CN106888002B - 声波设备及其晶圆级封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种声波设备及其晶圆级封装方法，涉及半导体领域。其中声波设备包括基底和声波器件，基底上设有腔体，腔体包括第一腔室和位于第一腔室下方的第二腔室，第二腔室的横向宽度小于第一腔室的横向宽度，声波器件设置在第一腔室中，以便第二腔室成为密闭腔室，在第二腔室外部，声波器件的管脚焊盘与基底上对应的通孔连接，以便引出声波器件的管脚。本发明通过直接在基底上进行声波器件的封装，可实现尺寸小，制作简单，价格低廉，且易于集成的封装设备。

Description

声波设备及其晶圆级封装方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种声波设备及其晶圆级封装方法。
背景技术
随着无线移动通信系统所支持的模式及频段的不断增加，当前无线通信移动终端的射频前端架构也变得越来越复杂。
图1为一个支持2G、3G、4G多模式以及各个模式中多个频段的无线通信移动终端的射频前端架构。108是移动终端的射频收发信机芯片，负责将基带芯片产生的射频信号发送到对应的功率放大器芯片以及对接收到的射频信号进行处理。107、105、106分别是2G功率放大器芯片、3G/4G单频功率放大器芯片、3G/4G多模多频功率放大器芯片，这些芯片都对从射频收发信机108所发送来的射频信号进行功率放大。104为一系列双工器芯片，每一个FDD模式的频段都需要一个对应的双工器芯片来进行发射和接收信号的分离。103是一个集成了低通滤波器的单刀多掷射频天线开关芯片，用于将多个射频功率放大器的输出信号以及多路从天线接收到的射频信号进行分路分离，以使得多个射频发射通路及多个射频接收通路可以共享同一个主天线101。单刀多掷射频天线开关芯片103中通常都集成两个低通滤波器，分别用于滤除2G高频段(1710-1910MHz)射频功率放大器的谐波及2G低频段(820-920MHz)射频功率放大器的谐波。102是一个连接在主天线101与多模多频射频天线开关芯片103之间的天线匹配调谐芯片，用于对天线阻抗匹配进行实时调节以保证良好的天线阻抗匹配。111是一个分集射频天线开关芯片，用于对从分集天线112上接收到的射频信号进行分路分离。110是一系列滤波器芯片，用于对分集射频天线开关芯片111输出的各路射频信号进行滤波，其输出信号又通过接收通路开关芯片109发送到射频收发信机芯片108的相应接收端口。
由图1可以看出，随着多模多频射频前端模块需求的增长，双工器及滤波器将成为主要的器件。滤波器部分主要采用分立电感、电容器件来实现，或者采用IPD工艺实现；双工器则主要采用声表面波(SAW)、体声波(BAW)、薄膜体声波(BAW)等声波器件实现。声表面波是声波在物体表面有限深度内进行传播，沿固体与空气界面传播，同时，声表面波是一种能量集中在介质表面传播的弹性波；体声波及薄膜体声波利用的是体声波信号在不同介质传播时，在两电极与空气的交界地方发生反射，体声波及薄膜体声波与基底表面形成一个空气腔体，将声波限制在压电振荡腔内。由此可见，对于声表面波，体声波及薄膜体声波，都需要在与基底的交界面处，形成一个密闭的腔体，用于限制声波的传播路径。声波器件制作的滤波器及双工器，插入损耗小，带外抑制好等优点，被广泛应用于无线通信领域。封装的方式主要分为:金属封装，塑料封装，表贴封装。它们最少有两部分组成，即封装的基底和上盖。在基底上涂上少量的黏合剂，然后把芯片贴在上面。经过固化处理，将芯片牢固的贴在基底上。
金属封装：由包含着绝缘和接地引脚的金属基底以及金属帽子组成。放入脉冲点焊封机进行封帽，得到密封性良好的成品。金属封装用普通的工艺就可以制造出密封性良好的高频滤波器，同时由于机械性能强度高，可以封装体积大的芯片。
塑料封装：由槽和帽子两部分组成，芯片通过键合线连接到引线框上，金属的引线框从一边伸入槽中，最后将两个部分粘合在一起。这种封装技术的主要优势在于成本低。
表贴封装：陶瓷SMD(Surface Mounted Device:表面贴装器件)，采用基底和帽状上盖。根据不同用途采用了两种技术：对于高频器件和高频精度高器件，采用金属层包封；对于低频器件，采用塑性吸声材料包封。
图2为采用金属层包封示意图。其中210为基底，材料为基于陶瓷LTCC或HTCC工艺。203为声波滤波器或双工器，采用倒扣的方式，通过铜凸柱或者锡球204、205与基底210上的焊盘206、207连接；并通过基底210内部金属走线及过孔208、209与基底210底部的焊盘211、212连接，引出声波器件的管脚。201为金属帽，通过焊接或胶粘的方式与基底210相连；金属帽201与声波器件之间空隙填入聚合物材料202，用于支撑金属帽，防止金属帽塌陷。213为声波器件与基底之间形成的密闭腔体。
图3为采用塑性吸声材料包封示意图。其中310为基底，材料为基于陶瓷LTCC或HTCC工艺。303为声波滤波器或双工器，采用倒扣的方式，通过铜凸柱或者锡球304、305与310上的焊盘306、307连接；并通过基底310内部金属走线及过孔308、309与基底310底部焊盘311、312连接，引出声波器件的管脚。301为塑性吸声材料，通过胶粘的方式与基底310相连；塑性吸声材料与声波器件之间空隙填入聚合物材料302，用于支撑塑性吸声材料，防止塑性吸声材料塌陷。313为声波器件与基底之间形成的密闭腔体。
图4为现有技术中基于晶圆级封装的示意图，其中401为声波器件，在声波器件的上表面制作滤波器或双工器。402为基底，采用Si工艺制成。403为屏蔽环，通过焊接或者胶粘的方式，将声波器件401与基底402连接在一起，起到屏蔽及支撑的作用；在声波器件401、基底402和屏蔽环403之间形成了密闭腔体404，实现了声波器件与基底之间必须存在的一个腔体。同时，在声波器件401的上表面生长引出声波器件的输入输出管脚405、406，沿着屏蔽环及基底的外表面，引到基底的上表面，通过铜凸柱或者锡球407、408将声波器件的管脚引出。
金属封装和塑性封装存在共同的缺点，有比较长的引脚，导致器件的体积太大，很难与射频前端模块集成在一起。基于陶瓷的表贴封装，虽然应用广泛，但制作工艺复杂，陶瓷材料HTCC及LTCC价格贵，并且很难与其他工艺集成在一起，同时，现有的基于晶圆级封装的声波器件，也存在着工艺较难实现，成本高的缺陷。因此，需要找到一种方法，尺寸小，制作简单，价格低廉，且易于与其他器件集成的封装方法。
发明内容
本发明实施例提供一种声波设备及其晶圆级封装方法，通过直接在基底上进行声波器件的封装，可实现尺寸小，制作简单，价格低廉，且易于集成的封装设备。
根据本发明的一个方面，提供一种声波设备，包括基底和声波器件，其中：
基底上设有腔体，腔体包括第一腔室和位于第一腔室下方的第二腔室，其中第二腔室的横向宽度小于第一腔室的横向宽度；
声波器件设置在第一腔室中，以便第二腔室成为密闭腔室；
在第二腔室外部，声波器件的管脚焊盘与基底上对应的通孔连接，以便引出声波器件的管脚。
在一个实施例中，通孔为金属材料。
在一个实施例中，金属材料为金、银、铜、铁、铝、镍、钯或锡。
在一个实施例中，声波器件通过胶粘方式设置在第一腔室中。
在一个实施例中，声波器件与第一腔室的侧壁之间填充有聚酯化合物。
在一个实施例中，声波器件的上表面与基底的上表面在同一水平面上。
在一个实施例中，声波器件的管脚焊盘为铝凸柱或铜凸柱。
在一个实施例中，声波器件包括声表面波SAW滤波器、体声波BAW滤波器或薄膜体声波FBAR滤波器，或者包括声表面波SAW双工器、体声波BAW双工器或薄膜体声波FBAR双工器，或者包括采用SAW、BAW或FBAR技术制造的器件。
在一个实施例中，声波设备还包括基板，其中：
基底设置在基板上。
在一个实施例中，声波设备还包括设置在基板上的与声波器件异质的电子器件，其中：
电子器件的管脚焊盘与声波设备的管脚焊盘连接，其中声波设备的管脚焊盘位于基底的下表面，并与基底上对应的通孔连接。
在一个实施例中，声波设备的管脚焊盘为铝凸柱，铜凸柱或锡球。
在一个实施例中，电子器件的管脚焊盘具体通过金属走线，与声波设备的管脚焊盘连接。
在一个实施例中，电子器件包括基于GaAs HBT工艺、GaAs pHEMT工艺或GaN工艺的射频功率放大器，基于GaAs pHEMT工艺的低噪声放大器，基于GaAs pHEMT工艺的开关，基于IPD工艺的滤波器中的至少一个。
在一个实施例中，电子器件包括射频功率放大器的驱动级电路、开关电路、电源跟踪和包络跟踪电路、直流-直流转换电路、模数转换电路、数模转换电路中的至少一个。
根据本发明的另一方面，提供一种声波设备的晶圆级封装方法，包括：
在基底上设置腔体，其中腔体包括第一腔室和位于第一腔室下方的第二腔室，其中第二腔室的横向宽度小于第一腔室的横向宽度；
将声波器件设置在第一腔室中，以便第二腔室成为密闭腔室；
在第二腔室外部，将声波器件的管脚焊盘与基底上对应的通孔连接，以便引出声波器件的管脚。
在一个实施例中，将声波器件通过胶粘方式设置在第一腔室中。
在一个实施例中，在声波器件与第一腔室的侧壁之间填充有聚酯化合物。
在一个实施例中，将声波器件的上表面与基底的上表面设置在同一水平面上。
在一个实施例中，将基底设置在基板上。
在一个实施例中，在基板上还设置与声波器件异质的电子器件，其中电子器件的管脚焊盘与声波设备的管脚焊盘连接，其中声波设备的管脚焊盘位于基底的下表面，并与基底上对应的通孔连接。
在一个实施例中，电子器件的管脚焊盘通过金属走线与声波设备的管脚焊盘连接。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中无线通信系统射频前端架构示意图。
图2为现有技术中声波器件封装一种方案的示意图。
图3为现有技术中声波器件封装另一方案的示意图。
图4为现有技术中声波器件封装再一方案的示意图。
图5为本发明声波设备一个实施例的示意图。
图6为本发明声波设备另一实施例的示意图。
图7为本发明声波设备又一实施例的示意图。
图8为本发明声波设备的晶圆级封装方法一个实施例的示意图。
图9-图18为本发明声波设备晶圆级封装方法另一实施例的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图5为本发明声波设备一个实施例的示意图。如图5所示，声波设备包括基底51和声波器件52，其中：
基底51上设有腔体，腔体包括第一腔室511和位于第一腔室511下方的第二腔室512，其中第二腔室512的横向宽度小于第一腔室511的横向宽度。声波器件52设置在第一腔室511中，以便第二腔室512成为密闭腔室。在第二腔室512外部，声波器件52的管脚焊盘521、522分别与基底上对应的通孔513、514连接，以便引出声波器件的管脚。
其中，基底51可为基于Si工艺材料的基底，通孔513、514可以为实心金属，也可以为空心金属，金属材料可为金、银、铜、铁、铝、镍、钯或锡等。
可选地，声波器件52通过胶粘方式设置在第一腔室511中。例如，声波器件52可通过胶61、62设置在第一腔室511中。第二腔室512的深度大于或等于1μm，声波器件52的上表面与基底51的上表面在同一水平面上，偏差不超过10μm。
此外，还可在声波器件52与第一腔室511的侧壁之间填充有聚酯化合物71、72，从而避免在声波器件52与第一腔室511的侧壁之间出现缝隙。同时，还需要在声波器件52的有源区进行钝化保护。
可选地，声波设备的管脚焊盘515、516位于基底51的下表面，并与基底51上对应的通孔连接。例如，声波设备的管脚焊盘515与通孔513连接，声波设备的管脚焊盘516与通孔514连接。其中，声波设备的管脚焊盘515、516可为铝凸柱，铜凸柱或锡球。
可选地，声波器件52可包括声表面波SAW滤波器、体声波BAW滤波器或薄膜体声波FBAR滤波器，或者包括声表面波SAW双工器、体声波BAW双工器或薄膜体声波FBAR双工器，或者包括采用SAW、BAW或FBAR技术制造的器件。
可选地，声波器件52的管脚焊盘521、522可为铝凸柱或铜凸柱。
基于本发明上述实施例提供的声波设备，通过直接在基底上进行声波器件的封装，可实现尺寸小，制作简单，价格低廉，且易于集成的封装设备。
图6为本发明声波设备另一实施例的示意图。如图6所示，基底51可设置在基板53上。
可在基板53上设置多个嵌有声波器件的基底，此外，还可在基板53上设置与声波器件异质的电子器件54。其中：
电子器件54的管脚焊盘541与声波设备的管脚焊盘515连接。
可选地，电子器件54的管脚焊盘541通过金属走线L1，与声波设备的管脚焊盘515连接。
可选地，电子器件54包括基于GaAs HBT工艺、GaAs pHEMT工艺或GaN工艺的射频功率放大器，基于GaAs pHEMT工艺的低噪声放大器，基于GaAs pHEMT工艺的开关，基于IPD工艺的滤波器中的至少一个。
此外，电子器件54还可包括射频功率放大器的驱动级电路、开关电路、电源跟踪和包络跟踪电路、直流-直流转换电路、模数转换电路、数模转换电路中的至少一个。
可选地，可在基板53上设置多个不同类型的电子器件。如图7所示，在基板53上设置嵌有声波器件52的基底51、与声波器件52异质的电子器件54之外，还可设置另一与声波器件52异质的电子器件55。其中电子器件55的管脚焊盘551可通过金属走线L2与声波设备的管脚焊盘516连接。
即，在同一基板53上可集成多个声波器件及有关的电子器件。
图8为本发明声波设备的晶圆级封装方法一个实施例的示意图。其中：
步骤801，在基底上设置腔体，其中腔体包括第一腔室和位于第一腔室下方的第二腔室，其中第二腔室的横向宽度小于第一腔室的横向宽度。
步骤802，将声波器件设置在第一腔室中，以便第二腔室成为密闭腔室。
可选地，将声波器件通过胶粘方式设置在第一腔室中。此外，还可在声波器件与第一腔室的侧壁之间填充有聚酯化合物，以避免出现缝隙。
可选地，可将声波器件的上表面与基底的上表面设置在同一水平面上。
步骤803，在第二腔室外部，将声波器件的管脚焊盘与基底上对应的通孔连接，以便引出声波器件的管脚。
此外，还可将基底设置在基板上，同时在在基板上还可设置与声波器件异质的电子器件，其中电子器件的管脚焊盘与声波器件的管脚焊盘相对应的通孔连接。
可选地，电子器件的管脚焊盘通过金属走线与声波设备的管脚焊盘，如图6或图7所示，其中声波设备的管脚焊盘位于基底的下表面，并与基底上对应的通孔连接。
下面通过一个具体示例对本发明的晶圆级封装方法进行说明。
如图9和图10所示，在高阻Si基底91(通常为直径8英寸或12英寸的晶圆)上刻蚀腔体92，其中腔体92包括第一腔室921和位于第一腔室921下方的第二腔室922，其中第二腔室922的横向宽度小于第一腔室921的横向宽度。其中图9为俯视图，图10为侧视图。
腔室的大小及深度可根据实际需要进行设定，各腔室的深度一般大于或等于1μm。
如图11和图12所示，在腔体92的台阶处，以点胶方式涂一层胶93。胶93的厚度小于10μm，一般取3μm。其中图11为俯视图，图12为侧视图。
如图13和图14所示，采用倒装方式将声波器件94贴到基底91上，并将声波器件94的焊盘埋入胶中，从而使得各声波器件与基底91紧密连接。同时，声波器件的上表面与基底的上表面处于同一水平面上，偏差不超过10μm。对于基底91和声波器件94的左右边缘存在的缝隙，利用聚合物进行填充，从而使第二腔室922成为密闭腔室。其中图13为俯视图，图14为侧视图。
如图15和图16所示，将临时支撑晶圆95通过胶粘的方式与声波器件94及基底91的上表面连接，以便为后续的减薄操作提供支撑载体。其中图15为俯视图，图16为侧视图。
如图17所示，对基底91进行减薄处理，以便在基底91中形成通孔，通孔将声波器件的管脚焊盘引导到基底91的下表面。例如，对于声波器件94来说，管脚焊盘941通过通孔911与声波设备的管脚焊盘913连接，管脚焊盘942通过通孔912与声波设备的管脚焊盘914连接，以便将声波器件94的管脚焊盘引导基底91的下表面。
如图18所示，解键合去掉支撑晶圆95，此时基于高阻Si基底的晶圆级封装声波设备形成。
需要说明的是，在上述封装方法流程中，基底通常为直径8英寸或12英寸的高阻Si晶圆，其阻值高于1000ohm·cm，声波器件经由Pick-and-Place流程倒扣贴装到基底上。临时支撑晶圆在工艺流程中仅起到临时支撑作用，通常为与基底晶圆尺寸一致的晶圆。
本发明通过采用基于Si工艺材料作为基底，进行声波器件的晶圆级封装，实现尺寸小，制作简单，价格低廉，且易于集成。同时，通过倒扣的方式将声波器件与基板连接，实现声波器件、CMOS管芯和/或SOI管芯，及基于GaAs工艺的射频功率放大器管芯异质集成于同一个封装当中，充分利用基于Si的CMOS或SOI管芯低成本、高集成度特性，及GaAs工艺的高击穿电压和高电子迁移率特性，在射频功率放大器中得到广泛的应用。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (17)

1.一种声波设备，其特征在于，包括基底和声波器件，其中：
所述基底上设有腔体，所述腔体包括第一腔室和位于第一腔室下方的第二腔室，其中所述第二腔室的横向宽度小于所述第一腔室的横向宽度；
所述声波器件设置在所述第一腔室中，以便所述第二腔室成为密闭腔室，其中所述声波器件通过胶粘方式设置在所述第一腔室中，所述声波器件与所述第一腔室的侧壁之间填充有聚酯化合物；
在所述第二腔室外部，所述声波器件的管脚焊盘与所述基底上对应的通孔连接，以便引出所述声波器件的管脚。
2.根据权利要求1所述的声波设备，其特征在于，
所述通孔为金属材料。
3.根据权利要求2所述的声波设备，其特征在于，
所述金属材料为金、银、铜、铁、铝、镍、钯或锡。
4.根据权利要求1所述的声波设备，其特征在于，
所述声波器件的上表面与所述基底的上表面在同一水平面上。
5.根据权利要求1所述的声波设备，其特征在于，
所述声波器件的管脚焊盘为铝凸柱或铜凸柱。
6.根据权利要求1所述的声波设备，其特征在于，
所述声波器件包括声表面波SAW滤波器、体声波BAW滤波器或薄膜体声波FBAR滤波器，或者包括声表面波SAW双工器、体声波BAW双工器或薄膜体声波FBAR双工器，或者包括采用SAW、BAW或FBAR技术制造的器件。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的声波设备，其特征在于，还包括基板，其中：
所述基底设置在基板上。
8.根据权利要求7所述的声波设备，其特征在于，还包括设置在所述基板上的与所述声波器件异质的电子器件，其中：
电子器件的管脚焊盘与所述声波设备的管脚焊盘连接，其中所述声波设备的管脚焊盘位于所述基底的下表面，并与所述基底上对应的通孔连接。
9.根据权利要求8所述的声波设备，其特征在于，所述声波设备的管脚焊盘为铝凸柱，铜凸柱或锡球。
10.根据权利要求8所述的声波设备，其特征在于，
电子器件的管脚焊盘具体通过金属走线，与所述声波设备的管脚焊盘连接。
11.根据权利要求8所述的声波设备，其特征在于，
所述电子器件包括基于GaAs HBT工艺、GaAs pHEMT工艺或GaN工艺的射频功率放大器，基于GaAs pHEMT工艺的低噪声放大器，基于GaAs pHEMT工艺的开关，基于IPD工艺的滤波器中的至少一个。
12.根据权利要求8所述的声波设备，其特征在于，
所述电子器件包括射频功率放大器的驱动级电路、开关电路、电源跟踪和包络跟踪电路、直流-直流转换电路、模数转换电路、数模转换电路中的至少一个。
13.一种声波设备的晶圆级封装方法，其特征在于，包括：
在基底上设置腔体，其中所述腔体包括第一腔室和位于第一腔室下方的第二腔室，其中所述第二腔室的横向宽度小于所述第一腔室的横向宽度；
将声波器件设置在所述第一腔室中，以便所述第二腔室成为密闭腔室；
在所述第二腔室外部，将所述声波器件的管脚焊盘与所述基底上对应的通孔连接，以便引出所述声波器件的管脚；
其中，将所述声波器件通过胶粘方式设置在所述第一腔室中；
在所述声波器件与所述第一腔室的侧壁之间填充有聚酯化合物。
14.根据权利要求13所述的封装方法，其特征在于，
将所述声波器件的上表面与所述基底的上表面设置在同一水平面上。
15.根据权利要求13-14中任一项所述的封装方法，其特征在于，还包括：
将所述基底设置在基板上。
16.根据权利要求15所述的封装方法，其特征在于，
在所述基板上还设置与所述声波器件异质的电子器件，其中电子器件的管脚焊盘与所述声波设备的管脚焊盘连接，其中所述声波设备的管脚焊盘位于所述基底的下表面，并与所述基底上对应的通孔连接。
17.根据权利要求16所述的封装方法，其特征在于，
电子器件的管脚焊盘通过金属走线与所述声波设备的管脚焊盘连接。
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