CN105958963A - 一种封装结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种封装结构，具有器件的衬底倒装焊接在基板上，金属凸块将器件的引脚对外电性引出到基板。第一封装层紧紧包裹衬底，且与基板结合形成包围衬底和器件的密封结构，密封结构中有空腔；所述第一封装层为多层薄膜。本申请兼顾了封装结构的气密性和稳定性，同时尽量减小了封装结构的体积，并且简化了封装工序，降低了封装成本。

Description

一种封装结构及其制造方法

技术领域

本申请涉及一种对声表面波器件或体声波器件进行气密保护的封装结构。

背景技术

射频滤波器是射频前端(RF front end)电路的重要元件，在接收通道上用于过滤由天线输入的杂散信号，并将需要的信号传输到后级功率放大器；在发射通道上用于过滤功率放大器输出的信号，并将需要的信号传输至发射端口通过天线对外发射。

射频滤波器主要包括声表面波(surface acoustic wave，缩写为SAW)滤波器、体声波(bulk acoustic wave，缩写为BAW)滤波器、介质滤波器(dielectric filter)等。由于介质滤波器的体积较大，目前用于移动通信的射频滤波器主要是前两种。

声表面波滤波器和体声波滤波器都是基于声波的原理，在器件的封装结构中均需要具有空腔。较为常见的具有空腔的封装结构有如下两种。

请参阅图1，第一种封装结构主要采用金属盖和陶瓷基板封装，典型代表是日本的太阳诱电株式会社。在衬底101上制造出声表面波器件或体声波器件103，每个器件103及其衬底101称为一个晶粒(die)。在晶粒上通过超声波焊接金属凸块105，例如为金、锡、银、铜或其合金。再通过倒装焊接技术将晶粒倒置与陶瓷基板107焊接在一起，金属凸块105电性连接器件103的焊垫与陶瓷基板107的焊垫。接着为每颗晶粒单独加金属盖111，金属盖111包围在晶粒外侧且与晶粒之间具有一定空隙。然后进行回流焊，使得金属盖111通过焊接材料109与陶瓷基板107完全结合，焊接材料例如为金、锡、银、铜或其合金。此时由金属盖111与陶瓷基板107构成了一个包围器件103的密封结构，其中具有空腔。最后将整条陶瓷基板107按照每个晶粒切开。

图1所示的封装结构也可进行变形，由倒装焊接改为正装打线，即将晶粒正向放置在陶瓷基板107上，再采用焊线技术将晶粒的焊垫通过金属线引到陶瓷基板107上的焊垫。

上述由金属盖和陶瓷基板进行封装的方案成本极高，一方面陶瓷基板的价格十分昂贵；另一方面每个金属盖都需要特别定制，并且每一颗芯片都需要单独地完成金属盖封装的工序。陶瓷基板和金属盖基本完全由日本企业如京瓷、太阳诱电等公司垄断，目前国内无任何企业实现规模量产。

请参阅图2，第二种封装结构主要采用晶圆级封装(wafer level package，WLP)技术和树脂基板，典型代表是美国的安华高科技公司，现更名为博通有限公司。在第一半导体晶圆201上制造出声表面波器件或体声波器件203，在第二半导体晶圆251上刻蚀出环形凸起253和连接凸起255，将第二晶圆251具有环形凸起253和连接凸起255的一面与第一晶圆201具有器件203的一面通过键合材料257进行键合。此时由第一晶圆201、第二晶圆251和环形凸起253构成了一个包围器件203的密封结构，其中具有空腔。在连接凸起255中刻蚀通孔并填充金属，形成的接触孔电极259电性连接器件203的焊垫。切割键合后的两片晶圆，每个器件203及其衬底201(原第一晶圆)、盖帽251(原第二晶圆)称为一个晶粒。将晶粒的衬底201通过粘合剂205固定到树脂基板207上，再通过金属打线技术由金属线209连接接触孔电极259上的焊垫与树脂基板207上的焊垫，用于对外电性引出器件203的焊垫。最后采用胶体等封装材料211包裹晶粒，并按照每个晶粒切割树脂基板207。

图2所示的封装结构也可进行变形，由正装打线改为倒装焊接，即将晶粒倒置在树脂基板207上，再采用倒装焊接技术将晶粒的焊垫通过金属凸块的回流焊连接树脂基板207上的焊垫。

上述由晶圆级封装技术和树脂基板进行封装的方案首先需要采用两片晶圆进行键合，并由硅通孔(through silicon via，TSV)技术对外引出电路连接，材料与工艺成本较高。其次，还要通过打线或倒装焊接的方式将晶粒与树脂基板进行二次封装，封装成本更为昂贵。

一些公开文献还记载了其他实现具有空腔的封装结构，简述如下。

公开号为CN1692552A、公开日为2005年11月2日的中国发明专利申请公开了一种SAW器件的封装结构。该方案是在SAW芯片的外表面用加热和软化的树脂片覆盖，树脂填充到SAW芯片之间从而与基板一起构成了SAW芯片的气密空间。

公开号为CN1799194A、公开日为2006年7月5日的中国发明专利申请公开了一种SAW器件的封装结构。其中的说明书第12页第3段和图9(a)公开了一种用于阻止树脂侵入的框架构件。

公开号为CN1883043A、公开日为2006年12月20日的中国发明专利申请公开了一种SAW元件的封装结构。该方案是在真空减压条件下用树脂膜来热封SAW元件。

公开号为CN1914800A、公开日为2007年2月14日的中国发明专利申请公开了一种SAW元件的封装结构。该方案是用树脂来覆盖SAW元件，填充SAW元件与基板之间的空隙。

授权公告号为CN202818243U、授权公告日为2013年3月20日的中国实用新型专利公开了一种声表裸芯片的封装结构。该方案是由树脂膜通过热压贴合工艺包裹声表裸芯片。

上述五份公开文献都是采用树脂片、树脂膜等对声表面波器件或体声波器件进行密封，普遍存在如下不足。其一是实现声波反射层的封装结构的稳定性较差，在一些恶劣环境下封装结构的气密性容易被破坏，而使得整个器件失效。其二是实现声波反射层的封装结构的体积较大，不利于使用到轻薄的电子设备中。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种具有空腔的封装结构，能够在恶劣环境下仍保持封装结构的气密性不被破坏，同时要求此种封装结构的体积越小越好。

为解决上述技术问题，本申请的封装结构是将具有器件的衬底倒装焊接在基板上，金属凸块将器件的引脚对外电性引出到基板。第一封装层紧紧包裹衬底，且与基板结合形成包围衬底和器件的密封结构，密封结构中有空腔。所述第一封装层为多层薄膜。

进一步地，在第一封装层外紧紧包裹着第二封装层或第三封装层。或者，在第一封装层外紧紧包裹着第二封装层，在第二封装层外紧紧包裹着第三封转层。此时的第一封装层可以是单层或多层的环氧树脂和/或聚酰亚胺薄膜，第二封装层为树脂或胶体，第三封装层为金属。

可选地，在前述封装结构中增加：倒装的衬底与基板之间具有一圈环形凸块，环形凸块的位置对应于倒装的衬底的边缘一圈，环形凸块的高度小于或等于倒装的衬底与基板之间的空隙高度。在前述封装结构中修改：第一封装层、第二封装层、第三封装层分别改为第一超薄封装层、第二超薄封装层、第三超薄封装层；超薄是指厚度在10μm至100μm之间。所述环形凸块或者在基板上，为金属材质；所述环形凸块或者在衬底上，为衬底材质。

本申请的封装结构的制造方法包括如下步骤：第1步，在晶粒上的焊垫位置焊接金属凸块，所述晶粒是指每个器件及其衬底。第2步，通过倒装焊接技术将晶粒倒置与基板焊接在一起，金属凸块用于将器件引脚对外电性引出到基板。第3步，通过真空压合方式将第一封装层紧紧地压合在衬底和基板上；此时第一封装层与基板结合并形成一个包围衬底和器件的密封结构，密封结构中具有空腔；所述第一封装层为多层薄膜。

进一步地，还包括第4步：通过注塑方式在第一封装层外紧紧包裹第二封装层，第二封装层也与基板结合。或者还包括第4a步：通过溅射或电镀的方式在第一封装层的外侧形成一层金属作为第三封装层。或者还包括第4步和第5步，第5步：通过溅射或电镀的方式在第二封装层的外侧形成一层金属作为第三封装层。此时所述第3步中，所述第一封装层为单层或多层薄膜。

可选地，在前述制造方法中修改，将第2步改为第2a步：通过倒装焊接技术将晶粒倒置与基板焊接在一起，金属凸块用于将器件的引脚对外电性引出到基板；基板或衬底上具有一圈环形凸块，倒装后的晶粒的边缘位置对应于环形凸块。同时将第一封装层、第二封装层、第三封装层分别改为第一超薄封装层、第二超薄封装层、第三超薄封装层；超薄是指厚度在10μm至100μm之间。

本申请提供了一种具有空腔的封装结构，可用于声表面波器件、体声波器件、MEMS器件等的封装。这种封装结构是以成本低廉的环氧树脂薄膜和树脂基板作为主要封装材料，采用真空压合方式、注塑方式、溅射和/或电镀方式完成器件封装。本申请兼顾了封装结构的气密性和稳定性，同时尽量减小了封装结构的体积，并且简化了封装工序，降低了封装成本。

附图说明

图1是第一种实现声波反射层的现有封装结构示意图。

图2是第二种实现声波反射层的现有封装结构示意图。

图3a至图3d是本申请的封装结构第一至第四实施例的结构示意图。

图4a至图4d是本申请的封装结构第一至第四实施例的制造方法流程图。

图5a至图5d是本申请的封装结构第五至第八实施例的结构示意图。

图6a至图6d是本申请的封装结构第五至第八实施例的制造方法流程图。

图中附图标记说明：101为衬底；103为声表面波器件或体声波器件；105为金属凸块；107为陶瓷基板；109为焊接材料；111为金属盖；201为第一半导体晶圆；203为声表面波器件或体声波器件；205为粘合剂；207为树脂基板；209为金属线；211为封装材料；251为第二半导体晶圆；253为环形凸起；255为连接凸起；257为键合材料；259为接触孔电极；301为衬底；303为器件；305为金属凸块；307为基板；309为环形凸起；311为第一封装层；313为第二封装层；315为第三封装层；351为第一超薄封装层；353为第二超薄封装层；355为第三超薄封装层。

具体实施方式

请参阅图3a，这是本申请的封装结构第一实施例。具有器件303的衬底301倒装焊接在基板307上，金属凸块305用于将器件303的引脚对外电性引出到基板307。所述衬底例如为硅等半导体衬底，或者是钽酸锂、铌酸锂等压电晶体衬底。所述器件303例如为声表面波器件或体声波器件。所述金属凸块305例如为金、锡、银、铜或其合金材质。所述基板307例如为用于封装的树脂基板。第一封装层311紧紧包裹衬底301，且与基板307结合形成包围衬底301和器件303的密封结构。密封结构中具有空腔。所述第一封装层311可以是单层薄膜，例如为环氧树脂；也可以是多层薄膜，例如内层是聚酰亚胺，外层是环氧树脂。

请参阅图4a，图3a所示封装结构第一实施例的制造方法包括如下步骤。

步骤S401：在晶粒上焊接金属凸块305，例如采用超声波焊接工艺。所述晶粒是指每个器件303及其衬底301。金属凸块305被焊接在晶粒上的焊垫位置。

步骤S403：通过倒装焊接技术将晶粒倒置与基板307焊接在一起，此时金属凸块305电性连接器件303的焊垫与基板307的焊垫，用于将器件303的引脚对外电性引出到基板307。

步骤S405：通过真空压合方式，将第一封装层311紧紧地压合在衬底301和基板307上。此时第一封装层311与衬底301之间没有空隙。并且第一封装层311与基板307结合(即连为一体)并形成一个包围衬底301和器件303的密封结构，密封结构中具有空腔。在该步骤中，通过控制压合过程中的时间、压力以及温度等参数，可以控制第一封装层311溢进倒装的衬底301与基板307之间空隙的深度。在该步骤中，第一封装层311可以采用单层环氧树脂薄膜，或者是聚酰亚胺和环氧树脂的两层复合薄膜。

优选地，还可在基板307上涂覆或以其他方式设置吸气剂等材料，以提升密封结构中空腔的真空度。

与现有的封装结构相比，本申请的封装结构第一实施例采用单层或多层薄膜以真空压合工艺形成具有空腔的封装结构，不仅简化了封装工艺，而且降低了封装成本。

请参阅图3b，这是本申请的封装结构第二实施例。与第一实施例相比，第二实施例在第一封装层311之外紧紧包裹着第二封装层313。第二封装层313例如为树脂、胶体等封装材料。

请参阅图4b，图3b所示封装结构第二实施例的制造方法包括步骤S401、步骤S403、步骤S405，并在步骤S405之后增加了步骤S407。

步骤S407：通过注塑工艺，使第二封装层313紧紧地包裹住第一封装层311并在基板307上。此时第二封装层313与第一封装层311之间没有空隙。并且第二封装层313与基板307结合，在原密封结构之外进一步进行密封。

与本申请的封装结构第一实施例相比，本申请的封装结构第二实施例在第一封装层之外新增了第二封装层，第一封装层采用真空压合工艺与基板连为一体，第二封装层采用注塑工艺与基板连为一体，因此增强了封装结构的气密性和稳定性。

请参阅图3c，这是本申请的封装结构第三实施例。与第一实施例相比，第三实施例在第一封装层311之外紧紧包裹着第三封装层315。第三封装层315例如为金属，优选为钛、铜、镍、钯、金或其合金。

请参阅图4c，图3c所示封装结构第三实施例的制造方法包括步骤S401、步骤S403、步骤S405，并在步骤S405之后增加了步骤S417。

步骤S417：通过金属溅射或电镀方式，在第一封装层311的外侧形成一层金属作为第三封装层315。

与本申请的封装结构第一实施例相比，本申请的封装结构第三实施例由于在第一封装层之外新增了第三封装层，第一封装层采用真空压合工艺与基板连为一体，第三封装层采用溅射或电镀工艺形成在第一封装层的外侧，因此增强了封装结构的气密性和稳定性。

请参阅图3d，这是本申请的封装结构第四实施例。与第二实施例相比，第四实施例在第二封装层313的外侧具有第三封装层315。所述第三封装层315例如为金属，优选为钛、铜、镍、钯、金或其合金。

请参阅图4d，图3d所示封装结构第四实施例的制造方法包括包括步骤S401、步骤S403、步骤S405、步骤S407，并在步骤S407之后增加了步骤S409。

步骤S409：通过溅射或电镀的方式，在第二封装层313的外侧形成一层金属作为第三封装层315。

与本申请的封装结构第二或第三实施例相比，本申请的封装结构第四实施例囊括了薄膜真空压合、树脂或胶体注塑、金属溅射或电镀工艺，所形成的封装结构也因此具有至少三层，极大地增强了在恶劣环境中使用的气密性和稳定性，同时对于体积增加则非常有限。

请参阅图5a，这是本申请的封装结构第五实施例。与第一实施例相比，第五实施例有两点区别。首先，在倒装的衬底301与基板307之间具有一圈环形凸块309，环形凸块309的位置对应于倒装的衬底301的边缘一圈。环形凸块309例如在基板307上，为金属材质；或者在衬底301的边缘，为衬底材质。环形凸块309的高度小于或等于倒装的衬底301与基板307之间的空隙高度。其次，第一封装层311改为了厚度在10μm至100μm之间的第一超薄封装层351。所述第一超薄封装层351可以是单层薄膜，例如为环氧树脂；也可以是多层薄膜，例如内层是聚酰亚胺，外层是环氧树脂。

请参阅图6a，图5a所示封装结构第五实施例的制造方法包括如下步骤。

步骤S601：在晶粒上焊接金属凸块305，例如采用超声波焊接工艺。所述晶粒是指每个器件303及其衬底301。金属凸块305被焊接在晶粒上的焊垫位置。

步骤S603：通过倒装焊接技术将晶粒倒置与基板307焊接在一起，此时金属凸块305电性连接器件303的焊垫与基板307的焊垫，用于将器件303的引脚对外电性引出到基板307。基板307上具有一圈环形凸块309，倒装后的晶粒的边缘位置对应于基板307上的环形凸起309的位置。或者是衬底301的边缘位置具有一圈环形凸块309，例如通过刻蚀衬底301而得到这一圈环形凸块309。

步骤S605：通过真空压合方式，将第一超薄封装层351紧紧地压合在衬底301、环形凸块309和基板307上。此时第一超薄封装层351与衬底301之间没有空隙，第一超薄封装层351与环形凸块309的侧面之间也没有空隙。并且第一超薄封装层351与基板307结合并形成一个包围衬底301和器件303的密封结构，该密封结构中具有空腔。

优选地，还可在基板307上涂覆或以其他方式设置吸气剂等材料，以提升第一密封结构中空腔的真空度。

与本申请的封装结构第一至第四实施例相比，本申请的封装结构第五实施例改为采用厚度在10μm至100μm之间的超薄封装层。超薄封装层沿着环形凸块和衬底的边缘成台阶状，这能有效减小封装结构的体积，使封装后的器件适用于日趋轻薄的电子设备中。但是超薄封装层在真空压合工艺中较容易溢进倒装的衬底与基板之间的空隙中，为此本申请的封装结构第五实施例在所述空隙中设置了具有一定高度的环形凸块，用来阻挡超薄封装层溢进所述空隙。设置环形凸起还减少了超薄封装层覆盖所述空隙的范围，并增加了超薄封装层与环形凸块之间的接触，因此进一步加强了封装结构的气密性与稳定性。

请参阅图5b，这是本申请的封装结构第六实施例。与第五实施例相比，第六实施例有在第一超薄封装层351之外紧紧包裹着第二超薄封装层353。第二超薄封装层353的厚度在10μm至100μm之间，例如为树脂、胶体等封装材料。

请参阅图6b，图5b所示封装结构第六实施例的制造方法包括包括步骤S601、步骤S603、步骤S605，并在步骤S605之后增加了步骤S607。

步骤S607：通过注塑工艺，使第二超薄封装层353紧紧地包裹住第一超薄封装层351并在基板307上。此时第二超薄封装层353与第一超薄封装层351之间没有空隙。并且第二超薄封装层353与基板307结合，在原密封结构之外进一步进行密封。

与本申请的封装结构第五实施例相比，本申请的封装结构第六实施例由于在第一超薄封装层之外新增了第二超薄封装层，因此增强了封装结构的气密性和稳定性，同时对于体积增加则非常有限。

请参阅图5c，这是本申请的封装结构第七实施例。与第五实施例相比，第七实施例在第一超薄封装层351之外紧紧包裹着第三超薄封装层355。第三超薄封装层355的厚度在10μm至100μm之间，例如为金属，优选为钛、铜、镍、钯、金或其合金。

请参阅图6c，图5c所示封装结构第七实施例的制造方法包括步骤S601、步骤S603、步骤S605，并在步骤S605之后增加了步骤S617。

步骤S617：通过金属溅射或电镀方式，在第一超薄封装层351的外侧形成一层金属作为第三超薄封装层355。

与本申请的封装结构第五实施例相比，本申请的封装结构第七实施例由于在第一超薄封装层之外新增了第三超薄封装层，因此增强了封装结构的气密性和稳定性，同时对于体积增加则非常有限。

请参阅图5d，这是本申请的封装结构第八实施例。与第六实施例相比，第八实施例在第二超薄封装层353的外侧具有第三超薄封装层355。所述第三超薄封装层355的厚度在10μm至100μm之间，例如为金属，优选为钛、铜、镍、钯、金或其合金。

请参阅图6d，图5d所示封装结构第八实施例的制造方法包括包括步骤S601、步骤S603、步骤S605、步骤S607，并在步骤S607之后增加了步骤S609。

步骤S609：通过溅射或电镀的方式，在第二超薄封装层353的外侧形成一层金属作为第三超薄封装层355。

与本申请的封装结构第六或第七实施例相比，本申请的封装结构第八实施例囊括了薄膜真空压合、树脂或胶体注塑、金属溅射或电镀工艺，所形成的封装结构也因此具有至少三层，极大地增强了在恶劣环境中使用的气密性和稳定性，同时对于体积增加则非常有限。

以上各个实施例中，本申请的封装结构兼顾了对于气密性和稳定性的质量要求以及对于小体积的装配要求，不仅适用于声表面波器件或体声波器件的封装，也适用于其他有气密或保护要求的半导体器件的封装，例如MEMS器件的封装等。本申请的封装结构制造方法主要采用真空压合工艺，兼用树脂或胶体的注塑工艺、金属溅射和/或电镀工艺来实现多层封装结构，简化了封装工序的同时，也降低了封装成本。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种封装结构，具有器件的衬底倒装焊接在基板上，金属凸块将器件的引脚对外电性引出到基板；其特征是，第一封装层紧紧包裹衬底，且与基板结合形成包围衬底和器件的密闭空腔结构；所述第一封装层为多层薄膜。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征是，所述第一封装层为单层或多层的环氧树脂和/或聚酰亚胺薄膜；在第一封装层外紧紧包裹着第二封装层或第三封装层；所述第二封装层为树脂或胶体；所述第三封装层为金属。

3.根据权利要求1所述的封装结构，其特征是，所述第一封装层为单层或多层的环氧树脂和/或聚酰亚胺薄膜；在第一封装层外紧紧包裹着第二封装层，在第二封装层外紧紧包裹着第三封转层；所述第二封装层为树脂或胶体；所述第三封装层为金属。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的封装结构，其特征是，倒装的衬底与基板之间具有一圈环形凸块，环形凸块的位置对应于倒装的衬底的边缘一圈，环形凸块的高度小于或等于倒装的衬底与基板之间的空隙高度；第一封装层、第二封装层、第三封装层分别改为第一超薄封装层、第二超薄封装层、第三超薄封装层；超薄是指厚度在10μm至100μm之间。

5.根据权利要求4所述的封装结构，其特征是，所述环形凸块在基板上，为金属材质；或者所述环形凸块在衬底上，为衬底材质。

6.一种封装结构的制造方法，其特征是，包括如下步骤：

第1步，在晶粒上的焊垫位置焊接金属凸块，所述晶粒是指每个器件及其衬底；

第2步，通过倒装焊接技术将晶粒倒置与基板焊接在一起，金属凸块用于将器件引脚对外电性引出到基板；

第3步，通过真空压合方式将第一封装层紧紧地压合在衬底和基板上；此时第一封装层与基板结合并形成一个包围衬底和器件的密闭空腔结构；所述第一封装层为多层薄膜。

7.根据权利要求6所述的封装结构的制造方法，其特征是，所述第3步中，所述第一封装层为单层或多层薄膜；还包括第4步：通过注塑方式在第一封装层外紧紧包裹第二封装层，第二封装层也与基板结合。

8.根据权利要求6所述的封装结构的制造方法，其特征是，所述第3步中，所述第一封装层为单层或多层薄膜；还包括第4a步：通过溅射或电镀的方式在第一封装层的外侧形成一层金属作为第三封装层。

9.根据权利要求7所述的封装结构的制造方法，其特征是，还包括第5步，通过溅射或电镀的方式在第二封装层的外侧形成一层金属作为第三封装层。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的封装结构的制造方法，其特征是，将第2步改为第2a步：通过倒装焊接技术将晶粒倒置与基板焊接在一起，金属凸块用于将器件的引脚对外电性引出到基板；基板或衬底上具有一圈环形凸块，倒装后的晶粒的边缘位置对应于环形凸块；

同时将第一封装层、第二封装层、第三封装层分别改为第一超薄封装层、第二超薄封装层、第三超薄封装层；超薄是指厚度在10μm至100μm之间。