一种基于WLP封装的声表面波滤波器

陈尚权，吕 翼，赵雪梅，董加和，米 佳，陈彦光，伍 平

(中国电子科技集团第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

晶圆级封装(WLP)是近年来快速发展起来的新型封装技术[1]，WLP采用重布线和凸点技术，能极大地减小封装体积，实现了封装面积和芯片面积比小于1.2。在电子设备小型化、模组化发展的趋势下，采用WLP封装的滤波器能更好地满足移动通信等领域小型化的需求。

WLP声表面波(SAW)滤波器是在完成功能图形制作的晶圆上，对整个晶圆进行封装、测试。此种封装技术能实现整片晶圆的一次性封装，加工效率高；每个晶圆有数千颗芯片，与传统封装技术对单个芯片进行操作相比，极大地降低了工艺成本；WLP器件布线短，电极厚，电磁寄生小。具有众多优点的WLP器件正成为SAW滤波器的发展方向。但WLP封装器件由于尺寸较小、电极凸点位于封盖上，划片后，采用夹具进行测试的方法难以准确测量其电性能、且易损坏器件或凸点。本文改进了现有GSG探针测试方法，研究制备专用探卡，解决了WLP器件测试难题。

1 SAW滤波器设计

1.1 低损耗SAW滤波器设计模型

低损耗SAW滤波器设计普遍采用COM模型[2-3]，COM模型能分析换能单元在压电晶体表面的声电效应。其响应关系用P矩阵形式表示为

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

(1)

式中：At,Ai分别为输入、输出响应；下角1,2为声端口；I为电流;V为电压。通过边界条件可解得一个3×3的P矩阵。通过P矩阵的级联，可以分析不同结构的滤波器响应。

1.2 WLP封装阻抗元结构SAW滤波器

常用的低损耗SAW滤波器的结构为阻抗元结构，其基本原理是利用反射栅和换能器构成的谐振器，采用COM模型分析单个谐振器的响应，每个谐振器单独设计。通过串、并电连接的方式构成滤波器。本文封装尺寸为1.1 mm×0.9 mm×0.5 mm，尺寸较小，因此设计方案选择谐振器数量较少的双T型阻抗元结构，同时输入、输出对称，实现小型化设计。在版图设计时，考虑到器件尺寸小，实际装配到电路应用中，需避免直通对器件性能的恶化。因此，设计的输入、输出接口为对角。本文选择41°Y-XLiNbO3作基底材料。材料参数如表1所示。COM参数通过有限元法理论计算提取并经过工艺进行了验证。本文工作频率为L波段，封装引起的电磁寄生对阻抗元结构的频率响应有较大影响，采用等效的电容、电感建立集总参数封装模型。因为WLP封装和传统表贴封装结构有较大区别，故采用仿真与工艺验证相结合的方法，准确获取了WLP封装的寄生参数。

表1 材料参数

1.3 滤波器结构及仿真

图1为双T型阻抗元SAW滤波器电路结构。图中，IE1、IE2、IE3为谐振器,其输入、输出对称，L为封装寄生电感，Cp为封装寄生电容。设计时，输入参数包含芯片结构参数、材料COM参数、WLP封装寄生参数。结构参数主要有谐振器的周期、孔径、占空比等参数；材料COM参数由膜厚和压电基底决定；封装寄生参数由电磁效应决定。采用梯度下降法，优化3种类型谐振器的周期、孔径、换能器对数等，参数如表2所示，获得了相对带宽约为5.8%的带通滤波器，如图2所示。

图1 双T型阻抗元结构

表2 谐振器部分参数

图2 器件仿真结果

2 WLP封装工艺

WLP封装将芯片进行钝化处理，在其表面覆盖聚酰亚胺(PI)或Si固体介质材料，以实现器件的封装。采用重布线技术将I/O接口以阵列方式分布在介质材料上，并进行凸点制作，完成器件接口制作。本文封装覆膜材料为Si，能提升WLP器件在模块化中模压能力。与传统封装技术相比，封装、测试在划片工序前完成。WLP封装的主要工艺流程，如图3所示。

图3 封装流程

凸点技术是WLP封装的关键技术，本文采用solder ball植球的方式实现凸点制作。与其他技术相比，其成本低，工艺稳定及能实现小球制作[4]。图4为产品实物图。

图4 划片后产品

3 WLP器件在线测试

本文采用WLP封装器件在划片前进行测试工序。准确测试芯片性能指标，即可以及时反馈研发结果，减少工艺制作周期。同时也能避免不合格产品进入后道工序，减少经济损失。准确完成芯片检测，成为WLP器件制作的一个重要环节。

3.1 传统探针

SAW器件芯片的传统测试方法采用GSG探针的方式，探针头对金属电极或金属凸点进行接触连接，实现对滤波器芯片的测试。此种类型探针头数量不超过4个，包含输入、输出两个信号接口，其余接地。本文采用的WLP封装外壳有8个端口，探针头数量无法覆盖全部的接口，采集的信号不完整，造成探针测试的结果和实际器件性能差异很大，无法准确判断芯片性能，图5为GSG探针测试结果。带外抑制和通带指标与实际响应差距较大。

图5 探针测试结果

3.2 专用探卡

WLP封装滤波器尺寸小，采用夹具测试易引入电磁寄生，测试结果与实际有差异，且易损坏器件。本文设计制备了专用探卡(见图6)，实现了WLP器件的测试，随后将滤波器装配在实际使用的电路板上，进行测试对比。

图6 探卡印制板及针头分布

探卡主要包括探针头、印制板和引线。探针头是探卡的最重要部分，其需要具有良好的力学性能和电学性能。探针和器件金属凸点既要保持良好接触，又不能应力过大而破坏金属凸点。同时保证接触电阻要小，材料选择有良好机械和电学性能的BeCu合金。探针的结构为悬臂梁式，根据材料力学，悬臂梁的尖端最大挠度ωmax由梁的厚度决定[5]：

(2)

式中：E为杨氏模量;b为梁宽度;L为梁长度;h为梁厚度;F为针尖受力。悬臂梁的弹性系数K为

(3)

由此可对金属凸点的受力情况进行分析,避免受损。

探针头数量有8个，其中6个独立接地。探针头之间的最短距离为250 μm，探针可在x，y，z3个方向移动，可以调节与金属凸点的接触位置和对金属凸点施加的应力。x，y方向的调节精度可达2 μm，z方向的调节精度为1 μm，可以实现探针和待测器件良好接触。工作频率为1 GHz时，接触电阻小于0.5 Ω，导电性能好。探针间的特征阻抗大于500 MΩ，隔离性好，可以用于高频测试。

印制板上有引线电路连接探卡的引出端口和探针头，且印制板有较高的平整度要求，以确保探针头和滤波器的良好接触。印制板上的引出端口由外部连接线和网络分析仪连接，完成器件的测试。图7为探卡测试结果。

图7 探卡测试结果

为了验证探卡测试的准确性，将同一器件装配在实际使用的电路上，用相同仪器进行测试，两者间的对比如图8所示。

图8 探卡测试与实际电路测试对比

4 结束语

本文选择了一种双T型的阻抗元结构，采用WLP封装技术，实现了一款基于WLP封装声表面波滤波器的研制。产品体积仅为1.1 mm×0.9 mm×0.5 mm，可以用于手机射频前端等领域的模块中，能极大地减小模块体积。针对WLP封装滤波器难以测试的问题，研究制备了一种专用的探卡，能较准确地完成整片晶圆滤波器的测试工作。本款滤波器的研制方法适用于其他不同切型材料的基于WLP封装的声表面波滤波器研制。