阅读说明：本技术 一种薄膜体声波器件封装结构及其封装方法 (Thin film bulk acoustic wave device packaging structure and packaging method thereof ) 是由 刘娅 马晋毅 徐阳 田本朗 梁柳洪 龙飞 蒋平英 张必壮 谭发曾 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本专利涉及一种薄膜体声波器件封装结构及其封装方法,属于薄膜体声波滤波器晶圆封装技术领域；所述封装结构包括硅晶圆以及有机感光膜支撑墙和有机感光膜盖板,在硅晶圆上方形成具有膜层结构的功能芯片；在功能芯片的两肩处形成有向上凸起的焊盘电极；在焊盘电极的周围安装有机感光膜支撑墙,所述有机感光膜支撑墙通过热固化连接在硅晶圆上；在功能芯片正下方设置有功能区下空腔；在所述有机感光膜支撑墙的上方安装有机感光膜盖板,从而在功能芯片上方形成功能区上空腔；在所述有机感光膜盖板以及所述有机感光膜支撑墙上设置有相同圆心不同直径的电极孔,并在电极孔内镀有金属。本专利制备工艺简单、成本较低、适合大规模稳定量产。(The patent relates to a film bulk acoustic wave device packaging structure and a packaging method thereof, belonging to the technical field of film bulk acoustic wave filter wafer packaging; the packaging structure comprises a silicon wafer, an organic photosensitive film support wall and an organic photosensitive film cover plate, and a functional chip with a film structure is formed above the silicon wafer; pad electrodes protruding upwards are formed on two shoulders of the functional chip; installing an organic photosensitive film support wall around the pad electrode, wherein the organic photosensitive film support wall is connected to the silicon wafer through thermal curing; a functional area lower cavity is arranged right below the functional chip; installing an organic photosensitive film cover plate above the organic photosensitive film support wall, thereby forming a functional area upper cavity above the functional chip; electrode holes with the same circle center and different diameters are formed in the organic photosensitive film cover plate and the organic photosensitive film supporting wall, and metal is plated in the electrode holes. The preparation method is simple in preparation process, low in cost and suitable for large-scale stable mass production.)

一种薄膜体声波器件封装结构及其封装方法

技术领域

本专利涉及一种薄膜体声波器件封装结构及其封装方法，属于薄膜体声波滤波器晶圆封装技术领域。

背景技术

目前，薄膜体声波滤波器(FBAR)的小型化封装均采用灌封树脂封装的封装形式。未来对于微型化的封装要求更高，灌封树脂对于污染问题很难控制。而薄膜体声波滤波器对工作表面要求很高，不能被污染。因此灌封树脂的封装形式难以满足实际使用需要。也有采用陶瓷外壳平行焊接的封装结构，即在外壳上制作出一个深腔结构，将裸芯片粘接于深腔内，并通过引线与外部电极电连接，然后向深腔内充入氮气以置换其内的空气，最后通过盖板将深腔封闭即可。

虽然这样的封装结构满足器件不能被污染的要求，但至少存在以下两方面不足：(1)器件难以小型化，目前最小的陶瓷外壳为1.6mm*1.2mm且厚度都在1mm以上，在未来的移动设备中无法使用，仅能使用在基站中，应用场合受到很大影响；(2)加工效率低，由于每个器件需要分别加工，且为了使芯片处于洁净不被污染的环境存在氮气与空气的置换，故封装效率比较低下。目前有开始用倒装焊将薄膜体声波滤波器裸芯片焊接在基板上，通过真空压力将树脂膜或者粘片膜贴装于基板上包裹住裸芯片，通过这样的手段，使器件内部与外部形成了隔绝的两个部分，从而保护裸芯片表面不被污染以及密封的效果，保护了薄膜体声波滤波器的工作面，使器件可以正常工作，但是封装后器件尺寸总厚度较厚，在0.6mm以上。有公司在晶圆级封装方法中也有采用Si作为盖帽晶圆，但是该方法在键合后需要减薄和深硅刻蚀，减薄和深硅刻蚀碎片率都较高，工艺流程较长使加工成本较高。

本单位于2019年申请的专利CN110729979A公开了一种薄膜体声波滤波器晶圆级封装方法及其结构，该专利采用陶瓷基板作封盖材料，通过金属键合的方式，使器件内部与外部形成了隔绝的两个部分，从而保护裸芯片表面不被污染，保护了薄膜体声波滤波器件的工作面，使器件可以正常工作；该专利不需在薄膜体声波滤波器和陶瓷基板键合后，进行晶圆减薄和深硅刻蚀等过程，可避免在减薄和刻蚀孔时晶圆裂片的风险，并且可缩短工艺流程和封装时间，同时减少了封装成本。

虽然该专利能够解决现有技术所存在的器件难以小型化以及加工效率低的问题，但是考虑到键合金属层等工艺需要进行一定的工艺流程，工艺难度较为复杂；因此仍然需要提供另外一种制备工艺简单、成本较低、适合大规模稳定量产的薄膜体声波滤波器。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种薄膜体声波滤波器晶圆级(Wafer Level Package，WLP)封装结构和工艺，本发明采用有机感光膜作封盖材料。本封装工艺能够实现芯片小型化、易加工、流程短和成本低的特点。本发明提供了多方面的方案，包括一种薄膜体声波器件封装结构及其封装方法以解决上述技术问题。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种薄膜体声波器件封装结构，所述结构包括硅晶圆以及有机感光膜支撑墙和有机感光膜盖板；在功能芯片的两肩处形成有向上凸起的焊盘电极；在功能芯片焊盘电极的周围安装有机感光膜支撑墙，所述有机感光膜支撑墙通过热固化连接在硅晶圆上；在所述功能芯片的正下方设置有功能区下空腔；在所述有机感光膜支撑墙的上方安装有机感光膜盖板，从而在功能芯片上方形成功能区上空腔；所述功能区上空腔和所述功能区下空腔将所述功能芯片包裹在内；在所述有机感光膜盖板以及所述有机感光膜支撑墙上设置有相同圆心不同直径的电极孔，并在电极孔内镀有金属。

在本发明的第二方面，本发明提供了一种优选的薄膜体声波器件封装结构，包括硅晶圆以及有机感光膜支撑墙和有机感光膜盖板，在硅晶圆上方形成有具有膜层结构的功能芯片；在功能芯片的两肩处形成有向上凸起的焊盘电极；在功能芯片焊盘电极的周围安装有机感光膜支撑墙，所述有机感光膜支撑墙通过热固化连接功能晶圆；在功能芯片正下方位于硅晶圆上设置有功能区下空腔，在所述有机感光膜支撑墙的上方安装有机感光膜盖板，从而在功能芯片上方形成功能区上空腔；所述功能区上空腔和所述功能区下空腔将所述功能芯片包裹在内；在所述有机感光膜盖板以及所述有机感光膜支撑墙上设置有相同圆心不同直径的电极孔，并在电极孔内镀有金属；在所述电极孔的上方还安装有外部焊球；所述外部焊球位于所述有机感光膜盖板的上表面。

进一步的，所述功能芯片为薄膜体声波器件。

进一步的，所述有机感光膜支撑墙的厚度为10～20um。

进一步的，所述有机感光膜盖板的厚度为20～50um。

在本发明的第三方面，本发明还提供了一种薄膜体声波器件封装结构的封装方法，包括以下步骤：

步骤1)在硅晶圆上分别制备出膜层结构形成功能晶圆，通过光刻和刻蚀得到想要的图形，加工形成所需要的功能芯片；

步骤2)在功能芯片膜层结构的两侧上方分别安装有焊盘电极；

步骤3)在功能晶圆的芯片工作面采用专用贴膜机贴上有机感光膜；将贴膜后的功能晶圆依次进行曝光、显影和固化，从而在焊盘电极上方形成有包覆焊盘电极的有机感光膜支撑墙，并在有机感光膜支撑墙上形成有电极孔；

步骤4)在固化后带有有机感光膜支撑墙的功能晶圆上进行涂胶、曝光、显影和释放，释放出功能区所需的空腔，即功能区下空腔；

步骤5)在释放出功能区下空腔的功能晶圆上采用专用贴膜机再次贴上有机感光膜，构成有机感光膜盖板，并在与有机感光膜支撑墙相对应的位置处形成有相同圆心不同直径的电极孔；

步骤6)将再次贴膜后的功能晶圆进行曝光、显影和固化，使功能晶圆的工作区完全包覆在有机感光膜中，使得有机感光膜支撑墙、有机感光膜盖板、焊盘电极以及功能晶圆共同形成一个谐振腔；

步骤7)在有机感光膜盖板和有机感光膜支撑墙的电极孔填充金属物，并形成导电极。

在本发明的第四方面，本发明还提供了一种优选的薄膜体声波器件封装结构的封装方法，包括以下步骤：

步骤1)在同一片硅晶圆上分别制备出膜层结构形成功能晶圆，通过光刻和刻蚀得到想要的图形，加工形成所需要的功能芯片；

步骤2)在功能芯片膜层结构的两侧上方即两肩处分别安装有向上凸起的焊盘电极；

步骤3)在功能晶圆的芯片工作面采用专用贴膜机贴上有机感光膜；将贴膜后的功能晶圆依次进行曝光、显影和固化，从而在焊盘电极上方形成有包覆焊盘电极的有机感光膜支撑墙，并在有机感光膜支撑墙上形成有电极孔；

步骤4)在固化后带有有机感光膜支撑墙的功能晶圆上进行涂胶、曝光、显影和释放，释放出功能区所需的空腔，即功能区下空腔；

步骤5)在释放出功能区下空腔的功能晶圆上采用专用贴膜机再次贴上有机感光膜，构成有机感光膜盖板，并在与有机感光膜支撑墙相对应的位置处形成有相同圆心不同直径的电极孔；

步骤6)将再次贴膜后的功能晶圆进行曝光、显影和固化，使功能晶圆的工作区完全包覆在有机感光膜中，使得有机感光膜支撑墙、有机感光膜盖板、焊盘电极以及功能晶圆共同形成一个谐振腔；

步骤7)在有机感光膜盖板和有机感光膜支撑墙的电极孔填充金属物，并形成导电极；

步骤8)在导电极的金属表面制作有外部焊球。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用硅片晶圆作为功能晶圆与有机感光膜进行封装，避免了两个晶圆因为键合、刻孔和减薄造成的晶圆或芯片裂片。

(2)本发明的封装方式采用的是先制作有机感光膜支撑墙，再释放牺牲层空腔，可避免芯片在贴膜时被压塌陷或破裂而导致器件性能恶化或失效。

(3)本发明的封装方式采用的是有机感光膜和硅片晶圆直接进行贴膜封装，不需制作键合金属层、刻蚀盖帽晶圆导通孔和键合等工艺，大大缩短了工艺流程，同时降低加工成本。

(4)当在功能晶圆的上方安装多个功能芯片时，由于WLP晶圆级封装的功能芯片无需切割成单颗芯片，采用有机感光膜作为盖帽材料，只需要贴膜、光刻和固化，即可将整片包括多片功能芯片的功能晶圆直接进行贴膜封装，可降低工艺难度，也不会降低每片芯片的封装效果，能大大提高加工效率，更适合大规模稳定量产。与硅片盖帽相比，采用有机膜较硅片盖帽成本低，有机膜封装无论在材料成本或制成成本，都会更加有优势，并且良率的提升也对成本有一定的贡献。

附图说明

图1为本发明的一种薄膜体声波器件封装结构图；

图2为本发明的一种薄膜体声波器件封装结构的封装方法流程图；

图3为本发明优选的一种薄膜体声波器件封装结构图；

图4为本发明优选的一种薄膜体声波器件封装结构的封装方法流程图；

图5为本发明提供的一种具有膜层结构的薄膜体声波器件封装结构图；

其中，10、11功能晶圆，20、21功能区下空腔，30、31功能芯片，40、41焊盘电极，50、51有机感光膜支撑墙，60、61有机感光膜盖板，70、71电极孔，80、81功能区上空腔，91、外部焊球，311、种子层，312、下电极、313、压电层，314、上电极、315、加厚层，316、保护层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明的薄膜体声波器件封装结构，如图1所示，所述封装结构包括硅晶圆以及有机感光膜支撑墙50和有机感光膜盖板60，在硅晶圆上方制备出膜层结构形成功能晶圆10，并通过光刻和刻蚀加工图形，加工构成功能芯片30；在功能芯片30的两肩处即膜层结构的两侧上方形成有向上凸起的焊盘电极40；在焊盘电极40的周围安装有机感光膜支撑墙50，所述有机感光膜支撑墙50通过热固化连接功能晶圆10；在功能芯片30正下方位于功能晶圆10上设置有功能区下空腔20；在所述有机感光膜支撑墙50的上方安装有机感光膜盖板60，从而在功能芯片上方形成功能区上空腔80；所述功能区上空腔80和所述功能区下空腔20将所述功能芯片30包裹在内；在所述有机感光膜盖板60以及所述有机感光膜支撑墙50上设置有相同圆心不同直径的电极孔70，并在电极孔70内镀有金属层。

本发明中，硅晶圆加工成芯片后就是功能晶圆，功能晶圆划成小的器件就是功能芯片，硅晶圆是工艺生产的原始材料，而芯片属于工艺生产的成品产物；为了方便理解和描述，本发明中的功能芯片特指硅晶圆上方的膜层结构，本发明中的功能晶圆特指从硅晶圆制备出膜层结构后的整体结构。

本发明为了方便标识，将所有附图中有机感光膜盖板以及所述有机感光膜支撑墙上的电极孔设置为相同直径大小，但可以理解的是，两者直径的实际大小是不同的，一般而言是有机感光膜盖板的电极孔直径大于有机感光膜支撑墙的电极孔直径。

基于如图1所示的薄膜体声波器件封装结构，本发明提供了一种新的薄膜体声波器件封装结构的封装方法，如图2所示，所述方法包括：

步骤101、在同一片硅晶圆上分别制备出膜层结构形成功能晶圆10，通过光刻和刻蚀得到想要的图形，加工形成所需要的功能芯片30；

步骤102、在功能芯片膜层结构的两侧上方即两肩处分别安装有向上凸起的焊盘电极40；

步骤103、在功能晶圆的芯片工作面采用专用贴膜机贴上有机感光膜；将贴膜后的功能晶圆依次进行曝光、显影和固化，从而在焊盘电极上方形成有包覆焊盘电极40的有机感光膜支撑墙50，并在有机感光膜支撑墙上形成有电极孔70；

步骤104、在固化后带有有机感光膜支撑墙的功能晶圆上进行涂胶、曝光、显影和释放，释放出功能区所需的空腔，即功能区下空腔20；

步骤105、在释放出功能区下空腔20的功能晶圆上采用专用贴膜机再次贴上有机感光膜，构成有机感光膜盖板60，并在与有机感光膜支撑墙50相对应的位置处形成有相同圆心不同直径的电极孔70；

步骤106、将再次贴膜后的功能晶圆进行曝光、显影和固化，使功能芯片的工作区完全包覆在有机感光膜中，使得有机感光膜支撑墙50、有机感光膜盖板60、焊盘电极40以及功能晶圆10共同形成一个谐振腔；

步骤107、在有机感光膜盖板60和有机感光膜支撑墙50的电极孔70填充金属物，并形成导电极。

图3是本发明优选的一种薄膜体声波器件封装结构，如图3所示，所述封装结构包括硅晶圆以及有机感光膜支撑墙51和有机感光膜盖板61，在硅晶圆上方制备出膜层结构形成功能晶圆11，并通过光刻和刻蚀加工图形，加工构成功能芯片31；在功能芯片31的两肩处即膜层结构的两侧上方形成有向上凸起的焊盘电极41；在功能晶圆11的上方位于功能芯片31的外侧安装有焊盘电极41；在焊盘电极41的周围安装有机感光膜支撑墙51，所述有机感光膜支撑墙51通过热固化连接功能晶圆11；在所述功能晶圆11内部设置有功能区下空腔21；在所述有机感光膜支撑墙51的上方安装有机感光膜盖板61，从而在功能芯片上方形成功能区上空腔81；所述功能区上空腔81和所述功能区下空腔21将所述功能芯片31包裹在内；在所述有机感光膜盖板61以及所述有机感光膜支撑墙51上设置有相同圆心不同直径的电极孔71，并在电极孔71内镀有金属层；在所述电极孔71的上方还安装有外部焊球91；所述外部焊球91位于所述有机感光膜盖板61的上表面。

本实施例较前述实施例将功能芯片31的焊盘电极41通过填充有金属的电极孔71和外部焊球91实现电连接，通过这种封装方式封装后的结构(器件)即可直接通过外部焊球91与PCB板电连接。

基于如图3所示的优选的薄膜体声波器件封装结构，本发明提供了一种优选的薄膜体声波器件封装结构的封装方法，如图4所示，所述方法包括：

步骤201、在同一片硅晶圆上分别制备出膜层结构形成功能晶圆11，通过光刻和刻蚀得到想要的图形，加工形成所需要的功能芯片31；

步骤202、在功能芯片膜层结构的两侧上方即两肩处分别安装有向上凸起的焊盘电极41；

步骤203、在功能晶圆的芯片工作面采用专用贴膜机贴上有机感光膜；将贴膜后的功能晶圆依次进行曝光、显影和固化，从而在焊盘电极上方形成有包覆焊盘电极41的有机感光膜支撑墙51，并在有机感光膜支撑墙51上形成有电极孔71；

其中，有机感光膜支撑墙上的电极孔是在进行有机感光膜支撑墙光刻的时候就形成了，该电极孔属于通孔，并与其下方的焊盘电极进行连接。

可以理解的是，为了更好的说明本发明所改进之处，本发明在对薄膜体声波器件封装结构进行封装时，需要对该封装结构进行光刻等过程进行了省略，主要重点描述了本发明的改进之处；这些省略过程，本领域技术人员可以通过常规技术手段的推断获得，例如在光刻和刻蚀得到想要的图形包括电极孔图形、释放孔图形等等，具体形成了有机感光膜支撑墙的电极孔以及在功能晶圆上形成了能进入牺牲层的释放孔，其中，牺牲层设置在功能晶圆上，释放孔位于功能芯片附近，该释放孔需要保证能够通过释放气体，从释放孔中与牺牲层的材料反应逐渐形成空腔。

步骤204、在固化后带有有机感光膜支撑墙的功能晶圆上进行涂胶、曝光、显影和释放，释放出功能区所需的空腔，即功能区下空腔21；

释放过程是采用Xe₂F气体通过释放孔与功能芯片的牺牲材料反应从而形成空腔，这里的功能芯片的牺牲材料其本质是在硅晶圆上所设置的材料，在一种可实现方式中，将硅晶圆作为结构材料，可以先在硅晶圆上表面淀积一层牺牲层材料，主要可以采用氧化硅、多晶硅、光刻胶等材料，在完成第一次有机感光膜涂覆后，再通过Xe₂F气体将牺牲层腐蚀掉，从而形成功能区下空腔，这样的好处在于先制作有机感光膜支撑墙，再释放出牺牲层空腔，可避免功能芯片在贴膜时被压塌陷或破裂而导致器件性能恶化或失效。

步骤205、在释放出功能区下空腔21的功能晶圆11上采用专用贴膜机再次贴上有机感光膜，构成有机感光膜盖板61，并在与有机感光膜支撑墙51相对应的位置处形成有相同圆心不同直径的电极孔71；

步骤206、将再次贴膜后的功能晶圆进行曝光、显影和固化，使功能晶圆的工作区完全包覆在有机感光膜中，使得有机感光膜支撑墙51、有机感光膜盖板61、焊盘电极41以及功能晶圆11共同形成一个谐振腔；

步骤207、在有机感光膜盖板和有机感光膜支撑墙的电极孔填充金属物，并形成导电极；

步骤208、在导电极的金属表面制作有外部焊球91。

在上述实施例中，作为一种可实现方式，当一个功能晶圆内包含多个功能芯片时，则将所有功能芯片的工作面设置为朝向相同，且所有功能芯片基于同一功能晶圆而连接成为整体。

在上述实施例中，作为一种可实现方式，所述有机感光膜支撑墙的厚度为10～20um，本实施例考虑通过改变有机感光膜支撑墙上的结构参数来消除工艺误差所带来的负面影响，因此，设置了10～20um的有机感光膜支撑墙厚度，该厚度能够保证既能缩小整个封装结构的厚度，又能保证器件性能。

在上述实施例中，作为一种可实现方式，所述有机感光膜盖板的厚度为20～50um，本实施例考虑到如果盖板的膜太薄会造成盖板塌陷的风险，破坏谐振腔结构，而设置太厚则会影响整个封装结构的厚度，通过综合考虑，最终确定了上述厚度。

通过本发明实施例所设置的有机感光膜支撑墙，能够实现支持功能芯片，在支撑功能芯片的前提下，释放出功能晶圆的牺牲层空腔即功能区下空腔，可避免谐振器在贴膜时被压塌陷或破裂而导致器件性能恶化或失效。

在上述实施例中，作为一种可实现方式，所述金属种子层的厚度为50～1000nm。

在上述实施例中，作为一种可实现方式，所述形成导电极的过程包括将二次固化后的功能晶圆进行磁控溅射镀膜，并在有机感光膜盖板和有机感光膜支撑墙的电极孔内表面形成金属种子层；对功能晶圆进行电镀使电极孔内填满金属，去除电极孔以外的金属后形成导电极。

图5是一种具有膜层结构的功能芯片所构成的薄膜体声波器件封装结构，包括硅晶圆以及有机感光膜支撑墙和有机感光膜盖板，其中，膜层结构的功能芯片包括种子层311、下电极312、压电层313、上电极314、加厚层315和保护层316；在硅晶圆上设置有种子层311，在压电层313的下方设置有下电极312，在压电层313的上方形成有上电极314；从上下电极引出，分别对应设置有功能芯片的焊盘电极；并在上电极的上表面安装加厚层315和保护层316。

在一个实施例中，所述种子层311、下电极312、压电层313、上电极314、加厚层315和保护层316设置为相同长度，并且该长度长于功能区下空腔所形成的截面长度；并将下电极312和上电极314分别向焊盘电极引出。

在一个优选实施例中，为了保证上电极312具有更优的导电效果，本发明将上电极312和种子层311设置为相同长度，且长于压电层313等结构。

作为一个优选的方式，将下电极312和种子层311横向延伸至功能晶圆的一端；将上电极314延伸至功能晶圆的另一端；这种设计的好处在于，上下电极基本上都固定在硅晶圆上方；增大了功能芯片与硅晶圆之间的接触面积，使得功能芯片能够牢靠的固定在硅晶圆上方，利于整体结构的稳定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。