【導(dǎo)讀】射頻前端（RFFE，Radio Frequency Front-End）模組國(guó)內(nèi)外手機(jī)終端中廣泛應(yīng)用。它將功率放大器（PA，Power Amplifier）、開(kāi)關(guān)（Switch）、低噪聲放大器LNA（Low Noise Amplifier）、濾波器（Filter）、無(wú)源器件等集成為一個(gè)模組，從而提高性能，并減小封裝體積。然而，受限于國(guó)外專利以及設(shè)計(jì)水平等因素，國(guó)產(chǎn)濾波器的份額相當(dāng)?shù)汀?/p>
射頻前端（RFFE，Radio Frequency Front-End）模組國(guó)內(nèi)外手機(jī)終端中廣泛應(yīng)用。它將功率放大器（PA，Power Amplifier）、開(kāi)關(guān)（Switch）、低噪聲放大器LNA（Low Noise Amplifier）、濾波器（Filter）、無(wú)源器件等集成為一個(gè)模組，從而提高性能，并減小封裝體積。然而，受限于國(guó)外專利以及設(shè)計(jì)水平等因素，國(guó)產(chǎn)濾波器的份額相當(dāng)?shù)汀Ｔ谀K集成化的趨勢(shì)下，國(guó)內(nèi)射頻巨頭在布局和生產(chǎn)濾波器。聲學(xué)濾波器可分為聲表面濾波器和體聲波濾波器，其中聲表面濾波器可根據(jù)適用的頻率細(xì)分為SAW、TC-SAW和IHP-SAW。體聲波濾波器適用于較高的頻段，可細(xì)分為BAW、FBAR、XBAR等。無(wú)論是SAW（Surface Acoustic Wave filter）還是BAW（Bulk Acoustic Wave Filter），均是在晶圓級(jí)封測(cè)后以倒裝芯片的工藝貼裝在模組上。在晶圓級(jí)封裝工藝中，Bump制造是相當(dāng)重要的一道工序，因此本文將淺談濾波器晶圓級(jí)封裝（Wafer Level package）中Bump制造的關(guān)鍵點(diǎn)。
當(dāng)前業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的幾種SAW filter Wafer Bumping工藝如下：
1.通過(guò)打線工藝在晶圓的UBM（Under Bump Metal）上植金球。
2.通過(guò)鋼網(wǎng)印刷工藝在UBM上印刷錫膏，再經(jīng)過(guò)回流焊成球。
3.先在晶圓的UBM上印刷助焊劑，將錫球放到UBM上，再經(jīng)過(guò)回流焊完成植球。
本文重點(diǎn)介紹第二種工藝。通過(guò)對(duì)印刷錫膏方案的剖析發(fā)現(xiàn)，在Bumping工藝中Bump的高度和共面度（同一顆芯片上Bump高度最大值最小值之差，差值越低越好）是最重要的關(guān)鍵指標(biāo)（如圖1.1、圖1.2）。下面從鋼網(wǎng)的工藝和設(shè)計(jì)、錫膏的特性等方面進(jìn)行分析。
圖1.1 球高
圖1.2 共面度
鋼網(wǎng)印刷
鋼網(wǎng)印刷的目的是使錫膏材料通過(guò)特定的圖案孔沉積到正確的位置上。首先，將錫膏放到鋼網(wǎng)上，再用刮刀使其通過(guò)鋼網(wǎng)開(kāi)孔沉積到焊盤(pán)上。鋼網(wǎng)與晶圓之間的距離（印刷間隙）、印刷角度、壓力、速度和膏體的流變特性是確保錫膏印刷的關(guān)鍵參數(shù)。一旦鋼網(wǎng)開(kāi)孔被膏體填滿，脫模后膏體留在每個(gè)焊盤(pán)上，沉積在焊盤(pán)上的體積取決于鋼網(wǎng)的孔距和孔壁的質(zhì)量、焊盤(pán)的表面特性和膏體的流變性能。
鋼網(wǎng)的加工工藝與開(kāi)孔設(shè)計(jì)
鋼網(wǎng)孔壁質(zhì)量、尺寸一致性、定位精度和鋼網(wǎng)生產(chǎn)成本是鋼網(wǎng)生產(chǎn)工藝的選擇標(biāo)準(zhǔn)。考慮到帶有Bump的濾波器是以倒裝芯片的工藝應(yīng)用在前端射頻模組里，其特點(diǎn)是Bump的尺寸小（bump高度在50~100μm之間）、間距小、對(duì)Bump高度的一致性要求高（共面度在10μm以內(nèi)）。為了滿足以上要求，業(yè)內(nèi)最常選用的是納米涂層鋼網(wǎng)和電鑄鋼網(wǎng)。
納米涂層鋼網(wǎng)的工藝是：在激光切割的基礎(chǔ)上對(duì)鋼網(wǎng)進(jìn)行清洗，然后在鋼網(wǎng)內(nèi)壁進(jìn)行打磨拋光以降低粗糙度，最后涂覆納米涂層。納米涂層使接觸角顯著增加，從而降低鋼網(wǎng)材料的表面能，有利于錫膏脫模。
圖2.1 無(wú)納米涂層 圖2.2 納米涂層
Source: Laser Job
電鑄鋼網(wǎng)的制作方法是：先在導(dǎo)電基板上用光刻技術(shù)制備模板，然后在阻膠膜周圍進(jìn)行直流電鑄，最后從光刻膠孔上剝離。電鑄鋼網(wǎng)的質(zhì)量和印刷性能取決于光刻膠的靈敏度、所用光刻工具的類型、導(dǎo)電基材的光學(xué)性能和電鑄工藝。電鑄鋼網(wǎng)的開(kāi)孔內(nèi)壁非常光滑（如圖3所示），其印刷脫模的表現(xiàn)也最好最穩(wěn)定。
圖3 電鑄鋼網(wǎng)孔壁
Source: Bon Mark
小結(jié)，納米涂層鋼網(wǎng)的印刷表現(xiàn)略遜于電鑄鋼網(wǎng)，其涂層在批量生產(chǎn)一段時(shí)間后可能會(huì)脫落，但是納米涂層鋼網(wǎng)的價(jià)格遠(yuǎn)低于電鑄鋼網(wǎng)；電鑄鋼網(wǎng)的側(cè)壁非常光滑，其印刷表現(xiàn)最好，是超細(xì)間距應(yīng)用的最佳選擇，但電鑄鋼網(wǎng)的價(jià)格相當(dāng)昂貴。鋼網(wǎng)的選擇取決于客戶對(duì)產(chǎn)品特性和成本的綜合考量。
開(kāi)孔面積比
由于CTE不匹配會(huì)影響封裝的可靠性，符合高度要求的Bump在這方面會(huì)起到積極的作用。這就要求鋼網(wǎng)印刷過(guò)程可靠地沉積穩(wěn)定的錫膏量，以產(chǎn)生堅(jiān)固的互連。錫膏從鋼網(wǎng)孔的釋放是由錫膏在鋼網(wǎng)孔側(cè)壁和晶圓焊盤(pán)之間的相互作用決定的。據(jù)文獻(xiàn)記載，為了從鋼網(wǎng)印刷中獲得良好的膏體釋放效率，模板開(kāi)孔面積比 [開(kāi)孔面積比=開(kāi)口面積/孔壁面積] 應(yīng)大于0.66。該比率限制了給定孔徑大小的模板厚度，并要求使用更薄的模板來(lái)印刷更細(xì)的間距。隨著鋼網(wǎng)制作工藝的提升，鋼網(wǎng)開(kāi)孔的面積比可以適當(dāng)降低，如下圖4所示。
圖4 鋼網(wǎng)開(kāi)孔規(guī)則
錫膏
錫膏是由焊粉和助焊劑均勻混合而成的膏體，其中錫球的形狀、顆粒大小、尺寸分布、氧化程度以及助焊劑載體的流變性能和配方體系，都對(duì)錫膏的印刷和回流性能起著重要作用。細(xì)間距印刷用的焊粉一直是賀利氏電子的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閃elco? technology（一種在油介質(zhì)中分散熔融合金的制造技術(shù)）利用兩種不同介質(zhì)的表面張力存在差異的原理，用工藝配方控制粉末尺寸范圍，摒棄了傳統(tǒng)的網(wǎng)篩工序，避免了粉末顆粒因網(wǎng)篩而導(dǎo)致的形變（表面積變大）。再者，粉末在油介質(zhì)中得到充分保護(hù)，減少了粉末表面的氧化。Welco?焊粉搭配賀利氏獨(dú)特的助焊劑配方體系，使印刷錫膏的轉(zhuǎn)化率能夠得到保證。
圖5 Welco 焊粉 SEM 圖片
當(dāng)前市場(chǎng)上SAW/BAW濾波器的應(yīng)用中常見(jiàn)的Bump高度為50-100μm，結(jié)合單個(gè)芯片的layout，即相鄰bump的最小間距，以及相鄰芯片的bump的最小間距，6號(hào)粉和7號(hào)粉錫膏是匹配的選擇。粒徑的定義是基于IPC的標(biāo)準(zhǔn)（如圖6），即6號(hào)粉有80%的焊粉粒徑分布在5-15μm的區(qū)間。
圖6 IPC粒徑規(guī)格
選擇合適粒徑的錫膏非常重要，助焊劑體系的選擇也是非常關(guān)鍵。因?yàn)橐恍㏒AW 的IDT 位置是裸露的，焊錫膏或助焊劑的飛濺都有可能影響IDT 的信號(hào)和聲波之間的轉(zhuǎn)換。對(duì)此，賀利氏開(kāi)發(fā)的AP5112和AP520系列產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)時(shí)均在飛濺方面做了深入的研究，從而盡可能避免飛濺問(wèn)題。Bump 中空洞的表現(xiàn)也是非常重要的質(zhì)量指標(biāo)，尤其是在模組中經(jīng)過(guò)多次回流焊之后。
案例分享
應(yīng)用：SAW filter
6 inch 鉭酸鋰晶圓（印刷測(cè)試以銅板代替鉭酸鋰晶圓）
Bump 高度=72±8μm；共面度<10μm
鋼網(wǎng)開(kāi)孔尺寸：130*140*50μm
錫膏：AP5112 SAC305 T6
圖7 印刷后
印刷穩(wěn)定性是影響bump高度一致性的關(guān)鍵因素。印刷窗口的定義通常受印刷設(shè)備的能力、鋼網(wǎng)的加工工藝、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等因素的影響，通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得。如圖7所示，6號(hào)粉錫膏的連續(xù)印刷表現(xiàn)優(yōu)異，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)連錫和大小點(diǎn)的問(wèn)題。Bump的高度數(shù)據(jù)能夠更好地說(shuō)明。
在回流焊過(guò)程中，已印刷在UBM區(qū)域的錫膏逐步熔化，助焊劑流至焊錫四周，而焊料熔化后回流到UBM上并在界面之間形成金屬間化合物（Intermetallic layer），冷卻后形成一定高度的Bump。Bump的平均高度非常靠近目標(biāo)值，且標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較小，如圖8、圖9所示。
圖8 Bump高度數(shù)據(jù)
圖9 Bump高度標(biāo)準(zhǔn)差
Bump 高度的指標(biāo)非常關(guān)鍵，Bump中的空洞也至關(guān)重要。在SAW filter上面的結(jié)果顯示，賀利氏的6號(hào)粉和7號(hào)粉具有良好的表現(xiàn)，如圖10所示。
圖10 Bump void 數(shù)據(jù)
晶圓級(jí)封裝最終會(huì)以芯片級(jí)應(yīng)用到系統(tǒng)封裝，即以倒裝芯片的工藝集成到模組里。在此過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷多次回流焊工藝，那么回流焊之后bump內(nèi)部的空洞會(huì)發(fā)生怎樣的變化？對(duì)此，我們測(cè)試了3次回流焊之后bump內(nèi)部空洞的變化，結(jié)果如圖11所示。
圖11 多次回流焊后空洞變化的數(shù)據(jù)
賀利氏的6號(hào)和7號(hào)粉錫膏對(duì)應(yīng)的Bump，在經(jīng)過(guò)3次回流焊之后仍然能夠保持在比較好的水平。
總結(jié)
本文簡(jiǎn)單闡述了晶圓級(jí)封裝的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。賀利氏Welco焊粉和獨(dú)有的助焊劑配方體系能夠匹配SAW、BAW 等濾波器的晶圓封裝需求。更深層次的技術(shù)細(xì)節(jié)，如Bump高度的設(shè)計(jì)和球高與錫膏量的關(guān)系，敬請(qǐng)期待下一篇文章。不論是晶圓級(jí)封裝還是先進(jìn)封裝賀利氏都能提供成熟的解決方案。
(作者：賀利氏技術(shù)方案工程師孫家遠(yuǎn))
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