TW201707376A - 薄膜體聲波共振器濾波器 - Google Patents

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Abstract

一種聲波共振器，包括基本水平的壓電材料膜，在所述膜的上表面和下表面上分別具有上金屬電極和下金屬電極，所述膜圍繞其周邊通過粘附聚合物附著在矩形互連框架的內側壁上，用於封裝的所述框架的側壁基本垂直於所述膜並且包括在電介質基質中的導電通孔，所述導電通孔在所述側壁內基本垂直延伸，所述金屬電極與所述導電通孔通過在所述膜的上表面上的特徵層導電連接，在所述互連框架的上端和下端連接有上蓋和下蓋以密封所述聲波共振器使其與周圍環境隔離。

Description

薄膜體聲波共振器濾波器
本發明涉及用於移動電話等設備中的射頻(RF)濾波器。
移動電話正在變得越來越智能化。在從所謂第三代(3G)智能電話向第四代(4G)和第五代(5G)智能電話的轉變過程中，對於無線電頻率和頻段存在爆炸式的增長。為了能夠正確運行，需要濾除鄰近頻段的信號。
射頻和微波應用顯著得益於可調諧器件和電路的使用。利用可在寬範圍進行調諧的元件，濾波器可被製成能夠在多個工作頻段上調諧，可以針對放大功率水平(amplifier power level)和天線阻抗對阻抗匹配網絡進行調節。
為了滿足日益複雜的智能電話以及汽車等產品中的射頻設備的要求，有必要對於不同的通信通道以及不同的射頻頻率設備，例如智能電話，使用不同的頻段，以共存在於否則會干擾正常工作的頻率下。一種手段是使用FBAR技術作為濾波器。
FBAR(薄膜體聲波共振器)濾波器是一種具有優異性能的體聲波濾波器，其與表面聲波濾波器相比具有更陡峭的抑制曲線。其具有低信號損失，因此在移動電信技術中能夠實現更長的電池壽命和更長的通 話時間。
當大多數應用是第三代移動通信技術(3G)時，只有4或5個不同頻段受益於使用FBAR(薄膜體聲波共振器)濾波。現在，由於全世界的運營商都在進入4G(第四代移動通信技術)，所以濾波器的質量指標變得越來越嚴格。
鈦酸鍶鋇(BST)是一種室溫下具有鈣鈦礦型結構的作為中心對稱壓電材料的混合鈦酸鹽。BST具有高介電常數，低介電損耗和低漏電流密度，且已被用作電容器的電介質。
BST通常具有高介電常數，因此可以在相對小的區域上實現大電容量。此外，BST的電容率隨外加電場而變化。因此，薄膜BST的優異特性在於介電常數可以隨外加直流電場而顯著變化，從而允許實現非常簡單的電壓可變電容器，其電容量可通過改變跨電容器的偏置電壓來進行調節。此外，偏置電壓通常可以在橫跨BST電容器的任一個方向上施加，因為薄膜電容率通常關於零偏(zero bias)是對稱的。也就是說，BST通常對於電場不會表現出優選方向。這些特性使得BST能夠在交流電路中用作電介質，使得在隨尺寸而變化的特徵電壓下，介電材料發生共振並因此可以通過吸收電能並將其轉化成聲能而用作濾波器。
Humirang和Armstrong的US 7,675,388 B2描述了一種使用BST材料的可開關可調諧式聲波共振器。該聲波共振器包括其間設置有鈦酸鍶鋇(BST)介電層的一對電極。當跨BST介電層施加DC(直流)偏置電壓時，該器件被開啟為具有共振頻率的共振器。當跨BST介電層不再施加直流電壓時，則該聲波共振器關閉。此外，該聲波共振器的共振頻率可基於 直流偏置電壓的水平進行調節，共振頻率隨直流偏置電壓水平的增大而增大。
在其中描述的一個設計方案中，US 7,675,388 B2描述了一種由藍寶石基板形成的聲波共振器。在其中描述的另一個設計方案中，聲波共振器形成在位於第二電極和基板之間的氣隙上方。還描述了形成在位於第二電極和基板之間的聲波反射器上方的聲波共振器，其中聲波反射器由多個交替的鉑(Pt)層和二氧化矽(SiO2)層構成，其減少由基板引起的聲波共振器的共振阻尼。
BST基聲波共振器功能可以通過施加直流偏置電壓進行開關，並且其共振頻率可以通過改變直流偏置電壓進行調節。因此，BST基聲波共振器在電子電路中具有廣泛的用途，例如用於通過天線發射和接收射頻信號的可開關可調節濾波器和雙工器。
本發明第一方面涉及提供一種聲波共振器，包括：基本水平的壓電材料膜，在所述膜的上表面和下表面上具有上金屬電極和下金屬電極，所述膜圍繞其周邊通過粘附聚合物附著至矩形互連框架的內側壁上，該封裝框架的側壁基本垂直於所述膜並且包括在電介質基質中的導電通孔，所述導電通孔在所述側壁內基本垂直延伸，所述金屬電極通過在所述膜的上表面上的特徵層導電連接至導電通孔，上蓋和下蓋連接至互連框架的上端和下端以密封所述聲波共振器使其與周圍環境隔離。
優選地，所述壓電材料包括鈦酸鍶鋇(BST)。
通常，所述膜還從下方受到在下電極下方具有氣隙的粘附聚 合物框架的支撐。
通常，所述聲波共振器還包括在粘附聚合物和下電極之間的界面層。
任選地，所述界面層選自AlN、TiN、GaN和InN。
通常，所述界面層的厚度為0.5~5微米。
任選地，所述膜進一步從上方與粘接聚合物框架附著。
任選地，所述下電極從上方通過穿過BST的銅引線連接。
通常，BST層的鋇鍶比為約25/75~約75/25。
優選地，BST層的鋇鍶比為約30/70。
通常，BST層的厚度為0.1~1微米。
通常，所述下電極包含鉭或鉑。
通常，所述下電極的厚度為0.1~2.5微米。
優選地，BST具有單晶或多晶結構。
任選地，所述上電極包括與BST電介質接觸的鋁層、鉑層或鉭層。
任選地，所述上電極還包括電沉積的銅。
優選地，所述粘附聚合物是液晶聚合物。
在一些實施方案中，所述互連框架包括陶瓷基質和金屬通孔。
在這些實施方案中，所述互連框架通過與所述通孔共燒結來製造，以提供具有內建導電通孔的單片陶瓷支撐結構。
可選地，所述陶瓷與金屬通孔利用高溫或低溫共燒陶瓷 (HTCC或LTCC)材料組共燒結。
通常，金屬通孔包括選自Au、Cu和W的金屬。
在其它實施方案中，所述框架包括聚合物基質並且具有內建金屬通孔。
通常，在這些實施方案中，金屬通孔是銅通孔。
任選地，所述框架還包括陶瓷填料和/或玻璃纖維。
通常，所述框架的深度為150微米~300微米。
通常，所述上蓋和下蓋由選自金屬、陶瓷、矽、液晶聚合物和玻璃的材料製成。
優選地，所述上蓋附著至製造在互連框架上表面上的上金屬環，所述下蓋附著至所述互連框架下表面上的下金屬環。
更優選地，上金屬環製造在互連框架的外緣上，並且所述上蓋覆蓋所述框架的整個上表面、粘附聚合物和所述膜的上表面。
更優選地，下金屬環製造在互連框架下表面的內緣上以允許所述下蓋覆蓋粘附聚合物的表面、暴露的犧牲載體和所述膜的下電極，使得互連框架的部分下表面保持不被覆蓋。
在一些實施方案中，上下金屬環包括Ni和Au的表面塗層，所述蓋包括對應的共熔Au/Sn密封環。
優選地，所述聲波共振器還包括從所述互連框架的通孔圍繞所述下蓋延伸至下蓋下方的金屬焊盤，以允許將聲波共振器通過焊料表面貼裝(Solder Surface Mount)附著至PCB上。
在一些實施方案中，粘附聚合物膜延伸在壓電材料的上表面 和上電極上。
在這些實施方案中，覆蓋上電極的粘附聚合物膜具有至多5微米的厚度。
第二實施方案涉及聲波共振器作為可開關可調諧濾波器的用途。
第三實施方案涉及聲波共振器作為通過天線發射和接收無線電頻率的雙工器的用途。
第四實施方案涉及一種包括聲波共振器的射頻通信設備。
10‧‧‧犧牲基板
12‧‧‧界面層
14‧‧‧下電極
16‧‧‧壓電材料
18i‧‧‧上電極
18ii‧‧‧上電極
20i‧‧‧芯片
20ii‧‧‧芯片
22‧‧‧聚合物互連框架柵格
24‧‧‧銅通孔
25‧‧‧空腔
26‧‧‧可移除膠帶
27‧‧‧載體
28‧‧‧陶瓷互連框架柵格
29‧‧‧硬掩模
30‧‧‧粘附聚合物
32‧‧‧鑽孔
34‧‧‧鑽孔
36‧‧‧鑽孔
38‧‧‧銅層
40‧‧‧上焊盤
42‧‧‧下焊盤
44‧‧‧上密封環
46‧‧‧下密封環
48‧‧‧下銅柱
50‧‧‧Ni、Au或Ni/Au塗層
52‧‧‧上蓋
54‧‧‧下蓋
60‧‧‧封裝體
70‧‧‧電極化壓電薄膜
134‧‧‧孔
136‧‧‧孔
138‧‧‧種子層
140‧‧‧下焊盤
142‧‧‧上焊盤
144‧‧‧下密封環
146‧‧‧上密封環
148‧‧‧通孔柱
150‧‧‧鎳Ni或金Au或Ni/Au連接點
152‧‧‧蓋
154‧‧‧蓋
圖1是示出製造在其上的電極層之間生長壓電材料的犧牲基板的生產方法步驟的流程圖；圖1a~1ei和1eii是在藍寶石基板上沉積的電極化壓電層的構造的示意性截面圖；圖1fi和1fii是多個單芯片的示意性截面圖，每個單芯片構成在犧牲基板上的電極壓電膜，根據第一實施方案用作FBAR核心；圖2是示出一個實施方案的聲波共振器的製造方法的流程圖；圖3是具有空腔的纖維增強聚合物互連框架的示意性截面圖，其中在空腔中設置有圖1fi的芯片；圖4是具有空腔的陶瓷互連框架的示意性截面圖，其中在空腔中設置有圖1fi的芯片；圖5是圖3的具有空腔的纖維增強聚合物互連框架的示意性 截面圖，其中在空腔中設置有圖1fi的芯片，並且隨後層壓上粘附聚合物膜；圖6是圖5的結構的示意性截面圖，其中附著有載體；圖7是圖6的互連框架的示意性截面圖，其中犧牲基板已被移除；圖8是圖7的結構的示意性截面圖，其中聚合物膜圍繞芯片的部分被移除而形成通向載體的孔；圖9是圖8的結構的示意性截面圖，其中犧牲基板已被分離；圖10是層壓有粘附聚合物的圖9結構的示意性截面圖，其中粘附聚合物填充膜周圍的空隙、犧牲基板移除後留下的空腔並且覆蓋所述框架約50微米；圖11是圖10的結構的示意性截面圖，其中載體被移除；圖12是圖11的結構的示意性截面圖，其中鑽出通向通孔的孔，並且鑽出貫穿粘附聚合物直至上電極的孔，以及貫穿粘附聚合物和膜直至下電極的孔；圖13是圖12的結構的示意性截面圖，其中具有覆蓋表面的種子層，所述表面包括鑽孔的表面；圖14是圖13的結構的示意性截面圖，其中鑽孔被填充，接觸焊盤將填充鑽孔與通孔和電極連接，下焊盤連接通孔下端，以及形成上下密封環；圖15是圖14的結構的示意性截面圖，其中形成從下焊盤生長至下密封環正下方的通孔柱，用於表面貼裝，例如用於連接觸點格柵陣列(LGA)； 圖16是圖15的結構的示意性截面圖，其中接觸焊盤和密封環塗覆有鎳、金或鎳金觸點；圖17是圖16的結構的示意性截面圖，其中種子層被蝕刻掉；圖18是圖17的結構的示意性截面圖，其中膜上下兩面的粘附聚合物基本被減薄掉並且界面層被移除；圖19是圖18的結構的示意性截面圖，其中在膜的上方和下方安裝有蓋，所述蓋通過密封環與互連框架密封連接，形成氣密密封；圖20是圖18的結構其中的框架柵格被切割分離後的示意性截面圖；圖21是圖20的結構的示意性俯視截面圖；圖22是圖21的結構的示意性仰視截面圖；圖23是示出一種變化結構的製造過程的流程圖；圖24是單個空腔及周圍框架的示意性截面圖，所述周圍框架是空腔的纖維增強聚合物互連框架柵格的一部分，在空腔中設置有圖1fii的芯片，備用面朝下，可移除膠帶上的犧牲基板面朝上；圖25是單個空腔及周圍框架並且圖1fii的芯片面朝下的示意性截面圖，示出犧牲基板被提起並移除；圖26是圖25的結構的示意性截面圖，其中層壓有粘附聚合物，其填充膜和框架之間的空隙，覆蓋界面層上的所有剩餘材料並且在框架上填充約50微米；圖27是圖26的結構的示意性截面圖，其中可移除膠帶被移除，暴露出框架和通孔的末端； 圖28是圖27的結構的示意性截面圖，其中具有向下貫穿聚合物膜至通孔對側的孔以及鑽穿外電極和壓電膜直至內電極的孔(如圖所示，所述孔貫穿聚合物至通孔上端，並且貫穿下電極和膜至上電極，但是結構大致反轉......)；圖29是圖28的結構的示意性截面圖，其中具有覆蓋在陣列上下表面上以及塗覆鑽孔壁的金屬種子層；圖30是圖29的結構的示意性截面圖，其中具有填充的鑽孔以及在每個面上製造的接觸焊盤和密封環；圖31是圖30的結構的示意性截面圖，其中形成有從結構對側的焊盤生長至密封環正上方的用於表面貼裝的通孔柱，例如用於連接觸點格柵陣列(LGA)；圖32是圖31的結構的示意性截面圖，其中接觸焊盤和密封環塗覆有鎳、金或鎳金觸點；圖33是圖32的結構的示意性截面圖，其中種子層被蝕刻掉；圖34是圖33的結構旋轉180度的示意性截面圖，其中暴露(當前)的上電極被蝕刻掉；圖35是圖34的結構的示意性截面圖，其中粘附聚合物被基本移除，界面層的殘留部分從暴露處被移除；圖36是圖35的結構的示意性截面圖，其中上蓋和下蓋附著在上密封環和下密封環上；圖37是圖36的結構在分離框架柵格以從柵格上切割分離封裝的聲波共振器後的示意性截面圖。
為了更好地理解本發明並示出本發明的實施方式，純粹以舉例的方式參照附圖。
現在具體參照附圖，必須強調的是，具體圖示僅為示例且出於示意性討論本發明優選實施方案的目的，提供圖示的原因是確信附圖是最有用且易於理解本發明的原理和概念的說明。就此而言，沒有試圖將本發明的結構細節以超出對本發明基本理解所必需的詳細程度來圖示；參照附圖的說明使本領域技術人員能夠知曉本發明的幾種實施方式可如何實施。
本發明涉及具有壓電膜的聲波共振器，所述壓電膜在施加具有合適的電壓和頻率的交流電流時發生共振。這使得該共振器能夠將電信號轉換成機械能，並濾除在RF設備例如移動電話等中引起噪聲的RF頻率。因此，該組件是一種可開關可調諧的聲波共振濾波器。
一種高性能的壓電材料是混合的鈦酸鍶鋇BxS(1-x)TiO3。
當在BST膜上施加約0.8MV/cm(對於2400埃厚的BST膜為19.2V)的信號，其發生共振。通過以此方式將電能轉換為機械能，BST膜可用作吸收射頻電信號的濾波器。該薄膜體聲波共振器FBAR濾波器已知具有良好的Q值(>1000)。
為了實現高效率和高可靠性，壓電材料優選是外延生長的並且可以是單晶或多晶。
BST可以在具有合適的晶格間距的基板上外延生長。一種這樣的基板是C-面<0001>藍寶石晶片。目前可市購的藍寶石晶片為直徑2、4、 6和8英寸，厚度75微米~500微米。
膜的每一側需要惰性電極並且封裝保護。為了防止大氣特別是濕氣進入，優選是氣密密封的或至少是半氣密密封的。
本發明的實施方案涉及封裝的壓電膜以及該封裝壓電膜的製造方法。封裝體是由框架和上蓋、下蓋構成的盒體。在框架的下表面上提供用於表面貼裝的引腳。框架具有貫穿該框架的通孔。下蓋附著在框架下表面的內周上並保護所述膜。通孔連接至延伸超出框架的底引腳，以允許對封裝組件進行表面貼裝。
第一通孔的上端通過一連接焊盤連接至下電極，第二通孔的上端通過第二連接焊盤連接至上電極。上蓋延伸在膜的上方、連接焊盤和第一和第二通孔的上端。這樣，連接焊盤不必伸出各個蓋的邊緣下方。因此，所述蓋可以緊密且牢固地附著於框架以提供高質量的密封。
蓋本身可以是陶瓷、矽、玻璃或金屬的。這種蓋是商業可購得的。當組件不需要氣密密封時，例如當組件用於本身氣密密封的設備中時，所述蓋可由其它材料例如聚合物製造。不過，優選該聚合物具有超低水分吸收率的特性。液晶聚合物(LCP)是合適的候選物。
本發明實施方案的特徵在於BST膜通過聚合物與周邊框架附著，所述聚合物圍繞膜的邊緣並支撐下表面的外周。任選地，聚合物也支撐上表面的外周。就蓋而言，為了增強濕氣保護，優選聚合物是液晶聚合物LCP。
為了獲得高聲波共振，壓電膜例如BST膜優選是外延生長的。一種用於生長BST膜的優良犧牲基板是C-面單晶藍寶石晶片。
存在多種不同的製造方法，它們得到略微不同的結構。
下述兩種製造途徑的共同之處在於，首先在犧牲基板上沉積可為AlN、TiN、GaN或InN的界面層。界面層可具有1~2微米(1000埃~2000埃)的厚度。該界面層在下電極下方的殘餘部分，至少是在聚合物保護的周邊周圍的部分是該結構經過下述製造方法處理的良好指示物。
在界面層上沉積下電極，下電極通常是鉑，也可以是鉭。在其上沉積壓電材料(例如BST)，再在壓電材料上沉積第二電極。第二電極可以僅覆蓋壓電材料表面的一部分，並且可以在其上通過圖案鍍覆或面板鍍覆進行沉積並部分剝除。然後，將藍寶石晶片切割分離成單個芯片。每個具有電極和壓電膜的芯片設置在框架的介電柵格的空腔內，所述框架限定具有垂直穿過框架的通孔的空腔，通常該通孔到達可移除膠帶，該可移除膠帶可以是形成空腔底部的粘性膜。在一個下述變化方法中，芯片在空腔中設置為壓電材料和電極朝上，而在另一個下述變化方法中，芯片在空腔中設置為壓電材料和電極朝下。這兩種變化的方法得到略微不同的結構，如下所述。
兩種結構和方法的共同之處在於，犧牲基板被移除。這可以通過照射犧牲基板以使界面層熔融來實現。合適的激光可用於照射藍寶石犧牲基板以金屬化並隨後熔融氮化物界面層。合適的激光可具有200~400mJ/cm2的功率，例如可以是193nm波長的氟化氬(ArF)准分子激光或248nm波長的氟化氪(KrF)准分子激光。藍寶石對於這些激光是透明的，但是AlN、TiN、GaN或InN界面層吸收能量並被加熱，被轉化為金屬隨後熔融，從而釋放藍寶石基板。
在最終結構中，壓電膜通過通常為液晶聚合物的粘附聚合物附著至框架。上下電極通過銅焊盤連接至框架上端的通孔的上端，上蓋覆蓋壓電膜和通孔上端。下蓋覆蓋壓電膜下方的空腔並且附著至底部框架的下表面。壓電膜上方和下方的空腔允許膜振動，但是任選地，為了提供機械支撐，上表面可塗覆聚合物薄層，其厚度可至多約5微米。
下蓋覆蓋壓電膜下方的下孔並且通過圍繞框架內周的密封環固定至框架，使得用於表面貼裝的下引腳連接至在下蓋周圍和之外的通孔下端。
參照圖1以及對應於圖1a~1f示意性示出的構造，具體描述在犧牲基板上製造壓電膜的方法。
首先，獲取犧牲基板-步驟1(a)。這可以是例如C-切割的藍寶石(Al2O3)晶片。犧牲基板10通常具有100微米~250微米的厚度。藍寶石晶片可市購的直徑範圍為約2英寸~約8英寸。在犧牲基板10的表面上生長界面層12-步驟1(b)。界面層12可以是氮化物，例如AlN、TiN、GaN或InN。界面層12的厚度通常為1~2微米，也可以是500埃~4000埃。
接著，在界面層12上沉積下電極14(步驟1c)。
通常，下電極14包括惰性金屬，例如鉑或鉭。下電極14的厚度通常為約1~2.5微米，並且具有允許BST在其上外延生長的結構。界面層12和下電極14可以通過分子束外延(MBE)進行生長。
壓電材料層16，其通常是鈦酸鍶鋇BST的外延層，生長在下電極上(步驟1d)。在一個實施方案中，壓電材料16通過分子束外延(MBE)生長。分子束外延在高真空或超高真空(10-8Pa)中進行。MBE的低沉積 率(通常低於3000nm/小時)允許膜在基板上外延生長為具有合適的晶格間距。這樣的沉積率需要成比例更優的真空度以實現與其它沉積技術相當的雜質水平。沒有載氣以及超高真空環境導致生長膜具有最高可達到的純度。
然而，作為選擇，也可以採用其它技術例如脈衝激光沉積、RF濺射或原子層沉積來製備界面層12(例如AlN、TiN、GaN或InN)、下電極14(例如Pt或Ta)和壓電材料16例如BST的薄膜。
BST 16的外延生長需要良好的可複製性和最優的性能。壓電材料16的薄膜可以是單晶或多晶。壓電材料16的厚度通常為約1~約5微米，也可以是例如約2500埃。
BST薄膜中的鋇鍶比(B/S)可以精確控制。對於不同的應用，選擇的B/S範圍可以為約25/75~約75/25，但優選範圍為約30/70~約70/30。合適的比例通過膜厚、最大共振場(V/um)來控制，混合結構中離子的相對比例可用於優化Q因子。
接著，在壓電材料16上製造上電極(步驟1e)。在一個變化方案中(如圖1ei所示)，在壓電層16上製造不連續的上電極18i的陣列。不連續的上電極18i可以通過濺射並隨後利用光刻膠掩模選擇性蝕刻或者可以通過在光刻膠掩模中選擇性濺射來製造。
作為選擇，在圖1eii所示的變化方案中，在壓電層16上製造連續的上電極18ii。
上電極18i、18ii的厚度通常為約1微米。
通常，上電極18i、18ii將包括雙層，具有與BST接觸的鋁、鉑或鉭的第一層以及在其上沉積的第二銅層。如圖1a~1ei，1eii所示，這些 步驟通常在藍寶石晶片上的大型組件陣列上完成。
在此階段，犧牲基板10(例如，藍寶石晶片)可以切割成單個組件或芯片20i(20ii)。該單個芯片示於圖1fi和1fii中。
芯片20i(20ii)可設置在由犧牲基板上的互連框架柵格所限定的空腔內。存在兩種主要的生產方法。在參照圖2以及示意圖3-22描述的第一種生產方法中，芯片20i可設置為具有壓電層16和電極14、18i，其中電極18i設置在最上方，或者在參照圖23以及示意圖24-36描述的第二生產方法中，芯片20ii可設置為具有壓電層16和電極14、18ii，其中電極18ii設置在最上方。
參照圖2的流程圖，示出一種用於製造具有良好Q值的封裝薄膜體聲波共振器FBAR濾波器的第一生產方法。
通過圖1所示方法獲得的圖1fi的單個芯片20i可設置為將壓電層16和電極14、18i設置在環形膠帶上，以便於拾取及放置，其中電極18i在最上方。
在該第一生產方法中，將單個芯片20i設置為犧牲基板10向下(即電極18i向上)放入在可移除膠帶26上的由互連框架柵格限定的空腔25中-步驟(2b)。
互連框架柵格可以是如圖3所示的具有嵌入的銅通孔24的聚合物互連框架柵格22，或者是如圖4所示的具有嵌入的銅通孔24的陶瓷互連框架柵格28。可移除膠帶26可以是例如粘性聚合物膜。通常，具有垂直穿過框架的導電通孔24的陶瓷互連框架柵格28可以通過LTCC或HTCC製造。這種陶瓷柵格是可以市購的。陶瓷互連框架具有更好的氣密密封性。然而， 聚合物框架對於某些應用可提供足夠的密封並且通常在製造和工藝方面價格更為廉價。
參照圖3，當使用聚合物基質的互連框架柵格22時，應該採用玻璃化轉變溫度高於280℃，優選高於300℃的高Tg聚合物。重要的是，聚合物22應具有低吸水性。液晶聚合物是理想的材料。當互連框架柵格具有聚合物基質時，優選用於附著壓電膜的基質和/或聚合物是液晶聚合物(LCP)。
參照圖4，當互連框架柵格28是陶瓷時，可以是單片陶瓷支撐結構，其與內建的例如金、銅或鎢的導電通孔24共同燒制。共燒制陶瓷技術已經在電子工業的多層封裝中得到創立，例如軍用電子產品、MEMS、微處理器和RF應用。製造商之一是Murata。高溫和低溫共燒陶瓷(HTCC和LTCC)是已知的。這種結構可以得到最大8英寸×8英寸的陣列，但是不能實現與珠海越亞公司開發的聚合物互連框架柵格技術相同的生產能力，不過仍不失為一種實現真正氣密密封的替代選擇。
無論採用何種類型的框架柵格22、28，互連框架柵格的深度均比芯片20的厚度要厚約50微米，該深度通常為150~300微米。由於框架22(28)的附加厚度，從而可以避免施加在壓電膜16上的機械壓力。因為諸如BST的壓電結構將機械應力轉化為跨膜電勢差，以及將跨膜電信號轉化為機械變形，所以這樣的結構是至關重要的。
互連框架柵格22(28)設置在可移除膠帶26上，可移除膠帶26例如可以是粘性膜。可以使用拾取/安放(Pick & Place)機器人將芯片20i放置在互連框架柵格22(28)的每個插座中，其中犧牲基板10面朝下，壓 電層16和上電極18i面朝上-步驟(2b)。
因為後續步驟對於陶瓷和聚合物的互連框架柵格都是相同的，所以現在利用描述聚合物互連框架柵格的附圖來說明方法步驟。這種專有技術由珠海越亞公司開發並且能夠在非常巨大的框架面板陣列上進行製造，目前面板尺寸最大為21英寸×25英寸。然而，如前所述，目前可市場購得的陶瓷互連框架柵格的尺寸至多為200mm×200mm，且可以替代使用。
利用粘附聚合物30層壓芯片20i和框架22(28)-步驟(2c)。圖5示出聚合物互連框架22的空腔25中的芯片20i層壓有粘附聚合物30的示意圖。粘附聚合物30存在多種可市購的候選材料。僅作為非限制性的說明，這些材料包括：Ajinomoto ABF-T31、Taiyo Zaristo-125、Sumitomo LAZ-7751和Sekisui NX04H。
然而，優選地，粘附聚合物30為液晶聚合物。液晶聚合物膜可在240℃~315℃範圍內的溫度下加工。這種材料具有極低的滲透率並且有助於保護和密封壓電膜。
粘附聚合物30的厚度通常比框架22的深度要厚約50微米。
在粘附聚合物30上施加載體27(步驟2d)。載體可以是金屬載體，例如銅載體。所得結構示意性圖示在附圖6中。
接著，移除可移除膠帶26，暴露出犧牲基板10和框架22的下端，包括通孔24的下端(步驟2e)。所得結構示意性圖示在附圖7中。
參照圖8，其為關注一個組件的放大示意圖，不過要注意的是，加工步驟通常發生在陣列中，芯片20i周圍的粘附聚合物30被向下移除至載體27(步驟2f)。可以採用等離子體蝕刻或激光蝕除。可以使用硬掩模29， 例如不銹鋼掩模來保護框架22(28)。
然後，移除犧牲基板10(步驟2g)。一種移除方法是激光照射透過犧牲基板10，加熱並熔融界面12。當界面是氮化物層時，氮化物會被還原成金屬並隨後熔融。激光照射可使用功率200~400mJ/cm2的圖案化激光。可以採用193nm波長的氟化氬(ArF)准分子激光或248nm波長的氟化氪(KrF)准分子激光。藍寶石基板對於這些激光是透明的，但是氮化物層吸收激光能量並被加熱，被轉化為金屬隨後熔融，從而釋放藍寶石基板，其被提升移除並留下圖9的結構。
參照圖10，施加粘附聚合物30(步驟2h)，填充圍繞著氮化物12、電極14、18i和壓電膜16周邊的空隙，將它們附著至框架22、28並填充由於移除犧牲基板10所留下的空腔。在一個實施方案中，粘附聚合物30還在框架22、28下方進一步延伸50~150微米。
接著移除載體27。當載體27是金屬(例如銅)時，可將載體27蝕刻掉(步驟2i)以得到圖11示意性示出的結構。
參照圖12，示出一個膜16包封在粘附聚合物30中，膜16位於聚合物互連框架柵格22的空腔內，框架22具有穿過框架22的導電通孔24，可通過鑽出穿過粘附聚合物30的孔32來形成通向上電極18i的通道，並可通過鑽出穿過粘附聚合物30和壓電膜16並在到達下電極層14時停止的第二孔34來形成通向下電極14的通道。也可以從兩面鑽出通到銅通孔24的孔36(步驟2j)。在一個實施方案中，採用激光鑽孔。在另一個實施方案中，採用等離子體蝕刻，同時利用適當的掩模例如不銹鋼(例如304 SS和316 SS)硬掩模(29，參見圖9)保護周圍的粘附聚合物30。任選地，可以採用激光鑽孔 和等離子體蝕刻的組合。
接著，在鑽孔32、34、36中填充銅，並連接至穿過互連框架22的通孔24-步驟(2k)。同時，製造密封環。
參照圖13，該步驟可通過先在鑽孔32、34、36和聚合物30的表面上濺射種子層例如鈦Ti、鈦和鉭的混合物Ti/Ta或鈦和鎢的混合物Ti/W，然後在其上濺射一銅層38。
接著，將銅圖案鍍覆到鑽孔中，然後通過形成上焊盤40和下焊盤42將填充的鑽孔與通孔連接，以允許表面貼裝和提供通向通孔24的通道。在框架的兩面上製造上下密封環44、46，得到圖14所示的結構。這可以通過施加光刻膠，圖案化，電鍍和移除光刻膠來實現。焊盤42將電極與框架中的通孔連接。沉積上下密封環44、46。所得結構示於圖14。
參照圖15，通過施加光刻膠，圖案化，電鍍和移除光刻膠來沉積下銅柱48。下銅柱48形成觸點格柵陣列LGA或球柵陣列BGA焊盤，並且必須至少100微米厚。下密封環46不包括下銅柱48。上密封環44圍繞膜16和焊盤40以允許對焊盤上方和周圍的蓋進行氣密密封。通常，上密封環44製造的位置是在互連框架被切割成為單個組件時該互聯框架上表面的外周處。
參照圖16，為了有利於附著，密封環44、46和柱48可以塗覆有Ni、Au或Ni/Au 50(步驟2m)。
參照圖17，接著移除種子層32(步驟2n)。
然後，可以從任一面對覆蓋壓電膜16的粘附聚合物30進行減薄(步驟2o)，利用受控等離子體腐蝕電極之間的部分，得到圖18的結構。 減薄粘附聚合物膜的目的是允許壓電膜16共振。任選地，聚合物薄層(至多5微米)依然保持在壓電膜16上以提供機械支撐。在上電極18i上的粘附聚合物膜30的厚度可以根據BST FBAR的期望Q值定制為任意所需的厚度。
任選地，如圖19所示，粘附聚合物膜30可以完全減薄至壓電膜16上。
參照圖20，上蓋和下蓋52、54設置在壓電膜16的上方和下方，連接至互連框架上的Ni/Au密封環(步驟2p)。利用在蓋52、54上的As/Sn密封環接觸，其對應于封裝框架上的Ni、Au或Ni/Au塗層50的密封環44、46的接觸，使得As/Sn共熔體在約320℃-340℃溫度下能夠發生回流，從而在封裝框架的上端和低端位置處密封蓋52、54，由此氣密包封壓電膜16。
可以採用任意的可市購的蓋52、54。蓋52、54可以是LCP、陶瓷、矽、玻璃或金屬的。這種封裝方案用於MEMS封裝。鍍有鎳和金並且具有金錫共熔體密封框架的蓋是可以市場購得的並且滿足軍用標準。也可以採用具有玻璃密封件的陶瓷蓋。
蓋52、54可以在不活潑氣體環境例如氮氣環境下安裝並接合在框架的密封環44、46上的適當位置處，以保護BST膜免受氧氣和濕氣的影響。
優選地，上蓋52覆蓋焊盤40，焊盤40將膜與框架內的通孔連接，而下蓋54不延伸超出下銅柱48，用以將封裝體60表面接合至基板。因此，沒有必要在任一個蓋的下方設置導體，這反而會劣化其密封性能。
用於組件表面貼裝的下銅柱48在下蓋54的下方延伸。
在此階段，互連框架柵格可以切割(步驟2q)成分離的組件 60，每個組件60被包封在頂、下蓋52、54和周圍的互連框架22之間。參見圖20，作為選擇，切割分離可以在附加步驟之前或之後進行。
圖21和22示出上蓋和下蓋的視圖。
應當注意的是，通常在下電極14下方且下電極14和支撐聚合物30之間存在界面層12的痕跡。界面層可以是AlN、TiN、GaN或InN或Al、Ti、Ga或In。該界面層是結構是否經過本文所描述的製造方法之一或其變化方案處理過的一個良好指示物。
參照圖23，示出一種變化方法。重要的是，圖2所示的第一製造方法和圖23所示的第二製造方法之間的主要區別在於，在圖23所示的方法中，芯片23ii面朝下放置在空腔框架的空腔25中。再次說明，框架可以是聚合物框架22或陶瓷框架28，並且框架包括穿過框架的金屬通孔24。首先，獲得具有壓電膜的芯片-步驟23(i)。可以採用圖1所示的方法。
芯片以電極朝下且犧牲基板朝上的方式放置在空腔框架的空腔中，該框架置於可移除膠帶上-步驟23(ii)。
圖24示意性示出放置在可移除膠帶26上的框架22，框架22具有電極18ii朝下(犧牲基板10朝上)的芯片20ii。
在該變化方法中，接著利用激光透過犧牲基板照射界面層12以熔融界面層，然後提升移除犧牲基板-步驟23(iii)，得到圖25所示的結構。
然後，對具有穿過框架的金屬通孔以及具有在框架的空腔25中的電極化壓電薄膜70的聚合物框架22或陶瓷框架28塗覆粘附聚合物30，將電極化壓電薄膜70附著至框架22(28)並且超出框架22、28延伸50-150 微米-步驟23(iv)，得到圖26所示的結構。粘附聚合物30可以例如作為膜施加。優選地，採用液晶聚合物以盡可能減少濕氣吸收。
接著，移除可移除膠帶26-步驟23(v)，得到圖27所示的結構。
可以向下鑽出穿過聚合物到達框架中的通孔24的孔134，以及可以鑽出穿過壓電層16通向內電極14的另一孔136，得到圖28所示的結構-步驟23(vi)。孔134、136可通過激光鑽孔和/或通過掩模進行選擇性等離子體蝕刻來製造。
對兩面施加種子層138，覆蓋鑽孔134、136的表面，得到圖29所示的結構-步驟23(vii)。
接著製造連接焊盤140、142和密封環144、146-步驟23(viii)。一種製造方法是在兩個表面上施加和圖案化光刻膠層，在每一面的圖案中電鍍銅以填充孔134、136，得到圖30所示的結構。
參照圖31，從下焊盤(140，示於圖31的頂部)生長通孔柱148以完全超出下密封環144用於進行表面貼裝，例如用於連接至觸點格柵陣列LGA-步驟23(ix)。
接著，在密封環144、146和通孔柱148上電鍍上鎳Ni或金Au或Ni/Au連接點150-步驟23(x)，得到圖32所示的結構。剝除光刻膠。
蝕刻掉種子層138-步驟23(xi)，得到圖33所示的結構，該結構也旋轉了180度。
利用合適的濕蝕刻或幹蝕刻部分蝕刻掉上電極18ii，得到圖34所示的結構-步驟23(xii)。
可以利用硬掩模29(示於圖9)例如不銹鋼掩模蝕刻掉壓電膜16下方的聚合物30，以保護周圍的聚合物和端子-步驟23(xiii)。圖35示出所得結構的代表示意圖。
如前文參照第一實施方案所述，可以施加具有對應的金-錫接觸環的蓋152、154-步驟23(xiv)並且通過加熱使Au/Sn共熔體回流從而與結構的密封環接合。圖36示出所得的結構。
焊料密封蓋(有時在市場上以Combo LidsTM出售)是用於半導體工業進行高可靠性封裝的標準組件。該密封蓋具有耐腐蝕性和抗潮濕性並提供可靠的封裝。該密封蓋還符合軍用規格MIL-M-38510。
在可選的封裝中，可採用具有玻璃密封件的陶瓷蓋，或者在不需要組件氣密密封時，例如整個器件在後續步驟中被整體氣密密封時，可以採用環氧樹脂等其他密封件。如果合適，例如在不需要氣密密封時，可以採用塑料蓋例如液晶聚合物蓋，其中在封裝體上具有低溫LCP的密封環。
如前所述，製造通常是在陣列上進行的。接著，框架柵格可以被切割分離成單個組件-步驟23(xv)。然而，應該認識到，切割步驟可以選擇在等離子體減薄之前進行，使得能夠分別調整每個組件。所得的結構示於圖37中。應該認識到，切割分離可以在前一個示例的情況下進行。
應該認識到，圖示的工藝方法可以產生許多變化方案。雙蓋框架可包括除壓電膜16以外的其它組件，並且可以包括兩個或以上的壓電膜以調節不同頻率，例如通過具有不同厚度來進行調節。
本領域技術人員將會認識到，本發明不限於上文中具體圖示 和描述的內容。而且，本發明的範圍由所附請求項限定，包括上文所述的各個技術特徵的組合和子組合以及其變化和改進，本領域技術人員在閱讀前述說明後將會預見到這樣的組合、變化和改進。
在請求項書中，術語“包括”及其變體例如“包含”、“含有”等是指所列舉的組件被包括在內，但一般不排除其他組件。

Claims (36)

  1. 一種聲波共振器，包括基本水平的包含壓電材料的膜，在所述膜的上表面和下表面上分別具有上金屬電極和下金屬電極，所述膜圍繞其周邊通過粘附聚合物附著在矩形互連框架的內側壁上，用於封裝的所述框架的側壁基本垂直於所述膜並且包括在電介質基質中的導電通孔，所述導電通孔在所述側壁內基本垂直延伸，所述金屬電極與所述導電通孔通過在所述膜的上表面上的特徵層導電連接，在所述互連框架的上端和下端連接有上蓋和下蓋以密封所述聲波共振器使其與周圍環境隔離。
  2. 如請求項1所述的聲波共振器，其中所述壓電材料包括鈦酸鍶鋇(BST)。
  3. 如請求項2所述的聲波共振器，其中所述膜從下方受到在所述下電極下方具有氣隙的所述粘附聚合物的框架的支撐。
  4. 如請求項3所述的聲波共振器，還包括在所述粘附聚合物和所述下電極之間的界面層。
  5. 如請求項4所述的聲波共振器，其中所述界面層選自AlN、TiN、GaN和InN。
  6. 如請求項4所述的聲波共振器，其中所述界面層的厚度為0.5~5微米。
  7. 如請求項3所述的聲波共振器，其中所述BST膜還從上方與所述粘附聚合物的框架附著。
  8. 如請求項2所述的聲波共振器，其中所述下電極通過穿過BST膜的銅引線連接。
  9. 如請求項2所述的聲波共振器，其中BST膜的鋇鍶比為約25/75~約75/25。
  10. 如請求項2所述的聲波共振器，其中BST膜的鋇鍶比為約30/70。
  11. 如請求項2所述的聲波共振器，其中BST膜的厚度為1000埃~5000埃。
  12. 如請求項1所述的聲波共振器，其中所述下電極包含鉭或鉑。
  13. 如請求項1所述的聲波共振器，其中所述下電極的厚度為1000埃~2500埃。
  14. 如請求項2所述的聲波共振器，其中BST膜具有單晶或多晶結構。
  15. 如請求項2所述的聲波共振器，其中所述上電極包括與BST電介質接觸的鋁層、鉑層或鉭層。
  16. 如請求項15所述的聲波共振器，其中所述上電極還包括電沉積的銅。
  17. 如請求項1所述的聲波共振器，其中所述粘附聚合物是液晶聚合物。
  18. 如請求項1所述的聲波共振器，其中所述互連框架包括陶瓷基質和金屬通孔。
  19. 如請求項18所述的聲波共振器，其中所述互連框架通過與所述通孔共燒結來製造，以提供具有內建導電通孔的單片陶瓷支撐結構。
  20. 如請求項18所述的聲波共振器，其中所述陶瓷與金屬通孔利用高溫或低溫共燒陶瓷(HTCC或LTCC)材料組共燒結。
  21. 如請求項18所述的聲波共振器，其中所述金屬通孔包括選自Au、Cu和W的金屬。
  22. 如請求項1所述的聲波共振器，其中所述框架包括聚合物基質和金屬通孔。
  23. 如請求項22所述的聲波共振器，其中所述金屬通孔是銅通孔。
  24. 如請求項22所述的聲波共振器，其中所述框架還包括陶瓷填料和/或玻璃纖維。
  25. 如請求項1所述的聲波共振器，其中所述框架的深度為150微米~300微米。
  26. 如請求項1所述的聲波共振器，其中所述上蓋和下蓋由選自金屬、陶瓷、矽、液晶聚合物和玻璃的材料製成。
  27. 如請求項1所述的聲波共振器，其中所述上蓋附著至在所述互連框架上表面上製造的上金屬環，所述下蓋附著至在所述互連框架下表面上的下金屬環。
  28. 如請求項27所述的聲波共振器，其中所述上金屬環製造在所述互連框架的外緣上，並且所述上蓋覆蓋所述框架的整個上表面、所述粘附聚合物以及所述膜的上表面。
  29. 如請求項27所述的聲波共振器，其中所述下金屬環製造在所述互連框架下表面的內緣上以允許所述下蓋覆蓋所述粘附聚合物的表面、暴露的犧牲載體以及所述膜的下電極，使得所述互連框架的部分下表面保持不被覆蓋。
  30. 如請求項27所述的聲波共振器，其中所述上金屬環和下金屬環包括Ni和Au的表面塗層，所述上蓋和下蓋包括對應的共熔Au/Sn密封環。
  31. 如請求項1所述的聲波共振器，還包括從所述互連框架的通孔圍繞所述下蓋延伸至所述下蓋下方的金屬焊盤，以允許將所述聲波共振器通過焊料表面貼裝附著至PCB上。
  32. 如請求項1所述的聲波共振器，其中所述粘附聚合物的膜延伸在所述壓電材料的上表面上和所述上電極上。
  33. 如請求項32所述的聲波共振器，其中覆蓋所述上電極的所述粘附聚合物的膜具有至多5微米的厚度。
  34. 如請求項1所述的聲波共振器作為可開關可調諧濾波器的用途。
  35. 如請求項1所述的聲波共振器作為通過天線發射和接收無線電頻率的雙工器的用途。
  36. 一種射頻通信設備，包括如請求項1所述的聲波共振器。
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