本文内容转载自《压电与声光》2020年第1期，版权归《压电与声光》编辑部所有。
唐代华，金中，司美菊，罗旋升，谢东峰，谢晓
中国电子科技集团公司第二十六研究所
摘要：通过对声表面波滤波器晶圆级封装结构的探讨，针对在模组封装时器件塌陷成因进行了有限元仿真模型研究，模拟了不同模压量对器件中腔体最大的塌陷量位置。经过实验验证，提出了一种新的金属加强结构，在３Mpa较高模压量时塌陷量几乎为0，解决了声表面波滤波器晶圆级封装芯片灌封压力导致的塌陷问题，降低了器件及模组失效风险，是一种声表面波滤波器晶圆级封装的新技术。
关键词：声表面波滤波器；晶圆级封装；灌封；射频前端模组
0 引言
声表面波（SAW）滤波器作为一种无源的滤波器，广泛用于无线通讯领域，随着5G时代的到来，因通讯频段的增加，故需在一个手机内放入大量的滤波器，芯片及封装向着更小、更薄的方向发展。从传统的打线表面贴装（SMD）发展到金球倒装焊接的芯片尺寸封装（CSP），封装面积比例从SMD（3mm × 3mm）的27%增加到CSP（1.1mm × 0.9mm）的48%。最新的晶圆级封装（WLP）利用一种贴膜设备可以在晶圆表面贴上两层A公司生产的聚酰亚胺膜，形成一个空腔，将工作区域保护起来，同时使用电镀等工艺将芯片外围的焊盘引出至器件的表面，从而完成器件的封装。按此方式制作的SAW滤波器体积小，尺寸与芯片尺寸一致，封装面积比在90%以上，适合模组的集成操作，且满足移动终端对尺寸的要求。
WLP封装工艺的成功应用，使SAW滤波器从单体滤波器组合逐步向模组集成方向发展。但由于SAW滤波器设计的原因，很多腔体的尺寸过大（达到300μm × 400μm）。在射频前端模组封装时，由于灌封时的高温导致该封装材料的机械强度下降，而无法抵御灌封时的高压力；同时，SAW滤波器的芯片变形塌陷，SAW滤波器中的叉指换能器（IDT）接触到顶膜材料，这样整个SAW滤波器无法工作，从而导致整个模组失效。
1 结构探讨
1.1 WLP工艺制作流程
图1为SAW滤波器WLP的工艺流程。
图1 SAW滤波器的WLP制作流程
1.2 塌陷的形成及有限元仿真
SAW滤波器的设计需遵循最基本的公式：
式中：ｖ为材料声速，一般为定值；λ为SAW波长；ｆ为声表滤波器频率；a为金属指条宽度。
由式（1） ～ （3）可知，f越低，a越宽。再加上通带外抑制的需要，整个指条数量相对较多，这导致在低频段的一些设计中不可避免地存在相对大的指条区域，则必须要大的空腔，其尺寸可达300μm × 400μm。
在一定压力下，膜的变形量可按照如下的关系推理：
式中：ｍ为形变量；ｐ为灌封压力；ｓ为腔体接受压力的面积；ｈ为顶层材料的厚度；Ｅ为弹性模量。
在同一灌封压力的前提下，为了提高膜的耐模压能力，我们需要提高顶膜的厚度及其弹性模量，同时需要降低空腔面积。当然，我们也可在腔体中间加入起支撑作用的结构，如图２所示。将左侧的一个大腔体分为几个小腔体，这样能提高器件的抗模压能力。
图2 分腔示意图
对于那些无法分腔的器件，只能采用其他办法来保证腔体不塌陷。通过有限元分析软件模拟这些灌封的形变，可从一个定性的角度来讨论形变量的大小。为了对塌陷情况进行研究，我们采用的模型如图3所示，其中一个腔体大小为297μm × 525μm。相关材料参数如表1所示，其中泊松比为厂家推荐值。
图3 模压试验结构
表1 有限元仿真模拟量列表
按照3Mpa、5Mpa的正压力（实际灌封压力应小于该压力）定性地进行模压仿真分析，如图4、5所示。
图4 3Mpa下在最大腔体处出现了塌陷
图5 5Mpa灌封压力下器件腔体的最大塌陷量
由图4可见，最大的塌陷位置出现在一个约300μm × 400μm的腔体位置，塌陷量约为3.71μm，而空腔结构中空气腔厚为10～15μm，并未塌陷到底部，器件可以正常工作。由图5可见，器件中腔体最大的位置塌陷量为6.18μm。
2 实验结果及优化
根据模拟结果进行了实际器件的测试，整个器件的腔体设计与软件模拟的各项尺寸一致。在实际模压灌封时分为两步：
1）采用3MPa压力观察塌陷情况，若无塌陷，则进行下一步。
2）继续增加压力至5MPa，观察塌陷情况。
2.1 实验结果
当压力为3MPa，温度为180℃，时间为90s时，空腔剩余量为2.24μm，即塌陷量约为10μm，实测结果与仿真结果差距较大，如图6所示。在实际灌封时还存在如基板翘曲、器件到灌封口的远近等因素，这无法在仿真软件中进行模拟，仿真结果仅作为方向性等。
图6 3MPa模压下的实测结果
2.2 优化方案
通过在最大腔体位置处增加一层金属来加强该结构，从而保证腔体的完整性，如图7所示。
图7 金属加强层位置
设压力为3MPa，温度为180℃，时间为90s，对该结构的抗模压能力进行有限元模拟，结果如图8所示。
图8 金属加强层3MPa下塌陷量模拟结果
由图8可见，金属层可以减少模压的塌陷量（由3.71μm 减少到约2μm）。我们对此器件的实物进行模压灌封实验，设压力为3MPa，温度为180℃，时间为90ｓ，进行多个器件的模压，再进行磨片分析。实物测试照片如图9、10所示。
图9 带金属加强层模压实测结果（3MPa）
图10 模压实测细节
由图9、10可知，金属层结构起到了支撑作用，整个腔体几乎无塌陷（约为1μm ），这样的结构能满足实际模组封装的需要。
更进一步，我们将顶层膜的厚度从40μm降低到25μm，采用同样的结构进行多次试验均发现，整个腔体能够抵御3MPa模压的压力，只出现了轻微变形，如图11所示。
图11 模压实测结果
此加强结构对于采用一种最简易的金属材料，其加强的效果明显，能够很好地抵御模组封装中的压力，保证器件的正常工作。但该结构也有两个地方需要进一步研究，即：
１）该结构对于性能是否有影响。
２）该结构金属与灌封材料的粘附性如何。
3 其他问题
3.1 性能影响
由于该结构在声表模组里使用，还需考虑此结构对于器件性能的影响，这种金属结构在一定程度上成为了一个天线或电感的结构。为此，我们进行了相关的性能测试工作，按照这个结构中芯片的频率，对有无金属层器件在性能方面进行了实际的测试工作，如图12所示。
图12 实测曲线
由图12可知，在这个频段上，加入金属层与未加入金属层的测试曲线基本重合，这说明金属层的加入对器件性能的影响不大。
3.2 模组可靠性
由于模组用灌封树脂和金属的结合力不及顶膜的结合力，因此考虑到整个模组的长期可靠性，设计了其他图形结构，如图13所示。
图13 其他加强结构示意
4 结束语
本文采用有限元仿真模型模拟3MPa、5MPa不同模压量对器件中腔体最大的位置塌陷量。经试验验证及金属加强结构的优化，获得3MPa模压量时仍能保持空腔高度的方法，解决了声表面波滤波器晶圆级封装芯片灌封压力导致的塌陷问题，有利于降低器件及模组的失效风险。
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