聲表面波濾波器圓片級(jí)互連封裝技術(shù)研究

摘要：射頻前端模塊是無(wú)線通信的核心，濾波器作為射頻前端的關(guān)鍵器件，可將帶外干擾和噪聲濾除以保留特定頻段內(nèi)的信號(hào)，滿足射頻系統(tǒng)的通訊要求。本文總結(jié)了聲表面波濾波器工作原理及其傳統(tǒng)封裝技術(shù)，提出了一種圓片級(jí)互連封裝技術(shù)，采用曝光顯影、電鍍及印刷等工藝實(shí)現(xiàn)了芯片焊盤(pán)上銅金屬層和焊球的形成，避免了芯片核心功能區(qū)IDT的損傷。對(duì)封裝前后電性及上基板可靠性測(cè)試，結(jié)果表明該封裝方案滿足聲表面波濾波器封裝需要。本技術(shù)在聲表面波濾波器封裝方面有廣闊的應(yīng)用前景，適用于批量生產(chǎn)。

引言

手機(jī)終端通信模塊主要由天線、射頻前端模塊、射頻收發(fā)模塊、基帶信號(hào)處理等組成。射頻前端模塊介于天線和射頻收發(fā)模塊之間，是智能移動(dòng)互連領(lǐng)域的重要組成部分。射頻前端器件主要包含：濾波器（Filter）、低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）、功率放大器（Power Amplifier，PA）、射頻開(kāi)關(guān)（RF Switch）、天線調(diào)諧開(kāi)關(guān)（RF Antenna Switch）、雙工器（Duplexer）等。射頻濾波器由電容、電感、電阻等元件組成，并將特定頻率外的信號(hào)濾除，保留特定頻段內(nèi)的信號(hào)。目前，手機(jī)常用濾波器產(chǎn)品主要包含：聲表面波濾波器（Surface Acoustic Wave Filter，SAW Filter）、固貼式薄膜體聲波濾波器（SMR Bulk Acoustic Wave Filter）、薄膜腔體諧振濾波器（FilmBulk Acoustic Resonator，F(xiàn)BAR）、濾波器模組，如DiFEM（分集接收模組，集成射頻開(kāi)關(guān)和濾波器）、LFEM（集成射頻開(kāi)關(guān)、濾波器及低噪聲放大器）等。

目前，射頻濾波器是射頻前端領(lǐng)域中占比最高的產(chǎn)品。伴隨頻段數(shù)的增多，濾波器價(jià)值在3G終端中占比33%提升到全網(wǎng)通LTE終端的57%。而到5G時(shí)代，濾波器應(yīng)用量將進(jìn)一步提升，并已經(jīng)超越PA成為整個(gè)射頻前端模塊市場(chǎng)中最重要的組成部分。

射頻濾波器可分為SAW和BAW濾波器兩種。SAW濾波器是一種沿著固體表面?zhèn)鞑ヂ暡?，它是由壓電材料和叉指換能器（Interdigital transducer，IDT）組成。IDT作為SAW濾波器的核心功能區(qū)，其主要作用在于能量轉(zhuǎn)換，即在輸入端將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào)，在輸出端將接收的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。兩種信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換依賴壓電材料，其特性是受到外界壓力時(shí)會(huì)發(fā)生變形，使晶體內(nèi)部原子間的距離發(fā)生變化，打破了原來(lái)正負(fù)電荷平衡，使晶體表面產(chǎn)生電壓。當(dāng)晶體兩端受到電壓時(shí)，晶體也會(huì)產(chǎn)生形變。SAW濾波器常用壓電材料有鉭酸鋰（LiTaO3）、鈮酸鋰（LiNaO3）、石英（SiO2）等。

目前，SAW filter主要封裝形式是金屬封裝、陶瓷封裝，倒裝焊封裝和圓片級(jí)三維封裝。倒裝焊技術(shù)的引入，摒棄了傳統(tǒng)點(diǎn)焊技術(shù)，降低了封裝體總厚度，同時(shí)也使得整個(gè)封裝過(guò)程從表面貼裝器件（Surface Mounted Devices，SMD）進(jìn)入芯片尺寸級(jí)封裝（Chip Scale Package，CSP），主要封裝流程是：在劃片前先對(duì)器件焊盤(pán)上進(jìn)行銅金屬層和焊球的制作，然后劃片倒裝焊接到PCB基板或陶瓷基板上，并將樹(shù)脂膜以熱壓方式壓合到基板上，此時(shí)器件表面已形成包裹封裝，最后劃片將器件分離形成最終產(chǎn)品。凸塊是定向生長(zhǎng)于芯片表面，與芯片焊盤(pán)直接相連或間接相連的具有金屬導(dǎo)電特性的凸起物，由金凸塊（Gold Bump）、焊球凸塊（Solder Bump）和銅柱凸塊（Pillar Bump）組成。金凸塊由底部金屬層（Under Bump Metallization，UBM）以及電鍍金組成，加工價(jià)格昂貴，用于液晶屏驅(qū)動(dòng)芯片或玻璃基板的電互連；銅柱凸塊由電鍍銅柱和焊球組成，可完全替代焊球凸塊在倒裝封裝中使用，且銅具有良好的電、熱學(xué)性能，可彌補(bǔ)焊球凸塊在電學(xué)和熱學(xué)性能上的問(wèn)題。本文即在SAW濾波器焊盤(pán)上制備銅金屬層及焊球，并在整個(gè)封裝過(guò)程中保證IDT不受污染和腐蝕，同時(shí)在選用基板材料時(shí)，需保證基板材料的熱膨脹系數(shù)與LiTaO3接近，避免因熱膨脹系數(shù)差別過(guò)大而導(dǎo)致熱失配情況，降低失效率。

圖1所示為SAW濾波器封裝的整體結(jié)構(gòu)圖。基于CSP封裝技術(shù)的SAW濾波器主要由以下幾部分組成：（1）樹(shù)脂膜，主要成分是環(huán)氧樹(shù)脂，可將芯片包裹密封，起到保護(hù)作用；（2）帶球的SAW濾波器芯片，由銅金屬層及焊球組成。而本文中將詳細(xì)介紹銅金屬層及焊球的形成過(guò)程，且保證形成過(guò)程中未對(duì)IDT造成損傷，實(shí)現(xiàn)封裝前后電性與可靠性測(cè)試；（3）基板，在整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)中起到物理支撐作用和電路連接作用。

圖1 倒裝焊接工藝的SAW濾波器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

本文針對(duì)芯片焊盤(pán)上銅金屬層及焊球的形成過(guò)程，提出了一種圓片級(jí)互連封裝技術(shù)，首先使用一種光刻膠水，經(jīng)曝光顯影、種子層Ti/Cu沉積、電鍍、去膠、刻蝕及印刷完成了SAW濾波器焊盤(pán)上銅金屬層的制作，如圖 2 所示。并實(shí)際測(cè)試了封裝前后濾波器的頻率變化在0.5 MHz以內(nèi)，可認(rèn)為該封裝方案對(duì)濾波器的性能不受影響。

圖2 圓片級(jí)互連封裝中銅金屬層和焊球

1 圓片級(jí)互連封裝互連工藝步驟

本技術(shù)采用一種圓片級(jí)互連封裝路線，如圖3所示，其簡(jiǎn)要封裝工藝流程為：圓片來(lái)料清洗→第一層光刻→種子層Ti/Cu沉積→第二層光刻→電鍍→去膠/刻蝕/去膠→印刷回流形成焊球。圖4為單顆SAW濾波器封裝截面圖。

圖3 圓片級(jí)互連封裝技術(shù)流程圖

圖4 SAW濾波器圓片級(jí)互連封裝截面圖

1.1 來(lái)料圓片前處理過(guò)程

圓片級(jí)互連封裝技術(shù)是對(duì)整個(gè)圓片進(jìn)行加工，有利于對(duì)所有芯片進(jìn)行一次性封裝，可批量生產(chǎn)。同時(shí)，來(lái)料圓片在不同加工廠加工及運(yùn)輸，表面可能會(huì)附著較大顆粒物，需徹底清洗。顆粒物的存在會(huì)影響后續(xù)工藝及濾波器性能。因此，來(lái)料圓片先使用單片清洗機(jī)，配合高壓氮?dú)馑畼專捎行У貙A片表面附著顆粒清除干凈，最后置于無(wú)氧烤箱120℃烘烤60min以徹底去除水汽，同時(shí)避免了芯片表面金屬線路不被氧化。

1.2 焊球底部金屬銅層形成過(guò)程

在SAW濾波器焊盤(pán)上制作銅金屬層，需保證芯片IDT不被污染。從成本和精度綜合考慮，封裝詳細(xì)流程如圖3（2）-（5）所示，主要細(xì)分為以下四個(gè)小步：

第一層光刻，所使用的光刻膠須保證不傷害芯片IDT。首先，通過(guò)旋涂約為6 μm的光刻膠，配合熱板150℃下烤5 min。旋涂時(shí)，需保證膠水在圓片上的均勻性，整體厚度變化量不超過(guò)1 μm，并加以烘烤的目的是去除光刻膠中大部分溶劑，穩(wěn)定光刻膠曝光特性。隨后進(jìn)行的曝光、顯影等工藝，在芯片焊盤(pán)上露出電鍍開(kāi)口區(qū)。其中，光刻參數(shù)是關(guān)鍵的，如果曝光參數(shù)設(shè)置不合理，焊盤(pán)底部會(huì)存在光刻的顯影殘留，導(dǎo)致電鍍金屬不連續(xù)。

濺射種子層，在濺射種子層之前，圓片先經(jīng)過(guò)等離子體清洗以徹底去除焊盤(pán)表面有機(jī)物顆粒，并在第一層光刻上產(chǎn)生一定粗糙度為種子層的良好附著創(chuàng)造有利條件。在PVD設(shè)備中，圓片需要先在高溫下脫氣（Degas），然后在氧、氬等離子環(huán)境中進(jìn)一步轟擊以去除表層有機(jī)物、氧化物等雜質(zhì)，最后再分別濺射一層厚度為100 nm和300 nm的鈦層和銅層。

第二層光刻，使用第一層相同光刻膠，主要作用是光刻露出電鍍區(qū)，且光刻膠厚度應(yīng)大于后續(xù)所需銅金屬層的厚度值，并保證焊盤(pán)開(kāi)口處不存在光刻膠的顯影殘留，如圖5所示。

圖5 第二層光刻后焊盤(pán)無(wú)顯影不潔

電鍍工序，即在種子層露出區(qū)域制作銅金屬層。金屬層厚度取決于圓片上受鍍面積、電鍍時(shí)間和電流大小等。在電鍍過(guò)程中，圓片浸泡在含有銅離子的藥水中并接通電源陰極，藥水的另一端放置磷銅陽(yáng)極。通電后，圓片表面開(kāi)始析出一層銅金屬薄膜。電鍍藥水含有五水硫酸銅及其他添加劑，如使電流密度較大區(qū)域鍍層平滑的光亮劑，有利于降低表面張力的潤(rùn)濕劑。

去膠/刻蝕/去膠：完成電鍍工序后，需在圓片表面去除掉多余的光刻膠及銅層、鈦層。去第二層光刻膠時(shí)，需保證該層光刻膠被完全剝離干凈，否則在后續(xù)刻蝕種子層時(shí)存在光刻膠未去除干凈影響刻蝕效果。去除最后一層光刻膠后，芯片功能區(qū)IDT裸露，需觀察芯片IDT是否損傷，如圖6所示，IDT上金屬線條均未被腐蝕，表明銅金屬層制作過(guò)程滿足SAW濾波器封裝要求。

圖6 SEM下IDT金屬線條未被腐蝕

1.3 焊球形成過(guò)程

涂覆錫膏、回流工藝，錫膏通過(guò)印刷方式涂覆在銅金屬層上，并經(jīng)回流爐短暫高溫形成焊球。錫膏中混有助焊劑，主要起到潤(rùn)濕、降低表面張力以及去除氧化層的作用，并在回流爐中揮發(fā)散去。根據(jù)錫膏的融化溫度范圍，回流過(guò)程中的最高溫度是250℃，經(jīng)回流后焊球形貌如圖7、8所示，焊球未出現(xiàn)空洞，在圓片不同方位上隨機(jī)選取 9 顆焊球，通過(guò)光學(xué)顯微鏡分別測(cè)量了焊球的直徑和高度，結(jié)果表明焊球高度在60±10μm范圍內(nèi)，直徑在75±10 μm范圍內(nèi)，均滿足后續(xù)芯片倒扣在基板上的封裝要求。針對(duì)焊球與焊盤(pán)的結(jié)合力，還需進(jìn)行剪切力測(cè)試，測(cè)試原理如圖9所示，剪切探頭距離銅凸點(diǎn)30 μm，剪切速度10 μm/s，剪切探頭上抬高度14 μm，在圓片的不同方向上隨機(jī)選取9顆焊球，推力測(cè)試結(jié)果分布如圖10所示，結(jié)果表明全部焊球推力都超過(guò)30g，焊球與焊盤(pán)結(jié)合力符合封裝要求。

圖7 SEM下SAW濾波器圓片級(jí)互連封裝截面圖

圖8 SEM下焊球截面圖

圖9 剪切力測(cè)試示意圖

圖10 焊球剪切力測(cè)試分布圖

2 SAW濾波器性能性測(cè)試

將植球后的芯片上基板可靠性試驗(yàn)前，需對(duì)封裝后諧振器頻率進(jìn)行電性測(cè)試，對(duì)比封裝前后頻率變化，得出封裝是否會(huì)對(duì)濾波器的性能造成影響。取圓片中間諧振器芯片進(jìn)行測(cè)試，如圖11框中所示。測(cè)試結(jié)果表明，如圖12所示，封裝前后諧振器的頻率變化在0.5 MHz以內(nèi)，可認(rèn)為該封裝方案對(duì)諧振器性能無(wú)影響。

圖11 選取測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)（框中所示）

圖12 封裝前后諧振器頻率變化

對(duì)諧振器性能測(cè)試完成后，再選取80顆標(biāo)準(zhǔn)樣品（Golden Sample）上基板進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)前，一般需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理（Pre-Condition，Pre-Con），其目的是模擬器件在封裝后進(jìn)行運(yùn)輸、組裝和存儲(chǔ)所受到外界溫度、濕度的影響。預(yù)處理過(guò)程參照J(rèn)EDEC J-STD-020D標(biāo)準(zhǔn)，將測(cè)試良好的芯片分別在125℃下烘烤24 h以徹底去除封裝過(guò)程中的水分、然后分別浸入30%、60%濕氣環(huán)境192 h，最后樣品在高溫260℃爐中回流3次。在預(yù)處理后，樣品分別還進(jìn)行高加速溫濕度及偏壓測(cè)試（ubias Highly Accelerated Stress Test，uHAST）和溫度循環(huán)測(cè)試（Temperature Cycling Test，TCT）試驗(yàn)，如表1所示為相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目及條件。

表1 可靠性試驗(yàn)條件及結(jié)果

uHAST試驗(yàn)參數(shù)為110℃/85%RH，96h。TCT試驗(yàn)參數(shù)為-45℃-125℃，循環(huán)1000次。通過(guò)對(duì)比uHAST+TCT試驗(yàn)前后樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)差值，如果通帶內(nèi)IL差值均＜0.1 dB，左邊-20dB和右邊-20dB處的頻率偏移量均＜1MHz，定為通過(guò)性能測(cè)試。假設(shè)將通帶內(nèi)IL差值變化量|X|＞0.1dB，-20dB處頻率偏移量＞2MHz，定為失效標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)表2結(jié)果，測(cè)試了80顆芯片，結(jié)果均通過(guò)了可靠性測(cè)試。

表2 可靠性試驗(yàn)結(jié)果表征

3 結(jié)論

本文提出了一種SAW濾波器圓片級(jí)互連封裝技術(shù)，完成了SAW濾波器芯片焊盤(pán)上銅金屬層和焊球的制作。主要結(jié)論如下：

（1）結(jié)合SAW濾波器的封裝工藝，成功制備了尺寸為712 μm × 512 μm × 270 μm的CSP形式的SAW濾波器樣品，封裝面積與芯片面積相當(dāng)，占比近1:1，有利于集成化應(yīng)用。

（2）該圓片級(jí)互連封裝工藝過(guò)程未對(duì)IDT造成損傷，不影響SAW的傳播及濾波器的性能；

（3）通過(guò)對(duì)SAW濾波器封裝前后電性及上基板可靠性測(cè)試，驗(yàn)證了CSP封裝方案滿足SAW濾波器的封裝需求。

審核編輯：劉清