[讨论] SAW器件封装技术概述

1 引言

现今，随着整机尺寸的减小和元器件的高度集成，促进了元器件的小型化、薄型化。由于SAW(Surface Acoustic Wave)器件小型化并且有着出众的滤波功能，它们存许多领域的应用中扮演着非常重要的角包。小型化和多功能化是SAW器件发展的主要动力。
传统用引线合的陶瓷、金属、塑料封装形式已经在相当程度上被节省空间的芯片尺寸级封装(Chip Sized Package，CSP)所代替。
芯片尺寸级封装技术CSSP使得封装休积大大减小，使SAW器件的特殊应用以及突出的电磁性能得以实现。CSSP技术在芯片大小和封装体积之间提了一个最合适的比例，为低频率的滤波器(CDMA-IF)，尤其是频率要求比较精确的中频滤波器(GSM-IF)，还有lGHz和2GHz的射频滤波器的发展提供了帮助。
2 介绍
由于在大批量生产过程巾的高度集成、小型化、重复性，SAW器件在手机、汽车、卫星电视接收装置以及WLAN收发器上得到了广泛应用。每种应用都对元器件的大小、品质、价格有着不同的要求。市场需求导致SAW器件不同的封装形式以及封装技术的巨大变化。
SAW 件是基于声波在压电基片(芯片)表面的自由激励。基片表面的每个污染物都会对器件性能产生消极影响。所以首要的问题是选择基片材料、滤波技术和设计参数，例如又指换能器巾的叉指数量。滤波器巾心频率是南几何型又指的周期以及金属又指结构的大量填充影响决定的。例如LiTaO3，叉指结构的金属镀层厚度1％的变化，会使得中心频率f0偏差△f：
工艺操作中的机械和热应力也会对压电基片产生影响，使器件性能发生变化。
SAW器件封装必须保证：
(1)器件有源表面必须有一定空间；
(2)衬底和封装材料必须有良好的热匹配；
(3)防止湿气浸人和微粒沾污；

(4)机械性能牢同，耐温度冲击。
3 SAW封装技术概述
过去一般把封装形式分成三大类。根据它们使用材料的不同，大致分为陶瓷、金属以及塑料封装。三种封装技术的基本理念是差不多的。它们最少有两部分组成，即封装的底座和上盖。其次，它们利用了同样的芯片装架工艺。在底座上涂上少量的黏合剂，然后把芯片在上面。经过同化处理，芯片最后粘结牢固。

一方面，黏合剂必须足够柔软，以便转移封装体内部的机械应力；另一方面，它又必须足够坚固以防止震动。黏合剂与基片材料之间热膨胀系数要相匹配。否则，在温度循环下，压电材料会变形，从而导致SAW器件的中心频率偏移。众所周知，在IC封装中，芯片与封装体之间的电连接，传统的引线键合技术是最合适的。在芯片表面极薄的金属镀层上键合的同时，避免键合时产生的微粒散落到叉指结构上，是SAW器件面临的挑战。
3．1 金属封装
各种封装形式之间的最大区别就在于实现的方法。金属封装形式(图1)是由包含着绝缘和接地脚的金属底座以及金属帽子组成的。芯片被装架在便于键合的区域。在键合和盖帽之后，放人脉冲点焊封帽机进行封帽，得到密封性能良好的半成品。金属封装用普通的成本就可以制造出精确的高频滤波器，同时南于机械性能强度高，可以封装体积非常大的芯片。
3.2 塑料封装
塑料封装(图2)大部分中两个塑料包装单元组成，就像槽和帽子。装架好的芯片通过键合连接到引线框上，金属的引线框从一边伸入槽中，最后将两个部分粘合在一起。包含引线框的槽可以用热同型或热塑型塑料在成型工艺中制造出来。典型应用就是卫星电视接收装置用滤波器和无绳电话用中频滤波器。在市内使用该种器件，其密封性是足够的。这种封装技术的主要优势就在十低成本。金属和塑料两种封装都存在共同的缺点，就是有比较长的引脚，导致器件的体积太大。
3．3 SMD封装
在 SMT技术下的陶瓷SMD封装(图3)的好处是显而易见的。第一层陶瓷底部就是焊接引脚，这样就不会增加封装的尺寸；第二层陶瓷包含着用于键合的电极以及用于装架芯片的腔体。在陶瓷层的最上沿，必须有金属化层，以便于和金属上盖的焊接。这样才能保证器件的密封性能。键合电极与焊接引脚间的电连接是通过在陶瓷层间穿孔，填充金属媒质来实现的。
这种牢固的封装使得频率精确的射频和中频滤波器能够使用在体积要求敏感的手机上。它们现在也用来制造谐振器和电视滤波器。SMD封装价格高，但是体积小、频率稳定、易于集成化操作。
4 倒装焊(FCB)技术
在过去的二十年中，芯片和封装的体积随着集成度的提高以及芯片频率的增加而得到了有效的减小。但是，常规的引线键合技术限制了封装的小型化，因为为了保证机械强度，必须要有一定厚度的管壁，同时引线键合所需的台阶也浪费了很大的空间。
IC 封装中的倒装焊技术(Flip Chip Bonding，FCB)使得电连接只需要一次。由于以前SAW封装上的特殊需求，对封装厂家的知识转变是行不通的。为实现SAW器件的FCB，首先要制作凸焊点，用凸焊点代替引线键合提供电连接，凸焊点可以在芯片或管座上制成。制作凸焊点的方法有许多种，如蒸发／溅射法、电镀法、化学镀法、打球法、置球／模版印制法、激光凸点法、喷射法等等。在过去几年当中，多种制作技术得到了发展。凸焊点连接的方法有：热压法、C4(Controlled Collapsed Chip Connection)技术、环氧树脂光同化法、各向异性导电胶FCB、柔性凸点FCB等。图4给出了打球(钉头)法凸点制作及倒装焊工艺过程。
顾名思义，"倒装芯片技术"就是将芯片从底部翻转，然后装下去。淀积好焊膏以后，利用倒装焊接机，将芯片倒装在封装体内。采用凸焊点连接法，将所有的焊球同时固定住。
芯片倒装技术最重要的参数就是芯片和管座上各焊球的机械强度。可用多种质量测试方法对参数进行评估：机械测试(剪断测试、拉拽测试、震动和跌落测试)，温度测试(干热、湿热或温度循环)，回流焊测试(有无老化的同流循环)。基底与管座材料之问的热匹配决定了凸焊点连接的质量。
5 芯片尺寸封装(CS P)
所谓CSP(Chip Size Package，或Chip Scale Package)，即芯片尺寸封装。CSP目前尚无确切定义，不同厂商有不同说法。JEDRC(联合电子器件工程委员会)的JSTK-012标准规定：芯片封装面积小于或等于芯片面积的120％的产品称为CSP。日本松下电子工业公司将芯片封装每边的宽度比其芯片大1mm以内的产品称为CSP。总之，CSP是接近芯片尺寸的封装产品。
芯片倒装技术的发展为小型化提供了必要的条件，同时彻底改革了SAW封装技术。尺寸减小是移动电话发展的主要推动力，倒装芯片技术启动了为减小射频中频器件封装尺寸所作的努力。

5．1 金属盖板的SMD封装
由于近十年来射频中频器件标准封装是SMD技术，故首先是将倒装芯片技术应于此。陶瓷的管座和金属的上盖，就像是给芯片造了个房子(图5)。由于不需要引线焊点台阶，而且焊球的高度要小于引线空间高度，所以SMD管壳面积减小，高度也能减小。但由于需要管壁，限制了尺寸进一步减小。
5．2 陶瓷基座和金属或塑性帽盖结构
采用平基座和帽状上盖，用焊接或胶结方式密封。焊球压块制作在基座上面，引出脚制作在基座下面，采用通孔连接基座上下面的电极，尺寸受制于管帽壁厚，如图6、图7所示。
根据基片材料选择热膨胀性能匹配的陶瓷或树脂，制成平板基底座，基座的结构与前一种相同。
SAW芯片正面有源区必须采用钝化保护，在焊球下方有MUB(Metalization Under Bump)，用回流法固定芯片。之后在芯片与基座之间填入聚合物填料来加强器件的机械性能。
最后一步是加上外覆盖层，因不同用途采用了两种技术：对高频器件和高频率精度器件采用金属层包封，而对低频器件采用塑性吸声料包封。
在组装过程中，可采取整芯片和多基座联体加工方式，因此这种技术有高质量、低成本的潜力。
6 CSSP的关键技术
6．1 芯片表面有源区的钝化保护
因为FCB技术中为减小焊凸点里的应力和应变，必须使用下填料，而由于SAW器件的特殊性，不能直接接触芯片表面的有源区，芯片表面有源区必须作钝化保护层。EPCOS公司在SAW芯片正面有源区采用自行研发的PROTEC钝化技术制成的微腔保护就是非常成功的例子。
6．2 凸焊点的制作
凸焊点既可制作在芯片上也可制作在基座上，可以结合已有条件自由选择。在芯片上制作凸焊点，因为焊区金属为A1，在A1焊区上制作各类凸点，除Al凸点外，制作其余凸点均需在Al焊区上先形成一层黏附性好的黏附金属，一般为数十纳米厚度的Cr、Ti、Ni层；接着在黏附金属层上形成一层数十到数百纳米厚度的阻挡层金属，如Pt、W、Pd、Mo、Cu、 Ni等，以防止上面的凸点金属(如Au等)越过薄薄的黏附层与A1焊区形成脆性的中间金属化合物；最上层是导电的凸点金属，如Au、Cu、Ni、Pb- Sn、In等。这就构成了黏附层-阻挡层-导电层的多层金属化系统。
6.3 下填料的选择
下填料环氧包封能减小芯片与基板间整体热膨胀失配的影响，减小倒装芯片焊凸点里的应力和应变(因为芯片和基板被下填料牢牢固定)并将应力和应变再分配到整个芯片区域，否则，这些应力和应变将集中到焊凸点上。下填料包封的另一个优点是它能够保护芯片小受潮气、离子玷污、辐射以及加热、机械拉伸、剪切、扭曲、冲击和振动等不良环境的影响。
下填料最需要的性能是：
(1)低黏度(流速快)，能够提高产量；
(2)低同化温度和短的同化时间，可降低成本及减小对芯片的不利影响；
(3)低TCE，能减小芯片、焊凸点和基板间的热膨胀失配；
(4)高弹性模量，能改善机械性能；
(5)高玻璃化温度Tg，使下填料能够承受高温；
(6)低吸潮系数，能够改善搁置寿命。
6．4 FCB技术
针对SAW器件的特点，Kulicae＆Soffa公司生产了全自动植柱机，可以方便地在芯片上制作Au凸点，速度可达5点／s。而倒装焊接机的应川，实现了高精度对位和全自动高速生产。FCB技术所需没备是比较先进的，价格昂贵，因此目前以CSSP技术制造的SAW器件价格较高。
7 今后的发展
近十年来移动电话的发展得益于SAW器件的小型化，SAW器件标准尺寸的趋势如图8所示，一代产品研发周期为两到三年。
进一步的小型化发展是复合封装，如已开始有带内匹配的双工器、两个器件合用一个外壳的二合一器件等。CSSP技术允许无源集成，一个封装内可放多个芯片，用平面集成化法在管壳内可附加许多功能，如低通、匹配和延迟等。 模块是另一集成方式，将射频SAW器件与周边电路元件集成在一起做成模块。最近已有采用分立SMD元件集成在PCB的双制式前末级模块的报道，其中包含了收发开关、频分器和低通滤波器等元件。
采用多层低温共烧陶瓷(LTCC)可增加集成度，电感和电容可以集成在多层低温共烧陶瓷衬底内，由于多层低温共烧陶瓷最多可达15层，金属层损耗低，所以电感电容优值高，容积极小。不能集成在多层低温共烧陶瓷中的元件，如SAW滤波器、PIN管和收发丌关等，放在顶层最后封装。
SAW器件与相关电路一起优化，能使模块有更优异性能。模块不仅体积小，也让使用者拿到的是已测试过的多功能部件，大大减少了设计时间和需要的元件数目。