摘 要：通過對聲表面波濾波器晶圓級封裝結構的探討，針對在模組封裝時器件塌陷成因進行了有限元仿真模型研究，模擬了不同模壓量對器件中腔體最大的塌陷量位置。經過實驗驗證，提出了一種新的金屬加強結構，在3 MPa較高模壓量時塌陷量幾乎為0，解決了聲表面波濾波器晶圓級封裝芯片灌封壓力導致的塌陷問題，降低了器件及模組失效風險，是一種聲表面波濾波器晶圓級封裝的新技術。

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器作為一種無源的濾波器，廣泛用于無線通訊領域，隨著5G時代的到來，因通訊頻段的增加，故需在一個手機內放入大量的濾波器，芯片及封裝向著更小、更薄的方向發展。從傳統的打線表面貼裝(SMD)發展到金球倒裝焊接的芯片尺寸封裝(CSP)，封裝面積比例從SMD(3 mm×3 mm)的27%增加到CSP(1.1 mm×0.9 mm)的48%[1]。最新的晶圓級封裝(WLP)利用一種貼膜設備可以在晶圓表面貼上兩層A公司生產的聚酰亞胺膜，形成一個空腔，將工作區域保護起來，同時使用電鍍等工藝將芯片外圍的焊盤引出至器件的表面，從而完成器件的封裝。按此方式制作的SAW濾波器體積小，尺寸與芯片尺寸一致，封裝面積比在90%以上，適合模組的集成操作，且滿足移動終端對尺寸的要求。

WLP封裝工藝的成功應用，使SAW濾波器從單體濾波器組合逐步向模組集成方向發展。但由于SAW濾波器設計的原因，很多腔體的尺寸過大(達到300 μm×400 μm)。在射頻前端模組封裝時，由于灌封時的高溫導致該封裝材料的機械強度下降，而無法抵御灌封時的高壓力；同時，SAW濾波器的芯片變形塌陷，SAW濾波器中的叉指換能器(IDT)接觸到頂膜材料，這樣整個SAW濾波器無法工作，從而導致整個模組失效[2]。

1 結構探討

1.1 WLP工藝制作流程

圖1為SAW濾波器WLP的工藝流程。

圖1 SAW濾波器的WLP制作流程

1.2 塌陷的形成及有限元仿真

SAW濾波器的設計需遵循最基本的公式：

v=λ×f

(1)

(2)

(3)

式中：v為材料聲速，一般為定值；λ為SAW波長；f為聲表濾波器頻率；a為金屬指條寬度。

由式(1)～(3)可知，f越低，a越寬。再加上通帶外抑制的需要，整個指條數量相對較多，這導致在低頻段的一些設計中不可避免地存在相對大的指條區域，則必須要大的空腔，其尺寸可達300 μm×400 μm。

在一定壓力下，膜的變形量可按照如下的關系推理：

m∝(p·s)/(h·E)

(4)

式中：m為形變量；p為灌封壓力；s為腔體接受壓力的面積；h為頂層材料的厚度；E為彈性模量。

在同一灌封壓力的前提下，為了提高膜的耐模壓能力，我們需要提高頂膜的厚度及其彈性模量，同時需要降低空腔面積。當然，我們也可在腔體中間加入起支撐作用的結構，如圖2所示。將左側的一個大腔體分為幾個小腔體，這樣能提高器件的抗模壓能力。

圖2 分腔示意圖

對于那些無法分腔的器件，只能采用其他辦法來保證腔體不塌陷。通過有限元分析軟件模擬這些灌封的形變，可從一個定性的角度來討論形變量的大小。為了對塌陷情況進行研究，我們采用的模型如圖3所示，其中一個腔體大小為 297 μm×525 μm。相關材料參數如表1所示，其中泊松比為廠家推薦值。

圖3 模壓試驗結構

表1 有限元仿真模擬量列表

按照3 MPa、5 MPa的正壓力(實際灌封壓力應小于該壓力)定性地進行模壓仿真分析，如圖4、5所示。

圖4 3 MPa下在最大腔體處出現了塌陷

圖5 5 MPa灌封壓力下器件腔體的最大塌陷量

由圖4可見，最大的塌陷位置出現在一個約300 μm×400 μm的腔體位置，塌陷量約為3.71 μm，而空腔結構中空氣腔厚為10～15 μm，并未塌陷到底部，器件可以正常工作。由圖5可見，器件中腔體最大的位置塌陷量為6.18 μm。

2 實驗結果及優化

根據模擬結果進行了實際器件的測試，整個器件的腔體設計與軟件模擬的各項尺寸一致。在實際模壓灌封時分為兩步：

1) 采用3 MPa壓力觀察塌陷情況，若無塌陷，則進行下一步。

2) 繼續增加壓力至5 MPa，觀察塌陷情況。

2.1 實驗結果

當壓力為3 MPa，溫度為180 ℃，時間為90 s時，空腔剩余量為2.24 μm，即塌陷量約為10 μm，實測結果與仿真結果差距較大，如圖6所示。在實際灌封時還存在如基板翹曲、器件到灌封口的遠近等因素，這無法在仿真軟件中進行模擬，仿真結果僅作為方向性等[3]。

圖6 3 MPa模壓下的實測結果

2.2 優化方案

通過在最大腔體位置處增加一層金屬來加強該結構，從而保證腔體的完整性，如圖7所示。

圖7 金屬加強層位置

設壓力為3 MPa，溫度為180 ℃，時間為90 s，對該結構的抗模壓能力進行有限元模擬，結果如圖8所示。

圖8 金屬加強層3 MPa下塌陷量模擬結果

由圖8可見，金屬層可以減少模壓的塌陷量(由3.71 μm減少到約2 μm)。我們對此器件的實物進行模壓灌封實驗，設壓力為3 MPa，溫度為180 ℃，時間為90 s，進行多個器件的模壓，再進行磨片分析。實物測試照片如圖9、10所示。

圖9 帶金屬加強層模壓實測結果(3 MPa)

圖10 模壓實測細節

由圖9、10可知，金屬層結構起到了支撐作用，整個腔體幾乎無塌陷(約為1 μm)，這樣的結構能滿足實際模組封裝的需要。

更進一步，我們將頂層膜的厚度從40 μm降低到25 μm，采用同樣的結構進行多次試驗均發現，整個腔體能夠抵御3 MPa模壓的壓力，只出現了輕微變形，如圖11所示。

圖11 模壓實測結果

此加強結構對于采用一種最簡易的金屬材料，其加強的效果明顯，能夠很好地抵御模組封裝中的壓力，保證器件的正常工作。但該結構也有兩個地方需要進一步研究,即：

1) 該結構對于性能是否有影響[4]。

2) 該結構金屬與灌封材料的粘附性如何。

3 其他問題

3.1 性能影響

由于該結構在聲表模組里使用，還需考慮此結構對于器件性能的影響，這種金屬結構在一定程度上成為了一個天線或電感的結構[5]。為此，我們進行了相關的性能測試工作，按照這個結構中芯片的頻率，對有無金屬層器件在性能方面進行了實際的測試工作，如圖12所示。

圖12 實測曲線

由圖12可知，在這個頻段上，加入金屬層與未加入金屬層的測試曲線基本重合，這說明金屬層的加入對器件性能的影響不大。

3.2 模組可靠性

由于模組用灌封樹脂和金屬的結合力不及頂膜的結合力，因此考慮到整個模組的長期可靠性，設計了其他圖形結構，如圖13所示。

圖13 其他加強結構示意

4 結束語

本文采用有限元仿真模型模擬3 MPa、5 MPa不同模壓量對器件中腔體最大的位置塌陷量。經試驗驗證及金屬加強結構的優化，獲得3 MPa模壓量時仍能保持空腔高度的方法，解決了聲表面波濾波器晶圓級封裝芯片灌封壓力導致的塌陷問題，有利于降低器件及模組的失效風險。