TAIYO YUDEN

スマートフォンのRFフロントエンドに用いられるSAW-Duplexerの温度補償技術

電波新聞ハイテクノロジー 2012年11月8日

1. はじめに

近年、スマートフォンのマーケットにおいてデータ通信量の必要量が増大しており、システムの多様化が進んでいる。現在、グローバルに対応するスマートフォンに使用されるシステムとしては、GSMの4バンド、WCDMAの5バンド、さらにLTEの2バンドと最低必要バンド数としても11バンドと多くのシステムの対応が必要とされている。また、このように必要バンド数が増える中でも小型化、高性能化が求められている。この問題に対応するべく、RF(Radio Frequency)フロントエンドのマーケットではインテグレーションでのモジュール化が加速しており、PA(Power Amplifier)などの発熱デバイスとのモジュール化によって、より高温で過酷な条件での仕様が必要となっている。
この問題を解決するために、当社では貼り合せ基板技術による温度補償SAW-Duplexer(Surface Acoustic Wave-Duplexer)を提案する。
本稿では、当社のオリジナルの技術である温度補償技術の特徴を紹介するとともに、これらの技術を適用したSAW-Duplexer製品の紹介をする。

2. 加速されるRFフロントエンドのモジュール化での問題点

RFフロントエンドのブロックを図-1に示す。アンテナからRF-ICの間には、RFスイッチ、送信側にTx-SAWフィルタ、PA、SAW-Duplexerが配置されている。また受信側には、SAW-Duplexer、ローノイズアンプ(LNA)が配置されている。今般、スマートフォンの拡大に伴い、フロントエンド部のマルチバンド対応が急速に進んでおり、対応するバンドの数だけ、Duplexer、SAWフィルタ、マッチング素子が配置され、RFスイッチ、PA、LNAはサイズが大きくなることになる。また、マルチバンド対応のスマートフォンの場合、RF部分のエリアを大きくすること無くこれらの機能を実現するため、フロントエンドのモジュール化、高密度実装化が進み、部品間隔が小さく、低背化になってくる。これにより、SAW-Duplexerは送信側のPAからの放射熱および伝導熱によりDuplexer特性を劣化させ、送信側の出力パワー低下、消費電流の増加、ACLR(隣接チャンネル漏洩電力)の悪化、受信側の受信感度特性(Sensitivity)悪化を及ぼすことになる。従来のSAWテクノロジーでは、これらの熱による影響を踏まえ、通過帯域幅の拡大、高温重視インピーダンス設計、放熱性の高いパッケージの採用などを行ないフィルタ特性を確保してきた。しかし、これらの対策では常温時の受信感度劣化、送信特性劣化、コストアップを招いていた。
これらの問題に対して、フロントエンドモジュールでは、SUPERISOLATION™テクノロジーを適用し、送信出力パワー、送信出力信号ノイズに関係なく高受信感度を実現。小型化による配線損失の低減や次項にて説明する温度補償技術を適用することで、全温度時の受信感度劣化、送信特性劣化を避けることができる。これらの対策により、フロントエンド部の小面積化に貢献し、スマートフォンの小型化を実現することができる。

図-1 RFのブロックイメージ図

3. SAW-Duplexerに適用する直接接合技術を用いた温度補償技術

モジュールの高集積化、高密度化に伴い、PAからSAW-Duplexerへの放射熱と伝導熱の影響が無視できなくなってきており、SAW素子の温度安定性が不可欠となっている。一般的にPAの発熱による熱は80℃程度であり、SAW-Duplexerへの放射熱が45℃程度であるため、最大環境温度で125℃程度まで上昇してしまう。従来のSAW-Duplexerはデバイス温度が80℃まで上昇することを想定し設計されていたが、さらに高温での環境に対応したデバイスを設計することが必要となってきている。
SAW素子に用いられる一般的な圧電材料であるタンタル酸リチウム(LiTaO3)やニオブ酸リチウム(LiNbO3)は、大きな電気機械結合係数を持ち広帯域化が実現可能な代わりに、温度安定性が低く温度変化により周波数が移動してしまうという欠点を持つ。一方、同じくSAW素子に用いられる圧電材料である水晶は、温度安定性が高い反面、電気機械結合係数が小さいという欠点を持つ。
このように、圧電材料の一般的な傾向として、電気機械結合係数の大きな材料は温度安定性に劣り、逆に温度安定性に優れた材料は電気機械結合係数が小さいという相反する特性を有している。
今回適用する技術は、図-2に示すようにLiTa3等の圧電基板と熱膨張率の低い支持基板とを常温で直接接合し、温度変化による圧電基板の線膨張係数での伸縮を抑制し、温度安定性を高めたものである。

図-2 直接接合技術の構造

表-1に示すように、支持基板には小さな熱膨張係数と大きなヤング率を持つことが必要であり、当社は支持基板にサファイアを用いることで、高い温度安定性と放熱性、そして低い伝搬ロスを兼ね備えた接合基板を実現している。

表-1 材料定数

図-3に示すように、この温度補償技術により、常温時の特性劣化を招くことなく、高温時の受信感度劣化、送信特性劣化を最小限に抑えることに成功した。

図-3 接合基板を用いたデバイス特性

4.放熱性に優れたデバイス構造と直接接合基板を用いた温度補償技術

もう一つの課題としてSAW-Duplexerの自己発熱の問題がある。RF回路の送信系において、必要な送信パワーを得るためにPAで電力増幅され、大電力信号がSAW-Duplexer内に入力されてくる。電力がSAW-Duplexer内に入力されると、SAW電極の自己発熱によりチップ上に熱が発生する。この自己発熱による温度上昇によっても周波数の変動が発生して受信感度劣化、送信特性劣化が発生することになる。また、一般的にチップ内の温度が上昇するほど、SAW-Duplexerの耐電力寿命が指数関数的に短くなる問題も発生する。このため、この自己発熱に対して放熱性に優れた構造・材料を採用することが重要となる。
この課題に対し、当社では圧電基板LiTaO3と熱伝導性に優れているサファイア基板の直接接合技術を採用することによって、圧電基板単板に対して、大きく放熱性を改善している。図-4はLiTaO3とLiTaO3/サファイア接合基板の電力入力時のチップ表面サーモグラフの比較を示しており、LiTaO3/サファイア接合基板を採用することでチップ表面温度が低く、放熱性に優れていることが分かる。

図-4 貼り合せwaferの放熱効果

また、近年のDuplexer小型化の流れでFCB(Flip Chip Bonding)構造の適用によって、放熱性の劣化に加えチップの小型化が進み、チップ自体の熱容量が減少し熱がデバイス内に停滞することで、デバイスの温度が上がってしまい特性劣化が発生する問題も出てきている。この問題に対して、当社では独自のメタル封止構造を採用することにより、チップ内の熱を熱伝導性に優れているメタルを通してチップ外へ放熱させ、小型かつ耐電力性の高いSAW-Duplexerを実現している(図-5)。

図-5 デバイス構造の放熱経路

図-6には当社CSSD(Chip Size SAW Device)構造での放熱改善効果を示す。わかりやすくするために送信フィルタのみで放熱のシミュレーションを行った結果を示している。放熱の経路としては、チップ表面からバンプを介してパッケージから実装基板への放熱経路、チップ裏面から封止材料を介しての放熱経路が主である。当社CSSD構造と樹脂封止構造の比較を示しているが、チップ表面温度で約32℃の温度差があり、メタル封止構造を採用している当社CSSD構造での良好な放熱効果が確認できる。

図-6 CSSD構造の放熱効果 (シミュレーション)

5.まとめ

本稿ではスマートフォンのシステムの多バンド化を発端としたRF部の小型化、モジュール化に伴うデバイスの高性能化、特に過酷な環境温度に対応する為に接合基板技術とCSSD封止構造での温度補償技術の有用性を示してきた。

最後に、これらの技術を適用して開発された製品例を紹介する。

Band2 SAW-Duplexer
図-7はWCDMAのメインバンドの中で送信帯域と受信帯域の間隔が近く、急峻なスカート特性とともに温度安定性が最も必要とされるBand2の特性を示している。当社のBand2 SAW-Duplexerでは、上記で紹介した温度補償技術を適用しており、一般的なLiTaO3と比較して約1.5倍の温度安定性を実現している。

図-7 Band2特性

6.今後の展望

今回開発した技術をもとに、新たなLTEバンドへの展開の適用を早急に行いたいと考えている。さらに、スマートフォンのシステム発展には、今後も止むことなく厳しい要求が続けられ、これらの要求に対して継続して新しい技術開発を行い、小型かつ高機能なRFデバイスを実現する。

「SUPERISOLATION」は、太陽誘電株式会社の登録商標。