CN110380703A - 一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构和工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微型电子器件封装体技术领域，尤其是一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构和工艺，包括基片和多层膜结构，所述基片的表面制作有表面波换能器，基片上至少设置有一个用于球焊的电极，以及相应的焊球，所述多层膜结构包括有机介质膜一和有机介质膜二，基片和多层膜结构之间的组合关系从下到上依次为基片、制作于基片表面的表面波换能器、有机介质膜一、有机介质膜二，所述有机介质膜一和有机介质膜二上贯穿设置有与电极对应的通孔，焊球通过通孔与电极连接，所述有机介质膜一上对应于表面波换能器处设置有通槽，有机介质膜一与基片重叠时表面波换能器置于通槽内，本发明改进其繁琐的工艺流程，提升成品率和生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及微型电子器件封装体技术领域，具体领域为一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构和工艺。
背景技术
在物理学中，表面波是沿弹性介质表面或薄层间传播的机械波。弹性表面波可以沿固体表面行进，如导致地震严重灾害的表面波，就是为科学家瑞利发现的瑞利波。
声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件是一种利用压电晶体的(逆)压电效应在晶体表面产生声表面波，实施电磁波与声波的能量转换，实现射频电信号的频率选择功能的微型电子器件。声表面波器件，尤其是声表面波滤波器(Surface Acoustic WaveFilter，SAWF)具有设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择优良(可选频率范围在10MHz-3GHz)、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰性能好(EMI)、可靠性高、制作的器件体积小、重量轻，频率选择性好等优势，而且能够实现多种复杂的功能，一直是移动通讯和汽车电子的关键器件。
随着移动通讯等领域技术的不断发展，新兴的技术应用对SAWF提出了越来越高的要求，而当今世界范围内SAWF的发展趋势是小型化。2001-2015年欧美、日本的SAWF体积缩小到原来尺寸的1％，由此使得移动电话的体积大大缩小，目前日本村田公司推出的声表面波双工器，尺寸仅为1.8×1.4×0.6cm3，重量为15mg。采用无引脚陶瓷外壳和引线键合技术的声表面波器件尺寸为3.0×3.0mm2，其厚度达到1.2mm，封装面积：芯片面积≥2mm2。采用陶瓷基板和倒装技术结合的CSP声表面波器件外形尺寸缩小到1.1×0.9mm2，器件的厚度为0.5mm，封装面积：芯片面积≤1.5mm2。WLP的典型器件尺寸缩小到0.8×0.6mm2，器件的厚度小于0.3mm，封装面积：芯片面积≈1mm2，体积仅为CSP封装的29％。
图1所示是现有技术中一种晶圆级封装，该封装将与功能晶圆相同材料的上盖晶圆通过聚合物框粘接在一起，在声表面波工作区上方形成空腔。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，导致引线过长严重影响射频器件的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构和工艺，以解决现有技术中引线过长严重影响射频器件性能的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构，包括基片和多层膜结构，所述基片的表面制作有表面波换能器，基片上至少设置有一个用于球焊的电极，以及相应的焊球，所述多层膜结构包括有机介质膜一和有机介质膜二，基片和多层膜结构之间的组合关系从下到上依次为基片、制作于基片表面的表面波换能器、有机介质膜一、有机介质膜二，所述有机介质膜一和有机介质膜二上贯穿设置有与电极对应的通孔，焊球通过通孔与电极连接，所述有机介质膜一上对应于表面波换能器处设置有通槽，有机介质膜一与基片重叠时表面波换能器置于通槽内，有机介质膜二的下表面与有机介质膜一的上表面重叠，通过有机介质膜二的下表面与通槽进行上端封闭，通过有机介质膜二和基片对通槽进行上下两端封闭形成密封腔。
优选的，所述的密封腔内设置有多个隔板，通过隔板将密封腔分隔为多个腔体，隔板设置于没有表面波有效激发、传播和接收区域的基片表面。
优选的，所述的基片为压电单晶晶片。
优选的，所述的表面波换能器为声表面波换能器。
优选的，所述的焊球由锡、金或金锡合金制成。
优选的，所述的有机介质膜一的厚度为10-50μm，有机介质膜二的厚度为10-50μm，所述的有机介质膜一和有机介质膜二均为可光敏有机介质膜。
优选的，所述的多层膜结构还包括由金属材料或合金材料构成的第三层膜，第三层膜覆盖设置在有机介质膜的上表面、以及基片上未被多层膜结构遮盖的表面处，第三层膜的厚度为0.1-5μm。
优选的，所述的多层膜结构还包含完全覆盖第三层膜的第四层介质层，第四介质层由无机非金属构成，第四介质层的厚度为0.1-5μm。
为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构的制作工艺，其步骤为：
(1)在压电基片表面制作有声表面波叉指换能器、反射栅阵和汇流电极；
(2)通过对可光敏有机介质材料进行堆叠制作双层有机介质膜覆盖在基片表面；
(3)通过光刻和刻蚀工艺将换能器上方的第一层有机介质膜架空；
(4)根据步骤(3)对应于有表面波有效激发、传播和接收区域的基片表面处设置架空的空腔，使得声表面波叉指换能器和反射栅阵得到有效的保护；
(5)再制作金属膜和介质膜，使得覆盖在有机介质膜表面；
(6)每一层膜的工艺完成后都需通过光刻和刻蚀工艺将焊球孔位置裸露出来，方便最终的焊球工艺的实施。
优选的，根据步骤(4)，形成的架空的空腔之间为由第一层有机介质膜构成的支撑体形成的隔墙和支柱进行空腔分隔，支撑体放置于表面波有效激发、传输和接收区域外。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：简化工艺，采用有机介质材料替代硅片等材料，可以应用于晶圆级芯片封装器件，改进其繁琐的工艺流程，提升成品率和生产效率；
采用可光敏有机介质材料，采用光刻技术即可达到原先电镀或者淀积金属的方式得到的架空效果，堆叠有机介质材料可代替原有硅片或钽片做盖板的繁琐工艺，提升其生产效率和成品率。
附图说明
图1为现有声表面波器件封装结构示意图；
图2为本发明的声表面波器件封装结构实施例一的示意图；
图3为本发明的声表面波器件封装结构实施例一的俯视图；
图4为本发明的声表面波器件封装结构实施例二的示意图。
图中：1、基片；2、电极；3、焊球；4、机介质膜一；5、有机介质膜二；6、通孔；7、通槽；8、隔板；9、第三层膜。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图2，本发明提供一种技术方案：一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构，包括基片1和多层膜结构，所述基片1的表面制作有表面波换能器，基片1上至少设置有一个用于球焊的电极2，以及相应的焊球3，所述多层膜结构包括有机介质膜一4和有机介质膜二5，基片1和多层膜结构之间的组合关系从下到上依次为基片1、制作于基片1表面的表面波换能器、有机介质膜一4、有机介质膜二5，所述有机介质膜一4和有机介质膜二5上贯穿设置有与电极2对应的通孔6，焊球3通过通孔6与电极2连接，所述有机介质膜一4上对应于表面波换能器处设置有通槽7，有机介质膜一4与基片1重叠时表面波换能器置于通槽7内，有机介质膜二5的下表面与有机介质膜一4的上表面重叠，通过有机介质膜二5的下表面与通槽7进行上端封闭，通过有机介质膜二5和基片1对通槽7进行上下两端封闭形成密封腔。
所述的密封腔内设置有多个隔板8，通过隔板8将密封腔分隔为多个腔体，隔板8设置于没有表面波有效激发、传播和接收区域的基片1表面。
所述的基片1为压电单晶晶片。
所述的表面波换能器为声表面波换能器。
所述的焊球3由锡、金或金锡合金制成。
所述的有机介质膜一4的厚度为10-50μm，有机介质膜二5的厚度为10-50μm，所述的有机介质膜一4和有机介质膜二5均为可光敏有机介质膜。
所述的多层膜结构还包括由金属材料或合金材料构成的第三层膜9，第三层膜9覆盖设置在有机介质膜的上表面、以及基片1上未被多层膜结构遮盖的表面处，第三层膜9的厚度为0.1-5μm。
所述的多层膜结构还包含完全覆盖第三层膜9的第四层介质层，第四介质层由无机非金属构成，第四介质层的厚度为0.1-5μm。
有机介质膜上的通孔也贯穿第三层膜和第四层介质膜，使得焊球能够裸露于外部。
一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构的制作工艺，其步骤为：
(1)在压电基片1表面制作有声表面波叉指换能器、反射栅阵和汇流电极2；
(2)通过对可光敏有机介质材料进行堆叠制作双层有机介质膜覆盖在基片1表面；
(3)通过光刻和刻蚀工艺将换能器上方的第一层有机介质膜架空；
(4)根据步骤(3)对应于有表面波有效激发、传播和接收区域的基片1表面处设置架空的空腔，使得声表面波叉指换能器和反射栅阵得到有效的保护；
(5)再制作金属膜和介质膜，使得覆盖在有机介质膜表面；
(6)每一层膜的工艺完成后都需通过光刻和刻蚀工艺将焊球3孔位置裸露出来，方便最终的焊球3工艺的实施。
根据步骤(4)，形成的架空的空腔之间为由第一层有机介质膜构成的支撑体形成的隔墙和支柱进行空腔分隔，支撑体放置于表面波有效激发、传输和接收区域外。
通过本技术方案，可以用上面的方式采用以下两个实施例得到实施：
实施例1：
实施例示意图如图2、图3。
使用提拉法生长同成分钽酸锂(LiTaO3)晶体，对晶片进行清洁，使用光刻法将压电换能器和换能器阵制造在晶片上。
然后使用干膜机在晶片上制作第一层可光敏的有机介质膜，在避光的条件下设备温度50度、压强0.5Pa、时间40s，选用20μm的可光敏热固化有机介质膜，完成后采用光刻和刻蚀工艺，将晶片表面压电换能器和换能器阵上的可光敏有机介质膜部分去除掉，同时将互联位置的焊球3区和芯片间划道上的可光敏有机介质膜去除掉，在200度的热板上固化30分钟。
接着使用干膜机制作第二层可光敏的有机介质膜，在避光的条件下设备温度50度、压强0.5Pa、时间40s，选用20μm的光敏热固化有机介质膜，完成后采用光刻和刻蚀工艺，将互联位置的焊球3区和芯片间划道上的可光敏有机介质膜去除掉，对应第一层互联位置的焊球3区和芯片间划道上有机介质膜去除的区域，在200度的热板上固化30分钟。使得两层有机介质膜形成如图2和图3中的类似蜂巢结构的空腔，密封腔内有介质膜形成的支柱、隔墙等支撑体如图2中的。使得声表面波叉指换能器、反射栅阵等表面波有效功能区得到有效的保护，再制作金属膜和介质膜。
溅射第三层金属铜膜，厚度1μm，然后溅射第四层无机非金属层，二氧化硅层，厚度0.1μm，完成后采用光刻和刻蚀工艺，将互联位置的焊球3区的铜膜和二氧化硅层去除掉，对应前两层互联位置的焊球3区上有机介质膜去除的区域。
最后在互联位置的焊球3区植金球，球高60μm，球直径90μm。
实施例2：
实施例示意图如图4。
使用提拉法形成同成分铌酸锂(LiNbO3)晶体，对晶片进行清洁，使用光刻法将压电换能器和换能器阵制造在晶片上。
然后使用干膜机在晶片上制作第一层可光敏的有机介质膜，在避光的条件下设备温度50度、压强0.5Pa、时间40s，选用20μm的光敏热固化有机介质膜，完成后采用光刻和刻蚀工艺，将晶片表面压电换能器和换能器阵上的有机介质膜部分去除掉，同时将互联位置的焊球3区上的有机介质膜去除掉，在200度的热板上固化30分钟。
接着使用干膜机制作第二层可光敏的有机介质膜，在避光的条件下设备温度50度、压强0.5Pa、时间40s，选用20μm的光敏热固化有机介质膜，完成后采用光刻和刻蚀工艺，将互联位置的焊球3区上的有机介质膜去除掉，对应第一层有机介质膜去除的区域，在200度的热板上固化30分钟。使得两层有机介质膜形成如图4中的空腔，可以让声表面波叉指换能器、反射栅阵等表面波有效功能区得到有效的保护，再制作金属膜和介质膜覆盖在有机介质膜上。
蒸发第三层合金铝铜膜，厚度1μm，然后溅射第四层无机非金属层，二氧化硅层，厚度0.1μm，完成后采用光刻和刻蚀工艺，将互联位置的焊球3区的铝铜膜和二氧化硅层去除掉，对应前两层互联位置的焊球3区上有机介质膜去除的区域。
最后在互联位置的焊球3区放置锡球，球直径60μm。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构，其特征在于：包括基片和多层膜结构，所述基片的表面制作有表面波换能器，基片上至少设置有一个用于球焊的电极，以及相应的焊球，所述多层膜结构包括有机介质膜一和有机介质膜二，基片和多层膜结构之间的组合关系从下到上依次为基片、制作于基片表面的表面波换能器、有机介质膜一、有机介质膜二，所述有机介质膜一和有机介质膜二上贯穿设置有与电极对应的通孔，焊球通过通孔与电极连接，所述有机介质膜一上对应于表面波换能器处设置有通槽，有机介质膜一与基片重叠时表面波换能器置于通槽内，有机介质膜二的下表面与有机介质膜一的上表面重叠，通过有机介质膜二的下表面与通槽进行上端封闭，通过有机介质膜二和基片对通槽进行上下两端封闭形成密封腔。
2.根据权利要求1所述的一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构，其特征在于：所述的密封腔内设置有多个隔板，通过隔板将密封腔分隔为多个腔体，隔板设置于没有表面波有效激发、传播和接收区域的基片表面。
3.根据权利要求1所述的一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构，其特征在于：所述的基片为压电单晶晶片。
4.根据权利要求1所述的一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构，其特征在于：所述的表面波换能器为声表面波换能器。
5.根据权利要求1所述的一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构，其特征在于：所述的焊球由锡、金或金锡合金制成。
6.根据权利要求1所述的一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构，其特征在于：所述的有机介质膜一的厚度为10-50μm，有机介质膜二的厚度为10-50μm，所述的有机介质膜一和有机介质膜二均为可光敏有机介质膜。
7.根据权利要求1所述的一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构，其特征在于：所述的多层膜结构还包括由金属材料或合金材料构成的第三层膜，第三层膜覆盖设置在有机介质膜的上表面、以及基片上未被多层膜结构遮盖的表面处，第三层膜的厚度为0.1-5μm。
8.根据权利要求7所述的一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构，其特征在于：所述的多层膜结构还包含完全覆盖第三层膜的第四层介质层，第四介质层由无机非金属构成，第四介质层的厚度为0.1-5μm。
9.一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构的制作工艺，其特征在于：其步骤为：
(1)在压电基片表面制作有声表面波叉指换能器、反射栅阵和汇流电极；
(2)通过对可光敏有机介质材料进行堆叠制作双层有机介质膜覆盖在基片表面；
(3)通过光刻和刻蚀工艺将换能器上方的第一层有机介质膜架空；
(4)根据步骤(3)对应于有表面波有效激发、传播和接收区域的基片表面处设置架空的空腔，使得声表面波叉指换能器和反射栅阵得到有效的保护；
(5)再制作金属膜和介质膜，使得覆盖在有机介质膜表面；
(6)每一层膜的工艺完成后都需通过光刻和刻蚀工艺将焊球孔位置裸露出来，方便最终的焊球工艺的实施。
10.根据权利要求9所述的一种微型电子器件的整片晶圆级封装结构的制作工艺，其特征在于：根据步骤(4)，形成的架空的空腔之间为由第一层有机介质膜构成的支撑体形成的隔墙和支柱进行空腔分隔，支撑体放置于表面波有效激发、传输和接收区域外。
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