薄膜体声波共振器滤波器的制作方法

文档序号:14686059发布日期:2018-06-14 22:57

本发明涉及用于移动电话等设备中的射频(RF)滤波器。



背景技术:

移动电话正在变得越来越智能化。在从所谓第三代(3G)智能电话向第四代(4G)和第五代(5G)智能电话的转变过程中,对于无线电频率和频段存在爆炸式的增长。为了能够正确运行,需要滤除邻近频段的信号。

射频和微波应用显著得益于可调谐器件和电路的使用。利用可在宽范围进行调谐的元件,滤波器可被制成能够在多个工作频段上调谐,可以针对放大功率水平(amplifierpowerlevel)和天线阻抗对阻抗匹配网络进行调节。

为了满足日益复杂的智能电话以及汽车等产品中的射频设备的要求,有必要对于不同的通信通道以及不同的射频频率设备,例如智能电话,使用不同的频段,以共存在否则会干扰正常工作的频率下。一种手段是使用FBAR技术作为滤波器。

FBAR(薄膜体声波共振器)滤波器是一种具有优异性能的体声波滤波器,其与表面声波滤波器相比具有更陡峭的抑制曲线。其具有低信号损失,因此在移动电信技术中能够实现更长的电池寿命和更长的通话时间。

当大多数应用是第三代移动通信技术(3G)时,只有4或5个不同频段受益于使用FBAR(薄膜体声波共振器)滤波。现在,由于全世界的运营商都在进入4G(第四代移动通信技术),所以滤波器的质量指标变得越来越严格。

钛酸锶钡(BST)是一种室温下具有钙钛矿型结构的作为中心对称压电材料的混合钛酸盐。BST具有高介电常数,低介电损耗和低漏电流密度,且已被用作电容器的电介质。

BST通常具有高介电常数,因此可以在相对小的区域上实现大电容量。此外,BST的电容率随外加电场而变化。因此,薄膜BST的优异特性在于介电常数可以随外加直流电场而显著变化,从而允许实现非常简单的电压可变电容器,其电容量可通过改变跨电容器的偏置电压来进行调节。此外,偏置电压通常可以在横跨BST电容器的任一个方向上施加,因为薄膜电容率通常关于零偏(zerobias)是对称的。也就是说,BST通常对于电场不会表现出优选方向。这些特性使得BST能够在交流电路中用作电介质,使得在随尺寸而变化的特征电压下,介电材料发生共振并因此可以通过吸收电能并将其转化成声能而用作滤波器。

Humirang和Armstrong的US7,675,388B2描述了一种使用BST材料的可开关可调谐式声波共振器。该声波共振器包括其间设置有钛酸锶钡(BST)介电层的一对电极。当跨BST介电层施加DC(直流)偏置电压时,该器件被开启为具有共振频率的共振器。当跨BST介电层不再施加直流电压时,则该声波共振器关闭。此外,该声波共振器的共振频率可基于直流偏置电压的水平进行调节,共振频率随直流偏置电压水平的增大而增大。

在其中描述的一个设计方案中,US7,675,388B2描述了一种由蓝宝石基板形成的声波共振器。在其中描述的另一个设计方案中,声波共振器形成在位于第二电极和基板之间的气隙上方。还描述了形成在位于第二电极和基板之间的声波反射器上方的声波共振器,其中声波反射器由多个交替的铂(Pt)层和二氧化硅(SiO2)层构成,其减少由基板引起的声波共振器的共振阻尼。

BST基声波共振器功能可以通过施加直流偏置电压进行开关,并且其共振频率可以通过改变直流偏置电压进行调节。因此,BST基声波共振器在电子电路中具有广泛的用途,例如用于通过天线发射和接收射频信号的可开关可调节滤波器和双工器。



技术实现要素:

本发明第一方面涉及提供一种声波共振器,包括:基本水平的压电材料膜,在所述膜的上表面和下表面上具有上金属电极和下金属电极,所述膜围绕其周边通过粘附聚合物附着至矩形互连框架的内侧壁上,该封装框架的侧壁基本垂直于所述膜并且包括在电介质基质中的导电通孔,所述导电通孔在所述侧壁内基本垂直延伸,所述金属电极通过在所述膜的上表面上的特征层导电连接至导电通孔,上盖和下盖连接至互连框架的上端和下端以密封所述声波共振器使其与周围环境隔离。

优选地,所述压电材料包括钛酸锶钡(BST)。

通常,所述膜还从下方受到在下电极下方具有气隙的粘附聚合物框架的支撑。

通常,所述声波共振器还包括在粘附聚合物和下电极之间的界面层。

任选地,所述界面层选自AlN、TiN、GaN和InN。

通常,所述界面层的厚度为0.5~5微米。

任选地,所述膜进一步从上方与粘接聚合物框架附着。

任选地,所述下电极从上方通过穿过BST的铜引线连接。

通常,BST层的钡锶比为约25/75~约75/25。

优选地,BST层的钡锶比为约30/70。

通常,BST层的厚度为0.1~1微米。

通常,所述下电极包含钽或铂。

通常,所述下电极的厚度为0.1~2.5微米。

优选地,BST具有单晶或多晶结构。

任选地,所述上电极包括与BST电介质接触的铝层、铂层或钽层。

任选地,所述上电极还包括电沉积的铜。

优选地,所述粘附聚合物是液晶聚合物。

在一些实施方案中,所述互连框架包括陶瓷基质和金属通孔。

在这些实施方案中,所述互连框架通过与所述通孔共烧结来制造,以提供具有内建导电通孔的单片陶瓷支撑结构。

可选地,所述陶瓷与金属通孔利用高温或低温共烧陶瓷(HTCC或LTCC)材料组共烧结。

通常,金属通孔包括选自Au、Cu和W的金属。

在其它实施方案中,所述框架包括聚合物基质并且具有内建金属通孔。

通常,在这些实施方案中,金属通孔是铜通孔。

任选地,所述框架还包括陶瓷填料和/或玻璃纤维。

通常,所述框架的深度为150微米~300微米。

通常,所述上盖和下盖由选自金属、陶瓷、硅、液晶聚合物和玻璃的材料制成。

优选地,所述上盖附着至制造在互连框架上表面上的上金属环,所述下盖附着至所述互连框架下表面上的下金属环。

更优选地,上金属环制造在互连框架的外缘上,并且所述上盖覆盖所述框架的整个上表面、粘附聚合物和所述膜的上表面。

更优选地,下金属环制造在互连框架下表面的内缘上以允许所述下盖覆盖粘附聚合物的表面、暴露的牺牲载体和所述膜的下电极,使得互连框架的部分下表面保持不被覆盖。

在一些实施方案中,上下金属环包括Ni和Au的表面涂层,所述盖包括对应的共熔Au/Sn密封环。

优选地,所述声波共振器还包括从所述互连框架的通孔围绕所述下盖延伸至下盖下方的金属焊盘,以允许将声波共振器通过焊料表面贴装(SolderSurfaceMount)附着至PCB上。

在一些实施方案中,粘附聚合物膜延伸在压电材料的上表面和上电极上。

在这些实施方案中,覆盖上电极的粘附聚合物膜具有至多5微米的厚度。

第二实施方案涉及声波共振器作为可开关可调谐滤波器的用途。

第三实施方案涉及声波共振器作为通过天线发射和接收无线电频率的双工器的用途。

第四实施方案涉及一种包括声波共振器的射频通信设备。

附图说明

为了更好地理解本发明并示出本发明的实施方式,纯粹以举例的方式参照附图。

现在具体参照附图,必须强调的是,具体图示仅为示例且出于示意性讨论本发明优选实施方案的目的,提供图示的原因是确信附图是最有用且易于理解本发明的原理和概念的说明。就此而言,没有试图将本发明的结构细节以超出对本发明基本理解所必需的详细程度来图示;参照附图的说明使本领域技术人员能够知晓本发明的几种实施方式可如何实施。在附图中:

图1是示出制造在其上的电极层之间生长压电材料的牺牲基板的生产方法步骤的流程图;

图1a~1ei和1eii是在蓝宝石基板上沉积的电极化压电层的构造的示意性截面图;

图1fi和1fii是多个单芯片的示意性截面图,每个单芯片构成在牺牲基板上的电极压电膜,根据第一实施方案用作FBAR核心;

图2是示出一个实施方案的声波共振器的制造方法的流程图;

图3是具有空腔的纤维增强聚合物互连框架的示意性截面图,其中在空腔中设置有图1fi的芯片;

图4是具有空腔的陶瓷互连框架的示意性截面图,其中在空腔中设置有图1fi的芯片;

图5是图3的具有空腔的纤维增强聚合物互连框架的示意性截面图,其中在空腔中设置有图1fi的芯片,并且随后层压上粘附聚合物膜;

图6是图5的结构的示意性截面图,其中附着有载体;

图7是图6的互连框架的示意性截面图,其中牺牲基板已被移除;

图8是图7的结构的示意性截面图,其中聚合物膜围绕芯片的部分被移除而形成通向载体的孔;

图9是图8的结构的示意性截面图,其中牺牲基板已被分离;

图10是层压有粘附聚合物的图9结构的示意性截面图,其中粘附聚合物填充膜周围的空隙、牺牲基板移除后留下的空腔并且覆盖所述框架约50微米;

图11是图10的结构的示意性截面图,其中载体被移除;

图12是图11的结构的示意性截面图,其中钻出通向通孔的孔,并且钻出贯穿粘附聚合物直至上电极的孔,以及贯穿粘附聚合物和膜直至下电极的孔;

图13是图12的结构的示意性截面图,其中具有覆盖表面的种子层,所述表面包括钻孔的表面;

图14是图13的结构的示意性截面图,其中钻孔被填充,接触焊盘将填充钻孔与通孔和电极连接,下焊盘连接通孔下端,以及形成上下密封环;

图15是图14的结构的示意性截面图,其中形成从下焊盘生长至下密封环正下方的通孔柱,用于表面贴装,例如用于连接触点格栅阵列(LGA);

图16是图15的结构的示意性截面图,其中接触焊盘和密封环涂覆有镍、金或镍金触点;

图17是图16的结构的示意性截面图,其中种子层被蚀刻掉;

图18是图17的结构的示意性截面图,其中膜上下两面的粘附聚合物基本被减薄掉并且界面层被移除;

图19是图18的结构的示意性截面图,其中在膜的上方和下方安装有盖,所述盖通过密封环与互连框架密封连接,形成气密密封;

图20是图18的结构其中的框架栅格被切割分离后的示意性截面图;

图21是图20的结构的示意性俯视截面图;

图22是图21的结构的示意性仰视截面图;

图23是示出一种变化结构的制造过程的流程图;

图24是单个空腔及周围框架的示意性截面图,所述周围框架是空腔的纤维增强聚合物互连框架栅格的一部分,在空腔中设置有图1fii的芯片,备用面朝下,可移除胶带上的牺牲基板面朝上;

图25是单个空腔及周围框架并且图1fii的芯片面朝下的示意性截面图,示出牺牲基板被提起并移除;

图26是图25的结构的示意性截面图,其中层压有粘附聚合物,其填充膜和框架之间的空隙,覆盖界面层上的所有剩余材料并且在框架上填充约50微米;

图27是图26的结构的示意性截面图,其中可移除胶带被移除,暴露出框架和通孔的末端;

图28是图27的结构的示意性截面图,其中具有向下贯穿聚合物膜至通孔对侧的钻孔以及钻穿外电极和压电膜直至内电极的钻孔(如图所示,所述钻孔贯穿聚合物至通孔上端,并且贯穿下电极和膜至上电极,但是结构大致反转……);

图29是图28的结构的示意性截面图,其中具有覆盖在阵列上下表面上以及涂覆钻孔壁的金属种子层;

图30是图29的结构的示意性截面图,其中具有填充的钻孔以及在每个面上制造的接触焊盘和密封环;

图31是图30的结构的示意性截面图,其中形成有从结构对侧的焊盘生长至密封环正上方的用于表面贴装的通孔柱,例如用于连接触点格栅阵列(LGA);

图32是图31的结构的示意性截面图,其中接触焊盘和密封环涂覆有镍、金或镍金触点;

图33是图32的结构的示意性截面图,其中种子层被蚀刻掉;

图34是图33的结构旋转180度的示意性截面图,其中暴露(当前)的上电极被蚀刻掉;

图35是图34的结构的示意性截面图,其中粘附聚合物被基本移除,界面层的残留部分从暴露处被移除;

图36是图35的结构的示意性截面图,其中上盖和下盖附着在上密封环和下密封环上;

图37是图36的结构在分离框架栅格以从栅格上切割分离封装的声波共振器后的示意性截面图。

具体实施方式

本发明涉及具有压电膜的声波共振器,所述压电膜在施加具有合适的电压和频率的交流电流时发生共振。这使得该共振器能够将电信号转换成机械能,并滤除在RF设备例如移动电话等中引起噪声的RF频率。因此,该组件是一种可开关可调谐的声波共振滤波器。

一种高性能的压电材料是混合的钛酸锶钡BxS(1-x)TiO3。

当在BST膜上施加约0.8MV/cm(对于2400埃厚的BST膜为19.2V)的信号,其发生共振。通过以此方式将电能转换为机械能,BST膜可用作吸收射频电信号的滤波器。该薄膜体声波共振器FBAR滤波器已知具有良好的Q值(>1000)。

为了实现高效率和高可靠性,压电材料优选是外延生长的并且可以是单晶或多晶。

BST可以在具有合适的晶格间距的基板上外延生长。一种这样的基板是C-面<0001>蓝宝石晶片。目前可市购的蓝宝石晶片为直径2、4、6和8英寸,厚度75微米~500微米。

膜的每一侧需要惰性电极并且封装保护。为了防止大气特别是湿气进入,优选是气密密封的或至少是半气密密封的。

本发明的实施方案涉及封装的压电膜以及该封装压电膜的制造方法。封装体是由框架和上盖、下盖构成的盒体。在框架的下表面上提供用于表面贴装的引脚。框架具有贯穿该框架的通孔。下盖附着在框架下表面的内周上并保护所述膜。通孔连接至延伸超出框架的底引脚,以允许对封装组件进行表面贴装。

第一通孔的上端通过一连接焊盘连接至下电极,第二通孔的上端通过第二连接焊盘连接至上电极。上盖延伸在膜的上方、连接焊盘和第一和第二通孔的上端。这样,连接焊盘不必伸出各个盖的边缘下方。因此,所述盖可以紧密且牢固地附着于框架以提供高质量的密封。

盖本身可以是陶瓷、硅、玻璃或金属的。这种盖是商业可购得的。当组件不需要气密密封时,例如当组件用于本身气密密封的设备中时,所述盖可由其它材料例如聚合物制造。不过,优选该聚合物具有超低水分吸收率的特性。液晶聚合物(LCP)是合适的候选物。

本发明实施方案的特征在于BST膜通过聚合物与周边框架附着,所述聚合物围绕膜的边缘并支撑下表面的外周。任选地,聚合物也支撑上表面的外周。就盖而言,为了增强湿气保护,优选聚合物是液晶聚合物LCP。

为了获得高声波共振,压电膜例如BST膜优选是外延生长的。一种用于生长BST膜的优良牺牲基板是C-面单晶蓝宝石晶片。

存在多种不同的制造方法,它们得到略微不同的结构。

下述两种制造途径的共同之处在于,首先在牺牲基板上沉积可为AlN、TiN、GaN或InN的界面层。界面层可具有1~2微米(1000埃~2000埃)的厚度。该界面层在下电极下方的残余部分,至少是在聚合物保护的周边周围的部分是该结构经过下述制造方法处理的良好指示物。

在界面层上沉积下电极,下电极通常是铂,也可以是钽。在其上沉积压电材料(例如BST),再在压电材料上沉积第二电极。第二电极可以仅覆盖压电材料表面的一部分,并且可以在其上通过图案镀覆或面板镀覆进行沉积并部分剥除。然后,将蓝宝石晶片切割分离成单个芯片。每个具有电极和压电膜的芯片设置在框架的介电栅格的空腔内,所述框架限定具有垂直穿过框架的通孔的空腔,通常该通孔到达可移除胶带,该可移除胶带可以是形成空腔底部的粘性膜。在一个下述变化方法中,芯片在空腔中设置为压电材料和电极朝上,而在另一个下述变化方法中,芯片在空腔中设置为压电材料和电极朝下。这两种变化的方法得到略微不同的结构,如下所述。

两种结构和方法的共同之处在于,牺牲基板被移除。这可以通过照射牺牲基板以使界面层熔融来实现。合适的激光可用于照射蓝宝石牺牲基板以金属化并随后熔融氮化物界面层。合适的激光可具有200~400mJ/cm2的功率,例如可以是193nm波长的氟化氩(ArF)准分子激光或248nm波长的氟化氪(KrF)准分子激光。蓝宝石对于这些激光是透明的,但是AlN、TiN、GaN或InN界面层吸收能量并被加热,被转化为金属随后熔融,从而释放蓝宝石基板。

在最终结构中,压电膜通过通常为液晶聚合物的粘附聚合物附着至框架。上下电极通过铜焊盘连接至框架上端的通孔的上端,上盖覆盖压电膜和通孔上端。下盖覆盖压电膜下方的空腔并且附着至底部框架的下表面。压电膜上方和下方的空腔允许膜振动,但是任选地,为了提供机械支撑,上表面可涂覆聚合物薄层,其厚度可至多约5微米。

下盖覆盖压电膜下方的下孔并且通过围绕框架内周的密封环固定至框架,使得用于表面贴装的下引脚连接至在下盖周围和之外的通孔下端。

参照图1以及对应于图1a~1f示意性示出的构造,具体描述在牺牲基板上制造压电膜的方法。

首先,获取牺牲基板-步骤1(a)。这可以是例如C-切割的蓝宝石(Al2O3)晶片。晶片10通常具有100微米~250微米的厚度。蓝宝石晶片可市购的直径范围为约2英寸~约8英寸。在牺牲基板10的表面上生长界面层12-步骤1(b)。界面层12可以是氮化物,例如AlN、TiN、GaN或InN。界面层12的厚度通常为1~2微米,也可以是500埃~4000埃。

接着,在界面层12上沉积下电极14(步骤1c)。

通常,下电极14包括惰性金属,例如铂或钽。下电极14的厚度通常为约1~2.5微米,并且具有允许BST在其上外延生长的结构。界面层12和下电极14可以通过分子束外延(MBE)进行生长。

压电材料层16,其通常是钛酸锶钡BST的外延层,生长在下电极上(步骤1d)。在一个实施方案中,压电材料16通过分子束外延(MBE)生长。分子束外延在高真空或超高真空(10-8Pa)中进行。MBE的低沉积率(通常低于3000nm/小时)允许膜在基板上外延生长为具有合适的晶格间距。这样的沉积率需要成比例更优的真空度以实现与其它沉积技术相当的杂质水平。没有载气以及超高真空环境导致生长膜具有最高可达到的纯度。

然而,作为选择,也可以采用其它技术例如脉冲激光沉积、RF溅射或原子层沉积来制备界面层12(例如AlN、TiN、GaN或InN)、下电极14(例如Pt或Ta)和压电材料16例如BST的薄膜。

BST16的外延生长需要良好的可复制性和最优的性能。压电材料16的薄膜可以是单晶或多晶。压电材料16的厚度通常为约1~约5微米,也可以是例如约2500埃。

BST薄膜中的钡锶比(B/S)可以精确控制。对于不同的应用,选择的B/S范围可以为约25/75~约75/25,但优选范围为约30/70~约70/30。合适的比例通过膜厚、最大共振场(V/um)来控制,混合结构中离子的相对比例可用于优化Q因子。

接着,在压电材料16上制造上电极(步骤1e)。在一个变化方案中(如图1ei所示),在压电层16上制造不连续的上电极18i的阵列。不连续的上电极18i可以通过溅射并随后利用光刻胶掩模选择性蚀刻或者可以通过在光刻胶掩模中选择性溅射来制造。

作为选择,在图1eii所示的变化方案中,在压电层16上制造连续的上电极18ii。

上电极18i、18ii的厚度通常为约1微米。

通常,上电极18i、18ii将包括双层,具有与BST接触的铝、铂或钽的第一层以及在其上沉积的第二铜层。如图1a~1ei,1eii所示,这些步骤通常在蓝宝石晶片上的大型组件阵列上完成。

在此阶段,牺牲基板10(例如,蓝宝石晶片)可以切割成单个组件或芯片20i(20ii)。该单个芯片示于图1fi和1fii中。

芯片20i(20ii)可设置在由牺牲基板上的互连框架栅格所限定的空腔内。存在两种主要的生产方法。在参照图2以及示意图3-22描述的第一种生产方法中,芯片20i可设置为具有压电层16和电极14、18i,其中电极18i设置在最上方,或者在参照图23以及示意图24-36描述的第二生产方法中,芯片20ii可设置为具有压电层16和电极14、18ii,其中电极18ii设置在最上方。

参照图2的流程图,示出一种用于制造具有良好Q值的封装薄膜体声波共振器FBAR滤波器的第一生产方法。

通过图1所示方法获得的图1fi的单个芯片20i可设置为将压电层16和电极14、18i设置在环形胶带上,以便于拾取及放置,其中电极18i在最上方。

在该第一生产方法中,将单个芯片20i设置为牺牲基板10向下(即电极18i向上)放入在可移除胶带26上的由互连框架栅格限定的空腔25中–步骤(2b)。

互连框架栅格可以是如图3所示的具有嵌入的铜通孔24的聚合物互连框架栅格22,或者是如图4所示的具有嵌入的铜通孔24的陶瓷互连框架栅格28。可移除胶带26可以是例如粘性聚合物膜。通常,具有垂直穿过框架的导电通孔24的陶瓷互连框架栅格28可以通过LTCC或HTCC制造。这种陶瓷栅格是可以市购的。陶瓷互连框架具有更好的气密密封性。然而,聚合物框架对于某些应用可提供足够的密封并且通常在制造和工艺方面价格更为廉价。

参照图3,当使用聚合物基质的互连框架栅格22时,应该采用玻璃化转变温度高于280℃,优选高于300℃的高Tg聚合物。重要的是,聚合物22应具有低吸水性。液晶聚合物是理想的材料。当互连框架栅格具有聚合物基质时,优选用于附着压电膜的基质和/或聚合物是液晶聚合物(LCP)。

参照图4,当互连框架栅格28是陶瓷时,可以是单片陶瓷支撑结构,其与内建的例如金、铜或钨的导电通孔24共同烧制。共烧制陶瓷技术已经在电子工业的多层封装中得到创立,例如军用电子产品、MEMS、微处理器和RF应用。制造商之一是Murata。高温和低温共烧陶瓷(HTCC和LTCC)是已知的。这种结构可以得到最大8英寸×8英寸的阵列,但是不能实现与珠海越亚公司开发的聚合物互连框架栅格技术相同的生产能力,不过仍不失为一种实现真正气密密封的替代选择。

无论采用何种类型的框架栅格22、28,互连框架栅格的深度均比芯片20的厚度要厚约50微米,该深度通常为150~300微米。由于框架22(28)的附加厚度,从而可以避免施加在压电膜16上的机械压力。因为诸如BST的压电结构将机械应力转化为跨膜电势差,以及将跨膜电信号转化为机械变形,所以这样的结构是至关重要的。

互连框架栅格22(28)设置在可移除胶带26上,可移除胶带26例如可以是粘性膜。可以使用拾取/安放(Pick&Place)机器人将芯片20i放置在互连框架栅格22(28)的每个插座中,其中牺牲基板10面朝下,压电层16和上电极18i面朝上–步骤(2b)。

因为后续步骤对于陶瓷和聚合物的互连框架栅格都是相同的,所以现在利用描述聚合物互连框架栅格的附图来说明方法步骤。这种专有技术由珠海越亚公司开发并且能够在非常巨大的框架面板阵列上进行制造,目前面板尺寸最大为21英寸×25英寸。然而,如前所述,目前可市场购得的陶瓷互连框架栅格的尺寸至多为200mm×200mm,且可以替代使用。

利用粘附聚合物30层压芯片20i和框架22(28)-步骤(2c)。图5示出聚合物互连框架22的空腔25中的芯片20i层压有粘附聚合物30的示意图。粘附聚合物30存在多种可市购的候选材料。仅作为非限制性的说明,这些材料包括:AjinomotoABF-T31、TaiyoZaristo-125、SumitomoLAZ-7751和SekisuiNX04H。

然而,优选地,粘附聚合物30为液晶聚合物。液晶聚合物膜可在240℃~315℃范围内的温度下加工。这种材料具有极低的渗透率并且有助于保护和密封压电膜。

粘附聚合物30的厚度通常比框架22的深度要厚约50微米。

在粘附聚合物30上施加载体27(步骤2d)。载体可以是金属载体,例如铜载体。所得结构示意性图示在附图6中。

接着,移除可移除胶带26,暴露出牺牲基板10和框架22的下端,包括通孔24的下端(步骤2e)。所得结构示意性图示在附图7中。

参照图8,其为关注一个组件的放大示意图,不过要注意的是,加工步骤通常发生在阵列中,芯片20i周围的粘附聚合物30被向下移除至载体27(步骤2f)。可以采用等离子体蚀刻或激光蚀除。可以使用硬掩模29,例如不锈钢掩模来保护框架22(28)。

然后,移除牺牲基板10(步骤2g)。一种移除方法是激光照射透过牺牲基板10,加热并熔融界面12。当界面是氮化物层时,氮化物会被还原成金属并随后熔融。激光照射可使用功率200~400mJ/cm2的图案化激光。可以采用193nm波长的氟化氩(ArF)准分子激光或248nm波长的氟化氪(KrF)准分子激光。蓝宝石基板对于这些激光是透明的,但是氮化物层吸收激光能量并被加热,被转化为金属随后熔融,从而释放蓝宝石基板,其被提升移除并留下图9的结构。

参照图10,施加粘附聚合物30(步骤2h),填充围绕着氮化物12、电极14、18i和压电膜16周边的空隙,将它们附着至框架22、28并填充由于移除牺牲基板10所留下的空腔。在一个实施方案中,粘附聚合物30还在框架22、28下方进一步延伸50~150微米。

接着移除载体27。当载体27是金属(例如铜)时,可将载体27蚀刻掉(步骤2i)以得到图11示意性示出的结构。

参照图12,示出一个膜16包封在粘附聚合物30中,膜16位于聚合物互连框架栅格22的空腔内,框架22具有穿过框架22的导电通孔24,可通过钻出穿过粘附聚合物30的孔32来形成通向上电极18i的通道,并可通过钻出穿过粘附聚合物30和压电膜16并在到达下电极层14时停止的第二孔34来形成通向下电极14的通道。也可以从两面钻出通到铜通孔24的孔36(步骤2j)。在一个实施方案中,采用激光钻孔。在另一个实施方案中,采用等离子体蚀刻,同时利用适当的掩模例如不锈钢(例如304SS和316SS)硬掩模(29,参见图9)保护周围的粘附聚合物30。任选地,可以采用激光钻孔和等离子体蚀刻的组合。

接着,在钻孔32、34、36中填充铜,并连接至穿过互连框架22的通孔24–步骤(2k)。同时,制造密封环。

参照图13,该步骤可通过先在钻孔32、34、36和聚合物30的表面上溅射种子层例如钛Ti、钛和钽的混合物Ti/Ta或钛和钨的混合物Ti/W,然后在其上溅射一铜层38。

接着,将铜图案镀覆到钻孔中,然后通过形成上焊盘40和下焊盘42将填充的钻孔与通孔连接,以允许表面贴装和提供通向通孔24的通道。在框架的两面上制造上下密封环44、46,得到图14所示的结构。这可以通过施加光刻胶,图案化,电镀和移除光刻胶来实现。焊盘42将电极与框架中的通孔连接。沉积上下密封环44、46。所得结构示于图14。

参照图15,通过施加光刻胶,图案化,电镀和移除光刻胶来沉积下铜柱48。下铜柱48形成触点格栅阵列LGA或球栅阵列BGA焊盘,并且必须至少100微米厚。下密封环46不包括下铜柱48。上密封环44围绕膜16和焊盘40以允许对焊盘上方和周围的盖进行气密密封。通常,上密封环44制造的位置是在互连框架被切割成为单个组件时该互联框架上表面的外周处。

参照图16,为了有利于附着,密封环44、46和柱48可以涂覆有Ni、Au或Ni/Au50(步骤2m)。

参照图17,接着移除种子层32(步骤2n)。

然后,可以从任一面对覆盖压电膜16的粘附聚合物30进行减薄(步骤2o),利用受控等离子体腐蚀电极之间的部分,得到图18的结构。减薄粘附聚合物膜的目的是允许压电膜16共振。任选地,聚合物薄层(至多5微米)依然保持在压电膜16上以提供机械支撑。在上电极18i上的粘附聚合物膜30的厚度可以根据BSTFBAR的期望Q值定制为任意所需的厚度。

任选地,如图19所示,粘附聚合物膜30可以完全减薄至压电膜16上。

参照图20,上盖和下盖52、54设置在压电膜16的上方和下方,连接至互连框架上的Ni/Au密封环(步骤2p)。利用在盖52、54上的As/Sn密封环接触,其对应于封装框架上的Ni、Au或Ni/Au涂层50的密封环44、46的接触,使得As/Sn共熔体在约320℃-340℃温度下能够发生回流,从而在封装框架的上端和低端位置处密封盖52、54,由此气密包封压电膜16。

可以采用任意的可市购的盖52、54。盖52、54可以是LCP、陶瓷、硅、玻璃或金属的。这种封装方案用于MEMS封装。镀有镍和金并且具有金锡共熔体密封框架的盖是可以市场购得的并且满足军用标准。也可以采用具有玻璃密封件的陶瓷盖。

盖52、54可以在不活泼气体环境例如氮气环境下安装并接合在框架的密封环44、46上的适当位置处,以保护BST膜免受氧气和湿气的影响。

优选地,上盖52覆盖焊盘40,焊盘40将膜与框架内的通孔连接,而下盖54不延伸超出下铜柱48,用以将封装体60表面接合至基板。因此,没有必要在任一个盖的下方设置导体,这反而会劣化其密封性能。

用于组件表面贴装的下铜柱48在下盖54的下方延伸。

在此阶段,互连框架栅格可以切割(步骤2q)成分离的组件60,每个组件60被包封在顶、下盖52、54和周围的互连框架22之间。参见图20,作为选择,切割分离可以在附加步骤之前或之后进行。

图21和22示出上盖和下盖的视图。

应当注意的是,通常在下电极14下方且下电极14和支撑聚合物30之间存在界面层12的痕迹。界面层可以是AlN、TiN、GaN或InN或Al、Ti、Ga或In。该界面层是结构是否经过本文所描述的制造方法之一或其变化方案处理过的一个良好指示物。

参照图23,示出一种变化方法。重要的是,图2所示的第一制造方法和图23所示的第二制造方法之间的主要区别在于,在图23所示的方法中,芯片23ii面朝下放置在空腔框架的空腔25中。再次说明,框架可以是聚合物框架22或陶瓷框架28,并且框架包括穿过框架的金属通孔24。首先,获得具有压电膜的芯片–步骤23(i)。可以采用图1所示的方法。

芯片以电极朝下且牺牲基板朝上的方式放置在空腔框架的空腔中,该框架置于可移除胶带上–步骤23(ii)。

图24示意性示出放置在可移除胶带26上的框架22,框架22具有电极18ii朝下(牺牲基板10朝上)的芯片20ii。

在该变化方法中,接着利用激光透过牺牲基板照射界面层12以熔融界面层,然后提升移除牺牲基板–步骤23(iii),得到图25所示的结构。

然后,对具有穿过框架的金属通孔以及具有在框架的空腔25中的电极化压电薄膜70的聚合物框架22或陶瓷框架28涂覆粘附聚合物30,将电极化压电薄膜70附着至框架22(28)并且超出框架22、28延伸50-150微米–步骤23(iv),得到图26所示的结构。粘附聚合物30可以例如作为膜施加。优选地,采用液晶聚合物以尽可能减少湿气吸收。

接着,移除可移除胶带26–步骤23(v),得到图27所示的结构。

可以向下钻出穿过聚合物到达框架中的通孔24的孔134,以及可以钻出穿过压电层16通向内电极14的另一孔136,得到图28所示的结构–步骤23(vi)。孔134、136可通过激光钻孔和/或通过掩模进行选择性等离子体蚀刻来制造。

对两面施加种子层138,覆盖钻孔134、136的表面,得到图29所示的结构–步骤23(vii)。

接着制造连接焊盘140、142和密封环144、146–步骤23(viii)。一种制造方法是在两个表面上施加和图案化光刻胶层,在每一面的图案中电镀铜以填充孔134、136,得到图30所示的结构。

参照图31,从下焊盘(140,示于图31的顶部)生长通孔柱148以完全超出下密封环144用于进行表面贴装,例如用于连接至触点格栅阵列LGA–步骤23(ix)。

接着,在密封环144、146和通孔柱148上电镀镍Ni和金Au或Ni/Au连接点50–步骤23(x),得到图32所示的结构。剥除光刻胶。

蚀刻掉种子层138–步骤23(xi),得到图33所示的结构,该结构也旋转了180度。

利用合适的湿蚀刻或干蚀刻部分蚀刻掉上电极18ii,得到图34所示的结构–步骤23(xii)。

可以利用硬掩模29(示于图9)例如不锈钢掩模蚀刻掉压电膜16下方的聚合物30,以保护周围的聚合物和端子–步骤23(xiii)。图35示出所得结构的代表示意图。

如前文参照第一实施方案所述,可以施加具有对应的金-锡接触环的盖152、154–步骤23(xiv)并且通过加热使Au/Sn共熔体回流从而与结构的密封环接合。图36示出所得的结构。

焊料密封盖(有时在市场上以ComboLidsTM出售)是用于半导体工业进行高可靠性封装的标准组件。该密封盖具有耐腐蚀性和抗潮湿性并提供可靠的封装。该密封盖还符合军用规格MIL-M-38510。

在可选的封装中,可采用具有玻璃密封件的陶瓷盖,或者在不需要组件气密密封时,例如整个器件在后续步骤中被整体气密密封时,可以采用环氧树脂等其他密封件。如果合适,例如在不需要气密密封时,可以采用塑料盖例如液晶聚合物盖,其中在封装体上具有低温LCP的密封环。

如前所述,制造通常是在阵列上进行的。接着,框架栅格可以被切割分离成单个组件–步骤23(xv)。然而,应该认识到,切割步骤可以选择在等离子体减薄之前进行,使得能够分别调整每个组件。所得的结构示于图37中。应该认识到,切割分离可以在前一个示例的情况下进行。

应该认识到,图示的工艺方法可以产生许多变化方案。双盖框架可包括除压电膜16以外的其它组件,并且可以包括两个或以上的压电膜以调节不同频率,例如通过具有不同厚度来进行调节。

本领域技术人员将会认识到,本发明不限于上文中具体图示和描述的内容。而且,本发明的范围由所附权利要求限定,包括上文所述的各个技术特征的组合和子组合以及其变化和改进,本领域技术人员在阅读前述说明后将会预见到这样的组合、变化和改进。

在权利要求书中,术语“包括”及其变体例如“包含”、“含有”等是指所列举的组件被包括在内,但一般不排除其他组件。

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