CN110911785A - 一种双工器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双工器，该双工器包括上晶圆、下晶圆和封装载板，所述上晶圆和所述下晶圆中分别设置发射滤波器与接收滤波器二者之一，其中所述上晶圆和所述下晶圆之间键合，并且键合区域设置有增距凸起结构。本发明实施例的双工器通过在上晶圆与下晶圆之间设置增距凸起结构，拉开了上下晶圆的间距，从而拉开了发射滤波器和接收滤波器的间距，进而减小了电容耦合，提高了器件性能。

Description

一种双工器
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，特别涉及一种双工器。
背景技术
近年来，随着市场的迅猛发展，无线通讯终端和设备不断朝着小型化、多模-多频段的方向发展，无线通讯终端和设备不断朝着小型化，多模-多频段的方向发展，无线通信终端中的用于FDD(Frequency Division Duplex，频分复用双工)的双工器的数量也随之增加。五模十三频，甚至五模十七频逐渐成为主流手机的标准要求，特别是随着5G商用的临近，对Band1、2、3、5、7、8等小尺寸，高性能的双工器的需求量也越来越大。
目前，能够满足通讯终端使用的小尺寸滤波器主要是压电声波滤波器，构成此类声波滤波器的谐振器主要包括：FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator，薄膜体声波谐振器)，SMR(Solidly Mounted Resonator，固态装配谐振器)和SAW(Surface Acoustic Wave，表面声波谐振器)。其中基于体声波原理制造的FBAR和SMR双工器，相比基于表面声波原理制造的SAW双工器，具有更低的插入损耗，更高的功率容量的特点。
双工器的低插入损耗可以确保在相同的天线发射功率(由国际统一的通信协议规定)前提下，发射信道的放大器可以发送更小的功率以节省终端设备的电源消耗，从而延长同样电量条件下的使用时间，并减小发送通路中的热量产生，带来更好的终端用户使用体验。
而双工器具有更高的功率容量，则意味着可以通过适当地提升终端设备的发射功率等级，扩大终端发送信号的覆盖范围，从而降低运营商基站的组网密度，节约运营商的组网成本。目前支持更高的功率等级已经逐渐成为4G+以及5G通信终端的基本要求。
一般的双工器均采用两颗滤波器芯片封装在一起的方式来制作。由两颗芯片与封装基板形成的双工器，由于装配工艺对芯片之间的间距要求，导致封装效率偏低，一般只有50％～60％。但如果直接将两片分别制作有滤波器的晶圆，利用晶圆级键合封装在一起，双工器的隔离度性能会因为两片晶圆上谐振器之间存在较大的寄生电容而变得非常差，隔离度只有-30dB～-40dB，性能下降太多导致无法使用。
因此，如何实现优秀隔离性能的小尺寸双工器，成为设计工程师亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有高功率容量的双工器。
本发明的目的是提供一种双工器，该双工器包括上晶圆、下晶圆和封装载板，所述上晶圆和所述下晶圆中分别设置发射滤波器与接收滤波器二者之一，其中所述上晶圆和所述下晶圆之间键合，并且键合区域设有增距凸起结构。
可选地，所述增距凸起结构为：从所述上晶圆延伸生长或者从所述下晶圆延伸生长的单一金属柱，或者，从所述上晶圆和从所述下晶圆分别延伸生长然后对接键合的复合金属柱。
可选地，所述金属柱的材料为如下金属或其合金：铜、金、铝。
可选地，所述增距凸起结构为多个槽沿凸台，所述多个槽沿凸台之间形成凹槽，所述凹槽底部设置所述发送滤波器或者所述接收滤波器。
可选地，所述槽沿凸台为：在上晶圆下表面或者下晶圆上表面挖槽形成的单一槽沿凸台，或者，在上晶圆下表面和下晶圆上表面分别挖槽形成然后对接键合的复合槽沿凸台。
可选地，所述槽沿凸台与晶圆平面形成的夹角大于45度并且小于80度。
可选地，上晶圆中的谐振器先通过所述槽沿凸台侧面金属化连接到键合区域，然后通过贯穿所述槽沿凸台的通孔电连接至封装载板。
可选地，所述接收滤波器和发送滤波器的垂直间距为20-150微米。
可选地，所述发射滤波器和所述接收滤波器在器件俯视方向上二者呈部分交叠设置。
可选地，所述发射滤波器和所述接收滤波器在器件俯视方向上投影的交并比为0.2至0.8。
本发明实施例的双工器通过在上晶圆与下晶圆之间设置增距凸起结构，拉开了上下晶圆的间距，从而拉开了发射滤波器和接收滤波器的间距，进而减小了电容耦合，提高了器件性能。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是现有双工器的剖面示意图；
图2是带交叠电容的双工器的电路图；
图3是发送滤波器Tx与接收滤波器Rx的交叠电容对双工器隔离度的影响的示意图；
图4是本发明实施例一的双工器的剖面示意图；
图5是本发明实施例二的双工器的剖面示意图；
图6是本发明实施例三的双工器的剖面示意图；
图7是本发明实施例四的双工器的剖面示意图；
图8(a)至图8(f)是制造本发明实施例三的双工器的工艺流程示意图；
图9(a)至图9(f)是制造本发明实施例四的双工器的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图1是现有双工器的剖面示意图。如图1所示，现有的双工器具有封装载板SU、制作有接收滤波器Rx的上晶圆W1和制作有发送滤波器Tx的下晶圆W2。上晶圆W1通过晶圆键合与下晶圆W2封装在一起，然后再通过焊球连接到封装载板SU的顶部焊盘上。其中：接收滤波器Rx中需要与外部相连的接收谐振器，是通过第一导通孔VRx连接到下晶圆下表面的焊盘上再通过焊球与下方的封装载板SU连接在一起；发送滤波器Tx中需要与外部相连的发送谐振器，是通过第二导通孔VTx连接到下晶圆下表面的焊盘上再通过焊球与下方的封装载板SU连接在一起。现有的双工器中，由于发送滤波器Tx与接收滤波器Rx电感之间的距离比较近，双工器的隔离性能比较差。需要说明的是，现有双工器也可以将发送滤波器Tx设置在上晶圆并且将接收滤波器Rx设置在下晶圆，这样的细节调整并不改变双工器工作原理，仍然具有隔离性能不好的技术缺陷。
现有的双工器中带交叠电容，其电路图如图2所示。该双工器100从电路原理角度来看，具有天线端子A、发送端子B和接收端子C。发送滤波器连接在所述天线端子A与所述发送端子B之间，由多个串联连接的第一串联单元(即TS1、TS2、TS3和TS4)和分别并联于每相邻两个第一串联单元间的第一并联单元(即TP1、TP2、TP3和TP4)组成。接收滤波器连接在所述天线端子A与所述接收端子C之间，由多个串联连接的第二串联单元(即RS1、RS2、RS3和RS4)和分别并联于每相邻两个第二串联单元间的第二并联单元(即RP1、RP2、RP3和RP4)组成。发送滤波器和接收滤波器之间具有交叠电容C。图3示出了发送滤波器Tx与接收滤波器Rx的交叠电容对双工器隔离度的影响。根据图2和图3，可以理解上下晶圆间距越小，交叠电容数值越大，器件的隔离性能越差。
为克服技术缺陷，本发明提出一种双工器，该双工器包括上晶圆、下晶圆和封装载板，所述上晶圆和所述下晶圆中分别设置发射滤波器与接收滤波器二者之一，其中所述上晶圆和所述下晶圆之间键合，并且键合区域设有增距凸起结构。可选地，通过控制增距凸起结构的高度，使得接收滤波器和发送滤波器的垂直间距为20-150微米。本发明实施例的双工器通过设置增距凸起结构，增加上下晶圆间距，减少交叠电容，改善器件隔离性能。
可选地，增距凸起结构的具体形式可以为：从所述上晶圆延伸生长或者从所述下晶圆延伸生长的单一金属柱，或者，从所述上晶圆和从所述下晶圆分别延伸生长然后对接键合的复合金属柱。其中金属柱的材料可以为如下金属或其合金：铜、金、铝。
可选地，增距凸起结构具体形式可以为：在上晶圆下表面或者下晶圆上表面挖槽形成的单一槽沿凸台，或者，在上晶圆下表面和下晶圆上表面分别挖槽形成然后对接键合的复合槽沿凸台。其中槽沿凸台的材料与晶圆材料相同。需要说明的是，在上下两片晶圆上都做槽沿凸台的方案，虽然相对仅一片晶圆上做槽沿凸台的方案，工艺步骤是复杂了一些，但是为了达到同样的距离，实际减少了每片晶圆的槽沿凸台高度，最终降低了总体工艺制造的难度。
传统双工器中，收发滤波器在器件俯视方向上二者呈错开设置。本发明实施例的双工器中，由于收发滤波器垂直距离拉大，从而导致收发滤波器之间的寄生电容已经有了明显的降低，其实可以使得收发滤波器之间没有必要完全错开，即可以实现更大面积的交叠，从而进一步缩小芯片的尺寸。因此，本发明实施例的双工器中，优选所述发射滤波器和所述接收滤波器在器件俯视方向上二者呈部分交叠设置。所述发射滤波器和所述接收滤波器在器件俯视方向上投影的交并比可以为0.2至0.8。
下面通过四个具体的实施例进行详细说明。
图4是本发明实施例一的双工器的剖面示意图，该双工器中的增距凸起结构为从上晶圆W1延伸生长的单一的上金属柱100。
图5是本发明实施例二的双工器的剖面示意图，该双工器中的增距凸起结构为从下晶圆W2延伸生长的单一的下金属柱200。
图6是本发明实施例三的双工器的剖面示意图，该双工器中的增距凸起结构为从上晶圆W1和从下晶圆W2分别延伸生长出上金属柱100和下金属柱200，然后二者对接键合为复合金属柱。
图7是本发明实施例四的双工器的剖面示意图，该双工器中的增距凸起结构为在上晶圆下表面和下晶圆上表面分别挖槽形成上槽沿凸台300和下槽沿凸台400，然后对接键合为复合槽沿凸台。其中，上晶圆中的谐振器先通过所述槽沿凸台侧面金属化连接到键合区域，然后通过贯穿所述槽沿凸台的通孔电连接至封装载板。如图7所示，左侧两个VRx是自凸台连至底部，右侧两个VTx是直接自凹槽底连至底部。二者的设计思路区别在于右侧VTx要连接的是位于下晶圆中的谐振器Tx，而左侧VRx连接的是上晶圆的谐振器。因此具有结构简单，易于加工，电连接效果好的优点。
图8(a)至图8(f)是制造本发明实施例三的双工器的工艺流程示意图。图8(a)，首先在下晶圆的硅基底800上进行化学机械抛光，刻蚀出FBAR下方的空气腔区域801，并保留未来进行释放的通道802。801和802中均填充可以释放的材料作为牺牲层，然后进行表面抛光。图8(b)，依次在晶圆上制作下电极层803，压电层804，上电极层805，以及用于保护的钝化层806。图8(c)在压电层上用刻蚀的方法开口807，露出下电极层，并以它作为基础，向上方生长金属柱808，金属柱的材料可以是铜。金属柱的高度可选择20um至150um，以确保上、下晶圆具有足够的距离，使得Tx和Rx之间的电容值足够小，对双工器的隔离度不会产生影响。在808的上面做一层可以进行晶圆级键合的材料809，如金，铝等。最后将牺牲层释放掉，形成空气腔810。810与其上方的下电极，压电层，上电极，钝化层，形成FBAR结构。图8(d)，将用类似工艺制作的上晶圆820，与下晶圆进行晶圆级键合，键合后对上晶圆820进行减薄，上晶圆厚度减少到50～150um范围内。图8(e)，在下晶圆的底面刻蚀出连接到下晶圆内部电路的过孔811。图8(f)，将下晶圆进行减薄，厚度减少到50～150um范围内，并在下晶圆的下表面制作焊盘812，用于在后续封装的过程中，与外部封装载板相连接。需要说明的是，采用金属柱作为增距凸起结构的双工器中，因为金属柱本身可以作为连接载体，不存在上下两片晶圆电连接的问题。
图9(a)至图9(f)是制造本发明实施例三的双工器的工艺流程示意图。图9(a)中，在晶圆上直接做出槽沿凸台903，槽沿凸台的高度>20um，并<150um，以确保上、下晶圆具有足够的距离，使得Tx和Rx之间的电容值足够小，对双工器的隔离度不会产生影响。同时，槽沿凸台与晶圆平面成一定夹角，此夹角大于45度，小于80度。这样便于下一步溅射金属层，有一定角度则溅射效果良好。图9(c)，在需要连接的区域用溅射的方法实现槽沿凸台上表面与FBAR所在平面电学连接的金属层907。最后在键合区域制作用于键合的材料层908，可以是金，铝等。图9(d)将用类似方法制作的上晶圆920与下晶圆键合在一起，并将上晶圆进行减薄，上晶圆厚度减少到50～150um范围内。图9(a)至图9(f)中的过孔，是连接到槽沿凸台上的键合区，这样可以实现上晶圆上的信号通过键合区、过孔，向外部的焊盘912进行连通。对于只连接下晶圆上的过孔，则可以不做在槽沿凸台的区域。位于上晶圆的槽沿凸台上方，下方，以及侧壁具有细微的金属结构，用于实现谐振器与槽沿凸台上键合区的电学连接。该双工器中，因为槽沿凸台的存在，使得Tx与Rx谐振器之间的距离大于20um即可，这是因为，硅的介电常数是空气的10倍以上，这样，Tx与Rx谐振器之间的距离只需要20um，即可以保证Tx和Rx之间交叠电容值与添加一片200um的隔离晶圆基本相当。在下晶圆中，VTx通孔是做在槽沿凸台下方，因此可以直接连出，不用连接到键合区。
由上可知，本发明实施例的双工器通过在上晶圆与下晶圆之间设置增距凸起结构，拉开了上下晶圆的间距，从而拉开了发射滤波器和接收滤波器的间距，进而减小了电容耦合，提高了器件性能。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种双工器，其特征在于：该双工器包括上晶圆、下晶圆和封装载板，所述上晶圆和所述下晶圆中分别设置发射滤波器与接收滤波器二者之一，其中所述上晶圆和所述下晶圆之间键合，并且键合区域设有增距凸起结构。
2.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于，所述增距凸起结构为：从所述上晶圆延伸生长或者从所述下晶圆延伸生长的单一金属柱，或者，从所述上晶圆和从所述下晶圆分别延伸生长然后对接键合的复合金属柱。
3.根据权利要求2所述的双工器，其特征在于，所述金属柱的材料为如下金属或其合金：铜、金、铝。
4.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于，所述增距凸起结构为多个槽沿凸台，所述多个槽沿凸台之间形成凹槽，所述凹槽底部设置所述发送滤波器或者所述接收滤波器。
5.根据权利要求4所述的双工器，其特征在于，所述槽沿凸台为：在上晶圆下表面或者下晶圆上表面挖槽形成的单一槽沿凸台，或者，在上晶圆下表面和下晶圆上表面分别挖槽形成然后对接键合的复合槽沿凸台。
6.根据权利要求4所述的双工器，其特征在于，所述槽沿凸台与晶圆平面形成的夹角大于45度并且小于80度。
7.根据权利要求4所述的双工器，其特征在于，所述上晶圆中的谐振器先通过所述槽沿凸台侧面金属化连接到键合区域，然后通过贯穿所述槽沿凸台的通孔电连接至封装载板。
8.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于，所述接收滤波器和发送滤波器的垂直间距为20-150微米。
9.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于，所述发射滤波器和所述接收滤波器在器件俯视方向上二者呈部分交叠设置。
10.根据权利要求9所述的双工器，其特征在于，所述发射滤波器和所述接收滤波器在器件俯视方向上投影的交并比为0.2至0.8。
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