封裝技術在半導體行業中至關重要，它不僅保護芯片，還提供電氣連接和散熱路徑。按照不同的封裝形式和應用領域進行分類，半導體封裝技術主要包括：

圖1. 封裝工藝演進

1. 硅通孔（Through Silicon Via, TSV）技術

 

通過在硅晶圓中鉆孔并填充導電材料，形成垂直方向的電氣連接通道，從而實現芯片之間或者芯片內部不同層級的直接互連。

2. 再布線（Redistribution Layer, RDL）技術

 

通過在芯片或封裝的表面重新分配和布局互連線路，提供更加靈活和高效的電氣連接，支持多種I/O配置和高密度互聯需求。

3. 凸點制造或凸點工藝（Bumping）

 

通過在芯片的I/O墊片上形成一個或多個微小的金屬凸起結構，實現芯片與封裝基板或其他芯片之間的高效、可靠的電氣互連。

4. 晶圓鍵合（Wafer Bonding）技術

5. 電鍍（Plating）

利用電解原理在導電物體表面沉積一層金屬或合金涂層。在WLP技術中，電鍍參與TSV的金屬填充，Bumping形成，RDL制造等。

BAW濾波器是具有三維機械結構（振動的諧振器單元）的射頻MEMS器件，其結構工作時需要穩定的外部環境。這樣的特征，決定了BAW濾波器的封裝與傳統IC封裝存在諸多不同，且工藝更加復雜。如果說IC封裝是平面二維的，WLCSP，FO-WLP等晶圓級封裝工藝，是為了集成更多的引腳；BAW濾波器封裝則是立體三維的，引腳之外，更重要的是提供密封的空腔，讓諧振器在穩定的環境中實現自由的振動，所以BAW需要“3D WLP“。

目前BAW濾波器成熟的WLP技術路線包括：

Avago：Shaped Si Cap + Au-Au Bonding (Microcap)

Qorvo：Polymer Cap + Organic Bonding

Skyworks：Copper Filled TSV + Cu-Sn Bonding

Newsonic：Raw Si Cap + Organic Bonding（SiRoof®)

Avago：Shaped Si Cap + Au-Au Bonding

Avago的FBAR在2003年左右就實現了WLP技術 – Microcap，并且布局了核心技術專利Microcap，其核心是成型硅蓋Shaped Si Cap和金金鍵合Au-Au Bonding（US8232845B2）。彼時整個MEMS的晶圓級封裝技術還不是很完善，而傳統SAW濾波器也還在使用古老的陶瓷管殼以及打金線的封裝方式。Avago選擇了相對成熟的金屬環熱壓鍵合（Metal Diffusion路線）封裝，所使用的材料是金。Avago 的Microcap技術核心包含構筑于Cap Wafer上的TSV，形成空腔的硅凸點和凸環，用于鍵合及電連接的Au Gasket (墊圈結構)。通過TSV及硅凸點等方案的合理結合，在保證密封的同時實現了有效的電氣互聯。

圖2. Avago晶圓級封裝專利

Avago獨特的WLP技術Microcap對于后續20年FBAR的大規模商用功不可沒，這種全硅的方案給后道封裝帶來極大的便利，保證了Avago在模組方案中，能夠進行更高密度的集成。一份2019年的調研報告（Yole）顯示：Avago在其中高頻發射模組中（尺寸為7.22×6.23mm，厚0.76mm）集成了19顆FBAR濾波器，單顆濾波器面積僅為1mm2的1/2。 

圖3. Avago: Shaped Si Cap + Au-Au Bonding
 

Qorvo的Polymer Roof WLP方案比Avago要晚幾年，采用的是雙層干膜封裝：有機干膜蓋板（Polymer Cap）和干膜-干膜鍵合（Organic Bonding），與傳統懸浮結構不同，SMR的核心振動結構并非完全懸浮，而是僅有一面在自由振動，這種設計極大簡化了工藝流程，降低了制造難度，使得諧振器在WLP封裝階段能承受更多的工藝處理步驟，從而提高了成品率和可靠性。

Qorvo在WLP技術上采取的雙層干膜方案是其一大特色。首層干膜主要負責構建空腔的側壁，確保內部結構的穩定；第二層干膜則如同屋頂，覆蓋于頂部，形成完整的封裝結構，為內部器件提供保護。電氣互聯則采用了先進的銅柱技術，通過直接在晶圓上形成垂直互連線，顯著提高了集成度。

值得一提的是，Qorvo WLP技術中所使用的干膜材料是一種高性能的光敏樹脂，這種材料的成本昂貴，有限的供應商也對供應鏈提出了挑戰。這種材料的供應全部來源于日本廠商。

圖4. Qorvo: Polymer Cap + Organic Bonding

尤為值得一提的是，Skyworks在鍵合環設計上采取了創新策略，選用厚銅材質構筑了密封鍵合環，這一銅環不僅厚度顯著，而且同時充當了空腔結構的側壁，簡化了制造流程。

圖5. Skyworks：Copper Filled TSV + Cu-Sn Bonding

Newsonic：Raw Si Cap + Organic Bonding

新聲半導體（Newsonic）于2021年面向市場推出了原創的采用SiRoof封裝方案的D-BAW產品系列。其特點為完整硅帽（Raw Si Cap）+ 干膜有機鍵合 （Organic Bonding），并且新聲在中美布局了核心技術專利US20220103147A1和CN113556098B。SiRoof設計中對TSV的布局不同于常規WLP做法，將電氣互聯的TSV設置在器件的一側，而非Cap（硅帽）一側，這樣的設計意味著電流路徑無需穿越鍵合界面，從而有效避免了因鍵合界面殘余應力引起的潛在可靠性問題，可靠性等級與Avago一致，大幅增強了產品的穩定性和耐用性。相比于經多層光罩，多道工藝復雜加工的Microcap，新聲SiRoof晶圓只需一道光罩，像屋頂（Roof）一樣蓋在了有機鍵合層形成的墻上，整體縮短了制造周期，降低成本。

圖6. Newsonic雙面鍵合技術：Raw Si Cap + Organic Bonding

BAW WLP的跨行業嫁接開花結果

眾所周知，影像是全人類的旺盛需求，人們的生活被手機攝像頭徹底的改變了。1990年代，手機拍照技術開始逐漸發展并迅速普及，隨后智能手機攝像頭顆數和性能需求急劇攀升。

圖7. 網友調侃現代攝像頭是麻將牌

同樣于1990年代，得益于CMOS技術的低功耗、高集成度和低成本優勢，CMOS圖像傳感器開始逐漸取代電荷耦合器件（CCD）成為手機攝像頭成像技術的核心。現今全球每年約生產70億顆CIS，七成用于手機。2000年前后，CIS對更高分辨率、更低功耗和更小尺寸的需求催生了CIS WLP技術的飛速演進。

圖8. CIS WLP的現代以TSV為基礎的封裝形式[6]

在中國半導體產業2010年代初快速發展的大背景下，CIS WLP封裝技術在國內逐漸實現國產化，并且擁有了成熟的生產線。至今，核心工藝TSV已非常先進成熟。

巧合的是，BAW的WLP也有此類減小電氣互聯寄生、保障可靠性及密封性、和縮小尺寸的需求，新聲尋求到CIS WLP大規模制造龍頭合作方共同開發嘗試將CIS WLP直接嫁接到DBAW晶圓，沒想到完全兼容迅速成功，即SiRoof（Raw Si Cap + Organic Bonding）。隨后，雙方又合作攻克了窄邊框晶圓鍵合，復雜介質的刻蝕等工藝難點，在大批量生產中進一步提升了可靠性余量。

圖9. Newsonic改進后的DBAW SiRoof的TSV和整齊排列Bump實拍照

BAW WLP 技術及IP的橫向發展

起于CIS行業WLP技術的靈感激發，后續又融合了SiP等先進封裝技術點。新聲半導體（Newsonic）橫向延展出BAW WLP的技術及IP家族，包括封裝結構，工藝方法等八大類別的專利布局，如圖10。

圖10. 新聲（Newsonic）核心關鍵技術WLP的專利布局

新聲下一代Glass-Cap
BAW濾波器的晶圓級封裝技術（WLP）依舊不斷迭代擁有無限可能，朝著進一步提高生產效率、降低成本且不損失性能的方向，新聲半導體同步在開發基于更便宜材料和制造的玻璃晶圓蓋帽WLP（如圖11）的新型封裝技術。

圖11. 新聲下一代Glass-cap玻璃蓋帽產品

Avago、Skyworks、Qorvo等公司自由創新發展各自的BAW WLP技術，其中Avago和Sky主要基于“金屬鍵合”、Qorvo基于“雙層干膜”。Newsonic則站在CIS巨人肩膀上發展出先進穩定的SiRoof技術，充分糅合了CIS行業TSV的先進性、巨大產能的低成本，配合新開發的窄邊框有機鍵和技術、平坦未處理SiRoof材料，實現了自己的BAW WLP。

《三體》中關于技術爆炸理論有一段經典的描述：“……地球生命史長達十幾億年，而現代技術是在三百年時間內發展起來的，從宇宙的時間尺度上看，這根本不是什么發展，是爆炸！技術飛躍的可能性是埋藏在每個文明內部的炸藥，如果有內部或外部因素點燃了它，轟一下就炸開了……”。近二十年全球智能手機的發展不僅改變了人們的生活，也催生了“環智能手機”產業鏈的文藝復興式技術爆炸，射頻通訊行業和CIS行業都是其中一員。在這個璀璨的時代，我們都不光自己在發光，也能借到別人的光。

參考文獻

[1] United States Patent US9219464 - Bulk Acoustic Wave (BAW) Resonator Structure Having an Electrode with a Cantilevered Portion and a Piezoelectric Layer with Multiple Dopants: https://patentimages.storage.googleapis.com/a4/25/02/1e0ba32593084f/US9219464.pdf

[2] United States Patent US8232845B2 - Packaged Device with Acoustic Resonator and Electronic Circuitry and Method of Making the Same: https://patentimages.storage.googleapis.com/8f/92/b0/ed6ee6c47a65d3/US8232845.pdf
[3] United States Patent US8143082B2 - Wafer Bonding of Micro-electro Mechanical Systems to Active Circuitry: https://patentimages.storage.googleapis.com/9d/59/fa/6486ad02d1a6c3/US8143082.pdf
[4] United States Patent US20220103147A1 - Lithium Niobate or Lithium Tantalate FBAR Structure and Fabricating Method Thereof
[5] 中華人民共和國國家知識產權局發明專利CN113556098B - 體聲波諧振器封裝結構
[6] 馬書英，王姣，劉軼，等. 淺析CMOS圖像傳感器晶圓級封裝技術[J]. 電子與封裝, 2021, 21(10): 100108