總結(jié)聲表面波濾波器工作原理及其傳統(tǒng)封裝技術(shù)

摘要：射頻前端模塊是無線通信的核心，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，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)，提出了一種圓片級互連封裝技術(shù)，采用曝光顯影、電鍍及印刷等工藝實現(xiàn)了芯片焊盤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。對封裝前后電性及上基板可靠性測試，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)。

0引言

手機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）、射頻開關(guān)（RF Switch）、天線調(diào)諧開關(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濾除，保留特定頻段內(nèi)的信號。目前，手機常用濾波器產(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，集成射頻開關(guān)和濾波器）、LFEM（集成射頻開關(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時代，濾波器應(yīng)用量將進一步提升，并已經(jīng)超越PA成為整個射頻前端模塊市場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轉(zhuǎn)換成聲波信號，在輸出端將接收的聲波信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出。兩種信號之間的轉(zhuǎn)換依賴壓電材料，其特性是受到外界壓力時會發(fā)生變形，使晶體內(nèi)部原子間的距離發(fā)生變化，打破了原來正負電荷平衡，使晶體表面產(chǎn)生電壓。當晶體兩端受到電壓時，晶體也會產(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三維封裝。倒裝焊技術(shù)的引入，摒棄了傳統(tǒng)點焊技術(shù)，降低了封裝體總厚度，同時也使得整個封裝過程從表面貼裝器件（Surface Mounted Devices，SMD）進入芯片尺寸級封裝（Chip Scale Package，CSP），主要封裝流程是：在劃片前先對器件焊盤上進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，并將樹脂膜以熱壓方式壓合到基板上，此時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。凸塊是定向生長于芯片表面，與芯片焊盤直接相連或間接相連的具有金屬導電特性的凸起物，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，加工價格昂貴，用于液晶屏驅(qū)動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、熱學性能，可彌補焊球凸塊在電學和熱學性能上的問題。本文即在SAW濾波器焊盤上制備銅金屬層及焊球，并在整個封裝過程中保證IDT不受污染和腐蝕，同時在選用基板材料時，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)差別過大而導致熱失配情況，降低失效率。

圖1所示為SAW濾波器封裝的整體結(jié)構(gòu)圖?；贑SP封裝技術(shù)的SAW濾波器主要由以下幾部分組成：（1）樹脂膜，主要成分是環(huán)氧樹脂，可將芯片包裹密封，起到保護作用；（2）帶球的SAW濾波器芯片，由銅金屬層及焊球組成。而本文中將詳細介紹銅金屬層及焊球的形成過程，且保證形成過程中未對IDT造成損傷，實現(xiàn)封裝前后電性與可靠性測試；（3）基板，在整個封裝結(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濾波器標準結(jié)構(gòu)

本文針對芯片焊盤上銅金屬層及焊球的形成過程，提出了一種圓片級互連封裝技術(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濾波器焊盤上銅金屬層的制作，如圖 2 所示。并實際測試了封裝前后濾波器的頻率變化在0.5 MHz以內(nèi)，可認為該封裝方案對濾波器的性能不受影響。

圖2 圓片級互連封裝中銅金屬層和焊球

1圓片級互連封裝互連工藝步驟

本技術(shù)采用一種圓片級互連封裝路線，如圖3所示，其簡要封裝工藝流程為：圓片來料清洗→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 圓片級互連封裝技術(shù)流程圖

圖4 SAW濾波器圓片級互連封裝截面圖

1.1來料圓片前處理過程

圓片級互連封裝技術(shù)是對整個圓片進行加工，有利于對所有芯片進行一次性封裝，可批量生產(chǎn)。同時，來料圓片在不同加工廠加工及運輸，表面可能會附著較大顆粒物，需徹底清洗。顆粒物的存在會影響后續(xù)工藝及濾波器性能。因此，來料圓片先使用單片清洗機，配合高壓氮氣水槍，可有效地將圓片表面附著顆粒清除干凈，最后置于無氧烤箱120℃烘烤60min以徹底去除水汽，同時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程

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

第一層光刻，所使用的光刻膠須保證不傷害芯片IDT。首先，通過旋涂約為6 μm的光刻膠，配合熱板150℃下烤5 min。旋涂時，需保證膠水在圓片上的均勻性，整體厚度變化量不超過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。隨后進行的曝光、顯影等工藝，在芯片焊盤上露出電鍍開口區(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，焊盤底部會存在光刻的顯影殘留，導致電鍍金屬不連續(xù)。

濺射種子層，在濺射種子層之前，圓片先經(jīng)過等離子體清洗以徹底去除焊盤表面有機物顆粒，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)境中進一步轟擊以去除表層有機物、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，并保證焊盤開口處不存在光刻膠的顯影殘留，如圖5所示。

圖5 第二層光刻后焊盤無顯影不潔

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、電鍍時間和電流大小等。在電鍍過程中，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極。通電后，圓片表面開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，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焊球形成過程

涂覆錫膏、回流工藝，錫膏通過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選取 9 顆焊球，通過光學顯微鏡分別測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。針對焊球與焊盤的結(jié)合力，還需進行剪切力測試，測試原理如圖9所示，剪切探頭距離銅凸點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選取9顆焊球，推力測試結(jié)果分布如圖10所示，結(jié)果表明全部焊球推力都超過30g，焊球與焊盤結(jié)合力符合封裝要求。

圖7 SEM下SAW濾波器圓片級互連封裝截面圖

圖8 SEM下焊球截面圖

圖9 剪切力測試示意圖

圖10 焊球剪切力測試分布圖

2 SAW濾波器性能性測試

將植球后的芯片上基板可靠性試驗前，需對封裝后諧振器頻率進行電性測試，對比封裝前后頻率變化，得出封裝是否會對濾波器的性能造成影響。取圓片中間諧振器芯片進行測試，如圖11框中所示。測試結(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)，可認為該封裝方案對諧振器性能無影響。

圖11 選取測試數(shù)據(jù)點（框中所示）

圖12 封裝前后諧振器頻率變化

對諧振器性能測試完成后，再選取80顆標準樣品（Golden Sample）上基板進行可靠性試驗。在進行可靠性試驗前，一般需要對樣品進行預處理（Pre-Condition，Pre-Con），其目的是模擬器件在封裝后進行運輸、組裝和存儲所受到外界溫度、濕度的影響。預處理過程參照JEDEC J-STD-020D標準，將測試良好的芯片分別在125℃下烘烤24 h以徹底去除封裝過程中的水分、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。在預處理后，樣品分別還進行高加速溫濕度及偏壓測試（ubias Highly Accelerated Stress Test，uHAST）和溫度循環(huán)測試（Temperature Cycling Test，TCT）試驗，如表1所示為相對應(yīng)的試驗項目及條件。

表1 可靠性試驗條件及結(jié)果

uHAST試驗參數(shù)為110℃/85%RH，96h。TCT試驗參數(shù)為-45℃-125℃，循環(huán)1000次。通過對比uHAST+TCT試驗前后樣品的測試數(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，定為通過性能測試。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，定為失效標準。根據(jù)表2結(jié)果，測試了80顆芯片，結(jié)果均通過了可靠性測試。

表2 可靠性試驗結(jié)果表征

3結(jié)論

本文提出了一種SAW濾波器圓片級互連封裝技術(shù)，完成了SAW濾波器芯片焊盤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，占比近1:1，有利于集成化應(yīng)用。

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

（3）通過對SAW濾波器封裝前后電性及上基板可靠性測試，驗證了CSP封裝方案滿足SAW濾波器的封裝需求。

責任編輯：lq