CN117526883A - 一种体声波滤波器的晶圆级封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种体声波滤波器的晶圆级封装方法，属于半导体器件封装技术领域。本发明提供的体声波滤波器的晶圆级封装方法包括以下步骤：提供前驱体器件，沿切割道对所述前驱体器件进行切割，得到切割器件；在所述切割器件中凸点下金属化层的表面植球，得到植球器件；将所述植球器件中体声波滤波器晶圆的底部进行减薄，得到多个晶粒，完成所述晶圆级封装。与现有技术中植球‑减薄‑切割工艺相比，采用本发明提供的体声波滤波器的晶圆级封装方法，能够有效降低键合界面分层风险。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件封装技术领域，尤其涉及一种体声波滤波器的晶圆级封装方法。
背景技术
体声波（BAW）滤波器是通讯领域中常用滤波器，现有技术中体声波滤波器晶圆级封装流程主要包括：将体声波滤波器晶圆与盖帽晶圆（Cap晶圆）通过键合层键合，在Cap晶圆以及键合层上制备硅通孔（TSV）并在TSV中填充金属体，之后在Cap晶圆上制备凸点下金属化层（Under Bump Metallization，UBM）并在UBM表面植球，最后对体声波滤波器晶圆进行研磨减薄并将Cap晶圆与体声波滤波器晶圆进行切割形成多颗晶粒（Die）；其中，在UBM表面植球时通常需要采用回流焊工艺，温度变化较为剧烈，键合界面分层风险较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体声波滤波器的晶圆级封装方法，采用本发明提供的体声波滤波器的晶圆级封装方法，能够有效降低键合界面分层风险。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种体声波滤波器的晶圆级封装方法，包括以下步骤：
提供前驱体器件，所述前驱体器件自上而下包括叠层设置的盖帽晶圆、键合层与体声波滤波器晶圆；所述前驱体器件包括多个待分割单元，相邻两个待分割单元之间设置有切割道；每个待分割单元中体声波滤波器晶圆的内部均设置有谐振空腔，所述谐振空腔的垂直投影区域对应的键合层设置有键合层空腔，所述键合层空腔的两端设置有贯穿盖帽晶圆与键合层的通孔，每个所述通孔与体声波滤波器晶圆之间设置有金属焊垫，且每个所述通孔中填充有金属体，所述盖帽晶圆表面对应每个通孔所在区域设置有凸点下金属化层；
沿所述切割道对所述前驱体器件进行切割，得到切割器件；
在所述切割器件中凸点下金属化层的表面植球，得到植球器件；
将所述植球器件中体声波滤波器晶圆的底部进行减薄，得到多个晶粒，完成所述晶圆级封装；
优选地，所述前驱体器件中体声波滤波器晶圆的厚度记为a，所述切割器件中体声波滤波器晶圆的切割深度记为b，所述晶粒中体声波滤波器晶圆的厚度记为c，所述a>b>c。
优选地，所述b为130~160μm，所述c为100~130μm。
优选地，所述植球器件中的焊球为锡球。
优选地，所述植球包括：
在所述切割器件的上表面涂覆助焊剂形成助焊剂层，在所述凸点下金属化层对应的助焊剂层表面印刷锡膏，经回流焊在所述凸点下金属化层表面形成锡球，之后去除所述凸点下金属化层以外区域的助焊剂，得到植球器件。
优选地，所述减薄前还包括：在所述植球器件的上表面设置保护膜。
优选地，所述盖帽晶圆的材质包括高阻硅，所述前驱体器件中盖帽晶圆的厚度为80~120μm；
所述键合层的材质包括聚酰亚胺或环氧树脂，所述键合层的厚度为10~20μm；
所述体声波滤波器晶圆的材质包括高阻硅。
优选地，所述金属焊垫自下而上包括第一金属层与第二金属层，所述第一金属层的材质包括钛，所述第二金属层的材质包括金或铝。
优选地，所述金属体自下而上包括第一钛金属种子层、第一铜金属种子层与第一铜金属基体层。
优选地，所述凸点下金属化层自下而上包括第二钛金属种子层、第二铜金属种子层与第二铜金属基体层。
有益效果：本发明提供的体声波滤波器的晶圆级封装方法，先对前驱体器件进行切割，之后进行植球时能够显著降低器件整体应力，如通常每片体声波滤波器晶圆可以切割成一万颗以上的晶粒，切割后器件应力仅为切割前应力的万分之一左右，与现有技术中植球-减薄-切割工艺相比，可以有效降低植球过程中键合界面分层风险。进一步地，本发明在切割时通过控制合适的尺寸，将前驱体器件的盖帽晶圆完全切割且将体声波滤波器晶圆部分切割，最后将体声波滤波器晶圆减薄至目标尺寸即可得到目标产品，在无需额外引入其它工序的基础上能够有效降低植球过程中键合界面分层风险，适宜规模化生产。
附图说明
图1为第一器件的截面示意图；
图2为第二器件的截面示意图；
图3为第三器件的截面示意图；
图4为第四器件的截面示意图；
图5为第五器件的截面示意图；
图6为第六器件的截面示意图；
图7为第七器件的截面示意图；
图8为体声波滤波器晶圆级封装完成的示意图；
其中10为体声波滤波器晶圆，11为第一谐振空腔，12为第二谐振空腔，13为第一金属焊垫，14为第二金属焊垫，15为第三金属焊垫，16为第四金属焊垫，20为键合层，30为盖帽晶圆，31为第一硅通孔，32为第二硅通孔，33为第三硅通孔，34为第四硅通孔，35为第一金属体，36为第二金属体，37为第三金属体，38为第四金属体，41为第一凸点下金属化层，42为第二凸点下金属化层，43为第三凸点下金属化层，44为第四凸点下金属化层，50为切割道，61为第一锡球，62为第二锡球，63为第三锡球，64为第四锡球。
具体实施方式
本发明提供了一种体声波滤波器的晶圆级封装方法，包括以下步骤：
提供前驱体器件，所述前驱体器件自上而下包括叠层设置的盖帽晶圆、键合层与体声波滤波器晶圆；所述前驱体器件包括多个待分割单元，相邻两个待分割单元之间设置有切割道；每个待分割单元中体声波滤波器晶圆的内部均设置有谐振空腔，所述谐振空腔的垂直投影区域对应的键合层设置有键合层空腔，所述键合层空腔的两端设置有贯穿盖帽晶圆与键合层的通孔，每个所述通孔与体声波滤波器晶圆之间设置有金属焊垫，且每个所述通孔中填充有金属体，所述盖帽晶圆表面对应每个通孔所在区域设置有凸点下金属化层；
沿所述切割道对所述前驱体器件进行切割，得到切割器件；
在所述切割器件中凸点下金属化层的表面植球，得到植球器件；
将所述植球器件中体声波滤波器晶圆的底部进行减薄，得到多个晶粒，完成所述晶圆级封装。
本发明提供前驱体器件，所述前驱体器件自上而下包括叠层设置的盖帽晶圆、键合层与体声波滤波器晶圆。在本发明中，所述盖帽晶圆的材质优选包括高阻硅；所述前驱体器件中盖帽晶圆的厚度优选为80~120μm，更优选为100μm。在本发明中，所述体声波滤波器晶圆的材质优选包括高阻硅；所述前驱体器件中体声波滤波器晶圆的厚度记为a，所述a优选为80~120μm，更优选为100μm。在本发明中，所述键合层的材质优选包括聚酰亚胺或环氧树脂，所述键合层的厚度优选为10~20μm，更优选为15μm。
在本发明中，所述前驱体器件包括多个待分割单元，相邻两个待分割单元之间设置有切割道；每个待分割单元中体声波滤波器晶圆的内部均设置有谐振空腔，所述谐振空腔的垂直投影区域对应的键合层设置有键合层空腔，所述键合层空腔的两端设置有贯穿盖帽晶圆与键合层的通孔，每个所述通孔与体声波滤波器晶圆之间设置有金属焊垫，且每个所述通孔中填充有金属体，所述盖帽晶圆表面对应每个通孔所在区域设置有凸点下金属化层。在本发明中，所述金属焊垫自下而上优选包括第一金属层与第二金属层，所述第一金属层的材质优选包括钛，所述第二金属层的材质优选包括金或铝；所述第一金属层的厚度优选为0.05~0.1μm，所述第二金属层的厚度优选为1~1.5μm。在本发明中，所述金属体自下而上优选包括第一钛金属种子层、第一铜金属种子层与第一铜金属基体层；所述第一钛金属种子层的厚度优选为50~150nm，更优选为100nm；所述第一铜金属种子层的厚度优选为200~400nm，更优选为300nm；所述第一铜金属基体层的厚度以填充满所述通孔为基准。在本发明中，所述凸点下金属化层自下而上优选包括第二钛金属种子层、第二铜金属种子层与第二铜金属基体层；所述第二钛金属种子层的厚度优选为50~150nm，更优选为100nm；所述第二铜金属种子层的厚度优选为200~400nm，更优选为300nm；所述第二铜金属基体层的厚度优选为4~8μm，更优选为6μm。
在本发明中，所述切割道所在区域对应的键合层优选设置有空腔，作用是保护体声波滤波器的谐振器区域，免受外界的污染和损伤。
在本发明中，所述前驱体器件的制备方法优选包括以下步骤：
以两颗晶粒为例进行说明，如图1所示，本发明提供体声波滤波器晶圆10，所述体声波滤波器晶圆10内部设置有沿水平方向分布的第一谐振空腔11与第二谐振空腔12，在所述体声波滤波器晶圆10的上表面设置第一金属焊垫13、第二金属焊垫14、第三金属焊垫15与第四金属焊垫16，得到第一器件；其中所述第一金属焊垫13与第二金属焊垫14分别设置在所述第一谐振空腔11的垂直投影区域的两端，所述第三金属焊垫15与第四金属焊垫16分别设置在所述第二谐振空腔12的垂直投影区域的两端（切割道位于所述第二金属焊垫14与第三金属焊垫15之间）。
如图2所示，得到第一器件后，本发明优选在盖帽晶圆30的单面制备键合层20，然后根据体声波滤波器晶圆10的结构对所述键合层20进行刻蚀以形成预设形状，具体是在所述键合层20上刻蚀出与体声波滤波器晶圆10上第一谐振空腔11、第二谐振空腔12以及第一金属焊垫13、第二金属焊垫14、第三金属焊垫15、第四金属焊垫16与切割道所在区域对应的开口，再将所述体声波滤波器晶圆10通过所述键合层20与盖帽晶圆30键合到一起，所述开口形成相应的键合层空腔，得到第二器件。在本发明中，刻蚀所述键合层20所用方法优选为干法蚀刻，具体是在盖帽晶圆30的单面贴合干膜（如聚酰亚胺膜或环氧树脂膜），再根据体声波滤波器晶圆10的结构通过曝光显影形成键合层20。在本发明中，所述键合的温度优选为230~270℃，更优选为250℃，压力优选为4000~6000N，更优选为5000N。
如图3所示，得到第三器件后，本发明优选将所述第二器件中盖帽晶圆30减薄至目标厚度，然后对所述Cap晶圆30进行刻蚀，分别形成第一硅通孔31、第二硅通孔32、第三硅通孔33与第四硅通孔34，以分别裸露出第一金属焊垫13、第二金属焊垫14、第三金属焊垫15与第四金属焊垫16，得到第三器件。在本发明中，刻蚀所述Cap晶圆30所用方法优选为干法刻蚀。
如图4所示，得到第三器件后，本发明优选在所述第三器件的第一硅通孔31、第二硅通孔32、第三硅通孔33与第四硅通孔34中分别填充第一金属体35、第二金属体36、第三金属体37与第四金属体38，得到第四器件。本发明优选在所述第三器件的上表面（包括盖帽晶圆30表面以及第一硅通孔31、第二硅通孔32、第三硅通孔33与第四硅通孔34所在区域）依次沉积钛金属种子层与铜金属种子层，然后再电镀铜填充满所述第一硅通孔31、第二硅通孔32、第三硅通孔33与第四硅通孔34，之后采用化学机械抛光（CMP）方法将盖帽晶圆30表面沉积的钛金属种子层与铜金属种子层去除，得到第四器件。
如图5所示，得到第四器件后，本发明优选在所述第四器件上第一硅通孔31、第二硅通孔32、第三硅通孔33与第四硅通孔34对应位置分别制备第一凸点下金属化层41、第二凸点下金属化层42、第三凸点下金属化层43与第四凸点下金属化层44，得到第五器件（即前驱体器件）。本发明优选在所述第四器件的上表面依次沉积钛金属种子层与铜金属种子层，然后在所述铜金属种子层的表面涂布光刻胶，经过曝光和显影，将第一硅通孔31、第二硅通孔32、第三硅通孔33与第四硅通孔34及各硅通孔外围部分盖帽晶圆30所在区域作为凸点下金属化层区域并暴露出来，在所述凸点下金属化层区域电镀形成铜层，之后去除光刻胶以及凸点下金属化层区域以外的钛金属种子层与铜金属种子层，得到前驱体器件。
得到前驱体器件后，本发明沿所述切割道对所述前驱体器件进行切割，得到切割器件（如图6所示）。在本发明中，所述前驱体器件中体声波滤波器晶圆的厚度记为a，所述切割器件中体声波滤波器晶圆的切割深度记为b，目标产品（即晶粒）中体声波滤波器晶圆的厚度记为c，所述a>b>c，也即对所述前驱体器件进行切割时，对盖帽晶圆进行完全切割且对体声波滤波器晶圆进行部分切割，同时对体声波滤波器晶圆进行切割的深度大于目标产品中体声波滤波器晶圆的厚度，以保证植球后直接通过对体声波滤波器晶圆进行减薄即可得到目标产品。在本发明中，所述b优选为130~160μm，更优选为130~140μm；所述c优选为100~130μm，更优选为100~110μm。
得到切割器件后，本发明在所述切割器件中凸点下金属化层的表面植球，得到植球器件（如图7所示）。在本发明中，所述植球器件中的焊球优选为锡球；所述植球优选包括：在所述切割器件的上表面涂覆助焊剂形成助焊剂层，在所述凸点下金属化层对应的助焊剂层表面印刷锡膏，经回流焊在所述凸点下金属化层表面形成锡球，之后去除所述凸点下金属化层以外区域的助焊剂，得到植球器件。本发明对所述助焊剂的具体种类以及助焊剂层的具体厚度没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的技术方案即可。本发明对所述回流焊的具体操作条件以及回流焊后去除助焊剂的具体方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的技术方案即可。
得到植球器件后，本发明将所述植球器件中体声波滤波器晶圆的底部进行减薄，得到多个晶粒，完成体声波滤波器的晶圆级封装（如图8所示）。在本发明中，所述减薄前优选还包括：在所述植球器件的上表面设置保护膜。在本发明中，所述保护膜的材质优选包括聚烯烃或聚对苯二甲酸乙二酯；所述保护膜的厚度优选为80~120μm，更优选为100μm。在本发明中，所述减薄的方式优选为研磨，本发明对所述研磨的具体方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方式、能够将体声波滤波器晶圆研磨至目标厚度即可。在本发明中，当将所述植球器件中体声波滤波器晶圆的底部进行减薄前，在所述植球器件的上表面设置了保护膜，所述减薄后优选通过倒膜的方式将植球器件转化到带Ring环的UV膜（锡球面朝上），便于后续使用已经完成分离的一颗颗晶粒。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
实施例1
如图1所示，提供体声波滤波器晶圆（所述体声波滤波器晶圆由芯片加工厂加工得到，且具有互联的金属焊垫（Pad），材质为高阻硅，厚度为675μm），所述体声波滤波器晶圆内部设置有沿水平方向分布的多个空腔，每个空腔对应一颗Die，本实施例以两颗Die为例进行说明，具体的，所述体声波滤波器晶圆10内部设置有沿水平方向分布的第一谐振空腔11与第二谐振空腔12，在所述体声波滤波器晶圆10的上表面设置第一金属焊垫13、第二金属焊垫14、第三金属焊垫15与第四金属焊垫16，得到第一器件；其中所述第一金属焊垫13与第二金属焊垫14分别设置在所述第一谐振空腔11的垂直投影区域的两端，所述第三金属焊垫15与第四金属焊垫16分别设置在所述第二谐振空腔12的垂直投影区域的两端（切割道位于所述第二金属焊垫14与第三金属焊垫15之间）；所述第一金属焊垫13、第二金属焊垫14、第三金属焊垫15与第四金属焊垫16自下而上均包括Ti层与Au层，所述Ti层的厚度为0.05μm，Au层的厚度为1μm；
如图2所示，在盖帽晶圆（Cap晶圆，材质为高阻硅）30的单面贴合厚度为15μm的聚酰亚胺膜作为键合层20，然后根据体声波滤波器晶圆10的结构对所述键合层20进行刻蚀（所用方法为干法蚀刻）以形成预设形状，具体是在所述键合层20上刻蚀出与体声波滤波器晶圆10上第一谐振空腔11、第二谐振空腔12以及第一金属焊垫13、第二金属焊垫14、第三金属焊垫15、第四金属焊垫16与切割道所在区域对应的开口，再采用晶圆级键合设备将所述体声波滤波器晶圆10通过所述键合层20与Cap晶圆30键合到一起，所述开口形成相应的键合层空腔，得到第二器件；其中，所述键合的温度为250℃，压力为5000N；
如图3所示，使用研磨机将所述第二器件中Cap晶圆30研磨至厚度为100μm，然后对所述Cap晶圆30进行刻蚀（所用方法为干法刻蚀）分别形成第一硅通孔（TSV）31、第二TSV32、第三TSV 33与第四TSV 34，以分别裸露出第一金属焊垫13、第二金属焊垫14、第三金属焊垫15与第四金属焊垫16，得到第三器件；
如图4所示，在所述第三器件的第一TSV 31、第二TSV 32、第三TSV 33与第四TSV34中分别填充第一金属体35、第二金属体36、第三金属体37与第四金属体38，具体是在所述第三器件的上表面（包括Cap晶圆30表面以及第一TSV 31、第二TSV 32、第三TSV 33与第四TSV 34所在区域）依次沉积厚度为100nm的Ti层与厚度为300nm的Cu层，然后再电镀Cu填充满所述第一TSV 31、第二TSV 32、第三TSV 33与第四TSV 34，之后采用化学机械抛光（CMP）方法将Cap晶圆30表面沉积的Ti层与Cu层去除，得到第四器件；
如图5所示，在所述第四器件上第一TSV 31、第二TSV 32、第三TSV 33与第四TSV34对应位置分别制备第一UBM 41、第二UBM 42、第三UBM 43与第四UBM 44，具体是在所述第四器件的上表面依次沉积厚度为100nm的Ti层与厚度为300nm的Cu层，然后在所述Cu层的表面涂布光刻胶，经过曝光和显影，将第一TSV 31、第二TSV 32、第三TSV 33与第四TSV 34及各TSV外围部分Cap晶圆30所在区域作为UBM区域并暴露出来，在所述UBM区域电镀形成厚度为6μm的Cu层，之后去除光刻胶以及UBM区域以外的Ti层与Cu层，得到第五器件；
如图6所示，沿第二TSV 32与第三TSV 33之间的切割道50对所述第五器件中Cap晶圆30以及体声波滤波器晶圆10进行切割，具体是对Cap晶圆30进行完全切割同时对体声波滤波器晶圆10进行部分切割，且体声波滤波器晶圆10的切割深度为130μm，得到第六器件；
如图7所示，在所述第六器件的第一UBM 41、第二UBM 42、第三UBM 43与第四UBM44表面分别制备第一锡球61、第二锡球62、第三锡球63与第四锡球64，具体是在所述第五器件的上表面涂覆助焊剂形成助焊剂层，在所述第一UBM 41、第二UBM 42、第三UBM 43与第四UBM 44对应的助焊剂层表面印刷锡膏，经回流焊在所述第一UBM 41、第二UBM 42、第三UBM43与第四UBM 44表面形成第一锡球61、第二锡球62、第三锡球63与第四锡球64，之后清洗去除第一UBM 41、第二UBM 42、第三UBM 43与第四UBM 44以外区域的助焊剂，得到第七器件；
如图8所示，在所述第七器件的上表面设置保护膜（材质为聚烯烃，厚度为100μm），然后采用晶圆减薄机将所述第七器件中体声波滤波器晶圆10减薄至厚度为100μm，得到两颗die。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种体声波滤波器的晶圆级封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供前驱体器件，所述前驱体器件自上而下包括叠层设置的盖帽晶圆、键合层与体声波滤波器晶圆；所述前驱体器件包括多个待分割单元，相邻两个待分割单元之间设置有切割道；每个待分割单元中体声波滤波器晶圆的内部均设置有谐振空腔，所述谐振空腔的垂直投影区域对应的键合层设置有键合层空腔，所述键合层空腔的两端设置有贯穿盖帽晶圆与键合层的通孔，每个所述通孔与体声波滤波器晶圆之间设置有金属焊垫，且每个所述通孔中填充有金属体，所述盖帽晶圆表面对应每个通孔所在区域设置有凸点下金属化层；
沿所述切割道对所述前驱体器件进行切割，得到切割器件；
在所述切割器件中凸点下金属化层的表面植球，得到植球器件；
将所述植球器件中体声波滤波器晶圆的底部进行减薄，得到多个晶粒，完成所述晶圆级封装。
2.根据权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述前驱体器件中体声波滤波器晶圆的厚度记为a，所述切割器件中体声波滤波器晶圆的切割深度记为b，所述晶粒中体声波滤波器晶圆的厚度记为c，所述a>b>c。
3.根据权利要求2所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述b为130~160μm，所述c为100~130μm。
4.根据权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述植球器件中的焊球为锡球。
5.根据权利要求4所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述植球包括：
在所述切割器件的上表面涂覆助焊剂形成助焊剂层，在所述凸点下金属化层对应的助焊剂层表面印刷锡膏，经回流焊在所述凸点下金属化层表面形成锡球，之后去除所述凸点下金属化层以外区域的助焊剂，得到植球器件。
6.根据权利要求1~5任一项所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述减薄前还包括：在所述植球器件的上表面设置保护膜。
7.根据权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述盖帽晶圆的材质包括高阻硅，所述前驱体器件中盖帽晶圆的厚度为80~120μm；
所述键合层的材质包括聚酰亚胺或环氧树脂，所述键合层的厚度为10~20μm；
所述体声波滤波器晶圆的材质包括高阻硅。
8.根据权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述金属焊垫自下而上包括第一金属层与第二金属层，所述第一金属层的材质包括钛，所述第二金属层的材质包括金或铝。
9.根据权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述金属体自下而上包括第一钛金属种子层、第一铜金属种子层与第一铜金属基体层。
10.根据权利要求1所述的晶圆级封装方法，其特征在于，所述凸点下金属化层自下而上包括第二钛金属种子层、第二铜金属种子层与第二铜金属基体层。
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