CN110729979B - 一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装方法及其结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于声波滤波器技术领域,涉及一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装方法及其结构;封装方法包括在同一片硅晶圆上加工形成多个芯片;将陶瓷基板表面制作多个与芯片形状匹配的金属图形,针对外部引线制作出相应的导通孔;将芯片和金属图形正对后进行金属键合,并形成键合层金属,从导通孔连接至晶圆;在陶瓷基板背向芯片的一面镀制金属种子层再进行电镀,使导通孔内填充满金属,并去除以外的金属种子层;再制作外电极和外部电路结构,在外电极表面制作外部焊球。本发明通过金属键合,使器件内部与外部形成了隔绝的两个部分,从而保护裸芯片表面不被污染以及密封的效果能满足气密封的要求,保护了薄膜体声波滤波器件的工作面,使器件可以正常工作。
Description
技术领域
本发明属于声波滤波器技术领域,涉及薄膜体声波滤波器,尤其涉及一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装方法及其结构。
背景技术
目前,薄膜体声波滤波器(FBAR)的小型化封装均采用灌封树脂封装的封装形式。未来对于微型化的封装要求更高,灌封树脂对于污染问题很难控制。而薄膜体声波滤波器对工作表面要求很高,不能被污染。因此灌封树脂的封装形式难以满足实际使用需要。也有采用陶瓷外壳平行焊接的封装结构,即在外壳上制作出一个深腔结构,将裸芯片粘接于深腔内,并通过引线与外部电极电连接,然后向深腔内充入氮气以置换其内的空气,最后通过盖板将深腔封闭即可。虽然这样的封装结构满足器件不能被污染的要求,但至少存在以下两方面不足:(1)器件难以小型化,目前最小的陶瓷外壳为1.6mm*1.2mm且厚度都在1mm以上,在未来的移动设备中无法使用,仅能使用在基站中,应用场合受到很大影响;(2)加工效率低,由于每个器件需要分别加工,且为了使芯片处于洁净不被污染的环境存在氮气与空气的置换,故封装效率比较低下。
专利CN106301279A通过使用倒装焊将薄膜体声波滤波器裸芯片焊接在基板上,通过真空压力将膜层粘接在基板上,使得基板能够包裹裸芯片,让器件内部与外部形成了隔绝的两个部分,从而保护裸芯片表面不被污染以及达到密封的效果,保护了薄膜体声波滤波器的工作面,使器件可以正常工作,但是封装后器件尺寸总厚度较厚(0.6mm以上),并且该封装方式的气密性较差;其方法仍需有改进之处。
另外,有公司在晶圆级封装方法中也有采用Si作为盖帽晶圆,例如申请人提出的专利CN109286385A,该专利通过将晶圆和封盖晶圆直接键合来对声表面波器件进行封装;但是该方法需要带活化功能的专用键合设备,且该方法对晶圆表面的颗粒度和平整度要求极高,如颗粒度和平整度较大就会导致键合强度不满足要求,在后续的减薄和深硅刻蚀时会导致两个晶圆分开。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种薄膜体声波滤波器晶圆级(WaferLevel Package,WLP)封装结构和工艺,本发明采用陶瓷基板作封盖材料。本封装工艺能够实现芯片剪切强度高、可靠性高、气密性好的特点。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装方法,所述封装方法包括以下步骤:
在同一片硅晶圆上加工形成多个芯片,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;
进一步的,将陶瓷基板表面制作多个与芯片形状匹配的金属图形,并针对外部引线制作出相应的导通孔;
进一步的,将晶圆中的各个芯片和陶瓷基板的金属图形进行一一正对;
进一步的,将对准后的芯片和金属图形在键合压力为25~45KN、真空度为10-6~10-7mbar进行高温下280~450℃的金属键合,在陶瓷基板上形成键合层金属,并从导通孔连接至晶圆;
优选的,在陶瓷基板背向芯片的一面镀制金属种子层50~500nm;
优选的,在陶瓷基板背向芯片的一面进行电镀,使通孔内填充满金属,并去除导通孔外的金属种子层;
进一步的,在陶瓷基板背向芯片的一面制作外电极和外部电路结构,并在外电极表面制作外部焊球。
优选的,金属图形采用包括金Au或铜Cu。
本发明还提出了一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装结构,包括晶圆以及陶瓷基板;在晶圆上包括多个芯片,所有芯片的工作面朝向一致;在陶瓷基板上包括多个金属图形和多个导通孔;在陶瓷基板上制备有键合层金属;陶瓷基板与晶圆之间通过金属键合连接,使得芯片与陶瓷基板的金属图形刚好一一正对;在陶瓷基板背向芯片的一面镀制有金属种子层,在金属种子层上设有外部电路布线结构和外部电极;晶圆通过键合层金属从导通孔与外部电极连接;外部电极的表面制作有外部焊球。
本发明的有益效果:
(1)本发明用金属键合的方式将薄膜体声波滤波器和陶瓷基板键合在一起,通过金属键合的方式,使器件内部与外部形成了隔绝的两个部分,从而保护裸芯片表面不被污染,保护了薄膜体声波滤波器件的工作面,使器件可以正常工作。
(2)本发明不需在薄膜体声波滤波器和陶瓷基板键合后,进行晶圆减薄和深硅刻蚀刻通孔,可避免在减薄和刻蚀孔时晶圆裂片的风险,并且可缩短工艺流程和封装时间,同时减少了封装成本。
(3)本发明可以在同一晶圆上一次性加工出多个器件,最后再切割成单个器件,因此比传统的单个封装工艺封装效率明显提高。
(4)本发明抛弃了原有技术中的陶瓷外壳,可以实现裸芯片的直接封装,WLP封装后的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。
(5)本发明采用金属作为密封,采用金属键合实现密闭的腔体,从而实现真正意义上的气密性封装且实现了晶圆级封装。
附图说明
图1为本发明的封装方法的流程图;
图2为本发明的封装结构图;
图中,1、晶圆,2、芯片,3、键合金属层,4、导通孔,5、陶瓷基板,6、外部电极,7、外部焊球。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合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。
如图1所示,一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装方法,所述封装方法包括以下步骤:
S1、在同一片硅晶圆上加工形成多个芯片,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;
S2、将陶瓷基板表面制作多个与芯片形状匹配的金属图形,并针对外部引线制作出相应的导通孔;
可选的,将陶瓷基板为一个整体,一个金属图形对应一个晶圆,陶瓷基板上可以刻蚀出多个金属图形空腔,用于对应晶圆上的多个功能芯片。
S3、将晶圆中的各个芯片和陶瓷基板的金属图形进行一一正对;
S4、将对准后的芯片和金属图形在一定键合压力和温度下进行金属键合,在陶瓷基板上形成键合层金属,并从导通孔连接至晶圆;
本实施例中,键合压力选择为25~45KN,真空度选择为10-6~10-7mbar,温度选择为280~450℃。
在一种实施例中,键合压力为30KN,真空选择度为1.5×10-6mbar,温度选择为300℃。
在另一种实施例中,键合压力为28KN,真空选择度为1.5×10-6mbar,温度选择为350℃。
在另一种实施例中,键合压力为25KN,真空选择度为1.5×10-6mbar,温度选择为400℃。
S5、在陶瓷基板背向芯片的一面镀制金属种子层;
作为一种可实现方式,本实施例提供一种磁控溅射法来镀制金属种子层,该方法具体包括:
将溅射功率设置为100w,磁控腔室的温度设置为30℃,陶瓷基板的表面温度设置有40℃,通过磁控溅射的方式,在陶瓷基板的背面形成厚度约为100nm的金属种子层。
S6、在陶瓷基板背向芯片的一面进行电镀,使导通孔内填充满金属,并去除导通孔外的金属种子层;
作为一种可实现方式,本实施例提供一种金属铜电镀法,该方法具体包括:
在导通孔内沉积金属铜,具体的过程可以采用以纯净的铜片为阳极,在电镀之前,将铜片表面的离子化合物和其他杂质去除,再依次使用丙酮、乙醇溶液以及去离子水进行超声清洗数分钟,并使用氮气烘干;将导通孔内的金属种子层作为阴极,并置于镀铜电镀液中,镀铜电镀液的一种配置方式可以包括:五水硫酸铜200g/L、硫酸20g/L、柠檬酸100~120g/L、氯离子70mg/L,在pH=4.5~5.5、温度30~32℃,电流密度1.5~2.5A/dm2的条件下,电镀10~15分钟,即可得到比陶瓷基板略厚的镀制层。
S7、在陶瓷基板背向芯片的一面制作外电极和外部电路结构,并在外电极表面制作外部焊球。
本发明还提出了一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装结构,如图2所示,包括晶圆1以及陶瓷基板5;在晶圆1上包括多个芯片2,所有芯片2的工作面朝向一致;在陶瓷基板5上包括多个金属图形和多个导通孔4;在陶瓷基板5上制备有键合层金属3;陶瓷基板5与晶圆1之间通过金属键合连接,使得芯片2与陶瓷基板5的金属图形刚好一一正对;在陶瓷基板5背向芯片2的一面镀制有金属种子层,在金属种子层上设有外部电路布线结构和外部电极6;晶圆1通过键合层金属3从导通孔4与外部电极6连接;外部电极6的表面制作有外部焊球7。
优选的,金属种子层的厚度为50~500nm。
在本实施例中,金属种子层的厚度为100nm。
在本实施例中,金属图形采用包括金Au或铜Cu或者银Ag。
在一个实施例中,具体的,薄膜体声波滤波器晶圆级(WLP)封装结构,包括晶圆和陶瓷基板,在陶瓷基板上制备键合需要的金属图形和通孔(基板厂家提供),把晶圆上的芯片与封盖陶瓷基板上的金属图形进行对准再键合,在键合后的盖帽陶瓷基板背面设有外部电路布线结构和外部电极,为方便电连接,在外部电极上还制作外部焊球,封盖陶瓷基板上制作有导通孔以将芯片的焊盘电路依次通过导通孔、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板实现电连接。
本封装结构采用硅晶圆,将陶瓷基板作为封盖材料。在280~450℃下,在真空度为10-6~10-7mbar和压力为25~45KN的条件下进行键合。本封装方法是在薄膜体声波器件的功能晶圆加工完成后,采用陶瓷基板(基板厂家提供)作为封盖材料,把晶圆的工作面和陶瓷基板进行金属图形对准,然后再进行金属扩散键合。扩散键合完成后再把导通孔金属化以实现内外电极的连接。
本发明可以大大降低器件封装后的尺寸,与其他的晶圆级封装形式相比,键合是硅晶圆和陶瓷基板材料直接进行金属键合,既能保证封装后的气密性要求,又能降低加工过程中的裂片率,还能缩短封装工艺流程,降低了加工成本,并可以提高器件的可靠性;该工艺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陶瓷基板封盖材料进行键合,也不会降低每片芯片的键合效果,大大提高效率,可以进行大批量生产。
可以理解的是,本发明中的薄膜体声波滤波器晶圆级封装方法及其结构的部分特征可相互引用,本发明则不再赘述。
以上所举实施例,对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明,所应理解的是,以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装方法,其特征在于,所述封装方法包括以下步骤:
在同一片硅晶圆上加工形成多个芯片,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;
将陶瓷基板表面制作多个与芯片焊盘形状相匹配的金属图形,并针对外部引线制作出相应的导通孔;
将晶圆中的各个芯片和陶瓷基板的金属图形进行一一正对;
将对准后的芯片和金属图形在一定温度和键合压力下进行金属键合,金属键合的温度为280~450℃,其采用的键合压力为25~45KN、真空度为10-6~10-7mbar;在陶瓷基板上形成键合层金属,并从导通孔连接至晶圆;
在陶瓷基板背向芯片的一面镀制金属种子层;
在陶瓷基板背向芯片的一面进行电镀,使导通孔内填充满金属,并去除导通孔外的金属种子层;
在陶瓷基板背向芯片的一面制作外电极和外部电路结构,并在外电极表面制作外部焊球。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装方法,其特征在于,金属图形采用包括金Au或铜Cu。
3.一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装结构,其特征在于,包括晶圆(1)以及陶瓷基板(5);在晶圆(1)上包括多个芯片(2),所有芯片(2)的工作面朝向一致;其特征在于,在陶瓷基板(5)上包括多个金属图形和多个导通孔(4);在陶瓷基板(5)上制备有键合层金属(3);陶瓷基板(5)与晶圆(1)之间通过金属键合连接,使得芯片(2)与陶瓷基板(5)的金属图形刚好一一正对;在陶瓷基板(5)背向芯片(2)的一面镀制有金属种子层,在金属种子层上设有外部电路布线结构和外部电极(6);晶圆(1)通过键合层金属(3)从导通孔(4)与外部电极(6)连接;外部电极(6)的表面制作有外部焊球(7);金属图形的厚度为1~4um。
4.根据权利要求3所述的一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装结构,其特征在于,金属种子层的厚度为50~500nm。
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