DE102016120566A1

DE102016120566A1 - SAW device with improved thermal conductivity

Info

Publication number: DE102016120566A1
Application number: DE102016120566.4A
Authority: DE
Inventors: Tomasz Jewula; Maria Claudia Custodio Kajiyama; Yoshikazu Kihara
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-05-03
Also published as: WO2018081092A1

Abstract

Es wird vorgeschlagen, dotiertes Lithiumniobat als ein Substratmaterial für SAW-Vorrichtungen mit einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit zu verwenden. als ein bevorzugtes Beispiel für die Herstellung von SAW-Vorrichtungen mit einer beträchtlich reduzierten Eigenerwärmung wird MgO angegeben.It is proposed to use doped lithium niobate as a substrate material for SAW devices having improved thermal conductivity. as a preferred example of the production of SAW devices with considerably reduced self-heating, MgO is given.

Description

Die Eigenerwärmung von mikroelektronischen Vorrichtungen, die in der Vorrichtung unter Betriebsbedingungen durch dissipative Verluste verursacht wird, muss reduziert werden. Wenn die maximale Betriebstemperatur einer Vorrichtung durch Vermeiden dissipativer Verluste reduziert wird, kann die Leistungsfähigkeit der Komponente oder Vorrichtung verbessert werden.The self-heating of microelectronic devices caused by dissipative losses in the device under operating conditions must be reduced. When the maximum operating temperature of a device is reduced by avoiding dissipative losses, the performance of the component or device can be improved.

Im Fall eines SAW-HF-Filters (SAW: Surface Acoustic Wave-akustische Oberflächenwelle) verbessert sich die Frequenzstabilität und die Effizienz der HF-Signalübertragung. Weiterhin zeigt eine reduzierte Vorrichtungstemperatur einen positiven Einfluss auf ihre Zuverlässigkeit. Da die meisten Alterungsmechanismen temperaturabhängig sind, führt eine geringe Eigenerwärmung zu einer signifikant verbesserten Betriebslebensdauer der Vorrichtungen.In the case of SAW (Surface Acoustic Wave Surface Acoustic Wave) filter, the frequency stability and the efficiency of the RF signal transmission improve. Furthermore, a reduced device temperature has a positive influence on its reliability. Since most aging mechanisms are temperature dependent, low self-heating results in a significantly improved service life of the devices.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Reduzierung von Eigenerwärmung in mikroelektronischen Vorrichtungen, die auf Substraten mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet sind, bekannt. In solchen Vorrichtungen kann die Wärme aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Substrats nicht dissipiert oder weggeführt werden. Eine der üblichen Ideen ist es, die Fläche der aktiven Teile der Vorrichtung zu erhöhen. Diese Herangehensweise führt zu einer reduzierten Energiedichte und daher zu geringeren Verlusten. Weiterhin hilft die vergrößerte Komponentenfläche, die Wärmedissipation aufgrund eines größeren Wärmestroms zur Umgebung zu verbessern. Dieses Verfahren weist jedoch einen großen Nachteil auf, welcher seine große Vorrichtungsgröße ist, was im Gegensatz zu der Tendenz der Miniaturisierung steht.Various methods of reducing self-heating in microelectronic devices formed on low thermal conductivity substrates are already known. In such devices, the heat can not be dissipated or removed due to the low thermal conductivity of the substrate. One of the common ideas is to increase the area of the active parts of the device. This approach results in a reduced energy density and therefore lower losses. Furthermore, the increased component area helps to improve the heat dissipation due to a larger heat flow to the environment. However, this method has a great disadvantage, which is its large device size, which contrasts with the tendency of miniaturization.

Eine andere Herangehensweise ist es, Wärmedissipationsschichten einzuführen, die aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt und die nahe am aktiven Bereich der Vorrichtung positioniert sind. Metallische Schichten sind bevorzugt, aber auch dielektrische Schichten, die aus Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid gefertigt sind, sind Beispiele für solche Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit.Another approach is to introduce heat dissipation layers made of a material with high thermal conductivity and positioned close to the active region of the device. Metallic layers are preferred, but also dielectric layers made of silicon nitride, aluminum nitride or aluminum oxide are examples of such materials with higher thermal conductivity.

Eine andere Herangehensweise ist es, die Eigenerwärmung unter Verwendung von Mehrschichtsubstraten zu reduzieren. Eine dünne funktionale Schicht, die üblicherweise die oberste Schicht des Substrats ist, ist auf oder in einem Träger abgeschieden. Das stützende Material unterhalb der funktionalen Schicht kann ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit sein, die höher ist als die Wärmeleitfähigkeit der funktionalen Schicht. Aufgrund der geringen Dicke der funktionalen Schicht kann der Wärmewiderstand zwischen der Vorrichtung und der Umgebung im Vergleich zu einer Vorrichtung auf einem Substrat mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit, das als funktionales und stützendes Material fungiert, reduziert werden. Ein Nachteil dieser Herangehensweise sind jedoch die hohen Kosten der Mehrschichtsubstrate. Im Fall von SAW-Vorrichtungen ist eine Wechselwirkung zwischen dem stützenden Wafer und den akustischen Wellen möglich.Another approach is to reduce self-heating using multilayer substrates. A thin functional layer, which is usually the uppermost layer of the substrate, is deposited on or in a support. The supporting material below the functional layer may be a material having a thermal conductivity higher than the thermal conductivity of the functional layer. Due to the small thickness of the functional layer, the thermal resistance between the device and the environment can be reduced as compared to a device on a substrate having a lower thermal conductivity, which functions as a functional and supporting material. However, a disadvantage of this approach is the high cost of multi-layer substrates. In the case of SAW devices, interaction between the supporting wafer and the acoustic waves is possible.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine SAW-Vorrichtung mit einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen, die die Nachteile der oben genannten, bekannten Lösungen vermeidet.An object of the present invention is to provide a SAW device having improved thermal conductivity which avoids the disadvantages of the above known solutions.

Dieses Ziel wird durch eine SAW-Vorrichtung nach Anspruch 1 erfüllt. Weitere Verbesserungen und Ausführungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved by a SAW device according to claim 1. Further improvements and embodiments are the subject of dependent claims.

Die prinzipielle Idee der Erfindung ist es, die Eigenerwärmung in mikroelektronischen Vorrichtungen durch Verbessern der Wärmedissipationsfähigkeit der Vorrichtung mittels eines erhöhten Wärmestroms zu reduzieren.The principal idea of the invention is to reduce the self-heating in microelectronic devices by improving the heat dissipation capability of the device by means of an increased heat flow.

In aktuell verwendeten SAW-Vorrichtungen wird die Wärmeenergie, die von Wandlern in den akustischen Spuren erzeugt wird, mittels eines piezoelektrischen Substrats, einem Bump und einem Gehäuse an die Umgebung übertragen, die normalerweise eine Leiterplatte oder eine andere Verschaltungsumgebung ist. Der Wärmestrom wird hauptsächlich durch die Wärmeleitfähigkeit des Substrats und durch den Abstand zwischen der Wärmequelle (die die akustische Spur ist) und der Wärmesenke (die bei aktueller Technologie der Bump ist, der den Pfad mit dem geringsten Wärmewiderstand bereitstellt) definiert. Da der Abstand zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke gestaltungsabhängig ist und nicht verkürzt werden kann, ohne die Gestaltung zu ändern, ist die einzige mögliche Herangehensweise, den Wärmestrom durch Verbessern der Wärmeleitfähigkeit des Substrats selbst zu erhöhen. Die Erfindung stellt ein Substrat mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit bereit, das durch Verwenden eines dotierten Substratmaterials erhalten werden kann.In currently used SAW devices, the heat energy generated by transducers in the acoustic tracks is transmitted to the environment via a piezoelectric substrate, a bump, and a housing, which is typically a printed circuit board or other interconnect environment. The heat flow is defined primarily by the thermal conductivity of the substrate and by the distance between the heat source (which is the acoustic trace) and the heat sink (which in current technology is the bump that provides the path with the lowest thermal resistance). Since the distance between the heat source and the heat sink is design-dependent and can not be shortened without changing the design, the only possible approach is to increase the heat flow by improving the thermal conductivity of the substrate itself. The invention provides a substrate having improved thermal conductivity, which can be obtained by using a doped substrate material.

Im Fall einer SAW-Vorrichtung umfasst die Erfindung ein Substrat und auf dem Substrat angeordnete metallische Wandlerstrukturen. Das Substrat umfasst ein piezoelektrisches kristallines Material mit einer derartigen Dotierung, dass die Wärmeleitfähigkeit des dotierten Materials höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen piezoelektrischen kristallinen Materials ohne Dotierung. Mit einem solchen Material kann der Wärmestrom um etwa 20% verbessert werden.In the case of a SAW device, the invention includes a substrate and metallic transducer structures disposed on the substrate. The substrate comprises a piezoelectric crystalline material having a doping such that the thermal conductivity of the doped material is higher than the thermal conductivity of the respective piezoelectric crystalline material without doping. With such a material, the heat flow can be improved by about 20%.

Lithiumniobat ist ein piezoelektrisches Material, das häufig für SAW-Vorrichtungen verwendet wird, das aber eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es wurde herausgefunden, dass Lithiumniobat, das kurz als LN bezeichnet werden kann und das durch kongruentes Kristallziehen, zum Beispiel durch das Czochralski-Verfahren, aus einer Schmelze gewachsen wurde, Kristalldefekte aufweist. Da Wärmeleitung durch Phononentransport erfolgt, verursacht die Anwesenheit von Defekten Phononenstreuung. Infolgedessen wird die Wärmeleitfähigkeit reduziert. Lithium niobate is a piezoelectric material that is commonly used for SAW devices but has poor thermal conductivity. It has been found that lithium niobate, which may be referred to as LN for short, and grown by congruent crystal pulling, for example, by the Czochralski method, has crystal defects. Since heat conduction occurs by phonon transport, the presence of defects causes phonon scattering. As a result, the thermal conductivity is reduced.

Um die Wärmeleitfähigkeit eines solchen kristallinen Materials mit Kristalldefekten zu verbessern ist daher ein Modifizieren der Dichte der nichtstöchiometrischen Defekte, durch ein beliebiges Verfahren, das dazu dienlich ist, erforderlich. Die Kristalldefekte beruhen hauptsächlich auf der Zusammensetzung des kongruent wachsenden LN-Kristalls. Dieses Material weist ein Lithium/Niobat-Verhältnis von etwa 0,94 auf, was zu einem lithiumarmen Material führt, das intrinsische Defekte, wie etwa Kationenleerstellen und Niobsubstitutionsstellen, aufweist.Therefore, in order to improve the thermal conductivity of such crystalline material having crystal defects, modifying the density of the non-stoichiometric defects by any method which is useful is required. The crystal defects are mainly based on the composition of the congruently growing LN crystal. This material has a lithium / niobate ratio of about 0.94, resulting in a lithium poor material having intrinsic defects such as cation vacancies and niobium substitution sites.

Daher können diese Defekte durch Wachsen eines LN-Materials, das stöchiometrisch ist, reduziert werden. Dies ist mit einem komplizierten Prozess möglich, bei dem eine gute und kontinuierliche Regelung der Schmelzenzusammensetzung, die kontinuierlich angepasst werden muss, benötigt wird.Therefore, these defects can be reduced by growing an LN material that is stoichiometric. This is possible with a complicated process that requires good and continuous control of the melt composition that needs to be continuously adjusted.

Ein besserer und einfacherer Weg, die Wärmeleitfähigkeit zu modifizieren, kann durch Dotieren von LN mit geeigneten Elementen ausgeführt werden, die die Dichte von nichtstöchiometrischen Defekten (Substitutionsstellen und Kationenleerstellen) modifizieren.A better and simpler way to modify the thermal conductivity can be accomplished by doping LN with suitable elements that modify the density of non-stoichiometric defects (substitution sites and cation vacancies).

Kongruentes gewachsenes kristallines LN ist lithiumarm. Daher wird Dotieren mit einem Ion, das Lithium oder Niob substituieren kann, bevorzugt. Weiterhin werden Dotierungsstoffe, wie etwa zweiwertige oder dreiwertige Metallionen, bevorzugt.Congruent grown crystalline LN is low in lithium. Therefore, doping with an ion that can substitute lithium or niobium is preferred. Furthermore, dopants, such as divalent or trivalent metal ions, are preferred.

Ein kristallines LN-Material mit einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit umfasst mit Magnesium oder Eisen dotiertes Lithiumniobat. Eine solche Dotierung ist möglich und kann während des Kristallwachstums in der Schmelzenphase kontrolliert ausgeführt werden. Es kann genau wie erwünscht ein ristallines LN-Material mit einer homogenen Dotierung und einer reduzierten Anzahl an kristallinen Defekten erhalten werden. Im Ergebnis führt dies daher zu reduzierter Phononenstreuung und verbesserter Wärmeleitfähigkeit des kristallinen LN.A crystalline LN material with improved thermal conductivity includes magnesium or iron doped lithium niobate. Such doping is possible and can be carried out in a controlled manner during the crystal growth in the melt phase. As desired, a crystalline LN material with a homogeneous doping and a reduced number of crystalline defects can be obtained. As a result, this results in reduced phonon scattering and improved thermal conductivity of the crystalline LN.

Es kann gezeigt werden, dass eine SAW-Vorrichtung aus einem solchen dotierten LN-Material durch Verwenden des kristallinen Materials als ein Substratmaterial hergestellt werden kann. Die Eigenschaften des dotierten LN-Materials sind denen von nichtdotiertem LN sehr ähnlich. Zudem können SAW-Vorrichtungen auf Substraten aus dotiertem LN mit beinahe den gleichen Eigenschaften hergestellt werden, wie sie Vorrichtungen aufweisen, die auf Substraten aus nichtdotiertem LN gefertigt werden. Daher kann die Herstellung von verbesserten SAW-Vorrichtungen ohne Probleme durch Bereitstellen von dotiertem LN-Material durchgeführt werden.It can be shown that a SAW device can be made of such a doped LN material by using the crystalline material as a substrate material. The properties of the doped LN material are very similar to those of undoped LN. In addition, SAW devices can be fabricated on doped LN substrates with nearly the same properties as devices fabricated on undoped LN substrates. Therefore, the fabrication of improved SAW devices can be accomplished without problems by providing doped LN material.

Wenn auf ein LN-Substrat aufgetragen, verbessert eine Schicht, die den relativ großen TCF (Temperature Coefficient of Frequency - Temperaturkoeffizient der Frequenz) von LN kompensiert, Eigenschaften von SAW-Vorrichtungen. Eine solche Schicht kann auch auf eine SAW-Vorrichtung gemäß der Erfindung aufgebracht werden. Eine solche Kompensationsschicht kann eine SiO2- oder GeO2-Schicht umfassen, die über einem Substrat und Wandlerstrukturen, die direkt auf dem LN-Material angeordnet sind, aufgebracht werden kann.When applied to an LN substrate, a layer that compensates for the relatively large temperature coefficient of temperature (TCF) of LN improves features of SAW devices. Such a layer can also be applied to a SAW device according to the invention. Such a compensation layer may comprise an SiO 2 or GeO 2 layer which may be deposited over a substrate and transducer structures disposed directly on the LN material.

Herstellen von dotiertem LN kann durch geeignetes Dotieren des Materials in der geschmolzenen Phase, aus der die Kristallstäbe gezogen werden, erreicht werden. Beginnend mit einer kongruenten Zusammensetzung des geschmolzenen Materials wird Dotierungsmaterial, das die gewünschten Ionen umfasst, in einer gewünschten Konzentration hinzugefügt, die zwischen 3 und 5 Mol-% liegen kann. Das dotierte LN-Material wächst ebenfalls in einer kongruenten Zusammensetzung. Daher ist keine Regelung der Schmelzzusammensetzung während des Wachstumsprozess notwendig.Producing doped LN can be achieved by appropriately doping the material in the molten phase from which the crystal rods are grown. Starting with a congruent composition of the molten material, dopant material comprising the desired ions is added at a desired concentration, which may be between 3 and 5 mole percent. The doped LN material also grows in a congruent composition. Therefore, no control of the melt composition during the growth process is necessary.

Zum Vergleichen des Effekts, den die Dotierung eines LN-Materials auf die Wärmeleitfähigkeit und die Stabilität von daraus hergestellten SAW-Vorrichtungen hat, werden unterschiedliche Wafer angefertigt. Ein erster Wafer umfasst mit Magnesiumoxid dotiertes Lithiumniobat. Ein zweiter Wafer umfasst mit Eisen dotiertes Lithiumniobat. Ein dritter Wafer umfasst ein „normales“ LN-Material, das schwarzes LN genannt wird, wie es für aktuelle SAW-Vorrichtungen verwendet wird. Auf diesen Wafern werden SAW-Teststrukturen angefertigt, die sich ähnlich wie jeweilige Filter verhalten und die mit denselben Parametern angefertigt werden, aber keine vollständige Filterfunktionalität bereitstellen. Alle Teststrukturen werden auf den unterschiedlichen Wafern mit denselben Herstellungsparametern angefertigt.To compare the effect that the doping of an LN material has on the thermal conductivity and the stability of SAW devices fabricated therefrom, different wafers are made. A first wafer comprises magnesium oxide doped lithium niobate. A second wafer comprises iron-doped lithium niobate. A third wafer comprises a "normal" LN material called black LN as used for current SAW devices. SAW test structures are made on these wafers that behave in a similar way to the respective filters and are made with the same parameters but do not provide complete filtering functionality. All test structures are made on the different wafers with the same manufacturing parameters.

Auf der Oberfläche des jeweiligen Wafers umfasst die Teststruktur für einen Resonator eine Mehrschicht-Metallisierung, die ein kupferbasiertes Elektrodensystem mit einer Gesamthöhe von 154 nm umfasst. Der Pitch ist auf 0,85 µm angepasst und das Metallisierungsverhältnis ist auf 0,5 eingestellt. Die Teststruktur ist ähnlich einem Serienresonator einer Ladder Type-Struktur, wie er für ein RX-Filter im Mobilfunk-Band 2 verwendet wird. Über dem Substrat und der aufgebrachten Metallisierung wird ein dielektrisches Material, das 655 nm SiO2 und 90 nm Siliciumnitrid umfasst, abgeschieden. Die Teststruktur führt zu einem SAW-Resonator mit einer Reihenresonanz von etwa 2054,1 MHz auf dem Referenzwafer. Aufgrund leicht variierender optischer Eigenschaften, die einen Einfluss auf das lithografische Verhalten während der Herstellung aufweisen können, unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen der unterschiedlichen Wafer leicht.On the surface of the respective wafer, the test structure for a resonator comprises a multi-layer metallization comprising a copper-based electrode system with a total height of 154 nm. The pitch is adjusted to 0.85 μm and the metallization ratio is set to 0.5. The test structure is similar to a series resonator of a ladder type structure as used for an RX filter in the Cellular Band 2 is used. Over the substrate and the deposited metallization, a dielectric material comprising 655 nm SiO 2 and 90 nm silicon nitride is deposited. The test structure results in a SAW resonator with a series resonance of about 2054.1 MHz on the reference wafer. Due to slightly varying optical properties that may affect the lithographic performance during fabrication, the resonant frequencies of the different wafers are slightly different.

Mit diesen Teststrukturen werden unterschiedliche Messungen elektrischer Eigenschaften ausgeführt, um sowohl das Verhalten des dotierten Materials als auch das Verhalten der daraus gefertigten SAW-Vorrichtungen zu analysieren.With these test structures, different electrical property measurements are made to analyze both the behavior of the doped material and the behavior of the SAW devices fabricated therefrom.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsformen und die beiliegenden Figuren ausführlicher erläutert. Die Figuren zeigen die Ergebnisse der Messungen an den Teststrukturen sowie eine schematische Darstellung einer SAW-Vorrichtung.

1 zeigt die maximale Vorrichtungsleistung (power on device), die für verschiedene LN-Materialien gemessen ist,
2 zeigt in einem Diagramm die Ausfallzeit in Abhängigkeit von der einwirkenden Leistung,
3 zeigt die Eigenerwärmung einer SAW-Vorrichtung, die auf unterschiedlichen Substraten realisiert ist, in Abhängigkeit von der angelegten HF-Frequenz,
4 zeigt dissipative Verluste über der Frequenz und in Abhängigkeit von der an die Vorrichtung angelegten Leistung,
5 zeigt eine SAW-Vorrichtung und die bevorzugten Pfade der Wärmedissipation von den wärmeerzeugenden Vorrichtungsstrukturen zu einer Wärmesenke.

In the following, the invention will be explained in more detail with reference to embodiments and the enclosed figures. The figures show the results of the measurements on the test structures and a schematic representation of a SAW device.

1 shows the maximum device power (power on device) measured for different LN materials
2 shows in a diagram the downtime as a function of the acting power,
3 shows the self-heating of a SAW device realized on different substrates, depending on the applied RF frequency,
4 shows dissipative losses over frequency and as a function of the power applied to the device,
5 shows a SAW device and the preferred paths of heat dissipation from the heat generating device structures to a heat sink.

1 zeigt in einem Balkendiagramm die maximale Vorrichtungsleistung, welche die Leistung ist, die die Vorrichtung ohne Versagen vertragen kann. Die Leistung wird als ein HF-Signal mit einer Frequenz innerhalb der rechten Flanke des Durchlassbandes an die Teststruktur angelegt. Zwei unterschiedliche Frequenzen werden für Messungen verwendet, die sich 3 dB und 6 dB unterhalb von null befinden. Es ist klar, dass an dem 3dB-Punkt ein höherer Leistungspegel als an dem 6dB-Punkt angelegt werden kann, wie das Balkendiagramm zeigt. Hinsichtlich des unterschiedlich dotierten Materials zeigt ein mit Magnesiumoxid dotiertes LN-Material die höchste Leistungsbeständigkeit. Eisendotiertes LN liegt etwa 0,5 dB darunter. Die Leistungsbeständigkeit der aus nichtdotiertem LN gefertigten Referenzteststruktur ist um etwa weitere 0,5 dB kleiner. 1 Figure 4 is a bar graph showing the maximum device power, which is the power that the device can tolerate without failure. The power is applied to the test structure as an RF signal having a frequency within the right edge of the passband. Two different frequencies are used for measurements that are 3 dB and 6 dB below zero. It is clear that at the 3dB point a higher power level than at the 6dB point can be applied, as the bar graph shows. With regard to the differently doped material, an LN material doped with magnesium oxide shows the highest performance resistance. Iron-doped LN is about 0.5 dB below. The power resistance of the reference test structure made of undoped LN is about 0.5 dB smaller.

In 2 wird die gleiche Leistungsbeständigkeit mit einer leicht unterschiedlichen Messung untersucht. Die Zeit bis zum Ausfall der analysierten Testvorrichtung wird in Abhängigkeit von der angelegten Leistung in dBm gemessen. Die vertikale Achse stellt die Zeit bis zum Ausfall in einer logarithmischen Skala dar. Es kann gezeigt werden, dass die auf mit Magnesiumoxid dotiertem LN-Material gefertigten Strukturen für jeden Leistungspegel die höchste Zeit bis zum Ausfall zeigen, besser als eisendotierte und besser als die Referenzteststruktur. Dies gilt für alle angelegten Leistungspegel.In 2 the same power resistance is tested with a slightly different measurement. The time to failure of the analyzed test device is measured as a function of the applied power in dBm. The vertical axis represents the time to failure on a logarithmic scale. It can be shown that the structures fabricated on magnesium oxide doped LN material show the highest time to failure for each power level, better than iron doped and better than the reference test structure , This applies to all applied power levels.

In 3 wird die Eigenerwärmung der Teststruktur gemessen, um die Gründe für die unterschiedliche Leistungsbeständigkeit nachzuweisen. Die Graphik zeigt drei Kurven, die die Eigenerwärmung in Kelvin pro Watt in Abhängigkeit von der Frequenz des angelegten Signals darstellen. Die drei Kurven weisen unterschiedliche Maxima gemäß den leicht unterschiedlichen akustischen Eigenschaften der auf unterschiedlichen LN-Materialien gefertigten Teststrukturen auf. Ähnlich der jeweiligen Resonanzfrequenz der Teststrukturen erscheint das Maximum der Eigenerwärmung bei unterschiedlichen Frequenzen, die von nichtdotiertem LN zu eisendotiertem LN zu magnesiumoxiddotierten LN ansteigen. Die größte Eigenerwärmung erscheint bei den auf nichtdotiertem LN gefertigten Teststrukturen. Eisendotiertes LN zeigt ein sehr ähnliches Verhalten in dieser Messung. Teststrukturen auf magnesiumoxiddotiertem LN zeigen jedoch eine deutlich reduzierte Eigenerwärmung, die etwa 20% niedriger als die Eigenerwärmung der zwei anderen Teststrukturen ist. Dieses Ergebnis erbringt den Nachweis, dass die unterschiedliche Leistungsbeständigkeit der Teststrukturen auf der unterschiedlichen Eigenerwärmung beruht.In 3 The self-heating of the test structure is measured to demonstrate the reasons for the different power resistance. The graph shows three curves representing the self-heating in Kelvin per watt as a function of the frequency of the applied signal. The three curves have different maxima according to the slightly different acoustic properties of the test structures fabricated on different LN materials. Similar to the respective resonant frequency of the test structures, the maximum of self-heating appears at different frequencies increasing from undoped LN to iron doped LN to magnesium oxide doped LN. The greatest self-heating appears in the test structures fabricated on undoped LN. Iron-doped LN shows a very similar behavior in this measurement. Test structures on magnesium oxide-doped LN, however, show a significantly reduced self-heating, which is about 20% lower than the self-heating of the other two test structures. This result provides evidence that the difference in power resistance of the test structures is due to the different self-heating.

4 zeigt eine Messung von dissipativen Verlusten in Abhängigkeit von der Frequenz des angelegten Signals. Die Messpunkte sind bezüglich der angelegten Vorrichtungsleistung normiert. Ähnlich wie in 3 weisen die Verluste für jedes Material aufgrund der unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Teststrukturen ein Maximum bei unterschiedlichen Frequenzen auf. Die Figur zeigt, dass sich für die drei analysierten Materialien beinahe die gleichen Verluste ergeben, wobei nur das eisendotierte LN-Material beziehungsweise die darauf hergestellte Teststruktur ein wenig Streuung oder Dispersion zeigt, was das Gesamtergebnis nicht beeinflusst. 4 shows a measurement of dissipative losses as a function of the frequency of the applied signal. The measurement points are normalized with respect to the applied device power. Similar to in 3 The losses for each material have a maximum at different frequencies due to the different resonance frequencies of the test structures. The figure shows that almost the same losses occur for the three materials analyzed, with only the iron-doped LN material or the test structure produced thereon showing a little scattering or dispersion, which does not affect the overall result.

Anhand der obigen Messungen kann gezeigt werden, dass ein magnesiumoxiddotiertes LN-Material ein bevorzugtes Material zum Herstellen einer SAW-Vorrichtung mit einer verbesserten Leistungsbeständigkeit und dementsprechend einer erhöhten Lebensdauer ist. Die Eigenerwärmung von aus magnesiumoxiddotiertem LN gefertigten Vorrichtungen ist bedeutend reduziert.From the above measurements it can be shown that a magnesium oxide doped LN material is a preferred material for making a SAW device with improved power resistance and, consequently, increased life. The self-heating of devices made of magnesium oxide doped LN is significantly reduced.

5 zeigt einen Querschnitt durch eine SAW-Vorrichtung, die auf einem Keramikträger montiert und auf eine Leiterplatte gebondet ist. Das Substrat SUB ist ein Chip, der aus einem piezoelektrischen LN-Wafer geschnitten ist. Auf die Oberfläche des Substrats SUB wird eine Metallisierung aufgetragen, die Bauelementstrukturen BES der SAW-Vorrichtung bildet. Eine dielektrische Schicht, die ein Material zur TCF-Reduzierung wie SiO2 umfasst, kann auf die Bauelementstrukturen BES aufgebracht werden. Der Chip mit der Bauelementstruktur wird dann auf einen Keramikträger in Flip-Chip-Anordnung durch Bonden mittels Bumps montiert. Nach dem Verbinden des Substrats SUB mit dem Keramikträger CER kann diese Anordnung durch eine abdichtende Abdeckung, die zum Beispiel aus einem Epoxidharz gefertigt werden kann, versiegelt werden. Der Keramikträger mit der montierten SAW-Vorrichtung wird auf ein PCB, das Teil eines Mobiltelefons sein kann, gebondet. 5 shows a cross section through a SAW device, which is mounted on a ceramic support and bonded to a circuit board. The substrate SUB is a chip cut from a piezoelectric LN wafer. On the surface of the substrate SUB, a metallization is applied, which forms component structures BES of the SAW device. A dielectric layer comprising a material for TCF reduction such as SiO 2 may be applied to the device structures BES. The chip with the component structure is then mounted on a ceramic carrier in flip-chip arrangement by bonding by means of bumps. After connecting the substrate SUB to the ceramic carrier CER, this arrangement can be sealed by a sealing cover, which can be made, for example, from an epoxy resin. The ceramic carrier with the mounted SAW device is bonded to a PCB, which may be part of a mobile phone.

Wenn die Bauelementstrukturen BES bei HF-Frequenzen betrieben werden, erzeugen sie dissipative Verluste, die zu Eigenerwärmung führen. Wie durch die dargestellten Pfeile gezeigt, wird die erzeugte Wärme mittels des piezoelektrischen Substrats, der Bumps BU und der Durchkontaktierungen des Trägers CER auf die Leiterplatte PCB übertragen, die eine Wärmesenke bildet. Der Wärmestrom wird hauptsächlich durch die Wärmeleitfähigkeit des Substrats und den Abstand zwischen der Wärmequelle, welche den in Betrieb befindlichen Bauelementstrukturen BES entspricht, und der Wärmesenke, welche aufgrund ihres niedrigen Wärmewiderstands tatsächlich den Bumps entspricht, definiert. Da dieser Abstand vom Design abhängig ist, kann die einzige mögliche Herangehensweise, den Wärmestrom zu erhöhen, durch eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Substrats erreicht werden, wie es die Erfindung macht.When operated at RF frequencies, the device structures BES produce dissipative losses that result in self-heating. As shown by the illustrated arrows, the generated heat is transmitted to the PCB PCB, which forms a heat sink, by means of the piezoelectric substrate, the bumps BU and the vias of the carrier CER. The heat flow is mainly defined by the thermal conductivity of the substrate and the distance between the heat source corresponding to the component structures BES in operation and the heat sink, which actually corresponds to the bumps due to their low thermal resistance. Since this distance depends on the design, the only possible approach to increase the heat flow can be achieved by improving the thermal conductivity of the substrate, as the invention does.

Die Erfindung wurde durch Bezugnahme auf lediglich eine Ausführungsform beschrieben, ist aber nicht auf die Verwendung von magnesiumoxiddotiertem LN-Material begrenzt. Es wird nicht ausgeschlossen, dass andere Dotierungsstoffe gefunden werden können, die die Wärmeleitfähigkeit von Lithiumniobat verbessern. Das gegebene Beispiel von magnesiumoxiddotiertem Lithiumniobat ist ein bevorzugtes Beispiel, da magnesiumoxiddotiertes Lithiumniobat schon Verwendung in optischen Vorrichtungen gefunden hat. Eine auf einem Substrat aus magnesiumdotiertem Lithiumniobat gefertigte SAW-Vorrichtung ist nicht auf die zum Beispiel in 5 gezeigte Struktur beschränkt. Es ist möglich, eine beliebige SAW-Struktur auf einem dotierten Lithiumniobat herzustellen oder auf diesem aufzubringen.The invention has been described by reference to only one embodiment, but is not limited to the use of magnesium oxide doped LN material. It is not excluded that other dopants can be found which improve the thermal conductivity of lithium niobate. The given example of magnesium oxide doped lithium niobate is a preferred example, as magnesium oxide doped lithium niobate has already found use in optical devices. A SAW device fabricated on a substrate of magnesium-doped lithium niobate is not similar to those described, for example, in US Pat 5 limited structure shown. It is possible to fabricate or deposit any SAW structure on a doped lithium niobate.

Claims

SAW device comprising a substrate (SUB) and a metallic transducer disposed on the substrate, wherein - The substrate comprises a piezoelectric crystalline material having a doping and a thermal conductivity which is higher than the thermal conductivity of a respective piezoelectric crystalline material without doping.

A SAW device according to the preceding claim, wherein the substrate material comprises doped lithium niobate LiNbO3.

A SAW device according to the preceding claim, wherein the substrate material comprises LiN doped with a divalent or trivalent metal ion.

A SAW device as claimed in any one of the preceding claims, wherein the substrate material comprises Mg-ion doped lithium niobate LiNbO3.

A SAW device according to any one of the preceding claims, wherein a TCF compensation layer of SiO 2 or GeO 2 is disposed over the substrate and the transducer.

A method of manufacturing a SAW device with improved heat dissipation comprising the steps of: Providing a substrate with improved thermal conductivity, Applying metallic structures to form transducers, conductor lines and connection pads, Finishing the SAW device, comprising applying a temperature compensation layer and fabricating a housing for the SAW device, wherein providing the substrate comprises: Providing a melt of lithium oxide and niobium oxide in a composition which enables the growth of a congruent crystal, Adding dopant material to the melt, Drawing a congruent crystal of doped lithium niobate from the melt which has improved thermal conductivity relative to a respective lithium niobate crystal without doping, - Cutting wafers from the crystal.

The method of the preceding claim, wherein adding the dopant material comprises adding solid MgO, melting the solid material, and homogenizing the melt with the molten dopant material.