナセラミック基板３４の内部配線によって、３つの並列腕ＳＡＷ共振子Ｘｐうち中央のＳＡＷ共振子と他の１つの並列腕ＳＡＷ共振子とが接続される構造とする。このような構造とすることにより、図８に示すように、ＧＮＤ１とＧＮＤ２とが高周波的に分離されたラダー型ＳＡＷフィルタが構成され、帯域外の減衰量が改善される。

ラダー型ＳＡＷフィルタのフィルタ特性をシミュレーションにより求めるに当たり、ＳＡＷ共振子の電気的特性は実測したものを用いたが、ＳＡＷチップＴやアルミナセラミック基板３４の配線に関する電気的特性は電磁界解析シミュレーションにより求めたものを用いた。そして、ＳＡＷ共振子実測データと配線の電磁界解析とを合成して、ラダー型ＳＡＷフィルタのフィルタ特性を求めた。図１２（ａ）、（ｂ）はシミュレーションより求めたフィルタ特性で、同図（ａ）はフィルタの減衰特性であり、同図（ｂ）は通過域を拡大した図である。図中の実線は４２°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３基板を用いた伝送特性、破線は４６．５°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３基板での伝送特性である。図１２（ａ）、（ｂ）にはＧＰＳ受信機用ＲＦフィルタに要求される規格の一例を記入してある。図１２の符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅはそれぞれ、ＭＣＡ帯，イリジウム帯，インマルサットアップリンク帯，インマルサットダウンリンク帯，ＧＰＳ帯であり、これらを保証帯域と言う。符号Ａ’、ＢＣ’、Ｄ’、Ｅ’は、ラダー型ＳＡＷフィルタが保証帯域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを規格の下記の諸条件で満たすために設定された室温での検査規格であり、各保証帯域幅よりかなり広く設定した。

つまり、温度変化による周波数変動、ＳＡＷフィルタ素子を回路基板に半田実装する際のリフローによる周波数変動、ＳＡＷフィルタが高温や低温を経た後の周波数変動、ＳＡＷフィルタに熱衝撃や機械的衝撃が加わった後の周波数変動等、種々の周波数変動を考慮し、それらによる周波数変動分にマージンを加えた周波数範囲を保証帯域幅に加えて検査規格としている。この検査規格を満たせば室温の検査のみでＳＡＷフィルタの動作温度範囲内の諸性能や上記の環境条件下での信頼性を保証することが可能となる。図１２に示した各検査帯域Ａ’、ＢＣ’、Ｄ’、Ｅ’は、各保証帯域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの低域側に４．７６ＭＨｚ、高域側に５．０３ＭＨｚの周波数範囲を付加している。例えば、ＧＰＳ帯の検査帯域（Ｅ’）は１５６９．６３７ＭＨｚ〜１５８１．４７３ＭＨｚ、ＭＣＡ帯の検査帯域（Ａ’）は１４９６．２４〜１５３０．０３ＭＨｚとなる。ＧＰＳ帯の検査帯域（Ｅ’）における最大挿入損失の規格は２．２ｄＢ 以下、ＭＣＡ帯（Ａ’）、イリジウム帯及びインマルサットアップリンク帯（ＢＣ’）の各検査帯域の最小減衰量の規格は４５ｄＢ 以上、インマルサットダウンリンク帯検査帯域（Ｄ’）の最小減衰量の規格は２．４ｄＢ 以上である。

図１２（ａ）、（ｂ）のフィルタ特性からＧＰＳ帯の検査帯域（Ｅ’）における最大挿入損失はカット角４２°、４６．５°とも検査規格を満たしているものの、減衰特性に関してはいずれのカット角とも検査規格を満たしていない。図８に示したように並列腕ＳＡＷ共振子のアース配線の工夫により、通過域低域側や通過域高域側に形成される減衰極により、大きな減衰量は得られたもののラダー型ＳＡＷフィルタの帯域幅が広すぎるために通過域近傍の減衰特性が不十分である。
このように特開平９−１６７９３６号公報、米国特許６５５６１０４号公報に開示されている回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３基板を用いたラダー型ＳＡＷフィルタでは、ＧＰＳ受信機のＲＦフィルタとしては帯域幅が広すぎ、ＧＰＳ受信機の要求規格を満たせないことが分かった。

これを改善するにはラダー型ＳＡＷフィルタを狭帯域化する手段が必要となる。ラダー型ＳＡＷフィルタを狭帯域化するには、並列腕及び直列腕に配置されるＳＡＷ共振子の容量比γを大きくする手段が必要である。この他にも並列腕のインピーダンスを小さくして直列腕のインピーダンスを大きくする方法や、並列腕と直列腕とからなるラダー型基本区間フィルタの接続段数を増やす方法等があるが、前者の場合は挿入損失の劣化が生じ、後者の場合は挿入損失の劣化に加えラダー型ＳＡＷフィルタが大型化するという欠点がある。これらの理由から通過帯域内の低損失と通過域近傍の高減衰特性と共に満たすには、ラダー型ＳＡＷフィルタを構成するＳＡＷ共振子の容量γを大きくする手段が最良と考えられる。

特開平８−６５０８９号公報にはＳＡＷ共振子に直列、あるいは並列に容量を付加したラダー型ＳＡＷフィルタの発明が開示されている。付加容量を直列または並列接続することによりＳＡＷ共振子の容量比γを大きくし、狭帯域のラダー型ＳＡＷフィルタを実現できると記述されている。
また、特開平９−１６７９３７号公報にはＳＡＷ共振子に容量を直列、または並列に接続したタイプのラダー型ＳＡＷフィルタの発明が開示されている。同公報の他の実施例において、直列腕ＳＡＷ共振子にインダクタを並列接続したラダー型ＳＡＷフィルタも記述されている。これによると直列腕ＳＡＷ共振子にインダクタを並列接続したタイプのラダー型ＳＡＷフィルタは、通過帯域幅を保ちつつ通過域高域側の減衰傾度を急峻にできると記述されている。

前記特開平８−６５０８９号公報、特開平９−１６７９３７号公報に記述されているラダー型ＳＡＷフィルタは、ＳＡＷ共振子にリアクタンスを直列または並列接続するため、リアクタンスパターン（くし型キャパシタ，平行平板キャパシタ，マイクロストリップインダクタ等）と、これをＳＡＷ共振子に接続するための接続配線パターンを圧電基板上に設ける必要があるため、圧電基板上の配線が複雑、且つ配線の自由度が減少し、さらに圧電基板上のＳＡＷ共振子配置可能数が減少する等の欠点を有している。

ＳＡＷ共振子にリアクタンスを接続することなしに、ＳＡＷ共振子の容量比γを大きくする手段として、ＳＡＷ共振子のＩＤＴ電極に間引き重み付けを施す手法がある。この手法は、特開平１１−１６３６６４号公報や特開２００２−３５３７６９号公報に詳細に開示されている。特開平１１−１６３６６４号公報の間引き重み付けは、ＩＤＴ電極内に電極指が配置されない箇所を周期的に設けるもので、間引きの種類としては励振及び反射間引きに属する。
また、特開２００２−３５３７６９号公報の間引き重み付けは、励振間引き（反射は間引かない）で、ＩＤＴ電極内の間引き重み付けをＳＡＷ伝搬方向に対して左右で異なるようにしたものである。

しかし、ＩＤＴ電極に間引き重み付けを施したＳＡＷ共振子の容量比γは大きくなるものの、ＳＡＷ共振子の損失が大きくなるという欠点があるため、ラダー型ＳＡＷフィルタの通過帯域内の挿入損失が増大し、通過帯域内の伝送特性が単峰になり、カットオフの減衰傾度が低下する等の欠点がある。また間引きに起因してスプリアスも発生し、ラダー型ＳＡＷフィルタの伝送特性が劣化する問題もある。

一方、特開２００１−７７６６２号公報にはＬｉＴａＯ_３基板の切断角、つまりオイラー角を限定し、該基板上に形成するＩＤＴ電極に金（Ａｕ）やクロム（Ｃｒ）等の比重の大きい電極材料を用い、その膜厚を適切に選ぶことにより、伝搬損失の少ないＳＡＷデバイスが得られたと記述されている。ＬｉＴａＯ_３のオイラー角はＩＤＴ電極の電極材料により異ならせている。例えば、電極材料が金（Ａｕ）の場合、オイラー角は（０°，１２５°〜１４６°，０°±５°）となり、基準化電極膜厚Ｈ／λは０．００１〜０．０５の範囲としている。電極材料がクロム（Ｃｒ）の場合は、オイラー角は（０°，１２５°〜１４７°，０°±５°）とし、Ｈ／λは０．００３〜０．０５の範囲としている。

特開２００１−７７６６２号公報の記述の通り、ＩＤＴ電極を形成する電極材料に比重の大きい金属を用いた場合、アルミニウム（Ａｌ）のように比重の小さい金属を用いるよりも電気機械結合係数が大きくなる。従って、前記公報の手段は、ＳＡＷ共振子の容量比γを大きくしたいという要求に対しては逆行することになる。同公報の手段に基づいてＳＡＷ共振子の容量比γを大きくする場合は、前記したようにＳＡＷ共振子にリアクタンスを接続し、あるいはＳＡＷ共振子のＩＤＴ電極に間引き重み付けを施す等の手段を併用せざるを得ず、従来技術が有していた欠点が解決されず残ることになる。

また、ＩＤＴ電極の電極材料として一般的な材料はアルミニウム（Ａｌ）を主成分としたものである。金（Ａｕ）やクロム（Ｃｒ）等を主成分とした金属を電極材料として用いると、Ａｌ合金電極を形成する製造工程や製造設備とは別な設備を用意する必要が生じる。製造設備を共用する場合には電極材料の切換え作業等が新たに生じ、製造設備や製造工程の簡略化、簡素化という面からも望ましくない。ひいては、ＳＡＷデバイスの生産性低下や設備費用の増大による製造コストの上昇を招くおそれもある。

特開２００３−１８８６７９号公報には、２５°〜５５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板上にアルミニウム（Ａｌ）よりも密度の大きい金属（もしくは合金）からなるＩＤＴ電極を形成し、周波数温度特性を改善するため、ＩＤＴ電極上にＳｉＯ_２膜を形成したＳＡＷデバイスが開示されている。また同公報には、Ａｌよりも密度の大きな金属のＩＤＴ電極に対するＳｉＯ_２膜の密着強度を高めるため、ＩＤＴ電極の上面にＡｌ等からなる密着層を設けたＳＡＷデバイスについても記述されている。このＡｌ等からなる密着層の膜厚は表面波の波長λの１％以下が望ましいとの記述されている。同公報にはＩＤＴ電極にＡｌよりも密度の高い金属を用いることでＩＤＴ電極膜厚を、Ａｌを用いた場合より薄くすることができ、周波数温度特性改善のためにＩＤＴ電極上に設けたＳｉＯ_２膜に発生するクラックを抑制することができると記されている。

特開２００３−１８８６７９号公報に示されたＩＤＴ電極は、電極材料として前に説明した特開２００１−７７６６２号公報と同じ電極材料が挙げられているので、特開２００１−７７６６２号公報と同じ問題、即ちＩＤＴ電極に比重の大きい金属を用いることで、Ａｌのように比重の小さい金属を用いるよりも電気機械結合係数が大きくなり、ＳＡＷ共振子の容量比γを大きくしたいという要求に逆行する。また、製造設備や製造工程の簡略化、簡素化に逆行するという欠点、ＳＡＷデバイスの生産性低下や設備費用の増大により製造コスト上昇を招くという欠点等を有している。
また特開２００３−１８８６７９号公報では、ＩＤＴ電極上にＳｉＯ_２膜を付着することを前提としているが、この手段ではＳｉＯ_２膜を付着するための製造工程を追加する必要があり、生産性の低下が懸念される。また、周波数温度特性を改善するには、ＩＤＴ電極上にかなり厚い膜厚のＳｉＯ_２を形成する必要があり、ＳｉＯ_２の膜応力等によりＬｉＴａＯ_３ウエハが破損するおそれがあり、ＬｉＴａＯ_３ウエハの薄型化が困難になる等の問題を有する。

特開２００３−１８８６７９号公報には、ＡｌからなるＩＤＴ電極の規格化電極膜厚Ｈ／λを０．０４まで薄くすることにより、電気機械結合係数が小さくなるとの記述されている。これに基づき、図９に示したような導波路構造のＳＡＷ共振子を試作した。圧電基板は３８．７°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３を用い、電極の材料はＣｕを１．０ｗｔ％含有したＡｌ合金、波長Ｌｔ＝λを４μｍ、電極対数Ｎを５０対，反射器本数Ｍをそれぞれ１００本、交差幅Ｗを２０λ、ＩＤＴ電極ライン占有率を４６．１％、電極指先端ギャップＧ０を０．１５λ、ダミー電極長Ｄ０を０．７５λ、ダミー電極ライン占有率を６０％、Ｌｔ／Ｌｒを１．０、Ｌｔｒを０．５λ、基準化電極膜厚Ｈ／λを０．０４に設定し、ＩＤＴ電極上のＳｉＯ_２膜は設けていない。
図１３は上記のパラメータを用いて試作したＳＡＷ共振子のインピーダンス絶対値の周波数特性を示す図である。この図から反共振周波数の高域側近傍に大きなスプリアスが発生していることが分かる。このようなＳＡＷ共振子をラダー型ＳＡＷフィルタの並列腕に用いた場合には、通過帯域内もしくは通過域高域側近傍におおきなスプリアスが発生することになる。このスプリアスを反共振周波数から遠ざける手法として、ＩＤＴ電極上にＳｉＯ_２等の絶縁膜を形成することが知られているが、これにはかなり厚いＳｉＯ_２膜を形成する必要があり、ＳｉＯ_２膜の形成に伴う前述の欠点が伴う。

また、ＩＤＴ電極の電極膜厚を薄くすることは、耐電力性や静電気耐圧性の劣化が生じ、また電極の電気的抵抗の増大によるフィルタ特性の劣化が伴う場合があるので好ましくない。また、特開２００３−１８８６７９号公報にはＳｉＯ_２膜／Ａｕ電極／回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３構造 におけるＬｉＴａＯ_３基板のカット角θと、電気機械結合係数との関係が示されており、カット角θを大きくするほど電気機械結合係数が小さくなる傾向が示されている。この傾向はＳｉＯ_２の膜厚が０、即ちＳｉＯ_２膜なしの場合でも同じである。ただし、電極材料としてのＡｕは、先に述べた欠点を有すると共に、Ａｕが高価な電極材料であることや、ＬｉＴａＯ_３等の金属酸化物との密着性が弱い等の品質、信頼性が低下する等の欠点もある。

特開２００３−２１８６６４号公報にはオイラー角（０°±３°，１１０°〜１５０°，０°±３°）のＬｉＴａＯ_３基板上に銀（Ａｇ）からなるＩＤＴ電極を形成し、周波数温度特性を改善するためＩＤＴ電極上にＳｉＯ_２膜を形成したＳＡＷデバイスが開示されている。この手段も前に挙げた特開２００３−１８８６７９号公報と同様の欠点を有している。つまり、Ａｇが高価な電極材料であることや、ＡｇがＬｉＴａＯ_３等の金属酸化物との密着性が弱いという欠点を有している。
特開平９−１６７９３６号公報 米国特許６５５６１０４号公報 特開平８−６５０８９号公報 特開平９−１６７９３７号公報 特開平１１−１６３６６４号公報 特開２００２−３５３７６９号公報 特開２００１−７７６６２号公報 特開２００３−１８８６７９号公報 特開２００３−２１８６６４号公報 特開平１１−９２１４７号公報 特開２００４−３５３９６号公報 http://www.cdmatech.com/solutions/pdf/msm6275_chipset.pdf

解決しようとする問題点は、上述したようにＧＰＳ受信機のＲＦ用ＳＡＷフィルタに要求される規格を満たすフィルタが実現できない点である。
要求規格を満たさないＳＡＷフィルタをＲＦ回路や通信装置に使用すれば、回路や装置の性能を劣化させるという問題がある。

本発明は、ＧＰＳ受信機のＲＦ用フィルタの規格を満たするため、オイラー角（０°±４°，１４４．１°〜１６０．０°，０°±４°）のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）基板の主表面上に表面波の伝搬方向に沿って形成された少なくとも１つのＩＤＴ電極と該ＩＤＴ電極の両側に配置したグレーティング反射器とを備えたＳＡＷデバイスであって、前記ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器をアルミニウムあるいはアルミニウム合金で形成し、その基準化電極膜厚Ｈ／λ（Ｈは電極膜厚、λは波長）を０．１０から０．１４の範囲に設定してＳＡＷデバイスを構成することを特徴とする。

本発明に係るカット角のタンタル酸リチウム基板と基準化電極膜厚とを用いてＳＡＷデバイスを構成すれば、ＧＰＳ受信機のＲＦ用フィルタに要求される規格を全て満たすことができるという効果がある。また、本発明のＳＡＷデバイスをＲＦ回路や装置に用いれば、回路や装置の性能を向上させるという効果もある。

図１（ａ）は本発明に係るラダー型ＳＡＷフィルタの実施の形態を示す回路図であって、圧電基板１１の主表面上に弾性表面波の伝搬方向に沿って複数のＳＡＷ共振子を形成し、該ＳＡＷ共振子を同一圧電基板１１上に形成したリード電極にて、直列腕ＳＡＷ共振子Ｘｓ、並列腕ＳＡＷ共振子Ｘｐ、直列腕ＳＡＷ共振子Ｘｓ、並列腕ＳＡＷ共振子Ｘｐと順次梯子状に接続して、ラダー型ＳＡＷフィルタ素子１２を構成する。そして、図１（ｂ）の断面図に示すように、ラダー型ＳＡＷフィルタ素子１２（ＳＡＷチップ）上に形成したパッド電極１３とアルミナセラミック基板１４に形成した接続用の電極１５とを金バンプ１６を介してフリップチップ実装する。そして、この上に封止用樹脂１７を塗布し、硬化させればＳＡＷチップは密封され、内部に空間１８を有るチップ・サイズ・パッケージ（ＣＳＰ）が構成される。アルミナセラミック基板１４は多層構造でパッケージの内側の電極１５と外部電極１９とはアルミナセラミック基板１４の内部配線２０により接続し、ラダー型ＳＡＷフィルタを構成する。

ＧＰＳ受信機のＲＦ用フィルタは、ＧＰＳ帯における挿入損失が２．２ｄＢ 以下、ＭＣＡ帯、イリジウム帯、インマルサットアップリンク帯における減衰量が４５ｄＢ 以上、インマルサットダウンリンク帯の減衰量が２．４ｄＢ 以上という規格を満たす必要がある。回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３を用いたラダー型ＳＡＷフィルタがこの条件を満たすためには、各々のＳＡＷ共振子の容量比γがどのような値をとるすべきかを検討した。その結果、直列腕及び並列腕ＳＡＷ共振子の容量比γが共に１４．６〜２３．６の範囲内の値をとることが必要であることが分かった。容量比γが１４．６よりも小さい場合はＧＰＳ帯近傍の減衰帯域の規格を満たすことができず、容量比γが２３．６よりも大きい場合はＧＰＳ帯における挿入損失の規格を満たすことができない。

そこで、電極材料にＡｌを用いた場合の、回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３のカット角と基準化電極膜厚Ｈ／λとをパラメータとして、図９のような導波路構造のＳＡＷ共振子の容量比γについてシミュレーションを行った。ＳＡＷ共振子の設計パラメータは、波長Ｌｔ＝λを２．５μｍ、ＩＤＴ電極対数Ｎを５０対、反射器の本数Ｍをそれぞれ１００本、交差幅Ｗを２０λ、ＩＤＴ電極ライン占有率５０％、電極指先端ギャップＧ０を０．１５λ、ダミー電極長Ｄ０を０．７５λ、ダミー電極ライン占有率を６０％、Ｌｔ／Ｌｒ＝１．０、Ｌｔｒ＝０．５λとし、ＳｉＯ_２膜はＩＤＴ電極上に付着しない。図２にカット角と基準化電極膜厚Ｈ／λとに対して求めたＳＡＷ共振子の容量比γを示す。図２より、カット角が５４．１°〜７０°の範囲で、且つＨ／λが０．１０〜０．１４の範囲の値をとる場合、容量比γは１４．６〜２３．６の範囲内の値となることが判明した。これに対して、カット角が４２°、４６．５°ではＨ／λを０．１０から０．１４まで変化させても容量比γは１４．６より小さくなることが分かった。即ち、カット角が４２°、４６．５°の場合、ＧＰＳ帯近傍の減衰特性の規格を満たせず、図１２のフィルタ特性のシミュレーション結果と一致している。

また、カット角が７５°では、Ｈ／λを０．１２より小さい値にすると容量比γは２３．６よりも大きくなり、ＧＰＳ帯の挿入損失の規格２．２ｄＢ以下を満たせなくなる。カット角が７５°で、且つＨ／λを０．１２〜０．１４の範囲内の値に設定すると、容量比γは１４．６〜２３．６の範囲内の値となるが、図３に示すようにカット角が大きくなると周波数温度係数（ＴＣＦ）が劣化するため、カット角を７０°よりも大きく設定するのは望ましくない。また、リーキー波の伝搬損失もカット角が７０°以上になると大きくなり実用的ではなくなるので、カット角の範囲は５４．１°〜７０°の範囲が望ましい。
従来用いられたカット角の４２°や４６．５°よりもカット角を大きくすると、一般的に周波数温度係数が劣化するが、基準化電極膜厚Ｈ／λを大きく設定することにより周波数温度係数が改善されるので、カット角が５４．１°〜７０°の範囲では、Ｈ／λは０．１０以上に設定すると良い。

図４は５５°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３を用いて試作したＳＡＷ共振子のインピーダンス絶対値の周波数特性である。電極の材料はＣｕを１．０ｗｔ％含有したＡｌ合金、波長Ｌｔ＝λを２．５μｍ、ＩＤＴ電極対数Ｎを５０対、反射器本数Ｍをそれぞれ１００本、交差幅Ｗを１４λ、ＩＤＴ電極ライン占有率５０％、電極指先端ギャップＧ０を０．２０λ、ダミー電極長Ｄ０を１．００λ、ダミー電極ライン占有率を６０％、Ｌｔ／Ｌｒを０．９８、Ｌｔｒを０．４５λとし、ＩＤＴ電極上にＳｉＯ_２膜は設けていない。太い実線は基準化電極膜厚Ｈ／λが０．１２８の場合、細い実線はＨ／λが０．０６４の場合、細い破線はＨ／λが０．１６の場合のインピーダンス絶対値の周波数特性である。基準化電極膜厚Ｈ／λが０．１０〜０．１４の範囲から外れると、共振子の損失が大きくなるため、Ｈ／λは０．１０〜０．１４の範囲に設定するのが良い。

回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３でカット角が５４．１°〜７０°に相当するオイラー角は（０°，１４４．１°〜１６０．０°，０°）となり、カット角以外については、実験の結果によると±４°の範囲内であれば良い。つまり、オイラー角表示で（０°±４°，１４４．１°〜１６０．０°，０°±４°）であるＬｉＴａＯ_３基板上に、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金にて電極を形成し、該電極の基準化電極膜厚Ｈ／λを０．１０〜０．１４としたＳＡＷ共振子を用いてラダー型ＳＡＷフィルタを構成すれば、ＧＰＳ受信機のＲＦ用フィルタの要求規格を満足できるものと想定される。

図５（ａ）、（ｂ）はＧＰＳ受信機のＲＦ用ラダー型ＳＡＷフィルタのフィルタ特性をシミュレーションにより求めた図で、同図（ａ）は減衰域のフィルタ特性、同図（ｂ）は通過域を拡大した特性である。シミュレーションはＳＡＷ共振子のみ実測データを用い、その他は電磁界解析の結果を用いている。圧電基板に５５°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３を用い、ＩＤＴ電極をＣｕを１．０ｗｔ％含有したＡｌ合金、電極膜厚Ｈを０．３１μｍとし、直列腕ＳＡＷ共振子Ｘｓは、波長Ｌｔ＝λ＝２．３６μｍ、ダミー電極長Ｄ０を１．００λ、ＩＤＴ電極ライン占有率を４９．６％とし、並列腕ＳＡＷ共振子Ｘｐは、波長Ｌｔ＝λ＝２．４３μｍ、ダミー電極長Ｄ０を０．７５λ、ＩＤＴ電極ライン占有率４９．６％とし、その他のパラメータは図１２に示したものと同一とした。また、直列腕及び並列腕ＳＡＷ共振子のＨ／λはそれぞれ０．１３１及び０．１２７である。
図５に示すフィルタ特性の太い実線は本発明によるラダー型ＳＡＷフィルタであり、比較のため４２°及び４６．５°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３を用いたラダー型ＳＡＷフィルタのフィルタ特性も重ね書きした。前者のフィルタ特性は細い実線、後者は細い破線である。
図５から明らかなように、ＧＰＳ受信機のＲＦ用フィルタに要求される規格をすべて満足することが判明した。

本発明のラダー型ＳＡＷフィルタには、ＬｉＴａＯ_３の焦電効果に起因するＩＤＴ電極指の破壊防止と、図１（ｂ）に示すようなＣＳＰ構造のフィルタにおける封止樹脂の帯電防止とで、圧電基板のバルク導電率を高めた回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３を用い、そのカット角は５５°としている。ＬｉＴａＯ_３のバルク導電率を高める手段は、特開平１１−９２１４７号公報や特開２００４−３５３９６号公報に開示されている。実験の結果、ＬｉＴａＯ_３のバルク導電率を高めたものと、通常のものをとでＳＡＷ共振子の特性に差は認められなかった。

図５から明らかなように、本発明によるラダー型ＳＡＷフィルタは、従来のラダー型ＳＡＷフィルタでは満たすことのできなかった要求規格を全て満たすことが可能となった。通過帯域においてもフィルタ特性の劣化はなく、むしろ従来のラダー型ＳＡＷフィルタで生じていたリップルが、本発明のラダー型ＳＡＷフィルタでは抑圧されたため、図６に示すように、ＧＰＳ帯検査帯域における最大挿入損失と最大偏差は従来のラダー型ＳＡＷフィルタよりも改善される結果となった。
従来のカット角を用いたラダー型フィルタにおいて通過域内でリップルが生じるのは、ＩＤＴ電極内部のエネルギー閉じ込めが弱く、反射器の反射特性のサイドローブ特性が共振周波数付近で重畳するためと推定される。

本発明に係る回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３基板は従来のカット角よりも高角度の圧電基板を用い、且つ基準化電極膜厚Ｈ／λも大きく（厚く）したため、Ｈ／λが大きくなった分、各電極指からの反射も大きくなり、全体として反射係数が大きくなった。そのため、本発明に係るＳＡＷ共振子はＩＤＴ電極内部のエネルギー閉じ込めが強くなるので、反射器を省略することが可能となった。
従って、本発明に係るラダー型ＳＡＷフィルタは、ＩＤＴ電極の両側に設けていた反射器を省略することができ、ラダー型ＳＡＷフィルタの小型化が可能となった。

本発明の主たる目的は従来のものよりも狭いラダー型ＳＡＷフィルタを実現する手段を得ることであるが、広帯域化を図る場合には周知の技術、例えば並列腕のインピーダンスを大きくして直列腕のインピーダンスを小さくする方法や、並列腕と直列腕とからなる基本区間フィルタの縦続段数を減らす方法、並列腕ＳＡＷ共振子と直列腕ＳＡＷ共振子の周波数差を大きくする方法などを併用することにより、比帯域約３．５％（米国ＰＣＳ用ＲＦフィルタ等）の通過帯域幅を保証できる。
また、本発明はラダー型ＳＡＷフィルタのみでなく、ＤＭＳフィルタにも適用可能であり、入出力いずれか一方が平衡終端のフィルタにも適用可能である。ただ、本発明に係るＳＡＷ共振子はＩＤＴ電極内部のエネルギー閉じ込めが強く、近接した複数のＩＤＴ電極間の音響的な結合を利用するＤＭＳフィルタにおいては、各ＩＤＴ電極の対数を減らしてＩＤＴ電極間の音響結合を強める等の手段が必要となる。
さらに、本発明に係るＳＡＷフィルタを用いて、ＳＡＷ分波器を構成することも可能である。
また、本発明によるＳＡＷフィルタをＲＦ回路やＧＰＳ受信機等に使用すれば、ＳＡＷフィルタ単体の性能向上、小型化、低価格化のみならず、ＧＰＳ受信機の性能向上、小型化、低価格化、部品点数減、低消費電力化という効果も発揮することができる。

以上ではＳＡＷデバイスを説明してきたが、Ｑｕａｌｃｏｍｍ社のチップセットＭＳＭ６２７５^ＴＭの Chipset Solution Data Sheet によれば、ＧＰＳ受信回路のＲＦ段には、ＧＰＳアンテナとＰｒｅ−ＬＮＡとの間に１個のバンド・パス・フィルタ（以下、ＴＯＰフィルタと称す）、Ｐｒｅ−ＬＮＡとＬＮＡとの間に１個のバンド・パス・フィルタ（以下、段間フィルタと称す）の２個のバンド・パス・フィルタが使用される。例えば、ＴＯＰフィルタにはＳＡＷフィルタや積層セラミックＬＣフィルタ、同軸共振器型誘電体フィルタ等が用いられ、段間フィルタにはＳＡＷフィルタ等が用いられる。一般にＴＯＰフィルタには低損失な特性が要求され、段間フィルタには高減衰特性が要求されるが、例えば段間フィルタに用いるＳＡＷフィルタの減衰特性が通過帯域内の挿入損失の劣化を伴わずに改善されれば、その分ＴＯＰフィルタに必要とされる減衰量は小さくできる。これにより様々な利点があり、例えばＴＯＰフィルタに積層ＬＣフィルタを用いる場合は、多層セラミックの積層数を減らすことができ、多層セラミックに内蔵するインダクタやキャパシタ等のエレメント数を減らすことができる等、小型化や低価格化に寄与することができる。またＴＯＰフィルタに誘電体フィルタを用いる場合においては、同軸共振器の個数を減らすことも可能であり、小型化や低価格化に寄与することができる。さらに、ＴＯＰフィルタ自体を省略することも可能となり、回路に使う部品点数を減らし、増幅器等の能動素子の使用個数を減らすことによる低消費電力化も可能であろう。

（ａ）は本発明に係るラダー型ＳＡＷフィルタの回路構成を示した図、（ｂ）はラダー型ＳＡＷフィルタの断面を示す概略構成図である。 カット角と基準化電極膜厚とをパラメータとしたときの容量比γを示す図である。 カット角と基準化電極膜厚とをパラメータとしたときの周波数温度係数を示す図である。 ＳＡＷ共振子のインピーダンス絶対値の周波数特性を示す図である。 本発明に係るラダー型ＳＡＷフィルタの、（ａ）は減衰特性、（ｂ）は通過域特性を示す図である。 カット角と最大挿入損失、最大偏差との関係を示す図である。 （ａ）、（ｂ）はラダー型基本区間フィルタとそのフィルタ特性を示す図である。 従来のラダー型ＳＡＷフィルタの回路構成を示した図である。 直列腕ＳＡＷ共振子の電極パターンを示す図である。 並列腕ＳＡＷ共振子の電極パターンを示す図である。 ラダー型ＳＡＷフィルタの構造を示す断面図である。 従来のラダー型ＳＡＷフィルタの、（ａ）は減衰特性、（ｂ）は通過域特性を示す図である。 従来のＳＡＷ共振子のインピーダンス絶対値の周波数特性を示す図である。

符号の説明

１１ 圧電基板
１４ アルミナセラミック基板
Ｘｓ 直列腕ＳＡＷ共振子
Ｘｐ 並列腕ＳＡＷ共振子
ＧＮＤ１、ＧＮＤ２ 接地
１２ ＳＡＷチップ
１３ パッド電極
１５ 接続用の電極
１６ 金バンプ
１７ 樹脂
１８ 空間
１９ 外部電極
２０ 内部配線

Claims (9)

1. オイラー角（０°±４°，１４４．１°〜１６０．０°，０°±４°）のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）基板の主表面上に表面波の伝搬方向に沿って形成された少なくとも１つのＩＤＴ電極と該ＩＤＴ電極の両側に配置したグレーティング反射器とを備えたＳＡＷデバイスであって、前記ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器をアルミニウムあるいはアルミニウム合金で形成し、その基準化電極膜厚Ｈ／λ（Ｈは電極膜厚、λは波長）を０．１０から０．１４の範囲に設定したことを特徴とするＳＡＷデバイス。
2. オイラー角（０°±４°，１４４．１°〜１６０．０°，０°±４°）のタンタル酸リチウム基板と、該タンタル酸リチウム基板の主表面上に表面波の伝搬方向に沿って形成された少なくとも１つのＩＤＴ電極を備えたＳＡＷデバイスであって、前記ＩＤＴ電極をアルミニウムあるいはアルミニウム合金で形成し、その基準化電極膜厚Ｈ／λ（Ｈは電極膜厚、λは波長）を０．１０から０．１４の範囲に設定したことを特徴とするＳＡＷデバイス。
3. 前記ＳＡＷデバイスが一端子対ＳＡＷ共振子であることを特徴とする請求項１または２に記載のＳＡＷデバイス。
4. 前記タンタル酸リチウム基板上に形成したリード電極にて前記ＳＡＷデバイスを直列腕、並列腕と順次梯子状に接続してラダー型ＳＡＷフィルタを構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のＳＡＷデバイス。
5. 請求項４に記載のＳＡＷデバイスを用いて分波器を構成したことを特徴とするＳＡＷデバイス。
6. 前記タンタル酸リチウム基板がバルク導電率を高めたものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＳＡＷデバイス。
7. 前記タンタル酸リチウム基板が該基板の導電性を高めるため熱と化学的に還元する雰囲気との組み合わせに放置したものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のＳＡＷデバイス。
8. 前記タンタル酸リチウム基板が該基板の導電性を高めるためキュリー温度未満の温度にて金属蒸気を含む雰囲気で加熱したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のＳＡＷデバイス。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のＳＡＷデバイスをＧＰＳ受信機の回路に搭載したことを特徴とする装置。
   
   
   
   
   
   

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