CN113937096A - 一种片上集成滤波器的三维封装结构及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片上集成滤波器的三维封装结构，包括层叠设置的上层封装板和下层封装板、以及设置在下层封装板的上表面的片上集成滤波器。本发明在系统集成的时候同时集成了滤波器，且集成滤波器工艺与转接板工艺兼容，可以一次加工成型，简化集成工艺，实现三维集成封装，解决传统射频系统封装集成一致性差，以及小型化困难的问题。

Description

一种片上集成滤波器的三维封装结构及其封装方法

技术领域

本发明涉及，具体涉及一种片上集成滤波器的三维封装结构及其封装方法。

背景技术

滤波器结构是电子系统中不可或缺的组成部分，在电子系统微型化、小型化背景下微系统技术的应用与发展对系统集成方式提出了新的要求，对于其中的关键结构滤波器不仅要求性能好、尺寸小，而且还需要其在尺寸、材料、封装等方面必须与微系统集成封装技术兼容，容易与微系统集成。射频电子系统中传统的集成封装方式主要基于LTCC(低温共烧陶瓷)或其他层压板材，对于滤波器的集成多采用表面贴装技术装配，精度，尺寸以及集成度难以满足小型化的需求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种片上集成滤波器的三维封装结构及其封装方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提出了一种片上集成滤波器的三维封装结构，包括层叠设置的上层封装板和下层封装板、以及设置在下层封装板的上表面的片上集成滤波器；

所述下层封装板包括第一硅基板、以及设置在所述第一硅基板上表面的第一金属布线层和下表面的第二金属布线层，所述第一金属布线层包括片上集成滤波器图形结构；

所述上层封装板包括第二硅基板、以及设置在所述第二硅基板上表面的第三金属布线层和下表面的第四金属布线层，所述第四金属布线层包括片上集成滤波器图形结构，并且与第一金属布线层键合连接构成双层片上集成滤波器。

进一步地，所述下层封装板还包括采用片上集成或异质集成方式集成在第一硅基板或第一金属布线层上的第一集成芯片；

所述下层封装板通过第一金属布线层的片上集成滤波器图形结构与上层封装板的第四金属布线层部分键合连接构成双层片上集成滤波器。

进一步地，所述下层封装板还包括采用片上集成或异质集成方式集成在第一硅基板或第一金属布线层上的第一集成芯片；

所述上层封装板还包括采用片上集成或异质集成方式集成在第二硅基板或第四金属布线层上的第二集成芯片；

所述下层封装板通过第一金属布线层与上层封装板的第四金属布线层整体键合连接构成双层片上集成滤波器。

进一步地，所述片上集成滤波器图形结构包括由多条对称设置的谐振微带线组成的谐振单元、以及分别与谐振单元连接的输入微带线和输出微带线，多条所述谐振微带线的一端均通过TSV通孔接地。

进一步地，所述下层封装板还包括设置在第二金属布线层上的连接其它基板的微凸点结构。

进一步地，所述下层封装板还包括设置在第一硅基板上的TSV通孔及TSV通孔内壁上的金属化通孔。

进一步地，所述上层封装板还包括设置在第三金属布线层上的连接其它基板的微凸点结构。

进一步地，所述上层封装板还包括设置在第二硅基板上的TSV通孔及TSV通孔内壁上的金属化通孔。

第二方面，本发明还提出了一种片上集成滤波器的三维封装结构的封装方法，包括以下步骤：

S1、选取硅基板；

S2、在硅基板背面刻蚀TSV大孔；

S3、在硅基板正面刻蚀TSV小孔，形成TSV通孔；

S4、对硅基板进行RCA标准清洗，再采用高温热氧工艺在硅基板表面形成绝缘层；

S5、在硅基板层上、下表面溅射粘附层和种子层，然后在上表面光刻图形化结构，并在硅基板层上、下表面及TSV通孔电镀金属，去胶后进行湿法腐蚀以去除粘附层和种子层，形成包括片上集成滤波器图形结构的金属布线层及金属化通孔；

S6、在硅基板层下表面的金属布线层上进行图形化电镀，形成微凸点结构；

S7、在硅基板或其上表面的金属布线层上粘接或焊接集成芯片，制作得到下层封装板；

S8、重复步骤S1至S7制作上层封装板，并根据预设需求进行局部刻蚀；

S9、采用键合工艺将下层封装板和上层封装板进行键合连接，得到片上集成滤波器的三维封装结构。

本发明具有以下有益效果：

1.加工集成简单，易于实现3D集成：硅基板上集成滤波器工艺与基板工艺相同，不需要增加额外工艺环节，硅基板是主流的3D集成材料，不仅可以片上集成硅基芯片，与砷化镓芯片也有良好的兼容性，非常适合包含滤波器结构的系统封装集成。

2.精度高，一致性好：该集成方式是采用MEMS工艺和先进半导体工艺实现的封装基板与滤波器的一体化制作，最小线宽尺寸可以达到10mm以下量级，线宽精度2mm以内，元件参数控制精度高，一致性好。

附图说明

图1为本发明的片上集成滤波器的三维封装结构的单层堆叠结构示意图；

图2为本发明的片上集成滤波器的三维封装结构的双层堆叠结构示意图；

图3为本发明的片上集成滤波器结构示意图；

图4为本发明的片上集成滤波器模型示意图；

图5为本发明的片上集成滤波器设计结果示意图；

图6为本发明的硅基板版图设计示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

随着集成度的提高，对系统中滤波器的在满足性能的前提下，对其体积也有了进一步缩小的要求，多层滤波器也随之出现，本发明提供了一种在硅或者玻璃基板上集成滤波器的三维封装结构，在尺寸、材料、工艺等方面与芯片天然兼容，而且可以充分利用多样化的材料、较大的结构与可用工艺选择自由空间，自然成为基于转接板的三维集成微系统封装的优选技术。与传统集成方式相比，其在尺寸、线宽精度、兼容性、性能、品质等方面具有突出的优点。集成封装方式在系统集成的时候同时集成了滤波器，且集成滤波器工艺与转接板工艺兼容，可以一次加工成型，简化集成工艺，实现三维集成封装，解决传统射频系统封装集成一致性差，以及小型化困难的问题。

如图1和图2所示，本发明实施例提出了一种片上集成滤波器的三维封装结构，包括层叠设置的上层封装板和下层封装板、以及设置在下层封装板的上表面的片上集成滤波器；

下层封装板包括第一硅基板、以及设置在第一硅基板上表面的第一金属布线层和下表面的第二金属布线层，第一金属布线层包括片上集成滤波器图形结构；

上层封装板包括第二硅基板、以及设置在第二硅基板上表面的第三金属布线层和下表面的第四金属布线层，第四金属布线层包括片上集成滤波器图形结构，并且与第一金属布线层键合连接构成双层片上集成滤波器。

在本发明的一个可选实施例中，本发明采用MEMS工艺和半导体工艺在下层封装板上表面的第一金属布线层上刻蚀形成片上集成滤波器图形结构以及必要的连线结构，并且采用MEMS工艺和半导体工艺在上层封装板下表面的第四金属布线层上刻蚀形成同样的片上集成滤波器图形结构以及必要的连线结构。

本发明中上层封装板和下层封装板可以采用单层堆叠和双层堆叠两种堆叠结构。

如图1所示，当采用单层堆叠结构时，下层封装板采用片上集成或异质集成方式在第一硅基板或第一金属布线层上集成第一集成芯片，而上层封装板不设置集成芯片的集成空间，直接将下层封装板通过第一金属布线层的片上集成滤波器图形结构与上层封装板的第四金属布线层部分键合连接构成双层结构的片上集成带状线滤波器。

如图2所示，当采用双层堆叠结构时，下层封装板采用片上集成或异质集成方式在第一硅基板或第一金属布线层上集成第一集成芯片，同时上层封装板采用片上集成或异质集成方式在第二硅基板或第四金属布线层上集成第二集成芯片，将下层封装板通过第一金属布线层与上层封装板的第四金属布线层整体键合连接，使得下层封装板的第一金属布线层的片上集成滤波器图形结构与上层封装板的第四金属布线层的对应区域构成双层结构的片上集成带状线滤波器，并且构成的三维封装结构能够具有第一集成芯片和第二集成芯片两个芯片。

本发明通过分别在下层封装板的第一金属布线层上刻蚀形成片上集成滤波器图形结构、在上层封装板的第四金属布线层上刻蚀形成相同的片上集成滤波器图形结构，将下层封装板和上层封装板上相同的片上集成滤波器图形结构进行键合连接，构成双层结构的片上集成带状线滤波器。本发明与常规技术所采用的在单层基板上贴装微带线滤波器相比，能够实现TEM波的高效传输，并且能够保证在传输过程中信号泄漏更少，提高信号的传输效率和传输质量；同时本发明在下层封装板的第一金属布线层和上层封装板的第四金属布线层上均刻蚀有相应的地平面，使得本发明中的双层结构的片上集成带状线滤波器能够具有更优异的带外抑制性能。

本发明通过上下两层封装板键合构成三维封装结构，一方面能够保证双层结构的片上集成带状线滤波器的构建，同时不会增加多余工艺，具有兼容性好、灵活性高等优点；另一方面，本发明在提高三维封装结构整体性能的同时还能够实现多层堆叠的三维集成封装，从而解决传统射频系统封装集成一致性差，以及小型化困难的问题。

上述第一硅基板和/或第二硅基板采用常用的硅基板，如果应用于高频系统，则采用高阻硅基板。

上述集成芯片根据系统需求可以片上集成，也可以通过异质集成的方式集成，例如，COMS芯片由于材料工艺兼容，硅基板可以直接替换成已经完成加工的COMS晶圆，砷化镓芯片，氮化镓芯片测可以采用异质集成的方式。

在本发明的一个可选实施例中，如图3和图4所示，片上集成滤波器具体为片上集成带状线滤波器，其对应的片上集成滤波器图形结构均为单层金属布线层RDL实现，接地部分也可以由TSV实现，具体包括由多条对称设置的谐振微带线组成的谐振单元、以及分别与谐振单元连接的输入微带线和输出微带线，多条谐振微带线的一端均通过TSV通孔接地。

本发明中的片上集成滤波器与转接板的三维集成工艺兼容，可以通过硅基板的纵向堆叠实现，结构上可以做2层到多层，进一步减少滤波器的面积，而言减少整个封装结构的面积。图2为由两层硅基板构成的带状线结构，其布线工艺与基板表面布线层相同，上层基板通过金属层键合实现，与基板三维堆叠工艺兼容，同时可以通过将单层基板向上或者向下堆叠，实现系统的三维集成。

本发明的三维封装结构重点是可以片上集成的带状线滤波器，由于滤波器的工艺与封装转接板工艺完全兼容，因此才能实现一次成型的加工集成，简化工艺步骤，保证系统的一致性。

在本发明的一个可选实施例中，本发明分别在下层封装板的第二金属布线层和/或上层封装板的第三金属布线层上的设置连接其它基板的微凸点结构。该微凸点结构通过焊接的方式与上下层硅基板信号相连，底部也可以直接通过焊接的方式与外部基板互联。

在本发明的一个可选实施例中，本发明分别在下层封装板的第一硅基板和/或上层封装板的第二硅基板上设置TSV通孔及TSV通孔内壁上的金属化通孔。该金属化通孔的作用是将硅基板本身上层信号与下层的信号相连。

基于上述三维封装结构，本发明还提出了一种片上集成滤波器的三维封装结构的封装方法，包括以下步骤：

S1、选取硅基板；

具体而言，衬底可以选用硅基板，高阻硅基板，COMS基板；

S2、在硅基板背面刻蚀TSV大孔；

S3、在硅基板正面刻蚀TSV小孔，形成TSV通孔；

S4、对硅基板进行RCA标准清洗，再采用高温热氧工艺在硅基板表面形成绝缘层；

具体而言，首先对硅基板进行RCA标准清洗，将残留的杂质去除，避免在高温过程中对高阻硅衬底产生污染；然后再采用高温热氧工艺在高阻硅片表面形成致密的SiO2绝缘层，厚度100nm；

S5、在硅基板层上、下表面溅射粘附层和种子层，然后在上表面光刻图形化结构，并在硅基板层上、下表面及TSV通孔电镀金属，去胶后进行湿法腐蚀以去除粘附层和种子层，形成包括片上集成滤波器图形结构的金属布线层及金属化通孔；

具体而言，首先在硅基板层上、下表面溅射粘附层和种子层，厚度分别为Ti200nm，Cu 2μm；然后在硅基板层上表面光刻图形化结构，并且在硅基板层上、下表面及TSV通孔电镀Cu，电镀厚度5-6μm，去胶后进行湿法腐蚀以去除粘附层和种子层，形成包括片上集成滤波器图形结构的金属布线层及TSV通孔内壁上的金属化通孔；最后Cu表面进行化学镀镍金，厚度50nm；

S6、在硅基板层下表面的金属布线层上进行图形化电镀，形成微凸点结构；

具体而言，在光刻胶掩膜保护下，在铜微焊垫上图形化电镀锡形成微凸点；

S7、在硅基板或其上表面的金属布线层上粘接或焊接集成芯片，制作得到下层封装板；

具体而言，若选择COMS基板，因为COMS基板包含芯片，此步骤可以省略。

S8、重复步骤S1至S7制作上层封装板，并根据预设需求进行局部刻蚀；

S9、采用键合工艺将下层封装板和上层封装板进行键合连接，得到片上集成滤波器的三维封装结构。

下面对滤波器进行仿真设计，由于系统频率较高，这里选择高阻硅基板，以6-7GHz交指型滤波器设计为例，材料参数由封装结构决定，参数如下：

根据材料参数完成滤波器建模如图5所示，并对重要的参数：谐振器的间距以及尺寸进行仿真，直到满足指标要求。滤波器的谐振单元图形由基板上的RDL构成，谐振单元中接地的部分由TSV实现。

滤波器设计结果如图6所示。

将完成的滤波器结构绘制成版图，与硅基板上布线层位于同一版图上，完成封装转接板上的集成滤波器设计，如图所示。

完成滤波器，芯片排布，完成硅基板的版图设计。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种片上集成滤波器的三维封装结构，其特征在于，包括层叠设置的上层封装板和下层封装板、以及设置在下层封装板的上表面的片上集成滤波器；

所述下层封装板包括第一硅基板、以及设置在所述第一硅基板上表面的第一金属布线层和下表面的第二金属布线层，所述第一金属布线层包括片上集成滤波器图形结构；

所述上层封装板包括第二硅基板、以及设置在所述第二硅基板上表面的第三金属布线层和下表面的第四金属布线层，所述第四金属布线层包括片上集成滤波器图形结构，并且与第一金属布线层键合连接构成双层片上集成滤波器。

2.根据权利要求1所述的片上集成滤波器的三维封装结构，其特征在于，所述下层封装板还包括采用片上集成或异质集成方式集成在第一硅基板或第一金属布线层上的第一集成芯片；

所述下层封装板通过第一金属布线层的片上集成滤波器图形结构与上层封装板的第四金属布线层部分键合连接构成双层片上集成滤波器。

3.根据权利要求1所述的片上集成滤波器的三维封装结构，其特征在于，所述下层封装板还包括采用片上集成或异质集成方式集成在第一硅基板或第一金属布线层上的第一集成芯片；

所述上层封装板还包括采用片上集成或异质集成方式集成在第二硅基板或第四金属布线层上的第二集成芯片；

所述下层封装板通过第一金属布线层与上层封装板的第四金属布线层整体键合连接构成双层片上集成滤波器。

4.根据权利要求1所述的片上集成滤波器的三维封装结构，其特征在于，所述片上集成滤波器图形结构包括由多条对称设置的谐振微带线组成的谐振单元、以及分别与谐振单元连接的输入微带线和输出微带线，多条所述谐振微带线的一端均通过TSV通孔接地。

5.根据权利要求1所述的片上集成滤波器的三维封装结构，其特征在于，所述下层封装板还包括设置在第二金属布线层上的连接其它基板的微凸点结构。

6.根据权利要求1所述的片上集成滤波器的三维封装结构，其特征在于，所述下层封装板还包括设置在第一硅基板上的TSV通孔及TSV通孔内壁上的金属化通孔。

7.根据权利要求1所述的片上集成滤波器的三维封装结构，其特征在于，所述上层封装板还包括设置在第三金属布线层上的连接其它基板的微凸点结构。

8.根据权利要求1所述的片上集成滤波器的三维封装结构，其特征在于，所述上层封装板还包括设置在第二硅基板上的TSV通孔及TSV通孔内壁上的金属化通孔。

9.一种片上集成滤波器的三维封装结构的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取硅基板；

S2、在硅基板背面刻蚀TSV大孔；

S3、在硅基板正面刻蚀TSV小孔，形成TSV通孔；

S4、对硅基板进行RCA标准清洗，再采用高温热氧工艺在硅基板表面形成绝缘层；

S5、在硅基板层上、下表面溅射粘附层和种子层，然后在上表面光刻图形化结构，并在硅基板层上、下表面及TSV通孔电镀金属，去胶后进行湿法腐蚀以去除粘附层和种子层，形成包括片上集成滤波器图形结构的金属布线层及金属化通孔；

S6、在硅基板层下表面的金属布线层上进行图形化电镀，形成微凸点结构；

S7、在硅基板或其上表面的金属布线层上粘接或焊接集成芯片，制作得到下层封装板；

S8、重复步骤S1至S7制作上层封装板，并根据预设需求进行局部刻蚀；

S9、采用键合工艺将下层封装板和上层封装板进行键合连接，得到片上集成滤波器的三维封装结构。

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