声表面波芯片晶圆级封装技术

王君† 孟腾飞 周培根 于海洋 曹 玉

(北京航天微电科技有限公司)

摘要：

为解决声表面波滤波器无法实现系统级封装和高密度系统集成的问题，制作出可保护图形且封装尺寸小的滤波器，该文研究声表面波芯片的晶圆级先进封装技术。针对声表面波滤波器本身特性，提出技术方案并通过实验验证方案的可行性，并制作出晶圆级封装的声表面波芯片样品，利用有机聚合物键合实现了晶圆级封装，通过测试键合强度、对比封装前后芯片性能等验证该样品的可靠性，测试结果显示键合强度满足要求且封装前后性能基本一致，达到预期结果。为提高器件可靠性，对该方案进行改进，利用金属共晶键合方式实现气密性封装，并制作出满足气密性要求的晶圆级封装的声表面波器件样品。

0 引言

为了增加探测精度、减小发射费效比，卫星通信、雷达探测、电子对抗、移动通信等射频电子设备中的装备系统正在向小型化、集成化方向发展[1]。声表面波 (Surface acoustic wave, SAW) 滤波器由于具有体积小、一致性好的巨大优势被广泛应用 [2]。在雷达 T/R 组件上，滤波器用来抑制杂波和干扰，通常一个阵列上需要几千甚至上万只滤波器；同时为保证天线辐射波束的高指向性、满足小旁瓣的要求，每个 T/R 组件中心的距离小于半个波长，因而留给滤波器的尺寸越来越小 (通常在3mm × 3mm 以下)，即要求滤波器向小型化和集成化方向发展 [3]。

然而，传统的金属封装和陶瓷表面贴装的SAW滤波器已经无法满足装备进一步小型化的要求，且SAW 裸芯片表面易损伤，铝电极和压电材料无法实现混合集成，难以实现系统级封装和高密度集成 [4]。为了满足多功能 SAW 芯片集成技术的发展要求，亟需进行下一代超小型 SAW 器件及其封装技术研究。

目前，最新的芯片级封装技术为晶圆级芯片封装(Wafer level chip size packing，简称 WLCSP 或WLP)，封装面积与芯片面积大小相当，器件尺寸可达 0.8mm × 0.6mm × 0.3mm，达到了目前可能的最高微型化水平 [5]。图 1 为晶圆级 SAW 器件的封装结构示意图。

WLP 技术其基本工艺为将芯片晶圆和封装衬底通过键合方式做密封结合，同时将信号线与地线分别从器件晶圆引出。在晶圆上完成器件的封装后再对晶圆进行测试、切割。具有以下优点 [6]：

(1) WLP 是在整个晶圆片上完成封装的，集成化程度和加工效率高。

(2) WLP 是直接由晶圆片切割分离而成的封装，不会有引出端横向伸展出芯片之外，其封装所占印制板面积等于管芯面积，封装比例等于或接近于 1，WLP 封装厚度薄 (只有芯片厚度加上衬底层的厚度，通常高度为 0.4 ～ 1.2 mm)，质量小，体积小，引出端引线短，可以提高整机的封装密度。

(3) 因 WLP 从芯片上的焊盘到封装引出端的距离短，所以其引线电感、引线电阻等寄生参数小，而引出端焊盘又都在芯片下方，因此 WLP 的电热性能较好。

(4) 制作 WLP 可采用大量现有成熟的半导体工艺技术，如溅射、光刻、芯片上多层布线、电镀、分割等。

(5) WLP 具备可靠性高、电磁兼容性好等优点。因此，本文对 SAW 滤波器的 WLP 技术进行研究。

1 方案设计

SAW 芯片 WLP 三维封装结构设计是 SAW 滤波器 WLP 首要课题，决定了 WLP 的工艺路线、电气互联、封装尺寸和可靠性，并最终决定 WLP 的SAW 芯片的性能指标。

衬底设计：芯片衬底考虑L 波段和降低键合时压电和热电效应影响，采用高声速、损耗小、大机电耦合的还原处理的 LT 基片，对于带宽的指标采用还原处理 LN 基片。封装衬底均采用与芯片衬底一致的压电基片。

互联设计：分别针对通孔电极引出和侧面电极引出两种WLP 结构开展设计研究。通孔电极引出结构的键合层设计为 AuSn 键合环，侧面电极引出结构的键合层设计为有机聚合物键合环。分别针对两种结构和工艺特点，设计了封装背面管脚电极结构，并根据背面管脚电极，分别设计通孔位置和侧边电极引出位置，从而对 SAW 滤波器芯片版图的输入输出进行设计调整。

建立封装结构模型，包括各层的封装结构图样、晶圆级结合层和互连通孔，如图2 所示。

2 实验研究

选用0.25 mm 的 42LT 还原片作为基底，采用光刻及剥离工艺制作叉指图层。在免清洗的基底表面旋涂正性光刻胶，通过前烘、曝光、显影等工艺，制得设计所需的最佳叉指胶图层；之后，采用电子束蒸发法在胶图形表面制备铝薄膜；利用有机溶液丙酮并通过超声的方式进行剥离，从而得到没有光刻胶覆盖的铝薄膜，即所需要的叉指图层。至此，完成SAW 芯片的叉指图层制备。

根据方案设计，对WLP 的 SAW 芯片工艺技术研究进行实验验证，验证方案为侧面电极引出方案。结合工艺要求，选用经还原处理的 LT 基片作为衬底材料，厚度为 250 µm；确定封装晶圆材料与衬底材料一致，同时为控制封装后器件高度，对封装晶圆进行减薄工艺处理，经减薄后厚度为 150～200 µm；确定有机聚合物键合环的材料为具备光敏特性的键合胶；确定封装晶圆的台阶形成方式为砂轮刻槽。

确定实验的工艺流程如图3 所示。

3 结果分析

根据上述工艺流程，在完成SAW 的叉指图层制备的芯片晶圆上，利用接触式光刻机对聚合物膜进行套刻，经曝光、显影等工艺，如图 4 所示，实现了聚合物膜的图形化，经台阶仪测试膜厚为 7 µm左右。利用砂轮划片机在封装晶圆表面进行刻槽，

槽宽400 µm，槽深 200 µm，通过工艺调整控制崩边在 15 µm 以内，如图 5 所示，经测试，槽宽、槽深及崩边均在合格范围内。利用晶圆键合机对芯片晶圆和封装晶圆进行晶圆键合，通过键合前预对准、抽真空、升温、加压等实现有机聚合物的键合，键合后晶圆及键合后图形如图 6 所示，两片晶圆实现了较精确的对准，且形成紧密键合状态。利用研磨抛光机对封装晶圆进行减薄、抛光工艺，抛光后实物如图 7 所示，完全露出所刻槽位置，表面粗糙度在1 µm 以内，测得封装晶圆厚度为 178 µm 左右，满足实验要求。利用砂轮划片机对晶圆进行切割，得到 WLP 的 SAW 芯片样品如图 8 所示，器件尺寸约0.85 mm×0.75 mm×0.45 mm，达到预期要求。

对样品键合强度进行测试，如图9 所示，用剪切拉力测试仪测试键合好的样品，得到封装板刚好推开的力，根据样品的粘接面积计算得出键合粘接强度为 37.2 MPa，依据相关标准，以上测试结果满足粘接强度要求 [7]，进一步验证了此封装具备一定的可靠性。

对上述样品进行封装前后探针点测性能对比，测试图如图10 所示。封装前后性能基本一致，因此，该封装结构对滤波器性能基本没有影响，该方案可满足要求。

4 方案改进

上述方案可满足大部分用户需求，但由于上述方案采用有机聚合物作为封装材料进行封装键合，所制样品在长期使用过程中水汽等可能进入器件内部，影响器件性能，对于有高可靠需求的用户来说，其可靠性有待提高。针对上述方案进行改进，制定气密性封装方案，即通孔电极引出方案，在功能区外围制作金属封装环，如图11 所示，通过该金属密封环的金属共晶键合实现气密性封装，提高器件的可靠性。

该方案通过互联通孔技术将SAW 滤波器的输出端引出到封装衬底上的外引线端子上，实现有效的电气互联，工艺流程如图 12 所示。

针对上述方案进行了样品制作，在封装晶圆表面进行高精度通孔加工、通孔填充及填充金属的平坦化、电镀键合层，与芯片晶圆进行晶圆键合，对完成键合后的样品进行晶圆减薄抛光及顶部电极制作、晶圆切割后得到气密性的WLP 的 SAW 芯片样品，所制样品实物如图 13 所示。根据相关要求对样品进行气密性测试，样品满足气密性要求。

对上述样品进行封装前后性能测试对比，测试图如图14 所示。封装后插损及带外抑制较差，因此该方案还需进一步完善。

5 结论

本文提出了采用WLP 先进 封 装 技 术 制 备SAW 器件，根 据 SAW 滤波 器 本 身 特 性，设 计 提出了两种 WLP 方案。技术方案一：利用绝缘的有机聚合物键合胶，通过聚合物键合的方式实现 WLP；通过实验研究，制备了 WLP 的 SAW 器件样品；对样品进行了键合强度测试和性能测试，结果显示键合强度满足封装键合要求，封装前后性能基本一致，达到了预期效果。为提高产品可靠性，对该方案进行改进。技术方案二：通过在功能区外围制作金属封装环的方式，利用金属共晶键合实现气密性封装，并制作出气密性 WLP 的 SAW 样品，通过测试验证样品的气密性，测试结果满足要求。

晶圆级WLP封装植球机关键技术研究及应用

刘劲松 时威 张金志

（1.上海理工大学机械工程学院；2.上海微松工业自动化有限公司）

摘要：

晶圆级WLP微球植球机是高端IC封装的核心设备之一，晶圆上凸点（Bump）的制作是关键技术。阐述了WLP封装工艺流程，对三种晶圆级封装凸点制作技术进行了对比。分析了WLP微球植球机工作流程，并对其关键技术进行了研究，包括X-Y-Z-θ植球平台、金属模板印刷和植球。最后在自主研制的半自动晶圆级微球植球机WMB-1100上进行了印刷和植球实验，通过对设备工艺参数的调整，取得了良好的印刷和植球效果。

0 引言

晶圆级封装（Wafer Lever Package，WLP）是以BGA技术为基础，将百微米级的焊锡球放置到刻好电路的晶圆上，是一种经过改进和提高的CSP。WLP封装具有较小封装尺寸与较佳电性表现的优势，目前多应用于轻薄短小的消费性IC的封装应用。

微球植球机是晶圆级封装工艺中的必备核心设备之一。在WLP工艺中，晶圆上凸点（Bump）的制作是关键的基础技术，国内中电科技24所、华中科技大学、清华大学等单位研究了WLP封装中电镀凸点方式；哈尔滨工业大学、上海交通大学研究了激光植球技术，主要应用于BGA器件修复；合肥工业大学对BGA基板植球进行了研究。本文针对晶圆凸点制作的金属模板印刷和植球方式，研究WLP封装工艺和WLP植球机关键技术，并在自主研制的半自动晶圆级微球植球机进行植球实验，晶圆尺寸12inch，焊锡球直径250um。晶圆级植球技术和设备的开发研制为高端芯片封装装备国产化提供从技术理论到实践应用的参考。

1 WLP封装工艺

晶圆级封装，是属于芯片尺寸封装（CSP）的一种。所谓芯片尺寸封装是当芯片（Die）封装完毕后，其所占的面积小于芯片面积的120%。晶圆级封装与传统封装工艺不同，传统封装将芯片上压点和基座上标准压点连接的集成电路封装都是在由晶圆上分离出来的芯片上进行的，这种工艺造成了前端晶圆制造工艺与用于生产最终集成电路的后端装配和封装的自然分离。晶圆级封装是在在完成封装和测试后，才将晶圆按照每一个芯片的大小来进行切割，统一前端和后端工艺以减少工艺步骤，封装后的体积与IC裸芯片尺寸几乎相同，能大幅降低封装后的IC尺寸，是真正意义上的芯片尺寸封装。一片12inch的晶圆上一般有750～1500个裸片，与单个芯片封装相比，每个裸片的封装成本可以降低一个数量级。晶圆级芯片封装工艺流程如图1所示。

2 WLP植球技术

晶圆级封装采用凸点技术（Bumping）作为其I/O电极，晶圆上形成凸点有三种方式：电镀方式、印刷锡膏方式和植球方式，三种方式的比较如表1所示。

鉴于电镀方式和印刷锡膏方式的缺点，业界一直在寻找替代解决方案，晶圆级植球技术的突破恰好满足了这一需求，并且随着多层堆叠技术(MCM)的发展，要求晶圆与晶圆间具有高精度的多引脚的100um级的互联，晶圆级植球技术可以稳定地实现。

下面分析晶圆级微球植球机工作过程：

1）上料机械手对晶圆盒（Cassette）中的晶圆进行检测（Mapping）；

2）将晶圆取出放置到晶圆预对位装置（Aligner)上进行对位；

3）然后机械手将晶圆放置于X-Y-Z-θ植球平台上；

4 ）利 用超 精密 金属 模板 印刷 技术 将助 焊剂（Flux）涂敷在晶圆的焊盘上；

5）利用金属模板植球技术手动或自动将焊锡球放置于晶圆上；

6）最后将植球后的晶圆收回晶圆盒。

3 WLP植球实验

本次植球实验在自主研制的半自动晶圆级微球植球机进行，如图5所示。实验晶圆尺寸12inch，焊锡球直径250um。

3.1 实验过程

印刷：根据刮刀长度在金属模板印刷初始位置涂抹适量助焊剂，调整刮刀气缸压强，设定为0.12MPa。CCD相机对Table上晶圆和金属模板光学定位点（Mark点）进行对中，然后执行印刷，如图6所示。

植球：植球定位与印刷定位一样，由于本次实验的12inch晶圆一次植球量多，为节省焊锡球，在晶圆上取五块具有代表性的区域，使用塑料刮板刮球，使焊锡球通过金属模板网孔落入对应晶圆上的胶点，如图7所示。

参数调整：在三次元影像测量仪上观察印刷和植球效果，如图8所示。然后进行晶圆与金属模板的X,Y,θ方向的精细调整，反复对设备的工艺参数进行调整，直到得到满意的印刷和植球效果。

3.2 实验结果

经过多次印刷和植球实验，对工艺参数进行调整，最终设备的印刷和植球效果如图9、图10所示，两图分别为在三次元影像测量仪上观察到的晶圆单个裸片Die的印刷胶点和焊锡球图，误差在1/2焊锡球球径范围内。

4 结论

晶圆级封装植球装备是高端IC封装的关键设备之一，封装工艺和关键技术的研究对于设备的研制十分必要。大行程、高精度植球平台是基础工作单元，完成晶圆的传送和定位，金属模板印刷和植球工艺需要长期的技术积累。通过自主研发的半自动晶圆级微球植球机WMB-1100实验，取得了良好的植球效果。晶圆级微球植球技术及装备的研制可以提高我国在高端IC封装领域的竞争力。