一種基于WLP封裝的聲表面波濾波器

陳尚權，呂 翼，趙雪梅，董加和，米 佳，陳彥光，伍 平

(中國電子科技集團第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

晶圓級封裝(WLP)是近年來快速發展起來的新型封裝技術[1]，WLP采用重布線和凸點技術，能極大地減小封裝體積，實現了封裝面積和芯片面積比小于1.2。在電子設備小型化、模組化發展的趨勢下，采用WLP封裝的濾波器能更好地滿足移動通信等領域小型化的需求。

WLP聲表面波(SAW)濾波器是在完成功能圖形制作的晶圓上，對整個晶圓進行封裝、測試。此種封裝技術能實現整片晶圓的一次性封裝，加工效率高；每個晶圓有數千顆芯片，與傳統封裝技術對單個芯片進行操作相比，極大地降低了工藝成本；WLP器件布線短，電極厚，電磁寄生小。具有眾多優點的WLP器件正成為SAW濾波器的發展方向。但WLP封裝器件由于尺寸較小、電極凸點位于封蓋上，劃片后，采用夾具進行測試的方法難以準確測量其電性能、且易損壞器件或凸點。本文改進了現有GSG探針測試方法，研究制備專用探卡，解決了WLP器件測試難題。

1 SAW濾波器設計

1.1 低損耗SAW濾波器設計模型

低損耗SAW濾波器設計普遍采用COM模型[2-3]，COM模型能分析換能單元在壓電晶體表面的聲電效應。其響應關系用P矩陣形式表示為

[At1,At2,I]T=[Pij][Ai1,Ai2,V]T

(1)

式中：At,Ai分別為輸入、輸出響應；下角1,2為聲端口；I為電流;V為電壓。通過邊界條件可解得一個3×3的P矩陣。通過P矩陣的級聯，可以分析不同結構的濾波器響應。

1.2 WLP封裝阻抗元結構SAW濾波器

常用的低損耗SAW濾波器的結構為阻抗元結構，其基本原理是利用反射柵和換能器構成的諧振器，采用COM模型分析單個諧振器的響應，每個諧振器單獨設計。通過串、并電連接的方式構成濾波器。本文封裝尺寸為1.1 mm×0.9 mm×0.5 mm，尺寸較小，因此設計方案選擇諧振器數量較少的雙T型阻抗元結構，同時輸入、輸出對稱，實現小型化設計。在版圖設計時，考慮到器件尺寸小，實際裝配到電路應用中，需避免直通對器件性能的惡化。因此，設計的輸入、輸出接口為對角。本文選擇41°Y-XLiNbO3作基底材料。材料參數如表1所示。COM參數通過有限元法理論計算提取并經過工藝進行了驗證。本文工作頻率為L波段，封裝引起的電磁寄生對阻抗元結構的頻率響應有較大影響，采用等效的電容、電感建立集總參數封裝模型。因為WLP封裝和傳統表貼封裝結構有較大區別，故采用仿真與工藝驗證相結合的方法，準確獲取了WLP封裝的寄生參數。

表1 材料參數

1.3 濾波器結構及仿真

圖1為雙T型阻抗元SAW濾波器電路結構。圖中，IE1、IE2、IE3為諧振器,其輸入、輸出對稱，L為封裝寄生電感，Cp為封裝寄生電容。設計時，輸入參數包含芯片結構參數、材料COM參數、WLP封裝寄生參數。結構參數主要有諧振器的周期、孔徑、占空比等參數；材料COM參數由膜厚和壓電基底決定；封裝寄生參數由電磁效應決定。采用梯度下降法，優化3種類型諧振器的周期、孔徑、換能器對數等，參數如表2所示，獲得了相對帶寬約為5.8%的帶通濾波器，如圖2所示。

圖1 雙T型阻抗元結構

表2 諧振器部分參數

圖2 器件仿真結果

2 WLP封裝工藝

WLP封裝將芯片進行鈍化處理，在其表面覆蓋聚酰亞胺(PI)或Si固體介質材料，以實現器件的封裝。采用重布線技術將I/O接口以陣列方式分布在介質材料上，并進行凸點制作，完成器件接口制作。本文封裝覆膜材料為Si，能提升WLP器件在模塊化中模壓能力。與傳統封裝技術相比，封裝、測試在劃片工序前完成。WLP封裝的主要工藝流程，如圖3所示。

圖3 封裝流程

凸點技術是WLP封裝的關鍵技術，本文采用solder ball植球的方式實現凸點制作。與其他技術相比，其成本低，工藝穩定及能實現小球制作[4]。圖4為產品實物圖。

圖4 劃片后產品

3 WLP器件在線測試

本文采用WLP封裝器件在劃片前進行測試工序。準確測試芯片性能指標，即可以及時反饋研發結果，減少工藝制作周期。同時也能避免不合格產品進入后道工序，減少經濟損失。準確完成芯片檢測，成為WLP器件制作的一個重要環節。

3.1 傳統探針

SAW器件芯片的傳統測試方法采用GSG探針的方式，探針頭對金屬電極或金屬凸點進行接觸連接，實現對濾波器芯片的測試。此種類型探針頭數量不超過4個，包含輸入、輸出兩個信號接口，其余接地。本文采用的WLP封裝外殼有8個端口，探針頭數量無法覆蓋全部的接口，采集的信號不完整，造成探針測試的結果和實際器件性能差異很大，無法準確判斷芯片性能，圖5為GSG探針測試結果。帶外抑制和通帶指標與實際響應差距較大。

圖5 探針測試結果

3.2 專用探卡

WLP封裝濾波器尺寸小，采用夾具測試易引入電磁寄生，測試結果與實際有差異，且易損壞器件。本文設計制備了專用探卡(見圖6)，實現了WLP器件的測試，隨后將濾波器裝配在實際使用的電路板上，進行測試對比。

圖6 探卡印制板及針頭分布

探卡主要包括探針頭、印制板和引線。探針頭是探卡的最重要部分，其需要具有良好的力學性能和電學性能。探針和器件金屬凸點既要保持良好接觸，又不能應力過大而破壞金屬凸點。同時保證接觸電阻要小，材料選擇有良好機械和電學性能的BeCu合金。探針的結構為懸臂梁式，根據材料力學，懸臂梁的尖端最大撓度ωmax由梁的厚度決定[5]：

(2)

式中：E為楊氏模量;b為梁寬度;L為梁長度;h為梁厚度;F為針尖受力。懸臂梁的彈性系數K為

(3)

由此可對金屬凸點的受力情況進行分析,避免受損。

探針頭數量有8個，其中6個獨立接地。探針頭之間的最短距離為250 μm，探針可在x，y，z3個方向移動，可以調節與金屬凸點的接觸位置和對金屬凸點施加的應力。x，y方向的調節精度可達2 μm，z方向的調節精度為1 μm，可以實現探針和待測器件良好接觸。工作頻率為1 GHz時，接觸電阻小于0.5 Ω，導電性能好。探針間的特征阻抗大于500 MΩ，隔離性好，可以用于高頻測試。

印制板上有引線電路連接探卡的引出端口和探針頭，且印制板有較高的平整度要求，以確保探針頭和濾波器的良好接觸。印制板上的引出端口由外部連接線和網絡分析儀連接，完成器件的測試。圖7為探卡測試結果。

圖7 探卡測試結果

為了驗證探卡測試的準確性，將同一器件裝配在實際使用的電路上，用相同儀器進行測試，兩者間的對比如圖8所示。

圖8 探卡測試與實際電路測試對比

4 結束語

本文選擇了一種雙T型的阻抗元結構，采用WLP封裝技術，實現了一款基于WLP封裝聲表面波濾波器的研制。產品體積僅為1.1 mm×0.9 mm×0.5 mm，可以用于手機射頻前端等領域的模塊中，能極大地減小模塊體積。針對WLP封裝濾波器難以測試的問題，研究制備了一種專用的探卡，能較準確地完成整片晶圓濾波器的測試工作。本款濾波器的研制方法適用于其他不同切型材料的基于WLP封裝的聲表面波濾波器研制。