BAW的晶圆级封装有哪几种形式？

来源：新声半导体作者：新声半导体时间：2024-05-27

封装技术在半导体行业中至关重要，它不仅保护芯片，还提供电气连接和散热路径。按照不同的封装形式和应用领域进行分类，半导体封装技术主要包括：

图1. 封装工艺演进

区别于传统的芯片封装方式，晶圆级封装（WLP）技术是在整个晶圆上进行封装和测试，然后再将封装好的晶圆切割成单个芯片。在所有封装形式中，WLP是唯一一种在晶圆基础上不额外增加面积的形式。这种方法提高了生产效率，降低了成本，改善了性能。另外，WLP可以把封装后的滤波器厚度做到0.2-0.3mm之间，远远低于CSP的厚度。随着手机的普遍轻薄化，特别是折叠屏的大面积推广，射频器件的厚度降低成为了硬指标，WLP的重要性越来越明确。

最近30年，随着各类MEMS产品的不断问世，先进的MEMS封装技术层出不穷。MEMS封装建立在IC封装的基础之上，并衍生出各类WLP结构和工艺，WLP有五个关键技术点，分别是硅通孔（Through Silicon Via, TSV）技术、再布线（Redistribution Layer, RDL）技术、凸点制造或凸点工艺（Bumping）、晶圆键合（Wafer Bonding）技术、电镀（Plating）。

1. 硅通孔（Through Silicon Via, TSV）技术

通过在硅晶圆中钻孔并填充导电材料，形成垂直方向的电气连接通道，从而实现芯片之间或者芯片内部不同层级的直接互连。

2. 再布线（Redistribution Layer, RDL）技术

通过在芯片或封装的表面重新分配和布局互连线路，提供更加灵活和高效的电气连接，支持多种I/O配置和高密度互联需求。

3. 凸点制造或凸点工艺（Bumping）

通过在芯片的I/O垫片上形成一个或多个微小的金属凸起结构，实现芯片与封装基板或其他芯片之间的高效、可靠的电气互连。

4. 晶圆键合（Wafer Bonding）技术

通过将两个或多个经过高度抛光的晶圆紧密连接在一起，形成单一的复合结构。这种键合技术旨在形成稳定、高强度的结合，适用于那些不需要再次访问底层晶圆的器件结构。

5. 电镀（Plating）

利用电解原理在导电物体表面沉积一层金属或合金涂层。在WLP技术中，电镀参与TSV的金属填充，Bumping形成，RDL制造等。

BAW滤波器是具有三维机械结构（振动的谐振器单元）的射频MEMS器件，其结构工作时需要稳定的外部环境。这样的特征，决定了BAW滤波器的封装与传统IC封装存在诸多不同，且工艺更加复杂。如果说IC封装是平面二维的，WLCSP，FO-WLP等晶圆级封装工艺，是为了集成更多的引脚；BAW滤波器封装则是立体三维的，引脚之外，更重要的是提供密封的空腔，让谐振器在稳定的环境中实现自由的振动，所以BAW需要“3D WLP“。

目前BAW滤波器成熟的WLP技术路线包括：

Avago：Shaped Si Cap + Au-Au Bonding (Microcap)

Qorvo：Polymer Cap + Organic Bonding

Skyworks：Copper Filled TSV + Cu-Sn Bonding

Newsonic：Raw Si Cap + Organic Bonding（SiRoof®)

Avago：Shaped Si Cap + Au-Au Bonding

Avago的FBAR在2003年左右就实现了WLP技术 – Microcap，并且布局了核心技术专利Microcap，其核心是成型硅盖Shaped Si Cap和金金键合Au-Au Bonding（US8232845B2）。彼时整个MEMS的晶圆级封装技术还不是很完善，而传统SAW滤波器也还在使用古老的陶瓷管壳以及打金线的封装方式。Avago选择了相对成熟的金属环热压键合（Metal Diffusion路线）封装，所使用的材料是金。Avago 的Microcap技术核心包含构筑于Cap Wafer上的TSV，形成空腔的硅凸点和凸环，用于键合及电连接的Au Gasket (垫圈结构)。通过TSV及硅凸点等方案的合理结合，在保证密封的同时实现了有效的电气互联。

图2. Avago晶圆级封装专利

Avago独特的WLP技术Microcap对于后续20年FBAR的大规模商用功不可没，这种全硅的方案给后道封装带来极大的便利，保证了Avago在模组方案中，能够进行更高密度的集成。一份2019年的调研报告（Yole）显示：Avago在其中高频发射模组中（尺寸为7.22×6.23mm，厚0.76mm）集成了19颗FBAR滤波器，单颗滤波器面积仅为1mm²的1/2。

图3. Avago: Shaped Si Cap + Au-Au Bonding

Qorvo：Polymer Cap + Organic Bonding

Qorvo的Polymer Roof WLP方案比Avago要晚几年，采用的是双层干膜封装：有机干膜盖板（Polymer Cap）和干膜-干膜键合（Organic Bonding），与传统悬浮结构不同，SMR的核心振动结构并非完全悬浮，而是仅有一面在自由振动，这种设计极大简化了工艺流程，降低了制造难度，使得谐振器在WLP封装阶段能承受更多的工艺处理步骤，从而提高了成品率和可靠性。

Qorvo在WLP技术上采取的双层干膜方案是其一大特色。首层干膜主要负责构建空腔的侧壁，确保内部结构的稳定；第二层干膜则如同屋顶，覆盖于顶部，形成完整的封装结构，为内部器件提供保护。电气互联则采用了先进的铜柱技术，通过直接在晶圆上形成垂直互连线，显著提高了集成度。

值得一提的是，Qorvo WLP技术中所使用的干膜材料是一种高性能的光敏树脂，这种材料的成本昂贵，有限的供应商也对供应链提出了挑战。这种材料的供应全部来源于日本厂商。

图4. Qorvo: Polymer Cap + Organic Bonding

Skyworks：Copper Filled TSV + Cu-Sn Bonding

Skyworks于2017年左右推出了FBAR产品系列，其封装特点为实心铜柱填充（Copper Filled TSV）+铜锡键合（Cu-Sn Bonding）。不同于传统金材料键合技术，Skyworks开创性地采用了铜锡合金作为键合材料，这一选择不仅优化了成本，还提升了键合过程的热稳定性与可靠性。

尤为值得一提的是，Skyworks在键合环设计上采取了创新策略，选用厚铜材质构筑了密封键合环，这一铜环不仅厚度显著，而且同时充当了空腔结构的侧壁，简化了制造流程。

图5. Skyworks：Copper Filled TSV + Cu-Sn Bonding

在实现内部互连方面，Skyworks的FBAR产品采用了实心铜柱作为TSV，这不仅提升了电流承载能力，还显著改善了热传导性能，有利于器件的散热。同时，用于电气连接的凸点亦全部采用铜材质，与TSV形成统一的金属系统。厚铜材料的广泛应用，大幅度降低了材料成本，为Skyworks的FBAR产品提供了更高的成本效益，使其在竞争激烈的市场中脱颖而出。这一创新巩固了Skyworks在射频组件市场的领先地位，为其客户在5G时代的产品设计提供了更加高效、可靠的解决方案。

Newsonic：Raw Si Cap + Organic Bonding

新声半导体（Newsonic）于2021年面向市场推出了原创的采用SiRoof封装方案的D-BAW产品系列。其特点为完整硅帽（Raw Si Cap）+ 干膜有机键合（Organic Bonding），并且新声在中美布局了核心技术专利US20220103147A1和CN113556098B。SiRoof设计中对TSV的布局不同于常规WLP做法，将电气互联的TSV设置在器件的一侧，而非Cap（硅帽）一侧，这样的设计意味着电流路径无需穿越键合界面，从而有效避免了因键合界面残余应力引起的潜在可靠性问题，可靠性等级与Avago一致，大幅增强了产品的稳定性和耐用性。相比于经多层光罩，多道工艺复杂加工的Microcap，新声SiRoof晶圆只需一道光罩，像屋顶（Roof）一样盖在了有机键合层形成的墙上，整体缩短了制造周期，降低成本。

图6. Newsonic双面键合技术：Raw Si Cap + Organic Bonding

BAW WLP的跨行业嫁接开花结果

SiRoof是如何诞生的呢？

众所周知，影像是全人类的旺盛需求，人们的生活被手机摄像头彻底的改变了。1990年代，手机拍照技术开始逐渐发展并迅速普及，随后智能手机摄像头颗数和性能需求急剧攀升。

图7. 网友调侃现代摄像头是麻将牌

同样于1990年代，得益于CMOS技术的低功耗、高集成度和低成本优势，CMOS图像传感器开始逐渐取代电荷耦合器件（CCD）成为手机摄像头成像技术的核心。现今全球每年约生产70亿颗CIS，七成用于手机。2000年前后，CIS对更高分辨率、更低功耗和更小尺寸的需求催生了CIS WLP技术的飞速演进。

2010年代初期，以色列Shellcase公司开发了CIS传感器使用的晶圆级硅通孔封装技术(TSV)。实现了芯片间的高效垂直互联，大幅提高了数据传输速度和功耗效率。这种技术在三维堆叠（3D Stacking）封装结构中得到了广泛应用，多层电路和器件可以堆叠在一起，显著提升了功能集成度和性能，同时减少了封装体积。

图8. CIS WLP的现代以TSV为基础的封装形式[6]

在中国半导体产业2010年代初快速发展的大背景下，CIS WLP封装技术在国内逐渐实现国产化，并且拥有了成熟的生产线。至今，核心工艺TSV已非常先进成熟。

巧合的是，BAW的WLP也有此类减小电气互联寄生、保障可靠性及密封性、和缩小尺寸的需求，新声寻求到CIS WLP大规模制造龙头合作方共同开发尝试将CIS WLP直接嫁接到DBAW晶圆，没想到完全兼容迅速成功，即SiRoof（Raw Si Cap + Organic Bonding）。随后，双方又合作攻克了窄边框晶圆键合，复杂介质的刻蚀等工艺难点，在大批量生产中进一步提升了可靠性余量。

图9. Newsonic改进后的DBAW SiRoof的TSV和整齐排列Bump实拍照

BAW WLP 技术及IP的横向发展

起于CIS行业WLP技术的灵感激发，后续又融合了SiP等先进封装技术点。新声半导体（Newsonic）横向延展出BAW WLP的技术及IP家族，包括封装结构，工艺方法等八大类别的专利布局，如图10。

图10. 新声（Newsonic）核心关键技术WLP的专利布局

新声下一代Glass-Cap
BAW滤波器的晶圆级封装技术（WLP）依旧不断迭代拥有无限可能，朝着进一步提高生产效率、降低成本且不损失性能的方向，新声半导体同步在开发基于更便宜材料和制造的玻璃晶圆盖帽WLP（如图11）的新型封装技术。

图11. 新声下一代Glass-cap玻璃盖帽产品

写在最后

Avago、Skyworks、Qorvo等公司自由创新发展各自的BAW WLP技术，其中Avago和Sky主要基于“金属键合”、Qorvo基于“双层干膜”。Newsonic则站在CIS巨人肩膀上发展出先进稳定的SiRoof技术，充分糅合了CIS行业TSV的先进性、巨大产能的低成本，配合新开发的窄边框有机键和技术、平坦未处理SiRoof材料，实现了自己的BAW WLP。

《三体》中关于技术爆炸理论有一段经典的描述：“……地球生命史长达十几亿年，而现代技术是在三百年时间内发展起来的，从宇宙的时间尺度上看，这根本不是什么发展，是爆炸！技术飞跃的可能性是埋藏在每个文明内部的炸药，如果有内部或外部因素点燃了它，轰一下就炸开了……”。近二十年全球智能手机的发展不仅改变了人们的生活，也催生了“环智能手机”产业链的文艺复兴式技术爆炸，射频通讯行业和CIS行业都是其中一员。在这个璀璨的时代，我们都不光自己在发光，也能借到别人的光。

参考文献

[1] United States Patent US9219464 - Bulk Acoustic Wave (BAW) Resonator Structure Having an Electrode with a Cantilevered Portion and a Piezoelectric Layer with Multiple Dopants: https://patentimages.storage.googleapis.com/a4/25/02/1e0ba32593084f/US9219464.pdf

[2] United States Patent US8232845B2 - Packaged Device with Acoustic Resonator and Electronic Circuitry and Method of Making the Same: https://patentimages.storage.googleapis.com/8f/92/b0/ed6ee6c47a65d3/US8232845.pdf
[3] United States Patent US8143082B2 - Wafer Bonding of Micro-electro Mechanical Systems to Active Circuitry: https://patentimages.storage.googleapis.com/9d/59/fa/6486ad02d1a6c3/US8143082.pdf
[4] United States Patent US20220103147A1 - Lithium Niobate or Lithium Tantalate FBAR Structure and Fabricating Method Thereof
[5] 中华人民共和国国家知识产权局发明专利CN113556098B - 体声波谐振器封装结构
[6] 马书英，王姣，刘轶，等. 浅析CMOS图像传感器晶圆级封装技术[J]. 电子与封装, 2021, 21(10): 100108

上一篇：新声研发团队在IEEE IUS 2024发表D-BAW热稳定性突破性研究：干膜材料创新助力5G射频器件可靠性升级下一篇：深圳新声半导体有限公司入驻深圳新一代产业园