CN207559959U

CN207559959U - 声表面波器件气密性晶圆级封装结构

Info

Publication number: CN207559959U
Application number: CN201721882163.2U
Authority: CN
Inventors: 米佳; 朱勇; 冷俊林; 陶毅
Original assignee: CETC 26 Research Institute
Current assignee: China Electronics Technology Group Corp Chongqing Acoustic Optic Electronic Co ltd
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2027-12-28

Abstract

本实用新型公开了一种声表面波器件气密性晶圆级封装结构，在功能芯片工作面的外围镀有一圈键合层金属，封盖晶圆上与每块芯片键合层金属对应位置分别镀有一圈键合层金属，功能芯片与封盖晶圆通过金‑金键合或者共晶键合对应结合在一起；在封盖晶圆背向功能芯片工作面那面设有外部电路布线结构和外电极；在外电极上制作有外部焊球；封盖晶圆上设有导通孔以将功能芯片工作面电路依次通过导通孔、外部电极和外部焊球电连接。本实用新型能够实现高芯片剪切强度、散热性好、封装内部气氛可控的晶圆级（WLP）声表面波器件的气密性封装，具有可靠性高的特点。

Description

声表面波器件气密性晶圆级封装结构

技术领域

本实用新型涉及声表面波器件，具体涉及一种声表面波器件气密性晶圆级封装结构，属于声表器件封装技术领域。

背景技术

声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）器件是一种利用声表面波效应和谐振特性制成的对频率有选择作用的器件。声表面波器件，尤其是声表面波滤波器（SurfaceAcoustic Wave Filter，SAWF）具有体积小、重量轻、一致性好、可靠性水平高，能对信号实时处理、模拟/数字兼容、抗电磁干扰性能好、损耗低和频率选择性好等优势，一直是移动通讯和汽车电子的关键器件。随着移动通讯等领域技术的不断发展，新兴的技术应用对SAWF提出了越来越高的要求，而当今世界范围内SAWF的发展趋势是小型化。2001-2015年欧美、日本的SAWF体积缩小到原来尺寸的1%，由此使得移动电话的体积大大缩小，目前日本村田公司推出的声表面波双工器，尺寸仅为1.8×1.4×0.6cm³，重量为15mg。

国外声表面波器件在经历了芯片级封装（Chip Scale Package，CSP）后，到2011年后商用晶圆级（wafer level package，WLP）封装的SAW器件开始量产，晶圆级封装是利用晶圆进行封装，封装完成后再切割成单颗的器件。

采用无引脚陶瓷外壳和引线键合技术的声表面波器件尺寸为3.0×3.0mm²，其厚度达到1.2mm，封装面积：芯片面积≥2。采用陶瓷基板和倒装技术结合的CSP声表面波器件外形尺寸缩小到1.1×0.9mm²，器件的厚度为0.5mm，封装面积：芯片面积≤1.5。WLP的典型器件尺寸缩小到0.8×0.6mm²，器件的厚度小于0.3mm，封装面积：芯片面积≈1，体积仅为CSP封装的29%。

采用晶圆级封装（wafer level package，WLP）声表面波器件是目前最小的封装形式，该小型化封装主要为非气密性封装。移动终端上广泛使用的声表面波滤波器主要采用非气密性封装，而在汽车电子、雷达、军用通讯系统、敌我识别、电子对抗、测距、定位、导航和遥测遥控等军事装备领域中则需要使用气密性封装器件。而气密性封装要求能够实现内部的气氛可控，内部的水汽含量较低；同时高性能、高可靠性的声表面波器件要求有良好的电磁屏蔽能力和功率承受能力。但是，现有的声表面波器件结构不是气密性封装，内部气氛无法控制，无法进行电磁屏蔽。

图1所示是现有技术中一种非气密性的晶圆级封装结构，该封装将与功能晶圆相同材料的上盖晶圆通过聚合物框粘接在一起，在声表工作区形成空腔。由于聚合物不能阻止水汽等气氛的扩散，采用聚合物框作为密封材料不能实现气密封。为了形成牢固的粘接，聚合物密封框较宽达50μm以上，采用金属布线从器件的侧面将外部金属和内部的电极形成互连。由于内部引线需要引到封装外部，需要增加封装的尺寸。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种声表面波器件气密性晶圆级封装结构，能够实现高芯片剪切强度、散热性好、封装内部气氛可控的晶圆级（WLP）声表面波器件的气密性封装，具有可靠性高的特点。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

声表面波器件气密性晶圆级封装结构，包括功能芯片和封盖晶圆，在功能芯片工作面的外围镀有一圈键合层金属，封盖晶圆上与每块芯片键合层金属对应位置分别镀有一圈键合层金属，功能芯片与封盖晶圆上的键合层金属通过金-金键合或者共晶键合对应结合在一起；在封盖晶圆背向功能芯片工作面那面设有外部电路布线结构和外电极；在外电极上制作有外部焊球；封盖晶圆上设有导通孔以将功能芯片工作面电路依次通过导通孔、外部电极和外部焊球电连接；封盖晶圆和功能芯片上的键合层金属宽度为20-30微米。

在导通孔内填充有导电金属，导电金属朝向功能芯片那面制做有电连接用键合金属，电连接用键合金属与功能芯片上对应的电极键合连接。

封盖晶圆和功能晶圆上的键合层金属相同，为金或者金锡。

所述封盖晶圆和功能晶圆材料相同且切型相同。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、在功能芯片工作面外围镀一圈键合层金属，封盖晶圆上与每块功能芯片键合层金属对应位置也镀一圈键合层金属，然后通过金-金键合或共晶键合的方式使功能芯片与封盖晶圆结合在一起，可以形成对芯片工作面起到保护作用的气密封结构，较之前的聚合物框粘接封装，气密性大大提高，芯片剪切强度高。

2、加工效率进一步提高。本实用新型采用金-金键合或共晶键合的方式，功能芯片无需切割成单颗芯片，即可将整片包含多片芯片的功能晶圆直接与封盖晶圆进行键合，也不会降低每片芯片的键合效果，大大提高加工效率。

3、金-金键合或共晶键合在真空或充氮的环境中进行，可实现封装内部气氛可控。

4、本实用新型采用同质的材料或与功能晶圆热膨胀系数相近的材料作封盖晶圆，避免因为不同材料的热膨胀系数不同造成的晶圆或芯片裂片。

附图说明

图1-现有声表面波器件封装结构示意图。

图2-本实用新型声表面波器件封装结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细描述。

声表面波器件气密性晶圆级封装结构如图2所示，从图上可以看出，所述声表面波器件包括功能芯片1和封盖晶圆2，在功能芯片1工作面的外围镀有一圈键合层金属3，封盖晶圆2上与每块芯片键合层金属对应位置也分别镀有一圈键合层金属3，功能芯片1与封盖晶圆2通过金-金键合方式或者共晶键合结合在一起。在封盖晶圆2背向芯片工作面那面设有外部电路布线结构和用于与PCB板电连接的外部电极。为方便电连接，进一步地在外部电极上还制作有外部焊球5。封盖晶圆2上设有导通孔4以将功能芯片工作面电路依次通过导通孔4、外部电极和外部焊球5电连接。这样形成的器件即可直接通过外部焊球与PCB板电连接。本实用新型通过金-金键合或者共晶键合的方式使功能芯片的晶圆与封盖晶圆结合在一起，可以形成对芯片工作面起到保护作用的气密封结构，较之前的聚合物框粘接封装，气密性大大提高。

在同一块封盖晶圆上键合有多块功能芯片，所有功能芯片形成于同一块功能晶圆上，该同一块功能晶圆作为一个整体将所有功能芯片与封盖晶圆同时键合连接。本实用新型由于采用金-金键合或者共晶键合的方式，故功能芯片无需切割成单颗芯片，即可将整片包含多片功能芯片的功能晶圆直接与封盖晶圆进行键合，也不会降低每片芯片的键合效果，大大提高加工效率。

基于上述新结构，本实用新型提出了一种新的声表面波器件气密性晶圆级封装工艺，封装步骤如下，

1）在同一块功能晶圆上加工形成多片功能芯片，所有功能芯片的工作面朝向相同，所有功能芯片基于同一功能晶圆而连接成为整体；在每个功能芯片工作面的外围镀一圈键合层金属；键合层金属厚度3-5微米，宽度20-30微米。

2）然后在封盖晶圆其中一面上采用激光打孔工艺进行打孔，形成盲孔，盲孔的数量和位置根据与功能芯片电路连接需要而定；

3）然后在封盖晶圆上镀制金属种子层，以利于后续电镀作业；

4）在封盖晶圆形成盲孔那面进行电镀作业以在盲孔内填充金属，然后去除盲孔外的封盖晶圆其他部位的金属层；

5）在封盖晶圆上与每片功能芯片键合层金属对应位置分别制作一圈键合层金属，并在盲孔处同时制作键合层金属，用于与功能晶圆键合连接；键合层金属厚度3-5微米，宽度20-30微米。封盖晶圆和功能晶圆上的键合层金属相同，为金（Au）或者金锡（AuSn）等。

6）将步骤1）得到的所有功能芯片作为一个整体放在封盖晶圆上并使功能芯片上的键合层金属与封盖晶圆上对应的键合层金属上下一一正对，然后将每片功能芯片上的键合层金属和封盖晶圆上对应的键合层金属键合在一起；同时将封盖晶圆盲孔处的键合层金属与功能晶圆上对应的电极键合实现电连接；键合过程在真空或者惰性气体中完成，以避免空气中的水蒸气腐蚀芯片表面；

7）研磨抛光封盖晶圆盲孔背面，以露出盲孔中的金属；本实用新型预先设置盲孔再打磨穿透，在实现电连接的同时也实现封盖晶圆减薄作用，而且盲孔加工起来更容易；

8）在封盖晶圆盲孔背面制作外电极和需要的外部电路结构。根据需要，还可以在外电极表面制作焊球。

9）研磨减薄功能晶圆。

本封装工艺采用与功能晶圆材料相同且切型相同的晶圆或与功能晶圆热膨胀系数相近的材料作为封盖晶圆，避免因热膨胀系数差异造成键合后，封盖晶圆和芯片的翘曲和裂片，及性能变化。

本封装工艺声表功能晶圆制作完成后，采用与本功能晶圆相同材料及切型的压电晶圆作为封盖晶圆，在封盖晶圆和功能晶圆上制作金属密封框，并对准键合，实现密封。同时在封盖晶圆上制作过孔，进行过孔金属化以实现内外电极的连接。本实用新型采用金属框作为密封框，采用金金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。由于金属密封效率高，金属框宽度可以减小到20～30μm，器件的尺寸小，且能实现封装内部可控的气密封，满足器件高可靠的要求。

如果因为现实情况导致封盖晶圆和功能晶圆材料不一致，本实用新型封盖晶圆也可以采用玻璃材质，所述玻璃材质具有与功能晶圆相同或者接近的热膨胀系数。本实用新型采用玻璃做封装晶圆，取代了热膨胀系数固定的其他材料，如硅材料，由于玻璃的热膨胀系数在加工的时候很容易通过组分的改变而可调，故能够很容易地得到与功能晶圆材料热膨胀系数一致或者接近的玻璃材料，且价格也不贵，从而降低或者消除了后期制作过程中或使用时出现的热失配现象，提高了器件的可靠性。

本实用新型可以大大降低器件的封装尺寸，与其他的晶圆级封装形式相比，此结构可以很好的形成气密封，且成本低廉，可以大大提高器件的可靠性，且使用了晶圆键合技术，可以进行大批量生产。

本实用新型的上述实施例仅仅是为说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims

1.声表面波器件气密性晶圆级封装结构，包括功能芯片和封盖晶圆，其特征在于：在功能芯片工作面的外围镀有一圈键合层金属，封盖晶圆上与每块芯片键合层金属对应位置分别镀有一圈键合层金属，功能芯片与封盖晶圆上的键合层金属通过金-金键合或者共晶键合对应结合在一起；在封盖晶圆背向功能芯片工作面那面设有外部电路布线结构和外电极；在外电极上制作有外部焊球；封盖晶圆上设有导通孔以将功能芯片工作面电路依次通过导通孔、外部电极和外部焊球电连接；封盖晶圆和功能芯片上的键合层金属宽度为20-30微米。

2.根据权利要求1所述的声表面波器件气密性晶圆级封装结构，其特征在于：在导通孔内填充有导电金属，导电金属朝向功能芯片那面制做有电连接用键合金属，电连接用键合金属与功能芯片上对应的电极键合连接。

3.根据权利要求1所述的声表面波器件气密性晶圆级封装结构，其特征在于：所述封盖晶圆和功能晶圆上的键合层金属相同，均为金或者金锡。

4.根据权利要求1所述的声表面波器件气密性晶圆级封装结构，其特征在于：所述封盖晶圆和功能晶圆材料相同且切型相同。