CN115378397B - 一种声学器件封装结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种声学器件封装结构及方法，涉及半导体技术领域，包括：衬底以及位于衬底上的压电堆叠结构，在压电堆叠结构上设置有第一有机材料层，在第一有机材料层上设置第二有机材料层，第一有机材料层包括第一支撑部和第二支撑部，第二支撑部形成第一声反射结构，由此，在声波传输至第一声反射结构时，能够被反射回有效区域，从而降低声波的损耗，提高声学器件的性能。第一支撑部配合第二有机材料层形成第二声反射结构，由此，在部分声波未被第一声反射结构反射回且传输至第二声反射结构处时，能够被反射回有效区域，从而进一步的降低声波的损耗，提高声学器件的性能。

Description

一种声学器件封装结构及方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种声学器件封装结构及方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器在环境中应用时要避免受到外界环境的机械冲击、湿度影响、气体侵蚀等。为了保障高性能谐振器能够长久使用，需要对谐振器进行封装。所谓封装是指将器件匹配集成电路最后装配为芯片最终产品的过程，它起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用。微电子器件封装的目的是进行机械保护和电连接，保护精密的器件避免由于机械和环境方面的侵害，并且去除芯片产生的热量。封装所起的另外一个主要作用是保证在器件的内外之间和各组成部分之间的能源的传递和信号的变换。
现有薄膜体声波谐振器在封装后，往往仅在薄膜体声波谐振器的有效区域形成空腔，从而配合封装层形成声反射结构，但是其对于薄膜体声波谐振器的性能提高较为有限。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种声学器件封装结构及方法，以提高声学器件封装后的性能。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
本申请实施例的一方面，提供一种声学器件封装结构，包括：衬底以及位于衬底上的压电堆叠结构，压电堆叠结构包括有效区域和焊盘区域，在压电堆叠结构上设置有第一有机材料层，第一有机材料层包括具有窗口的第一支撑部以及位于窗口内的第二支撑部，有效区域和焊盘区域露出于窗口，第二支撑部位于有效区域和焊盘区域之间，在第一有机材料层上设置有盖合窗口的第二有机材料层，以形成位于有效区域和焊盘区域的第一空腔，第二支撑部用于形成第一声反射结构，第一支撑部配合第二有机材料层形成第二声反射结构。
可选的，第一支撑部和第二有机材料层在压电堆叠结构上的正投影具有交叠区域和非交叠区域，第一支撑部位于交叠区域的部分配合第二有机材料层形成第二声反射结构的第一部分，第一支撑部位于非交叠区域的部分用于形成第二声反射结构的第二部分。
可选的，在第一支撑部内设置有多个间隔的凹槽，凹槽和第一支撑部配合第二有机材料层形成第三声反射结构。
可选的，在第一支撑部内设置有多个间隔的凹槽，在凹槽内填充有高阻抗材料层，高阻抗材料层和第一支撑部形成第四声反射结构。
可选的，压电堆叠结构包括依次设置于衬底上的底电极、压电层和顶电极，底电极和顶电极在衬底的正投影的重叠区域为有效区域，底电极在衬底的正投影相对于顶电极的非重叠区域为第一焊盘区域，顶电极在衬底的正投影相对于底电极的非重叠区域为第二焊盘区域。
可选的，在第一焊盘区域设置有与底电极连接的第一焊盘，在第二焊盘区域设置有与顶电极连接的第二焊盘。
可选的，在第二有机材料层上还设置有金属线，金属线包括相互连接的第一部分和第二部分，第一部分与压电堆叠结构的电极电连接，第二部分用于形成无源器件。
可选的，在衬底靠近压电堆叠结构的一侧设置有第二空腔，第二空腔与压电堆叠结构的有效区域正对应。
本申请实施例的另一方面，提供一种声学器件封装方法，包括：提供衬底；在衬底上形成压电堆叠结构，压电堆叠结构包括有效区域和焊盘区域；在压电堆叠结构上形成第一有机材料层；第一有机材料层经图形化形成具有窗口的第一支撑部以及位于窗口内的第二支撑部，其中，有效区域和焊盘区域露出于窗口，第二支撑部位于有效区域和焊盘区域之间；在第一有机材料层上形成盖合窗口的第二有机材料层，以在有效区域和焊盘区域形成第一空腔，其中，第二支撑部用于形成第一声反射结构，第一支撑部配合第二有机材料层形成第二声反射结构。
可选的，在压电堆叠结构上形成第一有机材料层包括：在压电堆叠结构上利用真空压膜形成第一有机材料层。
可选的，在第一有机材料层上形成盖合窗口的第二有机材料层包括：在第一有机材料层上利用滚轮压膜形成盖合窗口的第二有机材料层。
本申请的有益效果包括：
本申请提供了一种声学器件封装结构及方法，包括：衬底以及位于衬底上的压电堆叠结构，压电堆叠结构包括有效区域和焊盘区域，在压电堆叠结构上设置有第一有机材料层，第一有机材料层包括具有窗口的第一支撑部以及位于窗口内的第二支撑部，有效区域和焊盘区域露出于窗口，第二支撑部位于有效区域和焊盘区域之间，在第一有机材料层上设置有盖合窗口的第二有机材料层，以形成位于有效区域和焊盘区域的第一空腔，第二支撑部用于形成第一声反射结构，在声波传输至第一声反射结构时，能够被反射回有效区域，从而降低声波的损耗，提高声学器件的性能。此外，第一支撑部配合第二有机材料层形成第二声反射结构，由此，在部分声波未被第一声反射结构反射回且传输至第二声反射结构处时，能够被反射回有效区域，从而进一步的降低声波的损耗，提高声学器件的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种声学器件封装结构的结构示意图；
图2为本申请一种实施例中图1中截面A-A’的剖视图；
图3为图1中截面B-B’的剖视图；
图4为本申请实施例提供的一种声学器件封装结构的俯视图之一；
图5为本申请实施例提供的一种声学器件封装结构的剖视图之一；
图6为本申请实施例提供的一种声学器件封装结构的俯视图之二；
图7为本申请实施例提供的一种声学器件封装结构的剖视图之二；
图8为本申请另一种实施例中图1中截面A-A’的剖视图。
图标：100-衬底；101-第二空腔；110-压电层；120-第一有机材料层；121-凹槽；122-第二支撑部；123-第一支撑部；130-第二有机材料层；140-底电极；141-第一焊盘；150-顶电极；151-第二焊盘；160-压电堆叠结构；171-第一空腔；180-第一声反射结构；190-第二声反射结构；191-第二声反射结构的第一部分；192-第二声反射结构的第二部分；220-第三声反射结构；231-第一部分；232-第二部分；240-介质层；250-过渡层。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区域分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
应当理解，当一个元件(诸如层、区域或基底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或基底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样定义。
本申请实施例的一方面，提供一种声学器件封装结构，如图1和图2所示，包括：衬底100以及位于衬底100上的压电堆叠结构160，压电堆叠结构160包括有效区域和焊盘区域，在压电堆叠结构160上设置第一有机材料层120，第一有机材料层120可以通过图形化后包括具有窗口的第一支撑部123以及位于窗口内的第二支撑部122，位于有效区域和焊盘区域的压电堆叠结构的上表面均在窗口内露出，第二支撑部122位于有效区域和焊盘区域之间，然后在第一有机材料层120上设置有盖合窗口的第二有机材料层130，由此使得窗口内的空间被封闭形成第一空腔171，有效区域和焊盘区域位于第一空腔171内，第二支撑部122则在第一空腔内作为支撑柱支撑第二有机材料层130。
请继续参照图2所示，第二有机材料层130以封盖(空腔顶)的方式覆盖于窗口，形成窗口内的第一空腔171，第二支撑部122位于有效区域和焊盘区域之间，由此，第二支撑部122便可以形成第一声反射结构180，在声波传输至第一声反射结构180时，能够被反射回有效区域，从而降低声波的损耗，提高声学器件的性能。
请继续参照图2所示，第一支撑部123配合第二有机材料层130便可以形成第二声反射结构190，在部分声波未被第一声反射结构180反射回且传输至第二声反射结构190处时，能够被反射回有效区域，从而进一步的降低声波的损耗，提高声学器件的性能。
此外，本申请中的封装层由第一有机材料层120和第二有机材料层130形成，因此，在其封装时，可以通过图形化的方式使得第一有机材料层120作为支撑结构支撑第二有机材料层130盖合窗口的同时直接形成第一空腔171，避免采用牺牲层填充再释放(薄膜封装)的方式时，在空腔内留有残渣对空腔内的压电堆叠结构160造成污染。同时，本申请的封装厚度适中，比薄膜封装厚度大，可以承受后续封装的环氧树脂层对器件的压力。
在一些实施方式中，如图2所示，可以在压电堆叠结构160的焊盘区域设置与压电堆叠结构160连接的焊盘，形成焊盘的方式可以是通过图形化的方式在第二有机材料层130形成焊盘通孔，焊盘通孔连通第一空腔171且位于焊盘区域上方，如此，便可以直接通过焊金属球或铜金属互连工艺形成与压电堆叠结构160电连接的焊盘，避免采用硅通孔封装技术(Through Silicon Via，TSV)，通过深硅刻蚀形成微孔，对深孔填充导电物质以实现硅通孔的垂直电气互连的方式所导致的问题：一方面因为该方法中需要对基片进行减薄容易形成裂纹，另一方面因为该方法所导致封装厚度较大、工艺复杂。
可选的，在第二有机材料层130上还可以设置有金属线，金属线包括相互连接的第一部分231和第二部分232，其中，第一部分231与压电堆叠结构的上下电极连接，目的在于通过金属连线将谐振器的上下电极引出；第二部分232则可以用于形成无源器件，例如形成电容、电感等器件，如此，便可以将无源器件集成于本申请的声学器件封装结构中，省去外接电容、电感的繁琐。
如图8所示，可以在形成第一有机材料层120和第二有机材料层130后，通过对压电堆叠结构160未被第一有机材料层120和第二有机材料层130覆盖的区域形成互连结构，然后在第一有机材料层120和第二有机材料层130外表面形成金属线，金属线可以包括两个绝缘隔离的第一部分231，其中的一个可以通过互连结构将位于压电层110下层的底电极140引出，另一个则可以直接将压电层110上层的顶电极150引出。金属线的第二部分232则在第二有机材料层130的上表面形成无源器件。
如图8所示，为了便于后续将声学封装结构进行集成，还可以在设置有金属线后沉积整层的介质层240用以绝缘隔离，然后再通过刻蚀成孔，并配合在孔内形成焊盘。例如在金属线包括两个绝缘隔离的第一部分231，且两个第一部分231分别用于将底电极140和顶电极150引出时，可以分别在引出底电极140的第一部分231设置第一焊盘141，在引出顶电极150的第一部分231设置第二焊盘151。此外，为了便于焊盘的设置，还可以先设置过渡层250，再在过渡层250上形成焊盘。
可选的，如图1至图3所示，第一支撑部123部分突出于第二有机材料层130，从而在第一支撑部123和第二有机材料层130连接处背离第一空腔171的一侧形成阶梯，使得第二有机材料层130和第一支撑部123各自在压电堆叠结构160上的正投影具有交叠区域和非交叠区域，如此，第一支撑部123位于交叠区域的部分可以和第二有机材料层130配合形成第二声反射结构的第一部分191，而第一支撑部123位于非交叠区域的部分用于形成第二声反射结构的第二部分192，由此，进一步的增加声反射结构的数量，提高器件的性能。
可选的，请结合图4和图5所示，还可以在第一支撑部123内设置有多个间隔的凹槽121，换言之，凹槽121和第一支撑部123的实体部分在压电堆叠结构160的表面形成ABAB的排布方式，第二有机材料层130覆盖凹槽121，使得每个凹槽121都能够由第一支撑部123的实体部分、压电堆叠结构160和第二有机材料层130围合形成封闭空腔，由此，便可以由凹槽121和第一支撑部123的实体部分形成第三声反射结构220，即第三声反射结构220利用高低声阻抗原理反射声波，由此，进一步的提高器件性能。
在一些实施方式中，当设置有第三声反射结构220时，对应的，第一支撑部123可以是如图4和图5所示的不突出于第二有机材料层130，即在该实施方式中，不具有第二声反射结构的第二部分192。
在一些实施方式中，当设置有第三声反射结构220时，对应的，第一支撑部123可以是如图1和图2所示的突出于第二有机材料层130的方式设置，在该实施例中，凹槽121部分位于第一支撑部123与第二有机材料层130的交叠区域，即在该实施方式中，同时具有第二声反射结构的第二部分192和第三声反射结构220。
可选的，请参照图4和图5所示，在第一支撑部123内设置有多个间隔的凹槽121，第二有机材料层130覆盖凹槽121，还可以在凹槽121内填充有高阻抗材料层，例如金属或压电材料等，如此，高阻抗材料层和第一支撑部123便能够在压电堆叠结构160表面形成ABAB排布的形式，高阻抗材料层和第一支撑部123形成第四声反射结构，即第四声反射结构也利用高低声阻抗原理反射声波。
应当理解的是，设置有第四声反射结构的实施例可以参照上述第三声反射结构220与第二声反射结构的第二部分192结合的方式形成第四声反射结构和第二声反射结构的第二部分192共存或不共存的实施方式，此处不再赘述。
可选的，如图1至图3所示，压电堆叠结构160包括依次设置于衬底100上的底电极140、压电层110和顶电极150，其中，底电极140和顶电极150在衬底100的正投影的重叠区域为有效区域，而底电极140在衬底100的正投影相对于顶电极150的非重叠区域为第一焊盘141区域，顶电极150在衬底100的正投影相对于底电极140的非重叠区域为第二焊盘151区域，第一焊盘141区域和第二焊盘151区域共同形成前述实施方式中的焊盘区域。在第一焊盘141区域设置有与底电极140连接的第一焊盘141，在第二焊盘151区域设置有与顶电极150连接的第二焊盘151，第一焊盘141和第二焊盘151共同将底电极140和顶电极150引出封装层，便于接线。
在一些实施方式中，如图4所示，本申请的声学器件可以是谐振器，此时，结合图2所示，压电堆叠结构160包括一个有效区域和两个焊盘区域，第一支撑部123为环形，环绕于一个有效区域和两个焊盘区域的外周。
在一些实施方式中，如图6所示，本申请的声学器件还可以是滤波器，滤波器包括多个串联和/或并联的谐振器，即压电堆叠结构160包括多个有效区域和多个焊盘区域，相邻两个有效区域的顶电极150和顶电极150连接或相邻两个有效区域的底电极140和底电极140连接，从而形成多个串联和/或并联的谐振器。第一支撑部123为环形，环绕于多个有效区域和多个焊盘区域的外周。
如图6和图7所示，在声学器件为滤波器时，可以包括有第一声反射结构180、第二声反射结构的第一部分191、第二声反射结构的第二部分192和第三声反射结构220，或，在声学器件为滤波器时，可以包括有第一声反射结构180、第二声反射结构的第一部分191、第二声反射结构的第二部分192和第四声反射结构。
可选的，如图2、图3、图5和图7中所示，在衬底100靠近压电堆叠结构160的一侧还设置有第二空腔101，第二空腔101与压电堆叠结构160的有效区域上下对应，如此，能够进一步的提高器件的性能。
本申请实施例的另一方面，提供一种声学器件封装方法，包括：提供衬底100；在衬底100上形成压电堆叠结构160，压电堆叠结构160包括有效区域和焊盘区域；在压电堆叠结构160上形成第一有机材料层120；第一有机材料层120经图形化形成具有窗口的第一支撑部123以及位于窗口内的第二支撑部122，其中，有效区域和焊盘区域露出于窗口，第二支撑部122位于有效区域和焊盘区域之间；在第一有机材料层120上形成盖合窗口的第二有机材料层130，以在有效区域和焊盘区域形成第一空腔171，其中，第二支撑部122用于形成第一声反射结构180，第一支撑部123配合第二有机材料层130形成第二声反射结构190。
其中，对第一有机材料层120图形化形成第一支撑部123和第二支撑部122时，可以是通过第一掩膜版对第一有机材料层120整层进行光照、显影后形成图形，经烘烤硬化后形成第二支撑部122和第一支撑部123。
同理，在第二支撑部122和第一支撑部123上形成整层有机材料层后，可以通过第二掩膜版光照、显影形成空腔顶，烘烤后形成第二有机材料层130。如图2所示，在需要通过焊盘将压电堆叠结构160位于焊盘区域的电极引出时，仅需要在对整层有机材料层的图形化时，对应在焊盘区域上方的位置形成焊盘通孔，然后通过焊金属球或金属互连工艺形成对应的焊盘。如图8所示，还可以直接通过金属线的方式引出压电堆叠结构160的电极。
可选的，在压电堆叠结构160上形成第一有机材料层120包括：在压电堆叠结构160上利用真空压膜形成第一有机材料层120。在第一有机材料层120上形成盖合窗口的第二有机材料层130包括：在第一有机材料层120上利用滚轮压膜形成盖合窗口的第二有机材料层130。
综上所述，本申请相比于硅通孔封装技术，无需减薄过程，所以也不会出现晶圆裂纹的情况。同时，本申请的封装厚度适中，比硅通孔封装厚度小，方便后续模组封装，且工艺简单成本更低。本申请相比于薄膜封装技术，无需进行释放封装空腔，因此不会存在化学药液和残渣进行空腔和器件表面的情况出现，不会对器件的性能造成影响。同时，本申请的封装厚度适中，比薄膜封装厚度大，可以承受后续封装的环氧树脂层对器件的压力。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种声学器件封装结构，其特征在于，包括：衬底以及位于所述衬底上的压电堆叠结构，所述压电堆叠结构包括有效区域和焊盘区域，在所述压电堆叠结构上设置有第一有机材料层，所述第一有机材料层包括具有窗口的第一支撑部以及位于所述窗口内的第二支撑部，所述有效区域和所述焊盘区域露出于所述窗口，所述第二支撑部位于所述有效区域和所述焊盘区域之间，在所述第一有机材料层上设置有盖合所述窗口的第二有机材料层，以形成位于所述有效区域和所述焊盘区域的第一空腔，所述第二支撑部用于形成第一声反射结构，所述第一支撑部配合所述第二有机材料层形成第二声反射结构。
2.如权利要求1所述的声学器件封装结构，其特征在于，所述第一支撑部和所述第二有机材料层在所述压电堆叠结构上的正投影具有交叠区域和非交叠区域，所述第一支撑部位于所述交叠区域的部分配合所述第二有机材料层形成所述第二声反射结构的第一部分，所述第一支撑部位于所述非交叠区域的部分用于形成第二声反射结构的第二部分。
3.如权利要求1所述的声学器件封装结构，其特征在于，在所述第一支撑部内设置有多个间隔的凹槽，所述凹槽和所述第一支撑部形成第三声反射结构。
4.如权利要求1所述的声学器件封装结构，其特征在于，在所述第一支撑部内设置有多个间隔的凹槽，在所述凹槽内填充有高阻抗材料层，所述高阻抗材料层和所述第一支撑部形成第四声反射结构。
5.如权利要求1至4任一项所述的声学器件封装结构，其特征在于，所述压电堆叠结构包括依次设置于所述衬底上的底电极、压电层和顶电极，所述底电极和所述顶电极在所述衬底的正投影的重叠区域为有效区域，所述底电极在所述衬底的正投影相对于所述顶电极的非重叠区域为第一焊盘区域，所述顶电极在所述衬底的正投影相对于所述底电极的非重叠区域为第二焊盘区域。
6.如权利要求5所述的声学器件封装结构，其特征在于，在所述第一焊盘区域设置有与所述底电极连接的第一焊盘，在所述第二焊盘区域设置有与所述顶电极连接的第二焊盘。
7.如权利要求1所述的声学器件封装结构，其特征在于，在所述第二有机材料层上还设置有金属线，所述金属线包括相互连接的第一部分和第二部分，所述第一部分与所述压电堆叠结构的电极电连接，所述第二部分用于形成无源器件。
8.如权利要求1至4任一项所述的声学器件封装结构，其特征在于，在所述衬底靠近所述压电堆叠结构的一侧设置有第二空腔，所述第二空腔与所述压电堆叠结构的有效区域正对应。
9.一种声学器件封装方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成压电堆叠结构，所述压电堆叠结构包括有效区域和焊盘区域；
在所述压电堆叠结构上形成第一有机材料层；
所述第一有机材料层经图形化形成具有窗口的第一支撑部以及位于所述窗口内的第二支撑部，其中，所述有效区域和所述焊盘区域露出于所述窗口，所述第二支撑部位于所述有效区域和所述焊盘区域之间；
在所述第一有机材料层上形成盖合所述窗口的第二有机材料层，以在所述有效区域和所述焊盘区域形成第一空腔，其中，所述第二支撑部用于形成第一声反射结构，所述第一支撑部配合所述第二有机材料层形成第二声反射结构。
10.如权利要求9所述的声学器件封装方法，其特征在于，所述在所述压电堆叠结构上形成第一有机材料层包括：在所述压电堆叠结构上利用真空压膜形成所述第一有机材料层。
11.如权利要求9所述的声学器件封装方法，其特征在于，所述在所述第一有机材料层上形成盖合所述窗口的第二有机材料层包括：在所述第一有机材料层上利用滚轮压膜形成盖合所述窗口的第二有机材料层。
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