微声学晶片级封装及制造方法与流程

描述

微声学晶片级封装及制造方法

微声学器件需要用于将声学上的有源器件结构封闭在其中的空腔。形成这种腔的优选的方法是晶片级封装工艺，其中帽晶片被晶片键合到承载功能器件结构的基底晶片上。帽晶片中的凹部或诸如布置在基底晶片与帽晶片之间的框架结构的间隔物提供了用于空腔所需的空间。

晶片键合可以包括高温步骤，该高温步骤必须以可靠并且紧密的方式成功地晶片键合相同或相似的材料(即，均为各向异性材料的litao3、linbo3)。由于相同的热行为，冷却后没有产生应力。

当将来自不同材料的两个晶片暴露于高温并且使晶片相互固定时，两个晶片通常显示出不同的热膨胀，这导致冷却到室温之后晶片键合布置中的机械应力。而且，压电材料是各向异性的，并且沿两个不同的晶轴显示出不同的cte。因此，各向同性帽晶片不能在所有方向上与各向异性基底晶片匹配。

为了将热失配最小化，选择帽晶片材料以提供的优化的cte，通常是沿各向异性基底晶片的第一晶轴和第二晶轴的热匹配之间的折衷。此外，低温晶片键合工艺将有利于成功地将具有不同cte的材料组合在一起。

当前使用的帽晶片材料是玻璃。由于玻璃的cte低于litao3或linbo3，因此必须提高普通玻璃的cte。为此，可以将重的离子和较大的离子(例如，钡等)包含在玻璃材料中。然而，这些大离子可能引起其它问题。当暴露于极端条件下时，它们易于从表面处的玻璃材料中扩散出来。在封装的空腔的小体积内，空腔气氛中的甚至少量的阳离子也可能损害微声学器件的性能或可靠性。

本发明的目的是提供一种避免了上述问题的晶片级封装，即获得了仅留下很少的残余热机械应力的气密并且可靠结合的封装。

通过根据权利要求1的微声学晶片级封装来解决这些目的和其它目的。有利的特征和实施例以及用于产生这种封装的方法由进一步的权利要求给出。

微声学晶片级封装包括相互堆叠并且相互固定的基底晶片、框架结构和帽晶片。用于微声学器件的电气结构以阵列的形式被布置在基底晶片的顶部表面上，并且每个电气结构被分配给相应的器件区域。框架结构包括聚合物，该聚合物位于基底晶片的顶部并且被固定到基底晶片的顶部并且围绕或包围每个特定的器件区域，而帽晶片被键合到框架结构。

通过这种类夹层的布置，在每个器件区域之上形成封闭的空腔。在空腔内部，器件结构被封闭并且形成机械稳定的封装，其中电气结构被封闭并且被气密密封。

微声学器件被形成在压电功能层上或压电功能层中，该压电功能层表示或至少是基底晶片的一部分。该器件由体现为导体、电极或微声学换能器的电气结构操作。帽晶片是玻璃晶片，并且在其底部表面上具有聚合物涂层。这使得能够在低温工艺中将帽晶片容易地键合到聚合物框架结构。

聚合物框架结构减小了在夹层形成过程(即，将帽晶片键合到框架结构)期间已经积聚的热机械应力。此外，在低温键合步骤期间，由于温差小，几乎没有应力可以积聚。

优选地，聚合物涂层是均匀的薄层，并且由uv可固化的聚合物组成或包括uv可固化的聚合物。这意味着固化不需要任何加热步骤。由于可以通过在将聚合物涂层压靠在框架结构上时固化聚合物涂层来执行键合步骤，因此可以在室温下执行键合步骤，并且不需要任何温度升高，从而大大降低了积聚的键合应力。

根据实施例，帽晶片的玻璃材料包括附加元素，即一定量的离子(例如，ba)，以提供与基底晶片的cte匹配或沿各向异性压电材料的一个或两个晶轴靠近cte的cte。可以从周期系统的第一主族和第二主族中选择附加的元素。即使键合步骤需要提高温度，基底晶片和帽晶片的cte匹配得越好，形成封装之后的积聚应力越小。

提出的封装解决了玻璃晶片如何与各向异性材料结合的问题。此外，通过聚合物涂层实现了腔室内的玻璃帽晶片的底部表面的紧密密封，从而防止了任何元素穿过密封表面从玻璃中出来。实现了气密的dssgp(裸片级saw玻璃封装)。

根据实施例，电气结构包括saw换能器，该saw换能器形成在基底晶片的压电层上或在基底晶片构成的压电晶片上。

压电层可以是被施加到载体晶片上的功能层。这允许使用薄压电层来形成薄膜saw器件。

基底晶片可以是在其顶部表面上形成baw谐振器的载体晶片。框架结构可以被施加到载体晶片。由框架结构包围的每个器件区域可以包括被电路连接以形成滤波器电路的一个或多个baw谐振器。

基底晶片可以是压电litao3或linbo3的晶片。备选地，基底晶片可以包括litao3或linbo3的压电层。

baw谐振器可以包括嵌入在底部电极与顶部电极之间的ain或zno的功能层。在基底晶片与底部电极之间，可以布置声学镜(诸如，bragg镜)。

可以在晶片级上形成封装并且导致两个晶片的布置。在进一步的处理步骤中，可以根据本领域公知的切片步骤从晶片中切出单个微声学器件。所得的单个器件可以包括精确的一个空腔，该空腔在包括压电材料的封闭器件区域上具有电气结构。备选地，切单的器件可以包括一个以上的空腔。

形成所述的微声学晶片级封装的可能的方法包括以下步骤：

-提供基底晶片，该基底晶片在其顶部表面上具有各自被分配给相应的微声学器件的器件区域的阵列；

-在顶部表面上形成框架结构，该框架结构包围具有相应的电气结构的每个特定的器件区域；

-提供具有与基底晶片的cte相适应的cte的帽晶片，并且的帽晶片在其下侧上设置有uv可固化的聚合物涂层；

-将具有聚合物涂层的帽晶片晶片键合到框架结构，并且通过将该布置暴露于uv光来固化聚合物涂层。

可以通过施加垂直于将要被键合在一起的两个晶片中的一个晶片的表面的单轴压力来支持键合。优点在于，玻璃的帽晶片对于uv光是透明的，并且允许从顶部穿过玻璃照射该布置以进行固化。

该器件是在基底晶片上预成型的，并且只需要封装和密封即可。通过固化与聚合物框架结构键合的聚合物涂层，可以自动地实现密封。使用uv可固化聚合物的薄层，可以实现与实际封装技术相当的性能(即，机械模切强度和耐化学性)。附加地，在封装的内表面上的固化的聚合物通过在帽晶片的玻璃中涂覆可能的微裂纹而提供了封装的增加的机械强度，从而防止/最小化了次临界裂纹的增长。

下面，根据具体实施例和相关附图更详细地解释本发明。这些图仅是示意性的，并且未按比例绘制。因此，不能从图中得出绝对尺寸或相对尺寸。

图1示出了基底晶片和帽晶片的布置的横截面图。

图2示出了在键合基底晶片和帽晶片以形成晶片级封装之后的图1的布置。

图3在图2的剖面图中示出了两个晶片的连接方式。

图4至图6以横截面图示出了半切割切片工艺的不同工艺步骤，该工艺步骤有助于特定封装器件的后来的切单。

图7示出了在封装、进一步处理和切单之后的切单的微声学器件的透视图。

图1以横截面图示出了基底晶片bw和帽晶片cw的布置。在该实施例中，基底晶片bw是linbo3或litao3的压电晶片。在基底晶片的顶部表面上提供金属电气结构es，该金属电气结构es包括saw器件的电极和换能器。在基底晶片bw的顶部表面上形成框架结构fs。这可以通过将光致抗蚀剂施加到整个顶部表面并且进行光刻结构化来完成。通过该结构化步骤，基底晶片bw上的与后来的器件的有源芯片区域相符的每个器件区域da被框架结构fs完全地包围。如图所示，框架结构可以包括用于每个器件区域da1、da2的分离的框架。框架结构还可能具有较宽的宽度，该宽度可以在后来的切单过程中在后来的器件的边缘处被分离。电器件结构的电接触区域(图中未示出)可以在框架结构下延伸到基底晶片的表面上的未被框架结构fs包围的区域。在变型中，电接触区域被设置在框架结构下方，并且在后来的步骤中需要被暴露。

帽晶片cw是在其底侧具有薄的聚合物涂层pc的玻璃晶片。该聚合物可以是被施加具有(例如)1000nm至1500nm的层厚度的uv可固化的光致抗蚀剂，在晶片键合之后，最终的最终中间层厚度约为100nm至500nm。

然后，帽晶片cw利用其底侧被附接到框架结构fs。为了进行紧密连接，帽晶片被暴露于来自顶部的uv光大约100秒或更长时间。从而，垂直于帽晶片或基底晶片的表面来施加单轴压力，以压缩实现紧密键合的布置。

图2示出了该步骤处的布置。空腔cv通过形成其侧壁的框架结构fs，在每个器件区域da之上的基底晶片bw与帽晶片cw之间被形成。在空腔中，电气结构被封闭，与帽晶片保持间隙。虚线的分隔线sl指示后来的边缘，沿着该边缘可以将单个器件与大面积晶片封装分离。芯片区域ca指示在后来的切单过程之后的单个器件/芯片的区域。

图3是在后来的器件的边缘处的放大的切面图，以示出框架结构fs与帽晶片cw的固化的聚合物涂层之间的紧密连接。

图4至图6以横截面图示出了半切割切片工艺的不同工艺步骤，该工艺步骤有助于特定封装器件的后来的切单。

图4至图6以横截面图示出了具有顶部表面的基底晶片bw，在该顶部表面上已经施加了框架结构fs。框架结构围绕并且包围器件区域da，在器件区域da的表面上形成用于微声学器件的电气结构(图中未示出)。如图所示，可以将框架结构fs的每个部分分配给一个相应的器件区域da。然而，框架结构fs的一部分将两个相邻的器件区域分开并且因此对于两个器件区域是共同的也是实际的。在那些实施例中，特定器件的后来的切单需要切穿框架结构，使得每个器件的空腔保持封闭和紧密。

在底部表面中形成必须被键合到基底晶片沟槽tr的玻璃材料的帽晶片cw。这些沟槽符合分离线sl并且因此预形成后来的器件边缘。每个沟槽形成的深度大于帽的较厚厚度，其中帽是帽晶片cw的一部分，该帽晶片cw仅覆盖一个单个器件并且封闭一个单个空腔作为盖子。uv可固化的聚合物的薄聚合物涂层被施加到帽晶片cw的整个底部表面，并且可以延伸到沟槽tr的侧壁，或者可以备选地在形成沟槽tr之前被施加到底部表面，使得侧壁不含聚合物涂层pc。

然后，帽晶片cw被附接到基底晶片bw分别地附接到在基底晶片bw的顶部表面上的框架结构fs。整个布置以足以固化聚合物涂层的时间而被暴露于uv光下。通过固化聚合物，框架结构与聚合物之间形成紧密的粘合连接。

在实施例中，设置大约100s的固化时间。该工艺时间比通常需要大约30分钟的实际热压晶片键合工艺短得多。

在固化之后，可以与晶片键合相比，在封装/空腔的内表面上的固化聚合物通过涂覆可能的微裂纹并且防止/最小化次临界裂纹的增长，提高了封装的机械强度。图5示出了该阶段处的布置。

将如此形成的键合在一起的两个晶片的晶片布置进行切单处理。在其第一步骤中，可以通过研磨其顶部表面直至暴露沟槽的底部来容易地切片帽晶片。这可以在cmp(化学机械抛光)工艺中完成。图6示出了该阶段处的布置。薄化帽晶片的另外的优点是减小了器件的总高度。帽的最终厚度比由玻璃制成的帽晶片的厚度薄得多，该玻璃帽晶片的厚度需要被提供有足够的机械稳定性以可靠地处理帽晶片。当支撑在框架结构上并且在切单之后，机械强度足够高并且最终帽厚度减小大约20μm至60μm。

在现在打开的沟槽tr的底部，在框架结构fs的每两个相邻部分之间暴露基底晶片bw的顶部表面。因此，在该(晶片级)阶段处，可以由金属化形成接触焊盘。在帽/帽晶片的顶部表面上提供每个后来被切单的微声学器件的接触焊盘ko。

根据实施例，整个表面基底金属化被施加到帽晶片cw的背面和基底晶片bw的暴露的表面。后来可以借助于电镀抗蚀剂来进行金属化的结构化，该电镀抗蚀剂覆盖了基本金属化中不需要增强的区域。通过电镀将基础金属化增厚至金属化的最终层厚度。然后，去除仍然存在于该区域中的电镀抗蚀剂和基础金属化，后者通过蚀刻去除。

形成的金属化结构将基底晶片cw的顶部表面上器件的焊盘连接到帽晶片cw的顶部上的接触焊盘ko。该接触焊盘ko设置有可焊接的顶层或所谓的下方凸块金属化。

随后是凸块bu的选择性的施加，除了要施加凸块bu的那些部分之外，还要去除金属化的顶层，例如该顶层是利用焊料润湿的金层。也可以施加不能被焊料润湿的抗蚀剂，并且以这种方式对其结构化：创建开口，可以被焊料润湿的金属化的表面在该开口中被暴露。凸块bu本身可以被印刷或电镀。凸块也可以被用作预制球，并且通过熔化来连接到触点。

在接下来的步骤中，通过沿分离线sl切穿基底晶片bw来切单特定的器件。

图7以顶视立体图示出了帽上的示例性器件。在所示版本中，提供了用于器件的六个接触焊盘ko，在切片之后，所有接触焊盘被导电地连接到基底晶片的顶部表面上的电气结构es或分别地与器件的基础衬底导电地连接。配置有凸块bu的接触焊盘ko的数目取决于部件的类型。在最简单的情况下，两个接触焊盘ko足以接触被包封在封装中的微声学器件。特别是对于利用声波工作的部件，有利的是提供用于接地连接的多个触点。

图7示出了封装中的单个微声学器件。现在可以借助于在帽晶片的顶部表面上形成的凸块bu将该器件焊接到最终电路上。

在备选的实施例中，通过形成穿过帽晶片(未示出)的通孔来实现与器件的电气结构的接触。类似于沟槽形成工艺，这些通孔是在将其键合到基底晶片之前的早期步骤中在帽晶片处预先形成的。通孔终止于帽的顶部表面处并且还可以被接触焊盘覆盖并且设置有凸块。

尽管可以对方法进行多种更改，但是所有实施例都具有以下主要优点：

1.使得能够实现用于微声学器件(例如，关于玻璃封装与litao3或linbo3的saw滤波器)的异质封装解决方案；

2.排除了来自封装材料的元素污染空腔进而污染器件内的电气结构的情况；

3.增加了玻璃封装的机械强度；

4.与先前的晶片级封装相比，仅需要非常短的处理时间。

使用的参考符号的列表