RF MEMS封裝的研究.pdf

1、微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的很多研究人員和專家都把包括組裝和測試在內(nèi)的封裝視為產(chǎn)品成功商業(yè)化的唯一最亟待解決的關(guān)鍵問題。封裝實(shí)質(zhì)上是影響市場上各種MEMS和微系統(tǒng)產(chǎn)品總生產(chǎn)成本的主要因素。 射頻微機(jī)電系統(tǒng)器件對封裝的挑戰(zhàn)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通微機(jī)電系統(tǒng)封裝的復(fù)雜要求，因?yàn)樗婕暗綄ι漕l系統(tǒng)進(jìn)行互連。其中，最重要的是系統(tǒng)內(nèi)的組件和物理結(jié)構(gòu)一般必須是分立元件，由于信號將在導(dǎo)體和周圍的電介質(zhì)中進(jìn)行傳輸，這使得物理封裝結(jié)構(gòu)和插入的組件以及芯片之間的相互作用變

2、得非常復(fù)雜。在這種環(huán)境中，必須保持阻抗匹配，并抑制電磁場的輻射。設(shè)計這樣一個與IC封裝相類似并且?guī)缀涡螤詈筒牧舷拗葡嗉嫒莸膹?fù)雜封裝系統(tǒng)是很困難的，通常需要做大量的計算機(jī)模擬。不管怎樣，努力的回報將是讓射頻微機(jī)電系統(tǒng)具有更好的性能，更小的尺寸和更輕的重量。 設(shè)計一個高性能的集成電路封裝是一項復(fù)雜的工作，包括對封裝結(jié)構(gòu)本身、模具鍵合、封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部以及封裝結(jié)構(gòu)與基板間的電互連等進(jìn)行設(shè)計，需要運(yùn)用到多種學(xué)科的知識。封裝系統(tǒng)必須要能夠適應(yīng)

3、外部環(huán)境并對內(nèi)部器件提供一定的保護(hù)，此外還需具有抗熱、可靠、耐用的特性。當(dāng)涉及到射頻或光學(xué)MEMS器件時，為了實(shí)現(xiàn)交互作用使封裝變得更加復(fù)雜。一些基于物理的分析方法，例如有限元法(FEM)，提供了檢驗(yàn)復(fù)雜的互連屬性及其對器件性能的影響的一個平臺。就提高M(jìn)EMS器件對周圍環(huán)境的靈敏度及其交互性能而言，這種模擬的方法顯得尤為關(guān)鍵。本文就是綜合運(yùn)用HFSS，Coventor，ADS等有限元軟件對RF MEMS的封裝進(jìn)行研究，主要做了以下四方面

4、的內(nèi)容： 首先，對RF MEMS封裝進(jìn)行了綜述。介紹了MEMS封裝的定義，它的分類，著重介紹了最適合RF MEMS封裝的類型。以RF MEMS封裝區(qū)別于IC封裝的特殊性和它的基本要求說明為什么現(xiàn)在RFMEMS產(chǎn)品的封裝和組裝已成為MEMS和微系統(tǒng)生產(chǎn)中的主要成本。提出了目前關(guān)于封裝大家研究比較多的幾個問題，包括封裝材料，封裝結(jié)構(gòu)、裝片和焊接、電連接技術(shù)，列出了這幾個方面目前的發(fā)展?fàn)顩r以及面臨的問題。還對目前先進(jìn)的封裝技術(shù)進(jìn)行了介

5、紹(BGA，F(xiàn)C，DSP)。 其次，用Coventor軟件模擬了溫度對封裝后器件的性能影響。由于RF MEMS都是較精細(xì)的結(jié)構(gòu)，不能承受很高的溫度，熱性能對RF MEMS器件性能有重要的影響，在較高溫度和較大溫差下，電參數(shù)將下降，熱環(huán)境的不均勻性將引起電性能的很大差異。同時，熱應(yīng)力集中將導(dǎo)致部分微結(jié)構(gòu)、微元件失效。本文先介紹了封裝中多層異質(zhì)層的熱變形理論模型。然后用Coventor軟件模擬了在不同的功率密度下，封裝結(jié)構(gòu)的熱變形引

6、起器件的性能的變化。同時還模擬了不同的外界環(huán)境溫度對封裝后器件性能的影響，并總結(jié)了對應(yīng)的變化規(guī)律。 再次是研究了封裝結(jié)構(gòu)和電連接對封裝后器件性能的影響。封裝結(jié)構(gòu)的材料，尺寸，特別是電連接的方法都會對封裝的器件性能產(chǎn)生巨大的影響。本文先是對封裝外殼的影響進(jìn)行了模擬，取了不同的粘結(jié)層高度，寬度和厚度，還有不同的頂蓋凹槽深度，看它們產(chǎn)生的不同變化。將頂蓋和粘結(jié)層的作用等效為特性阻抗的改變，并通過電路模擬得到驗(yàn)證。接著是對引線鍵合這種連

7、接方式進(jìn)行模擬，總結(jié)不同的鍵合線尺寸的影響規(guī)律。并建立了引線和封裝外殼的等效電路，介紹了電路中參數(shù)的計算方法，通過microwave office 軟件驗(yàn)證等效電路的正確性。 最后是提出一種薄頂蓋過孔連接的封裝方法并設(shè)計其工藝制作過程。文章在前幾章的模擬分析基礎(chǔ)上，選擇了過孔連接的方式來實(shí)現(xiàn)信號的連接和傳輸，為了提高過孔連接的性能，采用了薄頂蓋來實(shí)現(xiàn)過孔連接。模擬結(jié)果表明，用薄項蓋過孔連接的方式封裝，其傳輸性能符合RF MEMS