CN108011608B - 一种应用于声表面波滤波器的晶圆级封装结构及封装工艺 - Google Patents
一种应用于声表面波滤波器的晶圆级封装结构及封装工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于声表面波滤波器的晶圆级封装结构及封装工艺，包括滤波器芯片衬底和封装晶圆，在滤波器芯片衬底工作面的外围镀有一圈金膜，封装晶圆上与每块芯片衬底金膜对应位置也分别镀有一圈金膜，滤波器芯片与封装晶圆通过金‑金键合方式结合在一起；在封装晶圆背向芯片工作面那面设有外部电路布线结构和用于与PCB板电连接的金属焊球，封装晶圆上设有导通孔以将芯片工作面电路依次通过导通孔和外部电路布线结构与金属焊球电连接。所述封装晶圆为玻璃材质，所述玻璃材质具有与芯片衬底材料相同或者接近的热膨胀系数。本发明封装更加可靠、效率提高、容易消除器件热失配情况。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波滤波器，具体是一种应用于声表面波滤波器的晶圆级封装结构及封装工艺，属于声表滤波器封装技术领域。
背景技术
不能直接将声表面波滤波器芯片的工作面与空气或者水分接触，这样会对工作面造成腐蚀或者氧化，影响器件性能，因此实际处理中需要对芯片的工作面予以封装以保护起来，封装后再与PCB板连接。
现有声表滤波器主要采用倒装焊（CSP）工艺进行封装。CSP封装的基本原理非常简单，首先在形成芯片的晶圆上用超声焊或者回流焊工艺生长金属焊球（金或锡），然后切割成单颗芯片，再用贴片机或者热超声倒装焊机将单颗芯片分别倒扣焊接在同一陶瓷基板上。陶瓷基板上的焊盘与芯片焊盘（长有金属焊球）相对应，通过陶瓷基板内部的走线，信号线可以与外部PCB电路板连接。下一步是将有机薄膜覆盖在倒装后的基板上，通过加热使薄膜软化，软化后的薄膜能够完整的覆盖芯片与基板之间的空隙，由于薄膜本身具有一定的粘稠度，所以不会侵入芯片的表面污染声表芯片。最后用高速划片机将封完薄膜的基板再切割成单颗芯片。
上述倒装焊工艺存在的不足主要有：
一、体积大。采用这种技术封装后的器件比芯片裸片大40%以上，已经没有缩小体积的潜力了。体积大的原因有两个：首先，芯片与基板之间连接的金属焊球（金或者锡球）直径一般不会小于80um，并且需要在焊球的周围流出大量的空间作为余量，大量浪费了芯片面积；其次，用于气体密封的有机薄膜与基板之间的结合力比较差，需要占用基板四周的大量面积（200um）以增加结合力。
二、物料成本高。主要原因在于，1）需要采用价格昂贵的陶瓷基板作为存底，为了便于焊接，还需要在基板的焊盘上镀金。2）芯片背面用于焊接的锡球（或者金球）需要特殊工艺制作。如果采用锡球虽然可以减小体积，但涉及电镀工艺，会产生大量含铅的废水，污染环境，处理成本较高。如果采用金球则需要昂贵的高纯度金，价格非常昂贵。3）需要专门的气体密封有机薄膜才能完成器件的密封，不仅成本高，还需要占用大量的基板面积。
三、加工效率低。芯片只能一个一个倒装焊接，效率极低，一台倒装焊设备一小时仅能完成4500个器件的安装。
鉴于现有倒装焊工艺存在的上述不足， 中国发明申请（申请号201610158823.6、申请日2016-3-18）公开了一种声表面波滤波器晶圆键合封装工艺，该工艺在封装晶圆上涂抹胶水，利用胶水进行气体密封，取代了金属球焊接（超声焊），这样占用基板的面积十分小（100um以内），封装后的器件只比芯片裸片大10-20%。同时采用廉价的单晶硅晶圆做封装基板，取代了昂贵的陶瓷基板和有机薄膜，大大降低了封装物料费用。上述工艺虽然在器件体积和成本上较之前有所改进，但依然存在一些不足：1、由于利用胶水封装，胶水在涂抹的时候会产生一些气泡，刚开始这些气泡是分离的，但随着时间的推移和环境的影响，气泡可能会连通并最终与大气相通，从而导致气密性下降；2、虽然采用单晶硅晶圆做封装基板具有成本优势，但由于硅晶圆的热膨胀系数固定，使得在与不同材料的芯片衬底键合时，容易出现因为两者热失配情况而导致的器件开裂；3、由于是胶水封装，不能将滤波器晶圆整片与封装晶圆键合，因为难以将各处力量掌握得恰到好处，可能导致某些地方键合效果好，某些地方键合效果差，故需要将声表滤波器晶圆切成单颗芯片，将切割后的芯片焊盘放在硅晶圆基板上有胶水的位置，使芯片和硅晶圆基板键合在一起，由此导致效率依然不高。
发明内容
针对现有滤波器芯片工作面利用倒装焊和胶水进行封装时存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种封装更加可靠、效率提高、容易消除器件热失配情况的应用于声表面波滤波器的晶圆级封装结构及封装工艺。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种应用于声表面波滤波器的晶圆级封装结构，包括滤波器芯片衬底和封装晶圆，在滤波器芯片衬底工作面的外围镀有一圈金膜，封装晶圆上与每块芯片衬底金膜对应位置也分别镀有一圈金膜，滤波器芯片与封装晶圆通过金-金键合方式结合在一起；在封装晶圆背向芯片工作面那面设有外部电路布线结构和用于与PCB板电连接的金属焊球，封装晶圆上设有导通孔以将芯片工作面电路依次通过导通孔和外部电路布线结构与金属焊球电连接。
优选地，所述封装晶圆为玻璃材质，所述玻璃材质具有与芯片衬底材料相同或者接近的热膨胀系数。
更进一步地，在同一块封装晶圆上键合有多块滤波器芯片衬底，所有滤波器芯片衬底形成于同一块晶圆上，该同一块晶圆作为一个整体将所有滤波器芯片衬底与封装晶圆同时键合连接。
一种应用于声表面波滤波器的晶圆级封装工艺，步骤如下，
1）芯片加工：在同一块晶圆上加工形成多片芯片，所有芯片的工作面朝向相同，所有芯片基于同一晶圆而连接成为整体；在每个芯片工作面的外围镀一圈金膜；
2）键合：在封装晶圆上与每片芯片金膜对应位置分别镀一圈金膜，然后将步骤1）得到的所有芯片作为一个整体放在封装晶圆上并使金膜一一对应，使每片芯片上的金膜和封装晶圆上对应的金膜键合在一起；键合过程在真空或者惰性气体中完成，以避免空气中的水蒸气腐蚀芯片表面；
3）封装晶圆减薄：利用机械研磨方式使封装晶圆减薄以降低器件体积；
4）加工导通孔：通过激光打孔的方法在封装晶圆上形成导通孔以利于后续封装晶圆背面和芯片上的焊盘连通；
5）镀膜：把整个封装晶圆的背面全部镀上金属膜，金属进入导通孔中并与芯片焊盘连接起来，从而完成芯片焊盘与封装晶圆的电连接；
6）电镀增加金属膜厚度，然后刻蚀形成需要的外部电路布线结构；
7）在封装晶圆背面加工需要数量的金属焊球，并使金属焊球与外部电路布线结构形成需要的电连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、在芯片衬底工作面外围镀一圈金膜，封装晶圆上与每块芯片衬底金膜对应位置也镀一圈金膜，然后通过金-金键合的方式使芯片与封装晶圆结合在一起，可以形成对芯片工作面起到保护作用的气密封结构，较之前的胶水封装，气密性大大提高。
2、消除或者降低了热失配情况。本发明采用玻璃做封装晶圆，取代了热膨胀系数固定的硅材料，由于玻璃的热膨胀系数在加工的时候很容易通过组分的改变而可调，故能够很容易地得到与芯片衬底材料热膨胀系数一致或者接近的玻璃材料，避免了后期制作过程中或使用时出现的热失配现象，提高了器件的可靠性。
3、加工效率进一步提高。本发明采用金-金键合的方式，芯片无需切割成单颗芯片，即可将整片包含多片芯片的晶圆直接与封装晶圆进行键合，也不会降低每片芯片的键合效果，大大提高加工效率。
附图说明
图1-本发明结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
参见图1，从图上可以看出，本发明应用于声表面波滤波器的晶圆级封装结构，包括滤波器芯片衬底1（常用的材料为钽酸锂）和封装晶圆2，在滤波器芯片衬底1工作面的外围镀有一圈金膜3，封装晶圆2上与每块芯片衬底金膜对应位置也分别镀有一圈金膜3，滤波器芯片衬底1与封装晶圆2通过金-金键合方式结合在一起。在封装晶圆2背向芯片工作面那面设有外部电路布线结构4和用于与PCB板电连接的金属焊球5（通常为金球或锡球），封装晶圆2上设有导通孔6以将芯片工作面电路依次通过导通孔6和外部电路布线结构4与金属焊球5电连接。这样形成的器件即可直接通过金属焊球与PCB板电连接。本发明通过金-金键合的方式使芯片与封装晶圆结合在一起，可以形成对芯片工作面起到保护作用的气密封结构，较之前的胶水封装，气密性大大提高。通常金膜单边厚度是3微米左右，金-金键合后，考虑键合损耗，两者叠在一起厚度有4-5微米，即芯片和封装晶圆间的间隙为4-5微米。
所述封装晶圆2为玻璃材质，所述玻璃材质具有与芯片衬底材料相同或者接近的热膨胀系数。本发明采用玻璃做封装晶圆，取代了热膨胀系数固定的硅材料，由于玻璃的热膨胀系数在加工的时候很容易通过组分的改变而可调，故能够很容易地得到与芯片衬底材料热膨胀系数一致或者接近的玻璃材料，且价格也不贵，从而降低或者消除了后期制作过程中或使用时出现的热失配现象，提高了器件的可靠性。
在同一块封装晶圆上键合有多块滤波器芯片衬底，所有滤波器芯片衬底形成于同一块晶圆上，该同一块晶圆作为一个整体将所有滤波器芯片衬底与封装晶圆同时键合连接。本发明由于采用金-金键合的方式，故芯片无需切割成单颗芯片，即可将整片包含多片芯片的晶圆直接与封装晶圆进行键合，也不会降低每片芯片的键合效果，大大提高加工效率。
本发明基于上述新结构提出了一种新的晶圆级封装工艺，步骤如下，
1）芯片加工：在同一块晶圆上加工形成多片芯片，所有芯片的工作面朝向相同，所有芯片基于同一晶圆而连接成为整体；在每个滤波器芯片工作面的外围镀一圈金膜，金膜厚度为3微米；
2）键合：在封装晶圆上与每片芯片金膜对应位置分别镀一圈金膜，金膜厚度也为3微米，然后将步骤1）得到的所有芯片作为一个整体放在封装晶圆上并使金膜一一对应，使每片芯片上的金膜和封装晶圆上对应的金膜键合在一起；键合过程在真空或者惰性气体中完成，以避免空气中的水蒸气腐蚀芯片表面；
3）封装晶圆减薄：利用机械研磨方式使封装晶圆减薄以降低器件体积；
4）加工导通孔：通过激光打孔的方法在封装晶圆上形成导通孔以利于后续封装晶圆背面和芯片上的焊盘连通；
5）镀膜：把整个封装晶圆的背面全部镀上金属膜，金属进入导通孔中并与芯片焊盘连接起来，从而完成芯片焊盘与封装晶圆的电连接；
6）电镀增加金属膜厚度，然后刻蚀形成需要的外部电路布线结构；
7）在封装晶圆背面加工需要数量的金属焊球，并使金属焊球与外部电路布线结构形成需要的电连接。
本发明利用玻璃作为封装晶圆，其热膨胀系数很容易实现与衬底材料（如钽酸锂材料）相当，避免了或者降低了两者热失配情况。再与声表滤波器的衬底材料形成金-金键合，从而真正达到气密性的封装效果，比现有的非气密结构更加可靠。然后对玻璃面进行减薄处理，可以大大的降低器件的厚度。最后利用激光打孔等方式，形成通孔，并制作电路，形成滤波器的信号进出的通路，使声表面波滤波器能够正常工作。
本发明可以大大降低器件的封装尺寸，与其他的晶圆级封装形式相比，此结构可以很好的形成气密封，且成本低廉，可以大大提高器件的可靠性，且使用了晶圆键合技术，可以进行大批量生产。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (2)
1.一种应用于声表面波滤波器的晶圆级封装工艺，其特征在于：步骤如下，
1）芯片加工：在同一块晶圆上加工形成多片芯片，所有芯片的工作面朝向相同，所有芯片基于同一晶圆而连接成为整体；在每个芯片工作面的外围镀一圈金膜；
2）键合：在封装晶圆上与每片芯片金膜对应位置分别镀一圈金膜，然后将步骤1）得到的所有芯片作为一个整体放在封装晶圆上并使金膜一一对应，使每片芯片上的金膜和封装晶圆上对应的金膜键合在一起；键合过程在真空或者惰性气体中完成，以避免空气中的水蒸气腐蚀芯片表面；
3）封装晶圆减薄：利用机械研磨方式使封装晶圆减薄以降低器件体积；
4）加工导通孔：通过激光打孔的方法在封装晶圆上形成导通孔以利于后续封装晶圆背面和芯片上的焊盘连通；
5）镀膜：把整个封装晶圆的背面全部镀上金属膜，金属进入导通孔中并与芯片焊盘连接起来，从而完成芯片焊盘与封装晶圆的电连接；
6）电镀增加金属膜厚度，然后刻蚀形成需要的外部电路布线结构；
7）在封装晶圆背面加工需要数量的金属焊球，并使金属焊球与外部电路布线结构形成需要的电连接。
2.根据权利要求1所述的应用于声表面波滤波器的晶圆级封装工艺，其特征在于：所述封装晶圆为玻璃材质，所述玻璃材质具有与芯片衬底材料相同或者接近的热膨胀系数。
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