C波段WLP薄膜體聲波濾波器的研制

劉 婭，孫 科，馬晉毅，謝征珍，蔣平英，杜雪松(.電子科技大學(xué) 材料與能源學(xué)院，四川 成都 60054；.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

隨著電子整機(jī)裝備系統(tǒng)和移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信頻段進(jìn)一步向高頻(S和C波段)擴(kuò)展，相控陣?yán)走_(dá)、電子對抗和通信系統(tǒng)對高頻濾波器的性能和體積提出了更高要求[1]，市場對濾波器性能的要求也越來越嚴(yán)格；同時，5G通信技術(shù)中通信頻段將進(jìn)一步向高頻高性能擴(kuò)展，隨著通訊頻段的增加，一個通訊設(shè)備里需放入多個濾波器，因此對濾波器芯片的封裝尺寸提出了更高的要求。

薄膜體聲波諧振器(FBAR)濾波器封裝從傳統(tǒng)的表面貼裝封裝(SMD,其最小尺寸3 mm×3 mm)到芯片級封裝(CSP,其尺寸為1.1 mm×0.9 mm)[2]，而采用晶圓級封裝(WLP)的尺寸可達(dá)到芯片尺寸大小。WLP采用專用貼膜設(shè)備首先在芯片表面貼一層聚酰亞胺(PI)膜，把諧振器區(qū)域裸露出來，再在第一層膜上貼另一種PI膜，使諧振器區(qū)域形成空腔以利于諧振，同時在焊盤區(qū)域露出用于電鍍引線的區(qū)域，最后通過電鍍和刷球完成封裝，封裝后的尺寸和芯片尺寸保持一致[3-4]。WLP做C波段FBAR濾波器的成功研制，可以滿足電子整機(jī)系統(tǒng)、通信設(shè)備和模組集成對濾波器高頻小體積的要求。但由于FBAR濾波器是帶有空腔的結(jié)構(gòu)，在覆膜時空腔結(jié)構(gòu)易塌陷或薄膜破裂[5]，從而使濾波器性能惡化，甚至失效[6]。因此，研制小型化高頻的FBAR濾波器對當(dāng)前及未來武器裝備和移動通信的發(fā)展具有非常重要的意義。

1 FBAR濾波器的設(shè)計

本文采用一維Mason模型來仿真諧振器的頻率特性，其等效電路如圖1所示。FBAR由支撐層、下電極、壓電層、上電極組成，種子層和保護(hù)層的邊界均為空氣界面，以限制聲波能量在諧振器結(jié)構(gòu)中。壓電層有2個聲學(xué)端口和2個電學(xué)端口，普通聲學(xué)層具有2個聲學(xué)端口。將壓電層、普通聲學(xué)層的等效電路級聯(lián)，得到常規(guī)FBAR的Mason等效電路。圖中，Zn,Za,Zm,Zc為阻抗，C0為電容

圖1 Mason等效電路圖

采用ADS軟件進(jìn)行建模，該FBAR濾波器采用階梯型電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由于C波段頻率較高，對電容和電感敏感，F(xiàn)BAR濾波器采用阻抗元結(jié)構(gòu)，對互聯(lián)通孔的大小和厚度等對器件的性能影響都很大。因此，在HFSS中根據(jù)通孔大小、厚度和球等建立WLP的電磁模型，如圖3所示，同時進(jìn)行有限元仿真，得到濾波器WLP的外圍電磁參數(shù)。再根據(jù)濾波器的性能指標(biāo)進(jìn)行電磁仿真優(yōu)化，確定各膜層的厚度和各個諧振器的面積和圖形尺寸為1 mm×1 mm。

圖2 FBAR芯片電路圖

圖3 WLP封裝的HFSS模型

2 FBAR濾波器的制備

本文采用高阻硅片進(jìn)行制作FBAR濾波器，有機(jī)感光膜作為封帽材料，工藝流程如圖4所示。圖中，wall為搭腔體的墻，roof為封閉腔體的層頂，CMP為化學(xué)機(jī)械拋光。由于該FBAR濾波器采用空腔型結(jié)構(gòu)，在覆膜過程中，空腔結(jié)構(gòu)易塌陷。因此，在覆膜時需采用合適的工藝參數(shù)，在空腔不塌陷的同時保證附著力[5]。為了使電鍍填孔時孔內(nèi)不產(chǎn)生空洞或氣泡，通孔的側(cè)壁形貌需有一定角度，保證電鍍的質(zhì)量，研究了覆膜后光刻條件對側(cè)壁形貌的影響，光刻實(shí)驗方案如表1所示。

圖4 FBAR濾波器WLP工藝流程圖

表1 光刻實(shí)驗方案

續(xù)表

3 結(jié)果與討論

圖5為不同烘烤時間顯影后效果圖。由圖可知，隨著烘烤時間的增加，孔內(nèi)形貌從倒梯形逐漸變?yōu)樽訌楊^形狀；因為當(dāng)烘烤時間不足時，顯影后會呈現(xiàn)倒梯形狀，烘烤時間過長顯影后呈正梯形狀。

圖6為不同曝光量顯影后效果圖。由圖可知，隨著曝光量的逐漸增加，顯影后的殘留也逐漸增多；由于該有機(jī)感光膜呈負(fù)性光刻膠性質(zhì)，所以，隨著曝光量的增大，底部反射增強(qiáng)，使底部不需曝光區(qū)域也被反射光曝光，導(dǎo)致底部顯影殘留的現(xiàn)象，曝光量越大殘留越多。

圖6 不同曝光量顯影后效果圖

圖7為不同烘烤溫度顯影后效果圖。由圖可知，隨著烘烤溫度逐漸增加，孔內(nèi)形貌從垂直逐漸變?yōu)榈固菪?；?dāng)烘烤溫度過高時，會導(dǎo)致過烘顯影后出現(xiàn)殘留的現(xiàn)象。

圖7 不同烘烤溫度顯影后效果圖

圖8為WLP封裝FBAR芯片圖。由圖可知，所有焊盤(PAD)通過通孔和錫球互連，給測試造成一定難度，芯片需焊接在電路板上才能測試，但是焊接在電路板上后該器件不能使用。所以，本文采用訂制探卡(見圖9)通過探針的方法進(jìn)行測試，可避免因測試導(dǎo)致器件報廢。通過探卡測試后的曲線如圖10所示。由圖可以看出，濾波器的中心頻率為6.09 GHz，中心插損為2.92 dB，通帶插損為3.4 dB，帶寬為112 MHz，帶外抑制大于40 dB。通過測試結(jié)果可以看出，WLP封裝后濾波器的性能正常。

圖8 WLP封裝FBAR芯片圖

圖9 探卡

圖10 WLP封裝后FBAR濾波器測試圖

4 結(jié)束語

本文介紹了一款WLP封裝的C波段FBAR濾波器。采用Mason模型對FBAR濾波器進(jìn)行仿真，采用HFSS對封裝進(jìn)行電磁環(huán)境仿真，并在ADS軟件中進(jìn)行濾波器芯片和電磁環(huán)境的聯(lián)合仿真。為了實(shí)現(xiàn)電鍍填孔無空洞和氣泡，對通孔形貌進(jìn)行了實(shí)驗和優(yōu)化，最后得到利于電鍍填孔的倒梯形形貌，最終得到WLP封裝的FBAR濾波器。通過測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)器件性能滿足指標(biāo)要求。