SAW濾波器WLP封裝中腔體抗模壓塌陷研究

摘 要：通過對(duì)聲表面波濾波器晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)的探討，針對(duì)在模組封裝時(shí)器件塌陷成因進(jìn)行了有限元仿真模型研究，模擬了不同模壓量對(duì)器件中腔體最大的塌陷量位置。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了一種新的金屬加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，在3 MPa較高模壓量時(shí)塌陷量幾乎為0，解決了聲表面波濾波器晶圓級(jí)封裝芯片灌封壓力導(dǎo)致的塌陷問題，降低了器件及模組失效風(fēng)險(xiǎn)，是一種聲表面波濾波器晶圓級(jí)封裝的新技術(shù)。

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(lǐng)域，隨著5G時(shí)代的到來，因通訊頻段的增加，故需在一個(gè)手機(jī)內(nèi)放入大量的濾波器，芯片及封裝向著更小、更薄的方向發(fā)展。從傳統(tǒng)的打線表面貼裝(SMD)發(fā)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(jí)封裝(WLP)利用一種貼膜設(shè)備可以在晶圓表面貼上兩層A公司生產(chǎn)的聚酰亞胺膜，形成一個(gè)空腔，將工作區(qū)域保護(hù)起來，同時(shí)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(dòng)終端對(duì)尺寸的要求。

WLP封裝工藝的成功應(yīng)用，使SAW濾波器從單體濾波器組合逐步向模組集成方向發(fā)展。但由于SAW濾波器設(shè)計(jì)的原因，很多腔體的尺寸過大(達(dá)到300 μm×400 μm)。在射頻前端模組封裝時(shí)，由于灌封時(shí)的高溫導(dǎo)致該封裝材料的機(jī)械強(qiáng)度下降，而無法抵御灌封時(shí)的高壓力；同時(shí)，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(gè)SAW濾波器無法工作，從而導(dǎo)致整個(gè)模組失效[2]。

1 結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(zhǎng)；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(gè)指條數(shù)量相對(duì)較多，這導(dǎo)致在低頻段的一些設(shè)計(jì)中不可避免地存在相對(duì)大的指條區(qū)域，則必須要大的空腔，其尺寸可達(dá)300 μm×400 μm。

在一定壓力下，膜的變形量可按照如下的關(guān)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(shí)需要降低空腔面積。當(dāng)然，我們也可在腔體中間加入起支撐作用的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。將左側(cè)的一個(gè)大腔體分為幾個(gè)小腔體，這樣能提高器件的抗模壓能力。

圖2 分腔示意圖

對(duì)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(gè)定性的角度來討論形變量的大小。為了對(duì)塌陷情況進(jìn)行研究，我們采用的模型如圖3所示，其中一個(gè)腔體大小為 297 μm×525 μm。相關(guān)材料參數(shù)如表1所示，其中泊松比為廠家推薦值。

圖3 模壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

表1 有限元仿真模擬量列表

按照3 MPa、5 MPa的正壓力(實(shí)際灌封壓力應(yīng)小于該壓力)定性地進(jìn)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(xiàn)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(xiàn)在一個(gè)約300 μm×400 μm的腔體位置，塌陷量約為3.71 μm，而空腔結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及優(yōu)化

根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)際器件的測(cè)試，整個(gè)器件的腔體設(shè)計(jì)與軟件模擬的各項(xiàng)尺寸一致。在實(shí)際模壓灌封時(shí)分為兩步：

1) 采用3 MPa壓力觀察塌陷情況，若無塌陷，則進(jìn)行下一步。

2) 繼續(xù)增加壓力至5 MPa，觀察塌陷情況。

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)壓力為3 MPa，溫度為180 ℃，時(shí)間為90 s時(shí)，空腔剩余量為2.24 μm，即塌陷量約為10 μm，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果差距較大，如圖6所示。在實(shí)際灌封時(shí)還存在如基板翹曲、器件到灌封口的遠(yuǎn)近等因素，這無法在仿真軟件中進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果僅作為方向性等[3]。

圖6 3 MPa模壓下的實(shí)測(cè)結(jié)果

2.2 優(yōu)化方案

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

圖7 金屬加強(qiáng)層位置

設(shè)壓力為3 MPa，溫度為180 ℃，時(shí)間為90 s，對(duì)該結(jié)構(gòu)的抗模壓能力進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果如圖8所示。

圖8 金屬加強(qiáng)層3 MPa下塌陷量模擬結(jié)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(duì)此器件的實(shí)物進(jìn)行模壓灌封實(shí)驗(yàn)，設(shè)壓力為3 MPa，溫度為180 ℃，時(shí)間為90 s，進(jìn)行多個(gè)器件的模壓，再進(jìn)行磨片分析。實(shí)物測(cè)試照片如圖9、10所示。

圖9 帶金屬加強(qiáng)層模壓實(shí)測(cè)結(jié)果(3 MPa)

圖10 模壓實(shí)測(cè)細(xì)節(jié)

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

更進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行多次試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)，整個(gè)腔體能夠抵御3 MPa模壓的壓力，只出現(xiàn)了輕微變形，如圖11所示。

圖11 模壓實(shí)測(cè)結(jié)果

此加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)于采用一種最簡(jiǎn)易的金屬材料，其加強(qiáng)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(jié)構(gòu)也有兩個(gè)地方需要進(jìn)一步研究,即：

1) 該結(jié)構(gòu)對(duì)于性能是否有影響[4]。

2) 該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在聲表模組里使用，還需考慮此結(jié)構(gòu)對(duì)于器件性能的影響，這種金屬結(jié)構(gòu)在一定程度上成為了一個(gè)天線或電感的結(jié)構(gòu)[5]。為此，我們進(jìn)行了相關(guān)的性能測(cè)試工作，按照這個(gè)結(jié)構(gòu)中芯片的頻率，對(duì)有無金屬層器件在性能方面進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試工作，如圖12所示。

圖12 實(shí)測(cè)曲線

由圖12可知，在這個(gè)頻段上，加入金屬層與未加入金屬層的測(cè)試曲線基本重合，這說明金屬層的加入對(duì)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(jié)合力不及頂膜的結(jié)合力，因此考慮到整個(gè)模組的長(zhǎng)期可靠性，設(shè)計(jì)了其他圖形結(jié)構(gòu)，如圖13所示。

圖13 其他加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié)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(duì)器件中腔體最大的位置塌陷量。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證及金屬加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，獲得3 MPa模壓量時(shí)仍能保持空腔高度的方法，解決了聲表面波濾波器晶圓級(jí)封裝芯片灌封壓力導(dǎo)致的塌陷問題，有利于降低器件及模組的失效風(fēng)險(xiǎn)。