一种薄膜体声波谐振器的封装方法
阅读说明：本技术 一种薄膜体声波谐振器的封装方法 (Packaging method of film bulk acoustic resonator ) 是由 董树荣 轩伟鹏 金浩 骆季奎 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种薄膜体声波谐振器的封装方法。传统FBAR封装工艺复杂,对昂贵设备的依赖度也非常高。本发明通过简单工艺在FBAR压电振荡堆的第二电极上形成FBAR器件工作所需的空腔结构,通过增加介质层达到增加空腔强度的目的,确保空腔释放及芯片封装过程中设计的空腔不出现塌陷现象,不致影响器件性能,相比传统繁杂的薄膜体声波谐振器封装流程,本发明能够有效简化薄膜体声波谐振器封装制备流程,缩短产品制作周期,避免部分昂贵设备的使用。(The invention discloses a packaging method of a film bulk acoustic resonator. The traditional FBAR packaging process is complex, and the dependence on expensive equipment is very high. The cavity structure required by the operation of the FBAR device is formed on the second electrode of the FBAR piezoelectric oscillation stack through a simple process, the aim of increasing the cavity strength is achieved by adding the dielectric layer, the cavity release and the collapse phenomenon of the designed cavity in the chip packaging process are ensured not to occur, and the device performance is not influenced.)
技术领域
本发明属于薄膜体声波谐振器
技术领域
，具体涉及一种薄膜体声波谐振器的封装方法。背景技术
随着移动通讯技术的快速发展，高频段谐振器和滤波器的市场需求越来越大。而薄膜体声波谐振器(FBAR)与传统的微波陶瓷谐振器和声表面波谐振器相比具有体积小、损耗低、品质因子高、功率容量大、谐振频率高等优点，因此在相关领域尤其是高频通讯方面有着广阔的应用前景，成为了产业界和学术界的研究热门。
现在主流的FBAR结构主要有三种：背刻蚀型、空气隙型和固态装配型。背刻蚀型结构采用体微机械加工技术从衬底表面反向刻蚀去除大部分衬底材料，形成电振荡堆和空气的交界面，从而将声波限制在压电振荡内。衬底的大量移除势必影响器件机械强度，大大降低成品率。而固态装配型通过交替衬底高低声阻抗层来形成布拉格反射层实现声波限制。然而这种结构工艺过程中需制备多层薄膜，繁琐复杂，成本较高，而且布拉格反射层的声波限制效果不如空气，会导致器件性能差Q值低。空气隙型体声波谐振器基于表面微加工技术，通过在硅片的上表面先填充牺牲材料最后再将其移除的方法形成一个空气隙以限制声波于电振荡堆之内。这种结构不需要大量移除衬底造成器件牢固度下降，也不需要繁琐的工艺形成层层堆叠的声反射层就可以达到很好的声波限制效果，获得较高的Q值。目前Avago、富士通等多家公司的FBAR产品都采用了这种产品。
空气隙型FBAR封装工艺关键是在FBAR压电振荡堆第二电极上方形成FBAR器件工作所需的空腔结构。目前FBAR封装主要采用在另一衬底形成FBAR器件工作所需的空腔结构，再通过金属键合的方式将器件与衬底形成封装结构。采用这种封装方式的流程非常繁杂，例如需要先在另一衬底的表面形成FBAR器件工作所需的空腔结构，然后为了确保金属键合的牢固度，还需在衬底表面刻蚀大量的小凹槽来增加金属沉积的面积，因为采用的是键合方式，必须在衬底表面刻蚀出300-400μm左右的深孔，这种深度的刻蚀需要通过昂贵的刻蚀设备采用BOSCH工艺花费大量时间来完成。另外300-400μm深孔内部的金属填充效果也是一个难点。一般6寸衬底的厚度为675μm，衬底背面露出填充金属层需要将衬底背面减薄大约300-400μm的厚度，衬底在减薄过程中容易出现碎裂的风险。后续的器件与衬底精密对准工艺需要对准精度非常高的键合设备来完成。
总之传统的FBAR封装工艺流程不仅工艺复杂，对昂贵设备的依赖度也非常高，这些因素无形中都会增加FBAR器件的生产成本。FBAR器件封装采用器件与衬底金属键合的方式会大大增加FBAR器件的厚度，这与目前器件轻薄化的理念不符，因此亟需开发出新型的FBAR器件封装结构。
发明内容
为了解决传统薄膜体声波谐振器封装工艺繁杂、制作成本高等问题，本发明提供了一种薄膜体声波谐振器(FBAR)的封装方法，可以优化薄膜体声波谐振器封装制作流程，降低产品制作成本，并且可以将FBAR器件的厚度降低一倍左右，实现了器件的轻薄化，提升了产品市场竞争力。
本发明所采用的技术方案为：
本发明一种薄膜体声波谐振器的封装方法，所封装的薄膜体声波谐振器，包括衬底和压电振荡堆；压电振荡堆包括第一电极、压电层和第二电极；衬底上设有第一空腔；第一电极位于衬底上，并覆盖第一空腔；压电层覆盖第一电极及衬底；第二电极位于压电层上，该方法具体步骤如下：
步骤一：在薄膜体声波谐振器的第二电极部分表面上用低压化学气相沉积工艺淀积封装牺牲层，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化；
步骤二：在封装牺牲层表面以及封装牺牲层周围的压电层和第二电极的部分表面上用等离子体化学气相沉积淀积介质层，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化；所述的介质层覆盖封装牺牲层表面；
步骤三：在压电层表面采用等离子体或湿法腐蚀的方法图形化出两个通孔，且与压电层表面淀积有介质层的一侧靠近的通孔底部开口到第一电极上表面；
步骤四：与压电层表面淀积有介质层的一侧靠近的通孔内以及该通孔外沿的压电层表面上用热蒸发、磁控溅射或电镀方法沉积金属PAD层一，在另一个通孔内以及该通孔外沿的压电层表面上、第二电极的其余表面上和介质层的部分表面上用热蒸发、磁控溅射或电镀方法沉积金属PAD层二；所述的金属PAD层一与金属PAD层二不接触；然后，采用湿法腐蚀或金属剥离工艺对金属PAD层一和金属PAD层二进行图形化；
步骤五：通过湿法腐蚀的方式去除封装牺牲层，形成第二空腔；
步骤六：分别在金属PAD层一和金属PAD层二的部分表面焊接金属引线；
步骤七：通过注塑的方式在执行步骤六后的结构外封装芯片封装外壳；封装芯片封装外壳后，除金属PAD层一和金属PAD层二表面的金属引线上表面与芯片封装外壳上表面平齐外，执行步骤六后的其余结构均被封装在芯片封装外壳内；
步骤八：在金属PAD层一和金属PAD层二表面的金属引线上表面均焊接触点。
优选地，所封装薄膜体声波谐振器的第一空腔内谐振器牺牲层先不去除，而是在步骤五中与封装牺牲层一起通过湿法腐蚀的方式去除，形成第一空腔和第二空腔。
优选地，所述封装牺牲层的材料为氧化硅、氮化硅、有机物、磷硅酸盐玻璃或掺杂氧化硅；所述封装牺牲层的厚度为1-3μm，横向宽度为200μm-2000μm。
优选地，所述介质层的材料为氮化硅、氮化铝、氧化铝中的一种或多种任意组合；所述介质层的厚度为1-2μm；所述介质层的横向宽度为200μm-2000μm，且大于第一空腔的横向宽度。
优选地，在通孔形成后先用湿法腐蚀的方式将通孔内壁变粗糙。
优选地，所述金属PAD层一和金属PAD层二的材料为钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或多种任意组合，厚度为0.5-3μm；所述金属PAD层一与金属PAD层二的间隔为30-200μm。
优选地，所述第二空腔的横向宽度大于第一空腔。
优选地，所述金属引线的材料为金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或多种任意组合，长度为200-2000μm。
优选地，所述芯片封装外壳的材料为塑料、玻璃或陶瓷。
优选地，所述触点的材料为钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或多种任意组合。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过简单工艺在FBAR压电振荡堆的第二电极上形成FBAR器件工作所需的空腔结构，通过增加介质层达到增加空腔强度的目的，确保空腔释放及芯片封装过程中设计的空腔不出现塌陷现象，不致影响器件性能。本发明FBAR压电振荡堆中的第一、第二电极均直接与空气接触，形成金属-空气交界面，可以达到良好的声波限制作用。
2、本发明采用牺牲层、介质层、金属PAD层等简单工艺在原有FBAR器件上形成薄膜体谐振器工作所需的第二空腔，并且在第二空腔制作完成后利用现有结构直接做芯片封装，取代了传统的在第二衬底形成第二空腔后再进行深硅刻蚀、小凹槽刻蚀、金属电镀、晶圆减薄、晶圆键合等繁杂工艺后再进行芯片封装的流程。因此，相比传统繁杂的薄膜体声波谐振器封装流程，本发明能够有效简化薄膜体声波谐振器封装制备流程，缩短产品制作周期，避免部分昂贵设备的使用，例如：深硅刻蚀机台、金属键合机台等，流程的简化意味着器件制作成本的降低。并且本发明设计的封装结构可以实现FBAR器件的轻薄化，这些优势将极大提高产品的竞争力。
附图说明
图1是薄膜体声波谐振器未去除谐振器牺牲层之前的结构示意图；
图2是在图1结构的第二电极上淀积封装牺牲层的结构示意图；
图3是在图2结构上淀积介质层的结构示意图；
图4是在图3结构的压电层上形成通孔的结构示意图；
图5是在图4结构上沉积金属PAD层一和金属PAD层二的结构示意图；
图6是在图5结构上释放谐振器牺牲层和封装牺牲层后的结构示意图；
图7是在图6结构的沉积金属PAD层一和金属PAD层二上通过金属引线连接触点并用芯片封装外壳包裹除触点外的整个器件的结构示意图。
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。
一种薄膜体声波谐振器的封装方法，所封装的薄膜体声波谐振器，包括衬底100和压电振荡堆；压电振荡堆包括第一电极102、压电层103和第二电极104；衬底100上设有第一空腔；第一电极102位于衬底100上，并覆盖第一空腔；压电层103覆盖第一电极102及衬底100；第二电极104位于压电层103上，如图1所示；该方法具体步骤如下：
步骤一：如图2所示，在薄膜体声波谐振器的第二电极104部分表面上用低压化学气相沉积工艺(LPCVD)淀积封装牺牲层105，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化；
步骤二：如图3所示，在封装牺牲层105表面以及封装牺牲层105周围的压电层103和第二电极104的部分表面上用等离子体化学气相沉积(PCVD)淀积介质层106，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化；介质层106覆盖封装牺牲层105表面；
步骤三：如图4所示，在压电层103表面采用等离子体或湿法腐蚀的方法图形化出沉积金属PAD用的两个通孔107；与压电层103表面淀积有介质层106的一侧靠近的通孔107底部开口到第一电极102上表面；
步骤四：如图5所示，与压电层103表面淀积有介质层106的一侧靠近的通孔107内以及该通孔107外沿的压电层103表面上用热蒸发、磁控溅射或电镀方法沉积金属PAD层一108-1，在另一个通孔107内、该通孔107外沿的压电层103表面上、第二电极104的其余表面上以及介质层106的部分表面上用热蒸发、磁控溅射或电镀方法沉积金属PAD层二108-2；金属PAD层一108-1与金属PAD层二108-2不接触；然后，采用湿法腐蚀或金属剥离工艺(lift-off)的方法对金属PAD层一108-1和金属PAD层二108-2进行图形化；
步骤五：如图6所示，通过湿法腐蚀的方式去除封装牺牲层105，形成第二空腔；
步骤六：如图7所示，分别在金属PAD层一108-1和金属PAD层二108-2的部分表面焊接金属引线109；
步骤七：如图7所示，通过注塑的方式在执行步骤六后的结构外封装芯片封装外壳110；封装芯片封装外壳110后，除金属PAD层一108-1和金属PAD层二108-2表面的金属引线109上表面与芯片封装外壳110上表面平齐外，执行步骤六后的其余结构均被封装在芯片封装外壳110内；
步骤八：在金属PAD层一108-1和金属PAD层二108-2表面的金属引线109上表面均焊接触点111。
优选地，所封装薄膜体声波谐振器的第一空腔内谐振器牺牲层101先不去除，而是在步骤五中与封装牺牲层105一起通过湿法腐蚀的方式去除，形成第一空腔和第二空腔。图1-图7所示封装过程，便是采用谐振器牺牲层101和封装牺牲层105一起通过湿法腐蚀去除的方式。
优选地，封装牺牲层105的材料为氧化硅、氮化硅、有机物、磷硅酸盐玻璃(PSG)或掺杂氧化硅；封装牺牲层105的厚度为1-3μm，横向宽度为200μm-2000μm。更优选地，封装牺牲层105的厚度为1μm。
优选地，介质层106的材料为氮化硅、氮化铝、氧化铝中的一种或多种任意组合；介质层106的厚度为1-2μm；介质层106的横向宽度为200μm-2000μm，且大于第一空腔的横向宽度。更优选地，介质层106的厚度为1μm。
优选地，为了增强金属PAD的黏附性，在通孔形成后用湿法腐蚀的方式将通孔107内壁变粗糙。
优选地，金属PAD层一108-1和金属PAD层二108-2的材料为钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或多种任意组合，厚度为0.5-3μm；金属PAD层一108-1与金属PAD层二108-2的间隔为30-200μm。更优选地，沉积金属PAD层一108-1和金属PAD层二108-2的厚度均为2μm。
优选地，第二空腔的横向宽度大于第一空腔。
优选地，金属引线109的材料为金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或多种任意组合，长度为200-2000μm。更优选地，金属引线109的长度为400μm。
优选地，芯片封装外壳110的材料为塑料、玻璃或陶瓷。
优选地，触点111的材料为钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或多种任意组合。
优选地，本发明封装方法所封装的薄膜体声波谐振器，衬底100的材料可以为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅、陶瓷中的一种或多种任意组合；第一空腔的截面可以为梯型、三角形、长方形或正方形；谐振器牺牲层101的材料可以为氧化硅、氮化硅、有机物、磷硅酸盐玻璃或掺杂氧化硅；谐振器牺牲层101的厚度为1-10μm，横向宽度为50-500μm；第一电极102和第二电极104的材料为钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或多种任意组合，厚度为100-300nm；为了提高第一电极102的沉积质量，可以先在牺牲层101上沉积10-40nm的压电层种子层(本发明未画出)，然后在压电层种子层上沉积第一电极102；压电层103的材料为氮化铝、掺杂氮化铝、氧化锌、镍酸锂、锆钛酸铅、铌酸锂、锆酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、硫化镉、石英中的一种或多种任意组合，横向宽度为50μm-600μm。
优选地，本发明封装方法所封装的薄膜体声波谐振器，制备过程如下：
步骤(1)：对衬底100使用丙酮和异丙醇进行超声水洗，衬底的晶体取向为(111)或(100)；
步骤(2)：如图1所示，采用基于BOSCH工艺的ICP刻蚀在衬底上刻蚀出深度为3μm、横向宽度为200μm的第一空腔；
步骤(3)：如图1所示，在衬底100的第一空腔内用低压化学气相沉积工艺(LPCVD)淀积厚度为3-4μm的磷硅酸盐玻璃(PSG)作为谐振器牺牲层101，并通过化学机械研磨(CMP)进行图形化；
步骤(4)：如图1所示，在谐振器牺牲层101整个上表面以及衬底100位于谐振器牺牲层101周围的部分表面上采用热蒸发或磁控溅射方法沉积厚度为230nm的金属钼作为第一电极102，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化；
步骤(5)：如图1所示，在第一电极102表面及衬底100的其余表面上溅射压电层103；压电层103覆盖第一电极102表面；压电层103采用C轴取向，厚度为1μm；溅射气流采用氮气和氩气，氮气和氩气流量分别为20sccm和10sccm，生长速率低于25nm/min；
步骤(6)：如图1所示，采用热蒸发或磁控溅射方法在压电层103的部分表面上沉积厚度为170nm的金属钼作为第二电极104，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化。
所封装的薄膜体声波谐振器，可以在步骤(6)之后先通过湿法腐蚀的方式去除谐振器牺牲层101，也可以与封装过程中的封装牺牲层105一起通过湿法腐蚀的方式去除，本实施例采用了与封装过程中的封装牺牲层105一起通过湿法腐蚀的方式去除，这样可以节省一个工序。
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