SAW滤波器WLP封装中腔体抗模压塌陷研究

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3 MPa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。

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(3 mm×3 mm)的27%增加到CSP(1.1 mm×0.9 mm)的48%[1]。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300 μm×400 μm)。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[2]。

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：

v=λ×f

(1)

(2)

(3)

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300 μm×400 μm。

在一定压力下，膜的变形量可按照如下的关系推理：

m∝(p·s)/(h·E)

(4)

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 297 μm×525 μm。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3 MPa、5 MPa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 3 MPa下在最大腔体处出现了塌陷

图5 5 MPa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300 μm×400 μm的腔体位置，塌陷量约为3.71 μm，而空腔结构中空气腔厚为10～15 μm，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6.18 μm。

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3 MPa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5 MPa，观察塌陷情况。

2.1 实验结果

当压力为3 MPa，温度为180 ℃，时间为90 s时，空腔剩余量为2.24 μm，即塌陷量约为10 μm，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[3]。

图6 3 MPa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3 MPa，温度为180 ℃，时间为90 s，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3 MPa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3.71 μm减少到约2 μm)。我们对此器件的实物进行模压灌封实验，设压力为3 MPa，温度为180 ℃，时间为90 s，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(3 MPa)

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1 μm)，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40 μm降低到25 μm，采用同样的结构进行多次试验均发现，整个腔体能够抵御3 MPa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[4]。

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[5]。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3 MPa、5 MPa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3 MPa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。

审核编辑：汤梓红