BAW晶圆级封装有哪几种形式?

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封装技术在半导体行业中至关重要,它不仅保护芯片,还提供电气连接和散热路径。按照不同的封装形式和应用领域进行分类,半导体封装技术主要包括:

图1. 封装工艺演进

区别于传统的芯片封装方式,晶圆级封装(WLP)技术是在整个晶圆上进行封装和测试,然后再将封装好的晶圆切割成单个芯片。在所有封装形式中,WLP是唯一一种在晶圆基础上不额外增加面积的形式。这种封装方法提高了生产效率,降低了成本,改善了性能。另外,WLP可以把封装后的滤波器厚度做到0.2-0.3mm之间,远远低于CSP的厚度。随着手机的普遍轻薄化,特别是折叠屏的大面积推广,射频器件的厚度降低成为了硬指标,WLP的重要性越来越明确。

最近30年,随着各类MEMS产品的不断问世,先进的MEMS封装技术层出不穷。MEMS封装建立在IC封装的基础之上,并衍生出各类WLP结构和工艺。WLP有五个关键技术点,分别是硅通孔(Through Silicon Via, TSV)技术、再布线(Redistribution Layer, RDL)技术、凸点制造或凸点工艺(Bumping)、晶圆键合(Wafer Bonding)技术、电镀(Plating)。

1. 硅通孔(Through Silicon Via, TSV)技术

通过在硅晶圆中钻孔并填充导电材料,形成垂直方向的电气连接通道,从而实现芯片之间或者芯片内部不同层级的直接互连。

2. 再布线(Redistribution Layer, RDL)技术

通过在芯片或封装的表面重新分配和布局互连线路,提供更加灵活和高效的电气连接,支持多种I/O配置和高密度互联需求。

3. 凸点制造或凸点工艺(Bumping)

通过在芯片的I/O垫片上形成一个或多个微小的金属凸起结构,实现芯片与封装基板或其他芯片之间高效、可靠的电气互连。

4. 晶圆键合(Wafer Bonding)技术

通过将两个或多个经过高度抛光的晶圆紧密连接在一起,形成单一的复合结构。

5. 电镀(Plating)

利用电解原理在导电物体表面沉积一层金属或合金涂层。在WLP技术中,电镀参与TSV的金属填充,Bumping形成,RDL制造等。

BAW滤波器是具有三维机械结构(振动的谐振器单元)的射频MEMS器件,其结构工作时需要稳定的外部环境。这样的特征,决定了BAW滤波器的封装与传统IC封装存在诸多不同,且工艺更加复杂。如果说IC封装是平面二维的,WLCSP,FO-WLP等晶圆级封装工艺,是为了集成更多的引脚;BAW滤波器封装则是立体三维的,引脚之外,更重要的是提供密封的空腔,让谐振器在稳定的环境中实现自由的振动,所以BAW需要“3D WLP“。

目前BAW滤波器成熟的WLP技术路线包括:

Avago:

Shaped Si Cap + Au-Au Bonding (Microcap)

Qorvo:

Polymer Cap + Organic Bonding

Skyworks:

Copper Filled TSV+ Cu-Sn Bonding

Newsonic:

Raw Si Cap + Organic Bonding(SiRoof®)

Avago:Shaped Si Cap + Au-Au Bonding

Avago的FBAR在2003年左右就实现了WLP技术 – Microcap,并且布局了核心技术专利Microcap,其核心是成型硅盖Shaped Si Cap和金金键合Au-Au Bonding(US8232845B2)。彼时整个MEMS的晶圆级封装技术还不是很完善,而传统SAW滤波器也还在使用古老的陶瓷管壳以及打金线的封装方式。Avago选择了相对成熟的金属环热压键合(Metal Diffusion路线)封装,所使用的材料是金。Avago 的Microcap技术核心包含构筑于Cap Wafer上的TSV,形成空腔的硅凸点和凸环,用于键合及电连接的Au Gasket (垫圈结构)。通过TSV及硅凸点等方案的合理结合,在保证密封的同时实现了有效的电气互联。

图2. Avago晶圆级封装专利

Avago独特的WLP技术Microcap对于后续20年FBAR的大规模商用功不可没,这种全硅的方案给后道封装带来极大的便利,保证了Avago在模组方案中,能够进行更高密度的集成。一份2019年的调研报告(Yole)显示:Avago在其中高频发射模组中(尺寸为7.22×6.23mm,厚0.76mm)集成了19颗FBAR滤波器,单颗滤波器面积仅为1mm²的1/2。

图3. Avago: Shaped Si Cap + Au-Au Bonding

Qorvo:Polymer Cap + Organic Bonding

Qorvo的Polymer Roof WLP方案比Avago要晚几年,采用的是双层干膜封装:有机干膜盖板(Polymer Cap)和干膜-干膜键合(Organic Bonding),与传统悬浮结构不同,SMR的核心振动结构并非完全悬浮,而是仅有一面在自由振动,这种设计极大简化了工艺流程,降低了制造难度,使得谐振器在WLP封装阶段能承受更多的工艺处理步骤,从而提高了成品率和可靠性。

Qorvo在WLP技术上采取的双层干膜方案是其一大特色。首层干膜主要负责构建空腔的侧壁,确保内部结构的稳定;第二层干膜则如同屋顶,覆盖于顶部,形成完整的封装结构,为内部器件提供保护。电气互联则采用了先进的铜柱技术,通过直接在晶圆上形成垂直互连线,显著提高了集成度。

值得一提的是,Qorvo WLP技术中所使用的干膜材料是一种高性能的光敏树脂,这种材料的成本昂贵,有限的供应商也对供应链提出了挑战。这种材料的供应全部来源于日本厂商。

图4. Qorvo: Polymer Cap + Organic Bonding

Skyworks:Copper Filled TSV + Cu-Sn Bonding

Skyworks于2017年左右推出了FBAR产品系列,其封装特点为实心铜柱填充(Copper Filled TSV)+铜锡键合 (Cu-Sn Bonding)。不同于传统金材料键合技术,Skyworks开创性地采用了铜锡合金作为键合材料,这一选择不仅优化了成本,还提升了键合过程的热稳定性与可靠性。

尤为值得一提的是,Skyworks在键合环设计上采取了创新策略,选用厚铜材质构筑了密封键合环,这一铜环不仅厚度显著,而且同时充当了空腔结构的侧壁,简化了制造流程。

图5. Skyworks:Copper Filled TSV + Cu-Sn Bonding

在实现内部互连方面,Skyworks的FBAR产品采用了实心铜柱作为TSV,这不仅提升了电流承载能力,还显著改善了热传导性能,有利于器件的散热。同时,用于电气连接的凸点亦全部采用铜材质,与TSV形成统一的金属系统。厚铜材料的广泛应用,大幅度降低了材料成本,为Skyworks的FBAR产品提供了更高的成本效益,使其在竞争激烈的市场中脱颖而出。这一创新巩固了Skyworks在射频组件市场的领先地位,为其客户在5G时代的产品设计提供了更加高效、可靠的解决方案。

Newsonic:Raw Si Cap + Organic Bonding

新声半导体(Newsonic)于2021年面向市场推出了原创的采用SiRoof封装方案的D-BAW产品系列。其特点为完整硅帽(Raw Si Cap)+ 干膜有机键合 (Organic Bonding),并且新声在中美布局了核心技术专利US20220103147A1和CN113556098B。SiRoof设计中对TSV的布局不同于常规WLP做法,将电气互联的TSV设置在器件的一侧,而非Cap(硅帽)一侧,这样的设计意味着电流路径无需穿越键合界面,从而有效避免了因键合界面残余应力引起的潜在可靠性问题,可靠性等级与Avago一致,大幅增强了产品的稳定性和耐用性。相比于经多层光罩,多道工艺复杂加工的Microcap,新声SiRoof晶圆只需一道光罩,像屋顶(Roof)一样盖在了有机键合层形成的墙上,整体缩短了制造周期,降低成本。

图6. Newsonic SiRoof:Raw Si Cap + Organic Bonding

BAW WLP的跨行业嫁接开花结果

SiRoof是如何诞生的呢?

众所周知,影像是全人类的旺盛需求,人们的生活被手机摄像头彻底地改变了。1990年代,手机拍照技术开始逐渐发展并迅速普及,随后智能手机摄像头颗数和性能需求急剧攀升。

图7. 网友调侃现代摄像头是麻将牌

同样于1990年代,得益于CMOS技术的低功耗、高集成度和低成本优势,CMOS图像传感器开始逐渐取代电荷耦合器件(CCD)成为手机摄像头成像技术的核心。现今全球每年约生产70亿颗CIS,七成用于手机。2000年前后,CIS对更高分辨率、更低功耗和更小尺寸的需求催生了CIS WLP技术的飞速演进。

2010年代初期,以色列Shellcase公司开发了CIS传感器使用的晶圆级硅通孔封装技术(TSV)。实现了芯片间的高效垂直互联,大幅提高了数据传输速度和功耗效率。这种技术在三维堆叠(3D Stacking)封装结构中得到了广泛应用,多层电路和器件可以堆叠在一起,显著提升了功能集成度和性能,同时减少了封装体积。

图8. CIS WLP的现代以TSV为基础的封装形式[6]

在中国半导体产业2010年代初快速发展的大背景下,CIS WLP封装技术在国内逐渐实现国产化,并且拥有了成熟的生产线。至今,核心工艺TSV已非常先进成熟。

巧合的是,BAW的WLP也有此类减小电气互联寄生、保障可靠性及密封性、和缩小尺寸的需求,新声寻求到CIS WLP大规模制造龙头合作方共同开发尝试将CIS WLP直接嫁接到DBAW晶圆,没想到完全兼容迅速成功,即SiRoof(Raw Si Cap + Organic Bonding)。随后,双方又合作攻克了窄边框晶圆键合,复杂介质的刻蚀等工艺难点,在大批量生产中进一步提升了可靠性余量。

图9. Newsonic改进后的DBAW SiRoof的TSV和整齐排列Bump实拍照

BAW WLP 技术及IP的横向发展

起于CIS行业WLP技术的灵感激发,后续又融合了SiP等先进封装技术点。新声半导体(Newsonic)横向延展出BAW WLP的技术及IP家族,包括封装结构,工艺方法等八大类别的专利布局,如图10。

图10. 新声(Newsonic)核心关键技术WLP的专利布局

新声下一代Glass-Cap

BAW滤波器的晶圆级封装技术(WLP)依旧不断迭代拥有无限可能,朝着进一步提高生产效率、降低成本且不损失性能的方向,新声半导体同步在开发基于更便宜材料和制造的玻璃晶圆盖帽WLP(如图11)的新型封装技术。

图11. 新声下一代Glass-cap玻璃盖帽DBAW产品

写在最后

Avago、Skyworks、Qorvo等公司自由创新发展各自的BAW WLP技术,其中Avago和Sky主要基于“金属键合”、Qorvo基于“双层干膜”。Newsonic则站在CIS巨人肩膀上发展出先进稳定的SiRoof技术,充分糅合了CIS行业TSV的先进性、巨大产能的低成本,配合新开发的窄边框有机键和技术、平坦未处理SiRoof材料,实现了自己的BAW WLP。

《三体》中关于技术爆炸理论有一段经典的描述:“……地球生命史长达十几亿年,而现代技术是在三百年时间内发展起来的,从宇宙的时间尺度上看,这根本不是什么发展,是爆炸!技术飞跃的可能性是埋藏在每个文明内部的炸药,如果有内部或外部因素点燃了它,轰一下就炸开了……”。近二十年全球智能手机的发展不仅改变了人们的生活,也催生了“环智能手机”产业链的文艺复兴式技术爆炸,射频通讯行业和CIS行业都是其中一员。在这个璀璨的时代,我们都不光自己在发光,也能借到别人的光。

参考文献

[1] United States Patent US9219464 - Bulk Acoustic Wave (BAW) Resonator Structure Having an Electrode with a Cantilevered Portion and a Piezoelectric Layer with Multiple Dopants: https://patentimages.storage.googleapis.com/a4/25/02/1e0ba32593084f/US9219464.pdf

[2] United States Patent US8232845B2 - Packaged Device with Acoustic Resonator and Electronic Circuitry and Method of Making the Same: https://patentimages.storage.googleapis.com/8f/92/b0/ed6ee6c47a65d3/US8232845.pdf

[3] United States Patent US8143082B2 - Wafer Bonding of Micro-electro Mechanical Systems to Active Circuitry: https://patentimages.storage.googleapis.com/9d/59/fa/6486ad02d1a6c3/US8143082.pdf

[4] United States Patent US20220103147A1 - Lithium Niobate or Lithium Tantalate FBAR Structure and Fabricating Method Thereof

[5] 中华人民共和国国家知识产权局发明专利CN113556098B - 体声波谐振器封装结构

[6] 马书英,王姣,刘轶,等. 浅析CMOS图像传感器晶圆级封装技术[J]. 电子与封装, 2021, 21(10): 100108

责编: 爱集微
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