封裝技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)中至關(guān)重要，它不僅保護(hù)芯片，還提供電氣連接和散熱路徑。按照不同的封裝形式和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類，半導(dǎo)體封裝技術(shù)主要包括：

圖1. 封裝工藝演進(jìn)

1. 硅通孔（Through Silicon Via, TSV）技術(shù)

 

通過在硅晶圓中鉆孔并填充導(dǎo)電材料，形成垂直方向的電氣連接通道，從而實(shí)現(xiàn)芯片之間或者芯片內(nèi)部不同層級的直接互連。

2. 再布線（Redistribution Layer, RDL）技術(shù)

 

通過在芯片或封裝的表面重新分配和布局互連線路，提供更加靈活和高效的電氣連接，支持多種I/O配置和高密度互聯(lián)需求。

3. 凸點(diǎn)制造或凸點(diǎn)工藝（Bumping）

 

通過在芯片的I/O墊片上形成一個(gè)或多個(gè)微小的金屬凸起結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)芯片與封裝基板或其他芯片之間的高效、可靠的電氣互連。

4. 晶圓鍵合（Wafer Bonding）技術(shù)

5. 電鍍（Plating）

利用電解原理在導(dǎo)電物體表面沉積一層金屬或合金涂層。在WLP技術(shù)中，電鍍參與TSV的金屬填充，Bumping形成，RDL制造等。

BAW濾波器是具有三維機(jī)械結(jié)構(gòu)（振動(dòng)的諧振器單元）的射頻MEMS器件，其結(jié)構(gòu)工作時(shí)需要穩(wěn)定的外部環(huán)境。這樣的特征，決定了BAW濾波器的封裝與傳統(tǒng)IC封裝存在諸多不同，且工藝更加復(fù)雜。如果說IC封裝是平面二維的，WLCSP，F(xiàn)O-WLP等晶圓級封裝工藝，是為了集成更多的引腳；BAW濾波器封裝則是立體三維的，引腳之外，更重要的是提供密封的空腔，讓諧振器在穩(wěn)定的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自由的振動(dòng)，所以BAW需要“3D WLP“。

目前BAW濾波器成熟的WLP技術(shù)路線包括：

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年左右就實(shí)現(xiàn)了WLP技術(shù) – Microcap，并且布局了核心技術(shù)專利Microcap，其核心是成型硅蓋Shaped Si Cap和金金鍵合Au-Au Bonding（US8232845B2）。彼時(shí)整個(gè)MEMS的晶圓級封裝技術(shù)還不是很完善，而傳統(tǒng)SAW濾波器也還在使用古老的陶瓷管殼以及打金線的封裝方式。Avago選擇了相對成熟的金屬環(huán)熱壓鍵合（Metal Diffusion路線）封裝，所使用的材料是金。Avago 的Microcap技術(shù)核心包含構(gòu)筑于Cap Wafer上的TSV，形成空腔的硅凸點(diǎn)和凸環(huán)，用于鍵合及電連接的Au Gasket (墊圈結(jié)構(gòu))。通過TSV及硅凸點(diǎn)等方案的合理結(jié)合，在保證密封的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了有效的電氣互聯(lián)。

圖2. Avago晶圓級封裝專利

Avago獨(dú)特的WLP技術(shù)Microcap對于后續(xù)20年FBAR的大規(guī)模商用功不可沒，這種全硅的方案給后道封裝帶來極大的便利，保證了Avago在模組方案中，能夠進(jìn)行更高密度的集成。一份2019年的調(diào)研報(bào)告（Yole）顯示：Avago在其中高頻發(fā)射模組中（尺寸為7.22×6.23mm，厚0.76mm）集成了19顆FBAR濾波器，單顆濾波器面積僅為1mm2的1/2。 

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

Qorvo的Polymer Roof WLP方案比Avago要晚幾年，采用的是雙層干膜封裝：有機(jī)干膜蓋板（Polymer Cap）和干膜-干膜鍵合（Organic Bonding），與傳統(tǒng)懸浮結(jié)構(gòu)不同，SMR的核心振動(dòng)結(jié)構(gòu)并非完全懸浮，而是僅有一面在自由振動(dòng)，這種設(shè)計(jì)極大簡化了工藝流程，降低了制造難度，使得諧振器在WLP封裝階段能承受更多的工藝處理步驟，從而提高了成品率和可靠性。

Qorvo在WLP技術(shù)上采取的雙層干膜方案是其一大特色。首層干膜主要負(fù)責(zé)構(gòu)建空腔的側(cè)壁，確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；第二層干膜則如同屋頂，覆蓋于頂部，形成完整的封裝結(jié)構(gòu)，為內(nèi)部器件提供保護(hù)。電氣互聯(lián)則采用了先進(jìn)的銅柱技術(shù)，通過直接在晶圓上形成垂直互連線，顯著提高了集成度。

值得一提的是，Qorvo WLP技術(shù)中所使用的干膜材料是一種高性能的光敏樹脂，這種材料的成本昂貴，有限的供應(yīng)商也對供應(yīng)鏈提出了挑戰(zhàn)。這種材料的供應(yīng)全部來源于日本廠商。

圖4. Qorvo: Polymer Cap + Organic Bonding

尤為值得一提的是，Skyworks在鍵合環(huán)設(shè)計(jì)上采取了創(chuàng)新策略，選用厚銅材質(zhì)構(gòu)筑了密封鍵合環(huán)，這一銅環(huán)不僅厚度顯著，而且同時(shí)充當(dāng)了空腔結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，簡化了制造流程。

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

Newsonic：Raw Si Cap + Organic Bonding

新聲半導(dǎo)體（Newsonic）于2021年面向市場推出了原創(chuàng)的采用SiRoof封裝方案的D-BAW產(chǎn)品系列。其特點(diǎn)為完整硅帽（Raw Si Cap）+ 干膜有機(jī)鍵合 （Organic Bonding），并且新聲在中美布局了核心技術(shù)專利US20220103147A1和CN113556098B。SiRoof設(shè)計(jì)中對TSV的布局不同于常規(guī)WLP做法，將電氣互聯(lián)的TSV設(shè)置在器件的一側(cè)，而非Cap（硅帽）一側(cè)，這樣的設(shè)計(jì)意味著電流路徑無需穿越鍵合界面，從而有效避免了因鍵合界面殘余應(yīng)力引起的潛在可靠性問題，可靠性等級與Avago一致，大幅增強(qiáng)了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和耐用性。相比于經(jīng)多層光罩，多道工藝復(fù)雜加工的Microcap，新聲SiRoof晶圓只需一道光罩，像屋頂（Roof）一樣蓋在了有機(jī)鍵合層形成的墻上，整體縮短了制造周期，降低成本。

圖6. Newsonic雙面鍵合技術(shù)：Raw Si Cap + Organic Bonding

BAW WLP的跨行業(yè)嫁接開花結(jié)果

眾所周知，影像是全人類的旺盛需求，人們的生活被手機(jī)攝像頭徹底的改變了。1990年代，手機(jī)拍照技術(shù)開始逐漸發(fā)展并迅速普及，隨后智能手機(jī)攝像頭顆數(shù)和性能需求急劇攀升。

圖7. 網(wǎng)友調(diào)侃現(xiàn)代攝像頭是麻將牌

同樣于1990年代，得益于CMOS技術(shù)的低功耗、高集成度和低成本優(yōu)勢，CMOS圖像傳感器開始逐漸取代電荷耦合器件（CCD）成為手機(jī)攝像頭成像技術(shù)的核心。現(xiàn)今全球每年約生產(chǎn)70億顆CIS，七成用于手機(jī)。2000年前后，CIS對更高分辨率、更低功耗和更小尺寸的需求催生了CIS WLP技術(shù)的飛速演進(jìn)。

圖8. CIS WLP的現(xiàn)代以TSV為基礎(chǔ)的封裝形式[6]

在中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)2010年代初快速發(fā)展的大背景下，CIS WLP封裝技術(shù)在國內(nèi)逐漸實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，并且擁有了成熟的生產(chǎn)線。至今，核心工藝TSV已非常先進(jìn)成熟。

巧合的是，BAW的WLP也有此類減小電氣互聯(lián)寄生、保障可靠性及密封性、和縮小尺寸的需求，新聲尋求到CIS WLP大規(guī)模制造龍頭合作方共同開發(fā)嘗試將CIS WLP直接嫁接到DBAW晶圓，沒想到完全兼容迅速成功，即SiRoof（Raw Si Cap + Organic Bonding）。隨后，雙方又合作攻克了窄邊框晶圓鍵合，復(fù)雜介質(zhì)的刻蝕等工藝難點(diǎn)，在大批量生產(chǎn)中進(jìn)一步提升了可靠性余量。

圖9. Newsonic改進(jìn)后的DBAW SiRoof的TSV和整齊排列Bump實(shí)拍照

BAW WLP 技術(shù)及IP的橫向發(fā)展

起于CIS行業(yè)WLP技術(shù)的靈感激發(fā)，后續(xù)又融合了SiP等先進(jìn)封裝技術(shù)點(diǎn)。新聲半導(dǎo)體（Newsonic）橫向延展出BAW WLP的技術(shù)及IP家族，包括封裝結(jié)構(gòu)，工藝方法等八大類別的專利布局，如圖10。

圖10. 新聲（Newsonic）核心關(guān)鍵技術(shù)WLP的專利布局

新聲下一代Glass-Cap
BAW濾波器的晶圓級封裝技術(shù)（WLP）依舊不斷迭代擁有無限可能，朝著進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率、降低成本且不損失性能的方向，新聲半導(dǎo)體同步在開發(fā)基于更便宜材料和制造的玻璃晶圓蓋帽WLP（如圖11）的新型封裝技術(shù)。

圖11. 新聲下一代Glass-cap玻璃蓋帽產(chǎn)品

Avago、Skyworks、Qorvo等公司自由創(chuàng)新發(fā)展各自的BAW WLP技術(shù)，其中Avago和Sky主要基于“金屬鍵合”、Qorvo基于“雙層干膜”。Newsonic則站在CIS巨人肩膀上發(fā)展出先進(jìn)穩(wěn)定的SiRoof技術(shù)，充分糅合了CIS行業(yè)TSV的先進(jìn)性、巨大產(chǎn)能的低成本，配合新開發(fā)的窄邊框有機(jī)鍵和技術(shù)、平坦未處理SiRoof材料，實(shí)現(xiàn)了自己的BAW WLP。

《三體》中關(guān)于技術(shù)爆炸理論有一段經(jīng)典的描述：“……地球生命史長達(dá)十幾億年，而現(xiàn)代技術(shù)是在三百年時(shí)間內(nèi)發(fā)展起來的，從宇宙的時(shí)間尺度上看，這根本不是什么發(fā)展，是爆炸！技術(shù)飛躍的可能性是埋藏在每個(gè)文明內(nèi)部的炸藥，如果有內(nèi)部或外部因素點(diǎn)燃了它，轟一下就炸開了……”。近二十年全球智能手機(jī)的發(fā)展不僅改變了人們的生活，也催生了“環(huán)智能手機(jī)”產(chǎn)業(yè)鏈的文藝復(fù)興式技術(shù)爆炸，射頻通訊行業(yè)和CIS行業(yè)都是其中一員。在這個(gè)璀璨的時(shí)代，我們都不光自己在發(fā)光，也能借到別人的光。

參考文獻(xiàn)

[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] 中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利CN113556098B - 體聲波諧振器封裝結(jié)構(gòu)
[6] 馬書英，王姣，劉軼，等. 淺析CMOS圖像傳感器晶圓級封裝技術(shù)[J]. 電子與封裝, 2021, 21(10): 100108