封裝技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)中至關(guān)重要，它不僅保護芯片，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)域進行分類，半導(dǎo)體封裝技術(shù)主要包括：
圖1. 封裝工藝演進
區(qū)別于傳統(tǒng)的芯片封裝方式，晶圓級封裝（WLP）技術(shù)是在整個晶圓上進行封裝和測試，然后再將封裝好的晶圓切割成單個芯片。在所有封裝形式中，WLP是唯一一種在晶圓基礎(chǔ)上不額外增加面積的形式。這種封裝方法提高了生產(chǎn)效率，降低了成本，改善了性能。另外，WLP可以把封裝后的濾波器厚度做到0.2-0.3mm之間，遠遠低于CSP的厚度。隨著手機的普遍輕薄化，特別是折疊屏的大面積推廣，射頻器件的厚度降低成為了硬指標，WLP的重要性越來越明確。
最近30年，隨著各類MEMS產(chǎn)品的不斷問世，先進的MEMS封裝技術(shù)層出不窮。MEMS封裝建立在IC封裝的基礎(chǔ)之上，并衍生出各類WLP結(jié)構(gòu)和工藝。WLP有五個關(guān)鍵技術(shù)點，分別是硅通孔（Through Silicon Via, TSV）技術(shù)、再布線（Redistribution Layer, RDL）技術(shù)、凸點制造或凸點工藝（Bumping）、晶圓鍵合（Wafer Bonding）技術(shù)、電鍍（Plating）。
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. 凸點制造或凸點工藝（Bumping）
通過在芯片的I/O墊片上形成一個或多個微小的金屬凸起結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)芯片與封裝基板或其他芯片之間高效、可靠的電氣互連。
4. 晶圓鍵合（Wafer Bonding）技術(shù)
通過將兩個或多個經(jīng)過高度拋光的晶圓緊密連接在一起，形成單一的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
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械結(jié)構(gòu)（振動的諧振器單元）的射頻MEMS器件，其結(jié)構(gòu)工作時需要穩(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)境中實現(xiàn)自由的振動，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）。彼時整個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及硅凸點等方案的合理結(jié)合，在保證密封的同時實現(xiàn)了有效的電氣互聯(lián)。
圖2. Avago晶圓級封裝專利
Avago獨特的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，能夠進行更高密度的集成。一份2019年的調(diào)研報告（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：Polymer Cap + Organic 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的核心振動結(jié)構(gòu)并非完全懸浮，而是僅有一面在自由振動，這種設(shè)計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。電氣互聯(lián)則采用了先進的銅柱技術(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
Skyworks：Copper Filled TSV + Cu-Sn Bonding
Skyworks于2017年左右推出了FBAR產(chǎn)品系列，其封裝特點為實心銅柱填充（Copper Filled TSV）+銅錫鍵合 （Cu-Sn Bonding）。不同于傳統(tǒng)金材料鍵合技術(shù)，Skyworks開創(chuàng)性地采用了銅錫合金作為鍵合材料，這一選擇不僅優(yōu)化了成本，還提升了鍵合過程的熱穩(wěn)定性與可靠性。
尤為值得一提的是，Skyworks在鍵合環(huán)設(shè)計上采取了創(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，而且同時充當了空腔結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，簡化了制造流程。
圖5. Skyworks：Copper Filled TSV + Cu-Sn Bonding
在實現(xiàn)內(nèi)部互連方面，Skyworks的FBAR產(chǎn)品采用了實心銅柱作為TSV，這不僅提升了電流承載能力，還顯著改善了熱傳導(dǎo)性能，有利于器件的散熱。同時，用于電氣連接的凸點亦全部采用銅材質(zhì)，與TSV形成統(tǒng)一的金屬系統(tǒng)。厚銅材料的廣泛應(yīng)用，大幅度降低了材料成本，為Skyworks的FBAR產(chǎn)品提供了更高的成本效益，使其在競爭激烈的市場中脫穎而出。這一創(chuàng)新鞏固了Skyworks在射頻組件市場的領(lǐng)先地位，為其客戶在5G時代的產(chǎn)品設(shè)計提供了更加高效、可靠的解決方案。
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。其特點為完整硅帽（Raw Si Cap）+ 干膜有機鍵合 （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）一樣蓋在了有機鍵合層形成的墻上，整體縮短了制造周期，降低成本。
圖6. Newsonic SiRoof：Raw Si Cap + Organic Bonding
BAW WLP的跨行業(yè)嫁接開花結(jié)果
SiRoof是如何誕生的呢？
眾所周知，影像是全人類的旺盛需求，人們的生活被手機攝像頭徹底地改變了。1990年代，手機拍照技術(shù)開始逐漸發(fā)展并迅速普及，隨后智能手機攝像頭顆數(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）成為手機攝像頭成像技術(shù)的核心?，F(xiàn)今全球每年約生產(chǎn)70億顆CIS，七成用于手機。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。
2010年代初期，以色列Shellcase公司開發(fā)了CIS傳感器使用的晶圓級硅通孔封裝技術(shù)(TSV)。實現(xiàn)了芯片間的高效垂直互聯(lián)，大幅提高了數(shù)據(jù)傳輸速度和功耗效率。這種技術(shù)在三維堆疊（3D Stacking）封裝結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用，多層電路和器件可以堆疊在一起，顯著提升了功能集成度和性能，同時減少了封裝體積。
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，在大批量生產(chǎn)中進一步提升了可靠性余量。
圖9. Newsonic改進后的DBAW SiRoof的TSV和整齊排列Bump實拍照
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等先進封裝技術(shù)點。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DBAW產(chǎn)品
寫在最后
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)展出先進穩(wěn)定的SiRoof技術(shù)，充分糅合了CIS行業(yè)TSV的先進性、巨大產(chǎn)能的低成本，配合新開發(fā)的窄邊框有機鍵和技術(shù)、平坦未處理SiRoof材料，實現(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：“……地球生命史長達十幾億年，而現(xiàn)代技術(shù)是在三百年時間內(nèi)發(fā)展起來的，從宇宙的時間尺度上看，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文明內(nèi)部的炸藥，如果有內(nèi)部或外部因素點燃了它，轟一下就炸開了……”。近二十年全球智能手機的發(fā)展不僅改變了人們的生活，也催生了“環(huán)智能手機”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。在這個璀璨的時代，我們都不光自己在發(fā)光，也能借到別人的光。
參考文獻
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[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
