CN109286385A - 一种声表面波器件晶圆级封装结构及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声表面波器件晶圆级封装结构，包括功能晶圆和封盖晶圆，封盖晶圆上朝向每片功能芯片的工作面的外围区域的位置具有凸起的键合台阶部，封盖晶圆与功能芯片通过键合台阶部键合连接在一起；功能芯片工作面上的电路的连接部通过导通孔与外部电极连接。与现有技术相比，本发明中功能晶圆和封盖晶圆直接键合，不需要聚合物框粘接，降低了加工成本，并可以提高器件的可靠性；本发明还公开了一种声表面波器件晶圆级封装结构的封装方法，此方法无需将功能晶圆切割成单颗芯片，直接将整片包括多片功能芯片的功能晶圆直接与封盖晶圆进行键合，大大提高了加工效率，便于大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波器件技术领域，尤其涉及一种声表面波器件晶圆级封装结构及其封装方法。
背景技术
声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）器件是一种利用声表面波效应和谐振特性制成的对频率有选择作用的器件。声表面波器件，尤其是声表面波滤波器（SurfaceAcoustic Wave Filter，SAWF）具有体积小、重量轻、一致性好、可靠性水平高，能对信号实时处理、模拟/数字兼容、抗电磁干扰性能好、损耗低和频率选择性好等优势，一直是移动通讯和汽车电子的关键器件。传统声表面波器件封装形式有两种，第一种采用的是无引脚陶瓷外壳和引线键合的SMD封装，其尺寸为3.0*3.0mm2，其厚度达到1.2mm，封装面积：芯片面积≥2mm2；另一种为陶瓷基板和倒装技术相结合的CSP封装，其尺寸为尺寸缩小到1.1*0.9mm2，器件的厚度为0.5mm，封装面积：芯片面积≤1.5mm2。然而，随着市场对移动通讯电子产品日益轻、薄、短、小，集成化和低价化的要求，使传统的SMD封装和CSP封装已无法满足市场的需求。
现有技术中，一种新的声表面波器件的结构是采用铌酸锂（LN）或钽酸锂（LT）作为功能晶圆，采用硅（Si）作为功能晶圆键合的封盖晶圆,但是硅（Si）的热膨胀系数（CTE）为2.4ppm/℃，铌酸锂（LN）和钽酸锂（LT）是各向异性的材料，依据晶圆的切型不同，热膨胀系数从7到16ppm/℃不等，由于热膨胀系数不同，在键合时加热加压会导致热失配造成Si和LN/ LT键合晶圆翘曲甚至裂片。为了避免在键合时晶圆翘曲和裂片，于是将铌酸锂（LN）和钽酸锂（LT）晶圆切割成单颗芯片，通过聚合物框粘接在硅片上进行封装，再切割成单颗器件；但是该封装形式可靠性不高，效率低，不适合大规模的批量生产。如图2所示，该封装将与功能晶圆相同材料的封盖晶圆通过聚合物框粘接在一起，在声表工作区形成空腔。由于聚合物不能阻止水汽等气氛的扩散，采用聚合物框作为密封材料不能实现气密封。为了形成牢固的粘接，聚合物密封框较宽达50μm以上，采用金属布线从器件的侧面将外部金属和内部的电极形成互连。由于内部引线需要引到封装外部，需要增加封装的尺寸
因此，如何提供一种封装形式更加可靠、封装效率更好、便于大规模生产的声表面波器件封装结构成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明公开了一种声表面波器件晶圆级封装结构，本发明中功能晶圆和封盖晶圆直接键合，不需要聚合物框粘接，降低了加工成本，并可以提高器件的可靠性。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种声表面波器件晶圆级封装结构，包括功能晶圆和封盖晶圆，功能晶圆上有多片工作面朝向相同的功能芯片，封盖晶圆上朝向每片功能芯片的工作面的外围区域的位置具有凸起的键合台阶部，封盖晶圆与功能芯片通过键合台阶部键合连接在一起，在封盖晶圆背向功能芯片的工作面上设有外部电路布线结构和外部电极；封盖晶圆上设有导通孔，功能芯片工作面上的电路的连接部通过导通孔与外部电极连接。
优选地，在外部电极表面制作有外部焊球。
优选地，所述键合台阶部的突出封盖晶圆朝向功能芯片工作面的表面2~5um。
优选地，所述功能晶圆的材料为铌酸锂或钽酸锂，所述封盖晶圆的材料为硅。
一种声表面波器件晶圆级封装结构的封装方法，本发明用于封装如权利要求1所述的声表面波器件晶圆级封装结构，包括如下步骤：
在一块功能晶圆上加工形成多片功能芯片，所有功能芯片的工作面朝向相同，所有功能芯片基于同一功能晶圆而连接成为整体；
在封盖晶圆上朝向每片功能芯片的工作面的外围区域的位置采用深硅刻蚀工艺刻蚀出空腔，留下的为键合台阶部，空腔是为了给键合后的功能芯片工作区留出空间，其次在于键合时功能芯片不被压坏；
将功能芯片的工作面的外围区域及键合台阶部朝向所述外围区域的表面进行活化处理；
在常温的真空环境中施加预设键合压力将封盖晶圆与功能芯片键合连接在一起；
将键合后的封盖晶圆背向功能芯片的一面减薄；
采用深硅刻蚀工艺在封盖晶圆背向功能芯片的一面上刻蚀导通孔；
在封盖晶圆背向功能芯片的一面上镀制金属种子层；
在封盖晶圆背向功能芯片的一面上进行电镀使导通孔内充满连接金属，连接金属下端与功能芯片工作面上的电路的连接部相连，去除导通孔外的金属种子层；
在封盖晶圆背向功能芯片的一面制作外部电极。
优选地，还包括在外部电极表面制作外部焊球。
优选地，封盖晶圆与功能芯片键合的真空度为10-7~10-8mbar，所述预设键合压力为5~20KN。
综上所述，本发明公开了一种声表面波器件晶圆级封装结构，包括功能晶圆和封盖晶圆，功能晶圆上有多片工作面朝向相同的功能芯片，封盖晶圆上朝向每片功能芯片的工作面的外围区域的位置具有凸起的键合台阶部，封盖晶圆与功能芯片通过键合台阶部键合连接在一起，在封盖晶圆背向功能芯片的工作面上设有外部电路布线结构和外部电极；封盖晶圆上设有导通孔，功能芯片工作面上的电路的连接部通过导通孔与外部电极连接。与现有技术相比，本发明中功能晶圆和封盖晶圆直接键合，不需要聚合物框粘接，降低了加工成本，并可以提高器件的可靠性；本发明还公开了一种声表面波器件晶圆级封装结构的封装方法，此方法无需将功能晶圆切割成单颗芯片，直接将整片包括多片功能芯片的功能晶圆直接与封盖晶圆进行键合，大大提高了加工效率，便于大批量生产。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明公开的一种声表面波器件晶圆级封装结构的结构示意图；
图2为现有技术中的一种非气密性的晶圆级封装的结构示意图。
附图标记说明：功能晶圆1、功能芯片2、连接部3、封盖晶圆4、导通孔5、外部电极6、键合台阶部7、填充金属8、聚合物框9、外部焊球10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种声表面波器件晶圆级封装结构，包括功能晶圆和封盖晶圆，功能晶圆上有多片工作面朝向相同的功能芯片，封盖晶圆上朝向每片功能芯片的工作面的外围区域的位置具有凸起的键合台阶部，封盖晶圆与功能芯片通过键合台阶部键合连接在一起，在封盖晶圆背向功能芯片的工作面上设有外部电路布线结构和外部电极；封盖晶圆上设有导通孔，功能芯片工作面上的电路的连接部通过导通孔与外部电极连接。
此外本发明还公开了上述结构的封装方法，包括如下步骤：
S101、在一块功能晶圆上加工形成多片功能芯片，所有功能芯片的工作面朝向相同，所有功能芯片基于同一功能晶圆而连接成为整体；
S102、在封盖晶圆上朝向每片功能芯片的工作面的外围区域的位置采用深硅刻蚀工艺刻蚀出空腔，留下的为键合台阶部，空腔是为了给键合后的功能芯片工作区留出空间，其次在于键合时功能芯片不被压坏；
封盖晶圆为一个整体，一个封盖晶圆对应一个功能晶圆，封盖晶圆上可以刻蚀出多个空腔，用于对应功能晶圆上的多个功能芯片。
S103、将功能芯片的工作面的外围区域及键合台阶部朝向所述外围区域的表面进行活化处理；
S104、在常温的真空环境中施加预设键合压力将封盖晶圆与功能芯片键合连接在一起；
S105、将键合后的封盖晶圆背向功能芯片的一面减薄；
将键合后的封盖晶圆减薄50~100um，封盖晶圆减薄后，封装后的器件厚度可以达到0.25mm，热阻降低，散热性好。
S106、采用深硅刻蚀工艺在封盖晶圆背向功能芯片的一面上刻蚀导通孔；
采用深硅刻蚀工艺对键合后的封盖晶圆进行打孔，孔的位置根据与功能芯片电路的连接部的位置而定。
S107、在封盖晶圆背向功能芯片的一面上镀制金属种子层；
金属种子层的厚度为100~1000nm，镀制金属种子层，是为了便于S108中进行电镀。
S108、在封盖晶圆背向功能芯片的一面上进行电镀使导通孔内充满连接金属，连接金属下端与功能芯片工作面上的电路的连接部相连，去除导通孔外的金属种子层；
S109、在封盖晶圆背向功能芯片的一面制作外部电极。
所述方法还包括，还包括在外部电极表面制作外部焊球。
在键合过程中，封盖晶圆与功能芯片键合的真空度为10-7~10-8mbar，所述预设键合压力为5~20KN。
如图2所示，是现有技术中一种非气密性的晶圆级封装，该封装将与功能晶圆相同材料的封盖晶圆通过聚合物框粘接在一起，在声表工作区形成空腔。由于聚合物不能阻止水汽等气氛的扩散，采用聚合物框作为密封材料不能实现气密封。为了形成牢固的粘接，聚合物密封框较宽达50μm以上，采用金属布线从器件的侧面将外部金属和内部的电极形成互连。由于内部引线需要引到封装外部，需要增加封装的尺寸。
本发明在常温下进行键合，避免了因为不同材料的热膨胀系数不同造成的晶圆或芯片裂片。此外，本发明中功能晶圆和封盖晶圆直接键合，不需要聚合物框粘接，降低了加工成本，并可以提高器件的可靠性。
此外，本发明可将整片包括多片芯片的功能晶圆直接与封盖晶圆进行键合，也不会降低每片芯片的键合效果，大大提高加工效率，更适合大规模稳定量产。此外，采用发明的封装结构及封装工艺，器件尺寸可以减少到0.8*0.6mm2，其厚度可达到0.25mm，大大降低了器件的尺寸，更有利于器件的小型化和集成化。
具体实施时，在外部电极表面制作有外部焊球。
在封盖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板电连接的外部电极。为方便电连接，在外部电极上还制作有外部焊球。封盖晶圆上设有导通孔以将功能芯片的电极通过导通孔、外部电极和外部焊球实现电连接。这样封装后的器件即可直接通过外部焊球与PCB板电连接。
具体实施时，所述键合台阶部的突出封盖晶圆朝向功能芯片工作面的表面2~5um。
具体实施时，所述功能晶圆的材料为铌酸锂或钽酸锂，所述封盖晶圆的材料为硅。
功能晶圆为压电材料，具体可采用铌酸锂或钽酸锂。
采用硅（Si）作为盖帽晶圆，由于硅（Si）是半导体工艺的通用材料，挖腔、深硅刻蚀和减薄都是标准工艺，加工比较容易。由于盖帽晶圆硅（Si）是半导体材料，所以散热性能比较好，可大大降低器件在工作过程中产生的热量，降低器件的发热现象。
与CSP相比，本发明中封装采用硅片，硅片较陶瓷基板成本更低，并且硅材料的加工工艺更加成熟，因此，本发明无论在材料成本或制成成本，都会更加有优势，并且产品的合格率更高。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (7)
1.一种声表面波器件晶圆级封装结构，包括功能晶圆和封盖晶圆，功能晶圆上有多片工作面朝向相同的功能芯片，其特征在于，封盖晶圆上朝向每片功能芯片的工作面的外围区域的位置具有凸起的键合台阶部，封盖晶圆与功能芯片通过键合台阶部键合连接在一起，在封盖晶圆背向功能芯片的工作面上设有外部电路布线结构和外部电极；封盖晶圆上设有导通孔，功能芯片工作面上的电路的连接部通过导通孔与外部电极连接。
2.如权利要求1所述的声表面波器件晶圆级封装结构，其特征在于，在外部电极表面制作有外部焊球。
3.如权利要求1所述的声表面波器件晶圆级封装结构，其特征在于，所述键合台阶部的突出封盖晶圆朝向功能芯片工作面的表面2~5um。
4.如权利要求1所述的声表面波器件晶圆级封装结构，其特征在于，所述功能晶圆的材料为铌酸锂或钽酸锂，所述封盖晶圆的材料为硅。
5.一种声表面波器件晶圆级封装结构的封装方法，其特征在于，本发明用于封装如权利要求1所述的声表面波器件晶圆级封装结构，包括如下步骤：
在一块功能晶圆上加工形成多片功能芯片，所有功能芯片的工作面朝向相同，所有功能芯片基于同一功能晶圆而连接成为整体；
在封盖晶圆上朝向每片功能芯片的工作面的外围区域的位置采用深硅刻蚀工艺刻蚀出空腔，留下的为键合台阶部，空腔是为了给键合后的功能芯片工作区留出空间，其次在于键合时功能芯片不被压坏；
将功能芯片的工作面的外围区域及键合台阶部朝向所述外围区域的表面进行活化处理；
在常温的真空环境中施加预设键合压力将封盖晶圆与功能芯片键合连接在一起；
将键合后的封盖晶圆背向功能芯片的一面减薄；
采用深硅刻蚀工艺在封盖晶圆背向功能芯片的一面上刻蚀导通孔；
在封盖晶圆背向功能芯片的一面上镀制金属种子层；
在封盖晶圆背向功能芯片的一面上进行电镀使导通孔内充满连接金属，连接金属下端与功能芯片工作面上的电路的连接部相连，去除导通孔外的金属种子层；
在封盖晶圆背向功能芯片的一面制作外部电极。
6.如权利要求5所述的声表面波器件晶圆级封装结构的封装方法，其特征在于，还包括在外部电极表面制作外部焊球。
7.如权利要求5所述的声表面波器件晶圆级封装结构的封装方法，其特征在于，封盖晶圆与功能芯片键合的真空度为10-7~10-8mbar，所述预设键合压力为5~20KN。
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