陳作桓，于大全，張名川

廈門大學，廈門云天半導體科技有限公司

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鍵器件，可將帶外干擾和噪聲濾除以保留特定頻段內的信號，滿足射頻系統的通訊要求。本文總結了聲表面波濾波器工作原理及其傳統封裝技術，提出了一種圓片級互連封裝技術，采用曝光顯影、電鍍及印刷等工藝實現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IDT的損傷。對封裝前后電性及上基板可靠性測試，結果表明該封裝方案滿足聲表面波濾波器封裝需要。本技術在聲表面波濾波器封裝方面有廣闊的應用前景，適用于批量生產。

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模塊之間，是智能移動互連領域的重要組成部分。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（RF Switch）、天線調諧開關（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，保留特定頻段內的信號。目前，手機常用濾波器產品主要包含：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，FBAR）、濾波器模組，如DiFEM（分集接收模組，集成射頻開關和濾波器）、LFEM（集成射頻開關、濾波器及低噪聲放大器）等。

目前，射頻濾波器是射頻前端領域中占比最高的產品。伴隨頻段數的增多，濾波器價值在3G終端中占比33%提升到全網通LTE終端的57%。而到5G時代，濾波器應用量將進一步提升，并已經超越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傳播聲波，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，其主要作用在于能量轉換，即在輸入端將電信號轉換成聲波信號，在輸出端將接收的聲波信號轉變成電信號輸出。兩種信號之間的轉換依賴壓電材料，其特性是受到外界壓力時會發生變形，使晶體內部原子間的距離發生變化，打破了原來正負電荷平衡，使晶體表面產生電壓。當晶體兩端受到電壓時，晶體也會產生形變。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。倒裝焊技術的引入，摒棄了傳統點焊技術，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與LiTaO3接近，避免因熱膨脹系數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構圖?；贑SP封裝技術的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，實現封裝前后電性與可靠性測試；

（3）基板，在整個封裝結構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濾波器標準結構

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，首先使用一種光刻膠水，經曝光顯影、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，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。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。其中，光刻參數是關鍵的，如果曝光參數設置不合理，焊盤底部會存在光刻的顯影殘留，導致電鍍金屬不連續。

濺射種子層，在濺射種子層之前，圓片先經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生一定粗糙度為種子層的良好附著創造有利條件。在PVD設備中，圓片需要先在高溫下脫氣（Degas），然后在氧、氬等離子環境中進一步轟擊以去除表層有機物、氧化物等雜質，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，且光刻膠厚度應大于后續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，并在回流爐中揮發散去。根據錫膏的融化溫度范圍，回流過程中的最高溫度是250℃，經回流后焊球形貌如圖7、8所示，焊球未出現空洞，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，結果表明焊球高度在60±10μm范圍內，直徑在75±10 μm范圍內，均滿足后續芯片倒扣在基板上的封裝要求。針對焊球與焊盤的結合力，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，推力測試結果分布如圖10所示，結果表明全部焊球推力都超過30g，焊球與焊盤結合力符合封裝要求。

?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，可認為該封裝方案對諧振器性能無影響。

?圖11 選取測試數據點（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）和溫度循環測試（Temperature Cycling Test，TCT）試驗，如表1所示為相對應的試驗項目及條件。

表1 可靠性試驗條件及結果

?uHAST試驗參數為110℃/85%RH，96h。TCT試驗參數為-45℃-125℃，循環1000次。通過對比uHAST+TCT試驗前后樣品的測試數據差值，如果通帶內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。假設將通帶內IL差值變化量|X|＞0.1dB，-20dB處頻率偏移量＞2MHz，定為失效標準。根據表2結果，測試了80顆芯片，結果均通過了可靠性測試。

表2 可靠性試驗結果表征

?3 結論

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

（1）結合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。

本文內容轉載自《中國集成電路》2021年3月

作者：陳作桓，于大全，張名川

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