CN115051665A - 一种滤波器的晶圆级封装结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滤波器的晶圆级封装结构及其制作方法，在具有若干个谐振功能区和若干个焊盘的滤波器晶圆的表面涂覆光敏材料制作围绕在谐振功能区周围的围堰结构，围堰结构将焊盘包覆住；在围堰结构上方覆盖由树脂或胶和无机物组成的混合物材料制成的具有高弹性模量的薄膜盖板；采用激光钻孔在薄膜盖板和围堰结构上同时形成裸露出焊盘的连接孔，从连接孔的底部至顶部直径逐渐增大，连接孔的侧壁平滑无台阶；在薄膜盖板上制作金属连接件并延伸至连接孔侧壁和底部与焊盘电性连接，在金属连接件和薄膜盖板表面旋涂钝化层，在薄膜盖板上的金属连接件上方的钝化层制作开口，于开口处制作导电外接部。本发明能提供更大尺寸空腔，提高产品可靠性。

Description

一种滤波器的晶圆级封装结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及晶圆级封装领域，尤其涉及一种滤波器的晶圆级封装结构及其制作方法。

背景技术

声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter,SAW Filter)是利用叉指换能器(Interdigital Transducer,IDT)在钽酸锂、铌酸锂、石英等基板压电材料上激发、监测和接收SAW，完成电→声→电的转换和处理。它集低插入损耗和良好的带外抑制性能于一体，可以实现宽带宽，体积小，在射频前端接收通道对射频信号进行滤波。

声表面波滤波器的机械结构非常脆弱，并容易损坏。此外，其芯片功能区域非常敏感，不能接触任何物质(如，灰尘、湿气、静电等)，否则会影响声表面波的传递，进而影响芯片性能。因此，声表面波滤波器在封装过程中需进行空腔结构设计，使器件敏感区被密封以防止污染物与之接触影响到器件性能。

目前声表面波滤波器主要的封装技术有金属封装、塑料封装、表面贴装、倒装焊等基板类封装。现有的这类滤波器封装方法存在以下缺点：

1、基板类封装主要在划片后进行，划片会对IDT造成污染；若划片前对IDT进行钝化处理，钝化层覆盖在IDT表面，将额外增加了IDT质量负载，易改变器件性能，同时钝化层太薄将导致IDT不能形成有效覆盖；

2、产品的可靠性对基板及密封盖平整度要求严苛，容易引起失效。

3、器件安装准确性、信号导线的影响、焊接的角度等这一系列不确定性便造成了器件性能的不一致性，甚至对滤波器造成破坏。

目前通常采用两层光敏薄膜材料通过光刻显影方式在滤波器表面形成空腔保护结构，相比基板类封装可提高封装的可靠性，同时封装体积小，工艺流程简单。但覆膜封装对腔体尺寸大小敏感，在大腔体尺寸下容易造成覆膜塌陷，影响芯片功能。同时，两层薄膜材料均需通过光刻工艺形成连接孔，且第二层薄膜材料作为空腔盖板对其弹性模量、热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)、光敏特性等要求严格，故该类材料可选择的种类极少、成本极高，限制了产品的市场竞争力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种滤波器的晶圆级封装结构及其制作方法。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种滤波器的晶圆级封装结构的制作方法，包括以下步骤：

1)提供制作有若干个谐振功能区和若干个焊盘的滤波器晶圆，在所述滤波器晶圆的表面涂覆或压膜光敏材料，通过曝光、显影和固化制作出围绕在至少一个谐振功能区周围的围堰结构，所述焊盘被所述围堰结构包覆住；

2)在所述围堰结构上方覆盖有由树脂或胶和无机物组成的混合物材料制成的具有高弹性模量的薄膜盖板，并在所述至少一个谐振功能区上方形成空腔；

3)采用激光钻孔的方式在所述薄膜盖板和所述围堰结构上同时形成裸露出所述焊盘的连接孔，从所述连接孔的底部至顶部直径逐渐增大，所述连接孔的侧壁平滑无台阶；

4)在所述薄膜盖板上制作金属连接件，所述金属连接件延伸至所述连接孔的侧壁和底部表面并与所述焊盘电连接；

5)在所述金属连接件和薄膜盖板表面旋涂钝化层，在所述薄膜盖板上的金属连接件上方的钝化层的预设外接位置制作出裸露出所述金属连接件的开口，并于所述钝化层的开口处制作导电外接部。

作为优选，所述薄膜盖板为由树脂或胶和无机物组成的混合物薄膜材料预成型件，所述步骤2)具体包括：

采用滚轮贴膜或者真空压合的方式将所述薄膜盖板贴合在所述围堰结构上。

作为优选，所述步骤3)中激光钻孔所使用的激光器为二氧化碳激光器或紫外激光器，所使用的激光光斑直径为10～60μm，单孔脉冲数为2000～10000，单脉冲能量为1uj～15uj。

作为优选，所述薄膜盖板为树脂、非光敏聚合物聚酰亚胺或预浸树脂的玻璃纤维，所述薄膜盖板的弹性模量范围为7～11GPa。

作为优选，所述光敏材料为干膜或胶。

作为优选，所述导电外接部为锡球或铜柱或镍金焊盘。

一种滤波器的晶圆级封装结构，采用上述的滤波器的晶圆级封装结构的制作方法制作而成，包括滤波器晶圆，所述滤波器晶圆表面设有若干谐振功能区和若干焊盘，还包括围堰结构、薄膜盖板、金属连接件和钝化层，所述围堰结构由光敏材料通过光刻工艺制成，并围绕在至少一个谐振功能区周围，所述围堰结构的厚度为5～50μm，所述薄膜盖板贴合在所述围堰结构上方，所述薄膜盖板具有高弹性模量并由树脂或胶和无机物组成的混合物材料制成，所述薄膜盖板的厚度为10～100μm，并在至少一个谐振功能区上方形成空腔，所述空腔的长度和/或宽度为100μm～1.5mm，在所述焊盘上方的所述围堰结构和薄膜盖板上设有连接孔，从所述连接孔的底部至顶部直径逐渐增大，所述连接孔的侧壁平滑无台阶，所述连接孔的侧壁与所述焊盘表面的倾斜角度为60～85°，所述连接孔的底部面积至少为焊盘表面的面积的50％，所述薄膜盖板上设有所述金属连接件并延伸至所述连接孔的侧壁和底部与所述焊盘电性连接，所述钝化层覆盖在所述金属连接件与薄膜盖板上，所述薄膜盖板上的金属连接件上方的钝化层的预设外接位置设有裸露出所述金属连接件的开口，所述钝化层的开口处设有导电外接部。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的滤波器的晶圆级封装结构中的薄膜盖板采用树脂、非光敏聚合物聚酰亚胺或预浸树脂的玻璃纤维等非光敏聚合物材料，玻璃转换温度、热膨胀系数及模量等可选范围相对光敏材料更广，该材料的模量相对光敏材料更大，薄膜盖板不容易坍塌，可提供更大尺寸空腔，提高产品可靠性，适用性更强；同时由于弹性模量更大，同等尺寸空腔下，可选择更薄厚度，该层厚度可降低25％以上。

(2)本发明的滤波器的晶圆级封装结构的制作方法中围堰结构和薄膜盖板所采用的材料可通过一次激光钻孔的方式形成连接孔，相对原光刻工艺流程，节省了工艺步骤，提高了加工效率，并且连接孔的侧壁光滑无台阶，从顶部到底部直径逐渐增大，有利于金属的溅射或电镀。

(3)本发明的滤波器的晶圆级封装结构的制作方法减少曝光显影制程，节省显影液消耗，同时光敏薄膜材料成本高，树脂或胶和无机物组成的混合物薄膜材料制成的成本低，综合整体封装成本，可降低整体封装成本约45％～55％。

附图说明

图1-5为本申请的实施例的滤波器的晶圆级封装结构的制作方法的工艺流程示意图；

图6为本申请的实施例的滤波器的三维塌陷模型；

图7为本申请的实施例的滤波器的三维塌陷模型的载荷施加示意图；

图8为本申请的实施例的滤波器的三维塌陷模型仿真结果；

图9为本申请的实施例的滤波器的空腔尺寸设计图；

图10为本申请的实施例的滤波器在覆膜后经扫描电镜测试结果图；

图11为本申请的实施例的滤波器的连接孔的微观图，图11(a)为OM图，图11(b)为扫描电镜图；

附图标记：1、滤波器晶圆；2、谐振功能区；3、焊盘；4、围堰结构；5、薄膜盖板；6、连接孔；7、金属连接件；8、导电外接部；9、钝化层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

参考图1-4，本申请的实施例提出了一种滤波器的晶圆级封装方法，包括以下步骤：

(1)参考图1，提供制作有若干个谐振功能区2和若干个焊盘3的滤波器晶圆1，其中，焊盘3设置在谐振功能区2的周围，谐振功能区2上的IDT与焊盘3连接，并在封装完成后通过焊盘3与外部电连接，谐振功能区2上IDT结构有钝化层保护，用于减小器件输出信号会随温度而发生变化的影响。

(2)参考图2，在滤波器晶圆1的表面涂覆光敏材料，并通过曝光、显影和固化制作围绕在至少一个谐振功能区2周围的围堰结构4，焊盘3被围堰结构4包覆住，具体的，光敏材料为干膜或胶，将光敏材料涂布或真空压膜在滤波器晶圆1的表面，并通过曝光、显影后定义出在谐振功能区2周围的围堰结构4，围堰结构4的厚度为5～50μm，将同样位于谐振功能区2周围的焊盘3完全包覆住，焊盘3的上表面也覆盖有光敏材料，并不裸露出焊盘3。

(3)参考图3，在围堰结构4上方贴合由树脂或胶和无机物组成的混合物材料制成的具有高弹性模量的薄膜盖板5，具体的，薄膜盖板5采用树脂、非光敏聚合物聚酰亚胺或预浸树脂的玻璃纤维等非光敏聚合物材料制成，其弹性模量范围为7～11GPa。薄膜盖板5为预成型件，制成板状结构，薄膜盖板5的厚度为10～100μm，能够在大尺寸空腔条件下不塌陷，这将使谐振功能区2的设计更加自由。具体的，采用滚轮贴膜或者真空压合的方式将薄膜盖板5贴合在围堰结构4上，贴合时所使用压力为0.2MPa～1MPa；然后对薄膜盖板5进行烘烤固化。固化后的薄膜盖板5与围堰结构4结合性良好，薄膜盖板5与围堰结构4构成在至少一个谐振功能区2上方的空腔，以保护空腔内的谐振功能区2。由于高弹性模量的树脂或胶和无机物组成的混合物材料制成的薄膜盖板的玻璃转换温度、热膨胀系数及弹性模量等可选范围相对光敏材料更广，因此采用薄膜盖板5可提供大尺寸空腔，提高可靠性，产品适用性更强。在优选的实施例中，空腔的长度和/或宽度范围为100μm～1.5mm，作为优选，空腔的长度和/或宽度范围均可大于或等于400μm。相比光敏材料，薄膜盖板5更不容易塌陷，且成本更低。同时由于弹性模量更大，同等尺寸空腔下，可选择更薄的厚度，薄膜盖板5的厚度可降低25％以上，有效实现超薄封装。在其中一个实施例中，围堰结构4与薄膜盖板5之间需要制作粘合层以增加两者之间的结合力，具体根据薄膜盖板5所采用的树脂型号或胶和无机物组成的混合配比情况和围堰结构4采用的光敏材料之间的粘合性来决定是否需要增加粘合层。具体的，在围堰结构4上表面或薄膜盖板5的贴合面上制作粘合层，薄膜盖板5通过粘合层增加与围堰结构4之间的粘合力，使结构更加稳定。

(4)参考图3和图4，在对应于焊盘3位置上方采用激光钻孔的方式进行打孔，此时在薄膜盖板5和围堰结构4上同时形成裸露出焊盘3的连接孔6。此步骤中连接孔6采用的一次激光钻孔成型，具体的，激光钻孔所使用的激光器可选二氧化碳激光器或紫外激光器，激光钻孔时所使用的激光光斑直径为10～60μm，单孔脉冲数为2000～10000，单脉冲能量为1uj～15uj，也就是，由于采用激光钻孔的方式同时在薄膜盖板5和围堰结构4上打孔，在薄膜盖板5与围堰结构4上形成裸露出焊盘3的连接孔6，连接孔6为上宽下窄的结构，该连接孔6的侧壁表面平滑无台阶，从连接孔6的顶部至底部直径逐渐增大。该连接孔6的侧壁为平滑的斜面，连接孔6的侧壁与焊盘3表面的倾斜角度为60～85°，在此倾斜角度上更容易电镀金属连接件7，整个连接孔6内未完全填充金属连接件结构，仅以使金属连接件以挂壁方式进行电信号互连，可有效降低制作成本。并且连接孔6的底部面积至少为焊盘3表面的面积的50％，在此范围内可以保证焊盘3与金属连接件7之间具有良好的导电性。

(5)参考图5，通过溅射、光刻、电镀、印刷等工艺在连接孔6的侧壁和底部以及薄膜盖板5上制作连接焊盘3与外部的金属连接件7。具体的，金属连接件7不需要完全填充在连接孔6内，只需覆盖在连接孔6的侧壁和底部即可，因此可减少金属的使用，降低成本。在金属连接件7上制作导电外接部8，在金属连接件7和薄膜盖板5上制作钝化层9，并在该钝化层9的预设外接位置制作开口，在开口处制作导电外接部8，钝化层9包覆在导电外接部8的周围。具体的，金属连接件7采用Ti/Cu叠层结构，导电外接部8为锡球或铜柱或镍金焊盘，在其中一个实施例中，可以采用BGA方式在金属连接件7上制作锡球。导电外接部8的位置可以根据滤波器封装设计的需求而定。钝化层9材料为聚合物有机材料，钝化层9填充在连接孔6的侧壁和底部表面的金属连接件7所形成的凹槽内并延伸在薄膜盖板5上方，不仅对金属连接件7起到钝化保护的作用，还可以对空腔上方的薄膜盖板5起到强化作用。

参考图5，本申请的实施例还提出了一种滤波器的晶圆级封装结构，采用上述的滤波器的晶圆级封装结构的制作方法制作而成，包括滤波器晶圆1，滤波器晶圆1表面设有若干谐振功能区2和若干焊盘3，滤波器晶圆1上还设有围堰结构4、薄膜盖板5、金属连接件7和钝化层9，围堰结构4由光敏材料通过光刻工艺制成，并围绕在至少一个谐振功能区2周围，焊盘3被围堰结构4包覆住，薄膜盖板5为由树脂或胶和无机物组成的混合物材料制成的具有高弹性模量的薄膜预成型件，薄膜盖板5贴合在围堰结构4上方，并在至少一个谐振功能区2上方形成空腔，在焊盘3上方的围堰结构4和薄膜盖板5上设有连接孔6，从连接孔6的底部至顶部直径逐渐增大，连接孔6的侧壁平滑无台阶，连接孔6的侧壁与焊盘3表面的倾斜角度为60～85°。薄膜盖板5上设有金属连接件7并延伸至连接孔6的侧壁和底部与焊盘3电性连接，钝化层9覆盖在金属连接件7与薄膜盖板5上，薄膜盖板5上的金属连接件7上方的钝化层9的预设外接位置设有裸露出金属连接件7的开口，钝化层9的开口处设有导电外接部8。围堰结构4采用环氧树脂、光敏聚酰亚胺、聚苯并恶唑或苯并环丁烯等光敏材料制成，围堰结构4的厚度为5～50μm，薄膜盖板5为树脂、非光敏聚酰亚胺或预浸树脂的玻璃纤维等非光敏聚合物材料预先成型制成的板状结构，薄膜盖板5的厚度为10～100μm，非光敏聚合物材料制成的薄膜的弹性模量范围为7～11GPa，具有良好的抗压性能，该滤波器的空腔尺寸设计可选择长度和/或宽度在100μm～1.5mm，可以保证空腔不塌陷。

采用以下工艺作为对比例，对比例中薄膜盖板5的材料采用光敏材料，并且采用两次光刻工艺形成连接孔6。两次光刻工艺形成连接孔6分别为在围堰结构4和薄膜盖板5上光刻出裸露出焊盘，步骤3的工艺流程的区别如下表所示：

实施例	对比例
		贴膜	覆膜
固化	曝光
		打孔	后烘
	显影
			固化

由此可见，本申请的实施例的制作方法中的所选择的围堰结构4和薄膜盖板5材料可通过一次激光钻孔的方式形成连接孔6，并且在围堰结构4的制作过程中也无需光刻裸露出焊盘3，而是在后续通过激光钻孔一次性成型制作出裸露出焊盘3的连接孔6。与对比例相比，不仅节省了工艺步骤，还提高了加工效率，相比于薄膜盖板5采用高弹性模量的树脂或胶和无机物组成的混合物薄膜材料，成本可降低50％以上。

从工艺和器件设计角度上考虑，与对比例相比，本方法的成孔过程简单，且形成连接孔6无需考虑两层薄膜材料成孔套合问题。如两层薄膜材料原光刻设计规则偏移量假设为10μm，通过本申请的一次激光成孔方式，可整体减小封装体尺寸，即芯片的长度和/或宽度将缩小5～10μm。从成本角度上考虑，与对比例相比，本申请的实施例采用高弹性模量的树脂或胶和无机物组成的混合物薄膜材料通过激光成孔，可减少曝光显影制程，节省显影液消耗，同时光敏薄膜材料成本高，综合整体封装成本，可降低整体封装成本约45％～55％。

本申请的实施例采用三维坍塌模型对滤波器的抗压性能进行仿真，单元类型采用四面体或六面体，加载条件采用均布荷载3MPa，图6为滤波器的三维坍塌模型，图7和8表示承压结果，根据仿真结果可知：空腔的长度和/或宽度可为100μm～1.5mm，也就是空腔的尺寸可承受X/Y方向分别在100μm～1.5mm范围内的设计不塌陷。实际结果与仿真结果相对应，图9表示其中一种空腔尺寸设计，空腔长度为939μm，宽度为462μm，图10为按照该尺寸生产的滤波器的薄膜盖板3覆膜后切片经扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)观察的结果，结果说明光敏与高弹性模量的树脂或胶和无机物组成的混合物薄膜材料覆膜堆叠后空腔无塌陷，仿真与实际相吻合，抗压性能良好。本申请的实施例的滤波器能够承受更大尺寸的空腔，在大尺寸空腔内可设置有多个谐振功能区，而对比例的空腔的尺寸X/Y方向只能有一个变量可以从150μm～1mm，如X方向尺寸的变化从150μm～350μm，Y方向尺寸的变化从150μm～1mm，尺寸上受到非常大的限制。与对比例相比，本发明所制作出的滤波器具有更大空腔设计尺寸，并具有良好的抗压性能。

图11(a)和11(b)分别表示激光钻孔后连接孔6的光学显微镜和SEM结果，从结果上看，激光开孔后连接孔6底部干净，没有多余的光敏材料或薄膜盖板材料的残留，连接孔6的侧壁形貌光滑，上宽下窄，更有利于Ti/Cu溅射。对比例需在焊盘3上方两次光刻显影，两次光刻显影得到的侧壁为台阶状，形成不光滑连续的侧壁，且在台阶转折处，将造成应力集中，出现金属连接件7开裂风险加大，当且仅当通过两次光刻显影形成的连接孔未能实现套合时，则无法直接在连接孔6的侧壁上溅射或电镀金属，造成后续金属连接件7电连接开路。本申请的实施例采用激光钻孔所形成的连接孔6的侧壁更加平滑连续，有利于在连接孔6的侧壁上溅射或电镀金属，可杜绝金属连接件7电连接开路风险，且连接孔6侧壁和底部以挂壁方式电镀金属连接件7，可有效减少金属材料的使用成本和工艺成本。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种滤波器的晶圆级封装结构及其制作方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种滤波器的晶圆级封装结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)提供制作有若干个谐振功能区和若干个焊盘的滤波器晶圆，在所述滤波器晶圆的表面涂覆或压膜光敏材料，通过曝光、显影和固化制作出围绕在至少一个谐振功能区周围的围堰结构，所述焊盘被所述围堰结构包覆住；

2)在所述围堰结构上方覆盖有由树脂或胶和无机物组成的混合物材料制成的具有高弹性模量的薄膜盖板，并在所述至少一个谐振功能区上方形成空腔；

3)采用激光钻孔的方式在所述薄膜盖板和所述围堰结构上同时形成裸露出所述焊盘的连接孔，从所述连接孔的底部至顶部直径逐渐增大，所述连接孔的侧壁平滑无台阶；

4)在所述薄膜盖板上制作金属连接件，所述金属连接件延伸至所述连接孔的侧壁和底部表面并与所述焊盘电连接；

5)在所述金属连接件和薄膜盖板表面旋涂钝化层，在所述薄膜盖板上的金属连接件上方的钝化层的预设外接位置制作出裸露出所述金属连接件的开口，并于所述钝化层的开口处制作导电外接部。

2.根据权利要求1所述的滤波器的晶圆级封装结构的制作方法，其特征在于，所述薄膜盖板为由树脂或胶和无机物组成的混合物材料制成的薄膜预成型件，所述步骤2)具体包括：

采用滚轮贴膜或者真空压合的方式将所述薄膜盖板贴合在所述围堰结构上。

3.根据权利要求1所述的滤波器的晶圆级封装结构的制作方法，其特征在于，所述步骤3)中激光钻孔所使用的激光器为二氧化碳激光器或紫外激光器，所使用的激光光斑直径为10～60μm，单孔脉冲数为2000～10000，单脉冲能量为1uj～15uj。

4.根据权利要求1所述的滤波器的晶圆级封装结构的制作方法，其特征在于，所述薄膜盖板为树脂、非光敏聚酰亚胺或预浸树脂的玻璃纤维，其弹性模量范围为7～11GPa。

5.根据权利要求1所述的滤波器的晶圆级封装结构的制作方法，其特征在于，所述光敏材料为干膜或胶。

6.根据权利要求1所述的滤波器的晶圆级封装结构的制作方法，其特征在于，所述导电外接部为锡球或铜柱或镍金焊盘。

7.一种滤波器的晶圆级封装结构，采用权利要求1-6中任一项所述的滤波器的晶圆级封装结构的制作方法制作而成，包括滤波器晶圆，所述滤波器晶圆表面设有若干谐振功能区和若干焊盘，其特征在于，还包括围堰结构、薄膜盖板、金属连接件和钝化层，所述围堰结构由光敏材料通过光刻工艺制成，并围绕在至少一个谐振功能区周围，所述围堰结构的厚度为5～50μm，所述薄膜盖板贴合在所述围堰结构上方，所述薄膜盖板具有高弹性模量并由树脂或胶和无机物组成的混合物材料制成，所述薄膜盖板的厚度为10～100μm，并在至少一个谐振功能区上方形成空腔，所述空腔的长度和/或宽度为100μm～1.5mm，在所述焊盘上方的所述围堰结构和薄膜盖板上设有连接孔，从所述连接孔的底部至顶部直径逐渐增大，所述连接孔的侧壁平滑无台阶，所述连接孔的侧壁与所述焊盘表面的倾斜角度为60～85°，所述连接孔的底部面积至少为焊盘表面的面积的50％，所述薄膜盖板上设有所述金属连接件并延伸至所述连接孔的侧壁和底部与所述焊盘电性连接，所述钝化层覆盖在所述金属连接件与薄膜盖板上，所述薄膜盖板上的金属连接件上方的钝化层的预设外接位置设有裸露出所述金属连接件的开口，所述钝化层的开口处设有导电外接部。

Images