RF MEMS封装技术

总结: MEMS在射频（RF）应用领域表现出的低功耗，低损耗和高数据速率的优越特性为RF无线通信系统及其小型化提供了新的技术手段. 在产品设计的早期阶段，考虑RF MEMS封装设计是降低成本和提高产品合格率的有效方法. 本文着眼于当前RF MEMS器件和电路封装技术的设计和制造中的突出问题，指出封装在产品设计和技术实现方法中的重要地位，特别介绍了RF MEMS器件中的计算机仿真和电路封装效果

关键字: RF MEMS，封装，无线通信系统

1简介

RF MEMS技术不仅在无线通信领域具有广阔的前景，而且在未来的军事系统中，例如雷达和地面雷达，将成为使用RF MEMS器件的平台. 目前，已经研究和开发了一系列高性能RF MEMS组件，但是由于封装技术上的困难，RF MEMS器件的商业化过程和系统集成受到严重限制. 为此，有关新型RF封装概念和特定于封装的设计工具的研究也正在积极进行.

在RF应用领域，MEMS器件的应用非常严格. 可以说，它超出了其他RF的衰减. 也就是说射频器件 陶瓷 封装，RF封装技术应保持低插入损耗和低反射损耗. 同时，必须考虑RF MEMS器件封装工艺对环境的影响，以保持原始的良好电特性. 另外，与其他常规MEMS器件封装要求一样，还必须考虑器件的机械性能. 简而言之，RF MEMS封装需要整合RF MEMS器件的潜在多学科特性. 例如，它涉及电磁，静电和压电控制技术. 这些给RF MEMS封装带来了严峻的挑战，现有技术的应用已不足以满足RF应用的需求.

与传统的集成电路（IC）相比，RF MEMS封装特别需要满足环境保护，电信号路径，机械支持和热处理的需求. 然而，与传统集成电路相比，RF MEMS封装更具挑战性，因为封装过程中RF MEMS器件的多样性以及许多需要与环境持续紧密接触的器件. 这样，在制造RF MEMS器件时需要特殊的材料和工艺技术，因此包装成本通常约占总成本的60％.

尽管MEMS具有很强的竞争力，但在产品设计的早期阶段，RF MEMS封装设计的考虑仍然是非常重要的部分. 好的包装技术可以大大降低成本并提高产品合格率. 因此，RF MEMS封装是保持MEMS器件的良好RF电气特性并实现实用性的最后一步. 本文讨论了RF MEMS封装方法和封装仿真方法.

2射频封装方法研究

当前流行的封装方法包括用于陶瓷，金属和塑料封装的粘合技术，主动密封（PECVD或LPCVD）和混合封装（例如多芯片模块MCM）. 对于RF MEMS，典型的芯片级封装技术包括倒装芯片（Flip chip）技术（将MEMS和微电子器件封装在普通基板上）和球栅封装（BGA）.

MCM可以通过使用传统的厚膜技术在单个基板上集成和封装MEMS器件. 使用陶瓷，硅和印刷电路板的多层基板材料，可以将不同的模具形式附着并嵌入基板表面上. 模具可以通过线连接，翻转或直接连接到金属上. 使用低噪声的布线，模具的每一层都非常紧密，这可以改善系统的特性，同时在某些情况下可以减少或消除不必要的互连. 正在研究这种三维结构的包装方法，以便可以将它们支撑的模具和基板堆叠在一起.

为了保护MEMS器件免受外部环境的污染并确保良好的散热特性，可以在器件上沉积薄膜涂层. 该过程称为等离子体增强化学气相沉积（PECVD）. 膜附着通常使用二氧化硅或硅氮来增加阻抗和电绝缘特性. 密封用于保护设备免受外部环境的负面影响，例如污染物，机械振动或振荡. 一般的密封结构使用环氧硅树脂材料. 这些材料可以很好地附着在基板上，并可以减少机械压力和由于压力导致的热因子不匹配.

倒装芯片和球栅（BGA）封装方法均为芯片级封装. 芯片结构和I / O端子（锡球）朝下. 由于I / O引出端子分布在整个芯片表面，因此Flip芯片在封装密度和处理速度上达到了顶峰，特别是可以通过类似于SMT技术的方式进行处理，这是芯片的发展趋势. 包装技术和高密度安装.

倒装芯片封装方法广泛应用于RF MEMS. 可以用金属或导电聚合物梁代替传统的导线连接，可以在晶片和基板上制造这些金属或导电聚合物梁. 束不仅提供晶片的连接，还提供到载体的电子连接. 此过程可以使组件非常靠近传输线，从而减少信号衰减. 与有线倒装芯片技术相比射频器件 陶瓷 封装，互连的电气特性得到了改善，从而具有更高的封装密度[3-4]. 但是，设备本身保持在开放环境中. 然后，需要密闭包装，例如金属盒，但不能保证环境是真空的. 使用倒装芯片方法封装高性能RF MEMS器件需要将整个RF电路封装在真空中，这将导致器件成本增加，并且由于以下原因导致长期性能下降减少真空环境.

球栅阵列（BGA）的最新出现是一种高密度，高I / O集成电路封装技术. 它的I / O端子以圆形或圆柱状焊点阵列的形式分布在包装下. 引线间距大，线长短. 这消除了由微间距器件中的引线引起的共面性和翘曲的问题. 该技术的优点是它可以增加I / O数量和间距，并消除由于该技术的高I / O数量而导致的生产成本和可靠性问题. 该封装使用最小的垂直尺寸，封装引脚，并直接垂直连接到下一阶段，从而减少了转换长度和RF损耗. 通常，BGA封装的插入损耗小于0.1dB，具有引脚小，成本低的优点.

目前，在无线通信系统中，最新的移动电话结合了多频带操作和尖端技术，例如语音识别，日历，记录和Web浏览功能. 主流封装技术包括0.050英寸（1.27毫米）的标准尺寸，例如准平面封装（QFP），小尺寸封装（SOP），薄准平面封装和塑料引线芯片载体（PLCC），以支持新生成的封装小型化的产品. 0.025英寸（0.65毫米）的更小尺寸封装，例如准微型封装和球栅封装（BGA）已变得越来越流行，尤其是对于微处理器而言. BGA封装的引线封装提供了更好的特性，它被广泛用于高速时钟电路的设计和设计中. PHS MEMS将成为包括无源器件集成（IPD）和芯片规模（WLP）封装在内的下一代RF产品的关键技术.

3封装在射频MEMS中的应用

最近，RF MEMS系统封装已广泛用于无线系统（例如GSM，蓝牙，GPS和雷达系统）中. RF MEMS封装主要包括以下几个方面[6]: 1）低寄生芯片/衬底互连（使用裸芯，小间距互连）； 2）无源集成衬底（匹配阻抗，高Q值）无源RLC器件）； 3）下一级包装的互连（低插入损耗，电磁屏蔽）； 4）最快的设计方法（EDA设计，芯片封装的联合设计）.

在RF MEMS系统中，开关是RF领域最早，使用最广泛的设备之一. 因此，RF MEMS开关是目前使用最广泛的封装应用. 典型的固态RF开关如图1所示. 它使用倒装芯片封装方法将分立器件集成到RF微电路中. 但是这样的开关套件可能会导致信号衰减.

由CFDRC和MORGAN设计的开关使用低温共热陶瓷（LTCC）方法来改善RF MEMS封装的特性并降低信号衰减，如图2所示. 这种封装技术可生产出体积较小的器件且易于操作，可优化RF特性. 而且所使用的技术都是现有的生产技术.

图3所示的RF MEMS移相器采用X波段厚膜BGA MEMS封装技术. 该移相器是两相移器，中心频率为10 GHz，插入损耗为0.96 dB，频带内的反射损耗大于14 dB，平均插入损耗为1.14 dB，平均反射损耗为15.9 dB ，并且相位误差小于3.3度. 这项先进的封装技术大大降低了相控阵雷达应用的设计和制造成本.

4芯片级封装粘合材料

BCB是一种新型的包装粘合材料，适用于屏蔽腔需要机械强度和气密性，同时又不能降低器件性能的场合. 苯并环丁烯（BCB）是用于粘合粘合剂和密封层的有效材料. 与阳极键合和硅直接键合相比，使用（BCB）作为键合和封装的材料处理相对简单. 特别是在硫化过程中，它对信号的间接输送有很好的效果. 而且，（BCB）表现出最小的除气，高耐化学性，高结合力，低温处理和低残留压力水平. 使用BCB制成的RF MEMS开关的封装过程如图4所示. 开关结构如图5所示. 这种封装材料改善了粘合结构，并为芯片级封装和密封提供了新的思路.

5 RF MEMS封装的计算机仿真

与处理其他静电，热量和机械特性一样，可以通过计算机仿真有效地处理RF设备的电磁特性. 通过研究射频设备的封装特性，您可以预测和确定损耗源，包括传导，辐射和反射. 通过仿真改变封装的结构，分析对器件特性的影响，最后通过实验获得封装器件的实际特性，以验证计算结果和仿真结果. 例如，摩托罗拉的MM7500 RF MEMS开关的电容为10 pF（开路），可以获得60-70 dB的隔离度，并且封装后的隔离度降低至40-50 dB. 这表明RF MEMS封装特性的重要性是不言而喻的. 解决此问题的方法必须依靠计算机辅助设计技术来解决.

目前，有许多商用RF仿真软件，包括2.5D和3D EDA仿真软件，例如十四行诗，Ansoft HFSS，AGILENT ADS. 基于力矩模拟方法的EDA软件主要包括ADS（高级设计系统）和Sonnet. 基于有限元仿真的EDA仿真软件包括HFSS. 测试表明，分析结果对于模拟射频设备非常准确. 使用CFD-Maxwell仿真可以帮助分析不同包装的概念. 此非常宽，并且频率应用范围可以从1到100 GHz，因此可以将高斯脉冲用作激励源. 在仿真中，高斯脉冲的宽度可以设置为时间步长的千分之一（时间步长由网格的分辨率确定）. 三维电场和磁流密度也可以通过仿真来计算. 可以通过使电流和电压流入和流出封装设备的信号路径，在MMIC基板上分析该设备的电磁特性，如图6所示，并给出S参数（如图7所示）. . 这些参数是MEMS封装设计的基础. 几何尺寸和常用材料参数并不特定于特定包装. 可以将模拟数据与实际测量数据进行比较. 获得了给定包装的最佳设计，从而获得了设计所需的最佳参数. 这样可以大大降低设计成本和开发周期.

为了在提供知识产权（IP）的同时占据竞争制高点，它还提供了相应的EDA设计工具. 例如，MEMSCAP是同时提供MEMS IP和EDA工具以将IP设计为高度集成电路的新公司之一. MEMSCAP的基本操作方法是，在完成IC的正常处理后，它可以使MEMS器件作为IC顶部的附加处理层. 在该方法中，沉积金属片（膜）和绝缘层（薄膜），然后对这些层进行微加工. IP供应商Conventor也拥有大量的RF MEMS设备库. 该库中的开关可以提供给用户进行集成，也可以作为分立设备提供给用户，以供用户评估或组装到基板或板级产品中. 这些是带有欧姆触点的开关，可以在DC至40 GHz的频率范围内工作. 供应商将以芯片（可用于芯片加导线组装）或封闭设备的形式向客户提供RF MEMS设备. Conventor提供单刀单掷和单刀双掷开关，其隔离度大于35dB，插入损耗小于0.2dB. 它还提供了一组EDA设计工具，包括Architect程序，Builder程序，Designer程序和Analyzer程序. 这些程序通过对微结构的有限元分析来设计和分析RF MEMS器件. 这些程序也可以链接到其他商业EDA软件工具，例如Ansys的Ansoft和安捷伦的HFSS高频结构仿真程序.

阿尔卡特在MEMS微系统，组件和封装部门的研究工作旨在实现一种经济的封装技术，该技术可用于在合适的保护环境下密封该器件. 该目标已通过零级或硅级解决方案实现. 在该方案中，可以修改芯片键合技术，以便一次操作即可将一个或多个盖安装在硅晶片上的所有设备上. 它是通过CMOS或BiCMOS兼容工艺与5种工艺结合硅级封装技术制成的开关.

6结论

目前，射频集成电路（RFIC）行业和电子系统对微型化和系统集成的需求，尤其是移动通信行业市场的指数增长仍在继续，从而加速了各种射频的研究与开发. MEMS设备的速度. RF MEMS器件和微电路的成功开发提出了对封装的新要求，因此任何RF MEMS器件的应用都受到其最终封装的限制. 本文回顾了MEMS当前在国际上在射频中使用的封装概念，封装方法和封装技术，并研究了封装对RF器件特性的影响. 结果表明，对复杂电磁仿真软件的分析可用于预测封装器件的特性，并减少RF MEMS器件封装的设计时间. 计算机仿真可以在很短的时间内有效地研究新的包装概念. 本文为RF MEMS器件封装的新概念提供了设计注意事项. 随着计算机仿真软件的不断完善，软件包的设计将变得越来越快，越来越准确.

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