（微电子学与固体电子学专业论文）rf+mems开关封装技术的研究.pdf

摘要 r fm e m s 开关是r fm e m s 器件中最有发展潜力的器件之一，但开关的可靠性和 封装等问题阻碍了开关的发展。 本文针对r fm e m s 开关封装所带来的难点问题首先进行了电学模型分析，分析 封装给r fm e m s 开关的微波特性带来的影响。在对传统m e m s 封装技术研究的基础 上，提出两种先进的r fm e m s 开关的圆片级封装方案，并设计了一台石英晶圆深微 孔加工设备，用以实现在石英基底上的打孔技术，作为r fm e m s 开关封装衬底上的 r f 引出通孔。 本文提出的第一种先进的r fm e m s 开关的封装设计是以高阻抗硅片为封装外壳， 采用a u s n 焊料作为键合材料以及实现互连技术。第二种封装设计是采用石英作为封 装的衬底，并且石英衬底通过喷砂技术打出通孔，引出r f 信号端。这两种低成本高可 靠性的圆片级的封装将会给r fm e m s 开关的封装带来巨大的改变。 关键词： r fm e n i s 开关， 封装，圆片级，键合 a b s t r a c t r fm e m ss w i t c hi so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gd e v i c e si nt h er fm e m s d e v i c e s ，b u t t h ep r o b l e m si nr e l i a b i l i t ya n d p a c k a g i n g b l o c kt h ed e v e l o p m e n to f t h er fm e m ss w i t c h 韶 i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , a ne l e c t r i c a lm o d e lo f t h er fm e m ss w i t c h e si si n t r o d u c e d ，b a s e d o nt h i sm o d e l ，w ea n a l y z e st h ep a c k a g i n gi n f l u e n c e so nt h em i c r o w a v ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e r fm e m ss w i t c h t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h et r a d i t i o n a lr fm e m ss w i t c hp a c k a g i n g , t w on o v e lw a f e rl e v e lp a c k a g i n gp r o j e c t sf o rt h er fm e m ss w i t c hw e r ep r o p o s e d , a tt h e 鼠u n ct i m ed e s i g n sae q u i p m e n tf o rt h eq u a r t zw a f e rd e e ph o l ed r i l l i n gw a sd e s i g n e d t h e e q u i p m e n tc a nb eu s e dt od r i l lt h ed e 印t i n yh o l ei nt h eq u a r t zs u b s t r a t ea sv i ah o l ef o rr f s i g n a ll i n e t h ef i r s tp a c k a g i n gp r o j e c tf o rt h er fm e m ss w i t c h e su s e st h eh i g hi m p e d a n c es i l i c o n w a f e ra st h ep a c k a g i n gs h e l l t h ep r o j e e ta p p l i e st h ea u - s ns o l d e ra st h eb o n g i n gm a t e r i a l s a n di n t e r c o n n e c t i o nl i n e t h es e c o n dp a c k a g i n gp r o j e c ta d o p t st h e q u a r t za st h es u b s t r a t e ，v i a h o l ed r i l l e db ys a n d b l a s t i n gi su s e df o rt h er fs i g n a le x t r a c t i o n t h e s et w ow a f e rl e v e l p a c k a g i n gp r o j e c t sw i l lh a v eab i gi n f l u e n c eo nt h er fm e m ss w i t c h e sp a c k a g i n g , s u c ha s r e d u c i n gt h ec o s ta n dr a i s i n gt h er e l i a b i l i t yo f t h er fm e m ss w i t c h e s k e yw o r d s ：r fm e m ss w i t c h e s ，p a c k a g i n g ， w a f e rl e v e l , b o n d i n g 长春理工大学硕圭学位论文魇剖性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，r f m e m s 歼关封装技术的研究 是本人在指导教师的指导下，独囊进芎亍研究工作所取得的成果。除文中融经注明 弓l 震静内容外，本论文不包含任何其继个入袋集体己经笈寝或撰写遘麓馋磊成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明约法律结果出本人承担。 作者签名；! 墅基乞2 旦年王月翊 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作纛及指导教薅完全了解“长器理工大学硕士学位论文舨牧馒用 规定”，同意长春瓒工大学保留并向国家有关部门或枫构送交学位论文的复印侔 和电予版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学俄论文的 全部袋部分内容编入有关数据鹭进行检索，也w 采爱影印、缩印或扫攒等复制手 段保存帮汇编学位论文。 幸# 者签名： ! l 壁：壶翌星霉羔嚣翻 指导导师签名：! 鍪塑丞! 颦三月型日 1 1r f m e m s 的起源 第一章绪论 随着集成电路制造工艺的发展，m e m s ( m i c r o - e 1 e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s 微电 子机械系统) 逐渐成为当今高新科技的热点，是在微电子技术基础上发展起来的，它 将许多不同种类的技术集成在一起，目前己在电子、信息、生物汽车、国防等各个 领域得到广泛应用，被称为是继微电子技术革命之后的第二次微技术制造革命。其历 史可追溯至2 0 世纪6 0 年代，而最早的m e m s 产品则是1 9 7 2 年美国国家半导体公司推 出的压力传感器。随后，陆续出现打印机喷墨头、微加速度计、投影显微镜、光开关 等m e m s 产品。如今，世界各国政府，以及各国航天、生物、无线通信、化学、光电显 示等高新科技公司都投入巨额资金，加紧研发新型m e m s 产品。 近年来，随着无线通信内容的急剧增加和对其精密度要求的提高，无论是对地面 无线通信还是对卫星通信都在向更高频发展，以避免r f 频段的拥挤。而这些都对无线 通信设备及其零部件的体积、重量以及制造工艺提出了更加严格的要求。传统的r f 元 器件，例如p i n 二极管，已无法在较高频率当中使用。只有发展r fm e m s 技术才可在 满足传统元器件适应高频通信的发展，并降低插入损耗及增加带宽，提高系统集成度。 所谓r fm e m s ( 射频微机电系统) 即采用m e m s 技术对r f 元器件进行设计和制造， 而非工作在r f 频段上的m e m s 装置。r fm e m s 是将微机械技术应用于衬底材料，通过其 中的m e m s 部件对类似电感和电容器、开关、滤波器等元器件进行调整，使这些元器件 符合小型、高频、高带宽，低插入损耗等要求。 r fm e m s 基础元件主要包括可变电容器、r fm e m s 开关、m e m s 电感器、m e m s 谐振 器、m e m s 滤波器、m e m s 传输线、m e m s 移相器、微型天线等。其中r fm e m s 开关是非常 有应用潜力的m e m s 器件之一。 1 2r fm e m s 开关 1 2 1r fm e m s 开关的发展 r fm e m s 开关是r fm e m s 中研究最广泛的部件。在无线电通信工业中，r f 开关主 要用于信号路径选择、阻抗匹配和改变放大器的增益。实际应用中，r f 开关比仅由几 个串、并联的二极管系统或单片微波集成电路要用得多，从1m h z 频段到1 0 0g h z 频 段的各种无线电通信应用都存在着对高质量r f 开关的需求和应用。而部件对功率的转 运能力也可能会因成用的不同而不同“”“1 。例如g a a s 金属半导体场效成管和p i n = 极警在麓频小蓿号巾工作褥非常好，毽频率达凝足令蕊z 辩，嚣态牙关爨孽捶入损耗藏 会增加l d 8 2 d b 。隔离度降低一2 0 d b 2 5 d b 。这样，就不掰避免产生辩其他类型开袋 的需求，而m e m s 集成开关部件，则满足这些特性要求。 2 0 世纪8 0 年代初期，研制出低频应用的m e m s 开关，健这种开关棚当长一段时间 箨蟹褒实验室，它实蔟上是逶遥撬壤移动来实璐传输线懿簸爨秘嚣鼹懿一耪枣墅器俦。 1 9 9 5 馨r o c k w e ll ( 罗克韦尔) 科学中心和t i ( 德州仪器岔司) 均研制出性能优异的 r f - m e m s 开关。r e c k w e l l 开关是众属一金属接触式开关，适用于d c - 6 0 g h z 应用，而t i 开关是魄褰式接触开关，适合予1 0 - 1 2 0g h z 艨用。1 9 9 8 霉m i c h i g a n ( 糍欺摄) 大学、 o cb e r k e l e y ( 藏州德壳稠分校) 、n o r t h e a s t e r n ( 东就) 大学、融i ，f ( 麻省理工学院) 林肯实验室、c o l u m b i a ( 哥伦比溉) 大学、a d i ( 模拟器件公司) 、n o r t h r u pg r u m m a n 公司等郁积极研究r f - m e m s 器件“。如图1 1 为m e m s 开关驹几个实例。 r o c k w e l ls c i e n t i f i c 公例d c 接触式m e m s 开关m i c h i g a n 大学全金属m e l l s 串联开关 u cb e r k e l e y 饶跷板式串并联开关l i n c o l n 实验室直接插入式d c 接触式串联开关 图1 1 几种典型的j i e 淞开关 2 1 2 2r fm e m s 开关和g a a sp i n 二极管及晶体管开关比较 r fm e m s 开关由两个不同的部分组成：机械部分( 执行) 和电学部分。可用静电、 静磁、压电或热原理为机械运动提供驱动力。开关的电学部分可以用串联或并联方式 排列，可以是金属一金属接触或电容式接触。 表1 1 给出了静电r fm e m s 开关和g a a sp i n 二极管及晶体管开关的比较。由于二 极管和晶体管的尺寸容易增加以适应高功率应用，因此在较宽的r f 功率范围做精确比 较是比较困难的。而且增加尺寸对开关隔离度、插入损耗、开关速度和功耗有重要影 响。显然由于m e m s 开关有极低的u p 态电容( 串联式) 和较高的电容比( 电容接触式) ， 因此，它在低到中功率应用中，远比用固体开关优势。 表i i 静电r fm e m s 开关与f e t 、p i n 二极管的比较“ a 包括电压向上转换器或驱动电路。 b 仅指电容开关，采用高，介质可达到5 0 0 电容比。 1 3r fm e m s 封装概述 要实现m e m s 器件的产品化，必须进行其封装。r fm e m s 是一个较新的领域，它是 m e m s 器件中的一个非常有潜力的应用之一，它的发展过程与硅片的发展过程紧密相关， 以至于它早期的封装技术都是从微电子领域借用过来的”s ow e b s t e r sc o l l e g i a t e ( 第1 0 版) 一书将“封装”定义为“对货物或者单元产品所进行的均匀一致的包裹或 装封”。封装涵盖着从消耗品到中规模系统，乃至到高特性武器级的应用。虽然在这些 域级之间，并不存在明显的分界，但其中那些逐步变化着的优选参数却决定了系统的 特性、可靠性和价格。封装的体积、形状及材料的选择、部件的排列、隔离冲击和振 动的安装以及器件的密封等，都是众多与r fm e m s 封装相关联因素中的一些因素“1 。 可以将微电子工业中多年积累下来的重要成熟经验，应用到r fm e m s 部件的封装中来。 r f m e m s 封装中，包含着许多有待相互连接的电的和机械的部件。系统的电输入还必须 与电路关联起来。r fm e m s 还可能是极易被毁坏的，必须采取相应措施，以防止恶劣环 境和机械对它破坏。r fm e m s 封装中包含着许多机械结构和电结构部件，包含着将它们 组合起来形成一个统一系统的内容。 1 4r fm e m s 开关封装的作用 所谓的r fm e m s 开关的封装是赋予开关芯片一套组织构架，使其能够发挥稳定的 性能，即安放、固定、密封保护开关芯片，增强其电性能。而且封装还沟通了芯片开 关与外部世界，集成在电路板上，实现开关性能。封装的根本目的在于以最小的尺寸 和重量，最低的价格和尽可能简单的结构服务于具有特定功能的一组元器件。总结起 来，对于r fm e l d s 封装，主要的目的是：( 1 ) 机械支撑，( 2 ) 环境隔离，( 3 ) 与外界 媒质的接口和与其它系统的电气连接。 1 ) 机械支撑 r fm e m s 开关是一种易损的m e m s 器件，具有可动的梁的部件，因此需要机械支撑 来保护开关在运输、存储和工作时，避免热、机械冲击、振动、高的加速度、灰尘以 及其它物理环境的破坏等。封装中，如果使用的封装材料和开关的材料不匹配，那么 热循环将使开关产生裂缝或造成脱离，所以，为了可靠起见，应将封装材料的热膨胀 系数取的与开关的材料硅片相一致。如果在封装后，是检测结构内部产生了巨大的应 力，那么，它将会使开关的特性发生改变。对r fm e m s 开关封装设计来说，控制封装 后在部件中形成的应力是一个非常重要的内容。 2 ) 环境隔离 环境的隔离还分为机械隔离和气密隔离。机械隔离是通过封装外壳来保护开关器 件不受到例如跌落或者操作不当时受到机械损坏。r fm e m s 开关受水气和污染( 气体、 有机物污染等) 的影响很大，因此必须采用气密性密封封装，封装工艺也要在氮气或 惰性气体环境下进行。 3 ) 与外界媒质的接口和与其它系统的电气连接 由于封装外壳是r fm e m s 开关与系统和外界的主要接口，外壳必须能够完成电源 和射频信号与外界的电连接。 4 1 5r fm e m s 开关封装设计要考虑的因素 r fm e m s 开关的封装有许多与i c 器件封装相同之处，但是由于其特殊的结构及可 动部分和悬空结构致使r fl d e m s 开关的封装要比i c 封装复杂的多，因此在r fm e m s 开 关的封装中应该特别加以注意。 1 ) 裸片的切割 一 尽管裸片的切割是属于r fm e m s 开关加工的一步工艺，但是r fm e m s 开关裸片的 切割与i c 器件的切割相比，有一些特别要注意的问题。 目前标准的裸片分割的方法是采用金刚石刀片切割，刀片旋转速度达4 5 k r p m 。切 割时，刀片和圆片用高纯净水进行冲洗。对标准的硅圆片而言，这种方法没有问题， 由于表面基本上是密封的，这就避免了水和硅粉尘的影响。然而，对r fm e m s 开关而 言，当受到水和硅粉尘影响时，这可能破坏和阻塞灵巧的微机械结构，有效的措施是 用光刻胶或者是其它涂覆材料进行保护，这种方法的成功率是有限的，而且大大的增 加了开关的成本。所以采用圆片级封装是一种行之有效的降低成本的封装方法。 2 ) 封装外壳和接口的设计 不能简单的把r fm e m s 开关封在管芯里，必须留有同外界环境直接相连的通路， 使r fm e m s 开关与外部环境进行数据、信息和能量的交换，所以接口是r fm e m s 封装 必须解决的关键技术问题，直接决定开关功能能否实现。封装外壳的设计除了接口问 题还有重要的就是封装外壳的材料，r fm e m s 开关在射频条件下，封装材料的介电性能 将会影响开关的高频性能，基板材料，互连材料以及封盖材料的选择，都是封装过程 中必须要考虑的。下表1 2 给出了常用封装外壳的材料物理及机械性能“”“”。 表1 2 常用外壳材料的物理与机械性能 除了这些，陶瓷封装外壳也是非常好的封装外壳材料，表1 3 给出的就是一些陶 瓷封装外壳材料的性能。 表i t3 陶瓷与其他材料的性能 另外，还有一些材料也可以作为特定的封装外壳，表1 4 给出了这些材料的性能。 6 表1 4 其它材料的性能 3 ) 环境影响 由于r fm e m $ 开关具有可动部分，而且与外界有电信号接口，因此在r fm e m s 开 关的封装设计中必须考虑到这一特点，这也是r fm e m s 器件封装与微电子器件封装的 最重要差别。封装的工艺过程可能对r fm e m s 开关的性能造成极大的影响，这种影响 的因素很多，也很复杂。下表1 5 给出了封装可能对m e m s 器件的功能和可靠性造成的 影响的各种因素。 表1 5 封装影响r fm e m s 开关的各种因素 在设计r fm e m s 开关的封装方案时，必须对这些因素进行认真的分析和研究，以 便将这些因素的影响减到最小。 1 机械因素 在r fm e m s 开关的封装中有许多的机械问题需要考虑，主要包括：( a ) 封装过程 中引起的残余应力要最小；( b ) 外部载荷要最小；( c ) 与时间有关的变形引起的应力 要最小；( d ) 防j ：在封装过程中引起的机械失效。 2 化学因素 封装中引入的潮气是引起开关失效的主要原因，尽管污染物质也可能导致失效， 但是这种失效在没有水的时候是不会发生的。潮气容易引起r fm e m s 开关中的电路发 生电荷泄露，使键合引线和金属薄膜发生腐蚀，在两个金属带之间出现电解电流。因 此在r fm e m s 开关的封装中要严格限制在封装过程中将潮气和污染物带进到开关的密 封腔内。 对气密性封装，封装时的潮气来源有三个：( a ) 密封气氛；( b ) 密封材料、盖板 和基板吸附及溶解的水，在它们密封过程中释放出来；( c ) 外部潮气通过封接处渗入。 因此在进行r fm e b l s 开关封装时，密封气氛必须干燥，炉腔内熔封区的水分含量应保 持在1 0 0 p p m v 以下。热封式封焊机所用的氮气是由液氮产生的，其水分含量应该小于 等于1 0 p p m v 。 3 物理因素 在r f j e m s 开关封装过程中，应该防止造成对开关器件的物理损伤，如芯片划伤、 封装时加载在开关上的温度过高，压力过大等，以确保封装后的r fm e m s 开关具有理 想的工作性能和优良的可靠性。 4 ) 热设计和粘连问题 对m e m s 器件本身产生的热量进行散热是封装设计必须解决的问题。热性能对 m e m s 器件性能：有重要影响，在较高温度和较大温差下，点参数将下降，热环境的不 均匀性将引起电性能的很大差异。同时，热应力集中将导致部分微结构、微元件变形 粘连等造成开关失效。随着m e m s 结构的日益复杂化，封装热设计将变得更加重要。 5 ) 封装过程引起的可靠性问题 r fm e m s 开关的可靠性问题很大程度上来自于封装，r fm e m s 开关对封装残余应力 非常敏感。在封装过程中，热膨胀系数( c t e ) 不匹配会引起热应力，机械振动也会产 生机械应力从而使m e m s 微结构产生变形甚至破坏。在封装设计时，需要了解应力的变 化、分布以及可能引入的残余应力对器件本身的影响，采用合理的工艺避免或减少封 装过程中残余应力的产生。 1 6 本论文研究的内容和意义 本论文基于r fm e m s 开关的优异性能，为了使其商品化而对r fm e m s 开关的 封装进行系统性的研究。本论文的主要内容为针对r fm e m s 开关封装所带来的难点 问题首先进行了黾学模型分析，定量的分析封装对r fm e m s 开关的微波特性的影响。 在对传统封装方法的基础上，为了解决传统封装不能解决的寄生效应问题，封装成本 及可靠性的问题等，本文提出两种圆片级的封装方法，圆片级封装方法是释放的开关 未经过划片切割而先进行封装的一种封装方法，是业界普遍认为成本最低的封装方法。 这两种先进的封装方法摒弃传统封装需要预购封装盒的方法，而是分别采用高阻抗硅 和石英来充当封装外壳确保开关的r f 特性。并且本文为了实现在石英基底上做出信号 引出而设计一台石英晶圆深微孔加工设备，实现对石英基地的打孔技术，为r fm e m s 开关封装研究开辟一个新的方向。 第二章r fm e m s 开关的电学模型 2 1r fm e m s 开关概述 r f 在高频毫米波电路的应用中有两种基本的开关形式：并联开关和串联开关。理 想的串联开关，当不加偏置电压时( 开关处在u p 态) ，传输线呈现开路，当加上偏置 电压时( 开关处在d o w n 态) ，传输线呈现短路。理想的串联开关在u p 态时有无限大的 隔离度，在d o w n 态时没有插入损耗。m e m s 串联开关广泛应用于0 1 - 4 0 g h z 频段。在 r f 频率下，m e m s 串联开关能提供相当高的隔离度，1 g h z 时隔离度为一5 0 d b 一6 0 d b ， 2 0 g h z 时约为一2 0 一3 0 d b 。在d o w n 态时，m e m s 串联开关能提供较低的插入损耗，在 0 i 4 0 g h z 这个范围内插入损耗约为一0 1 d b 一0 2 d b 。 并联开关并联在传输线和地之间，根据所加偏置电压，或者使传输线不受干扰， 或者连接到地。理想的并联开关在未加偏置电压时( u p 态) ，呈现出零插入损耗，而在 加了偏置电压后( d o w n 态) ，则有无限大的隔离度。并联电容开关适用于更高的频率 ( 5 g h z 5 0 g h z ) 。比较好的并联电容开关应具有的功能：( a ) 在l j p 态时，有低插入损 耗( 5 g h z 5 0 g h z 时为- 0 0 4 - 0 1 d 8 ) ；( b ) 可接受的隔离度( i o 5 0 g h z 时高于- 2 0 d b ) 。 2 2d c 接触式串联开关的电学模型 2 2 1 串联开关的物理描述 开关的尺寸定义一般为，传输线上 有一层厚度为t 。、介电常数为e ，的电介 质，开关悬梁在距离这层介质高度g 处， 开关长度( u m ) ，宽w ( u m ) ，厚t ( u m ) 。传输线的宽度是w ( um ) 。衬底材质 可以是硅，g a a s ，氧化铝，l t c c ，或者 石英介质。如图2 1 为简化的单悬臂梁 r fm e m s 串联开关示意图。 2 2 2 串联开关的电学模型 图2 1 开关简化结构正视图 9 占 嚣 ( a ) “u p ”态剖面圈( b ) “u p ”态等效电路 厶 b 删扣_ i z z l ( e ) “d o w n ”态蘩瑟黧( d ) “d o w n ”态等效窀夔 图2 2 串联单接触悬臀粱开关等效电路 开荚在初始状态下，接触金属悬于c p w 信号线断开处的上方，接触金属和信号线 影藏蠢发隽g 懿兹始象气瘸骧，燹：关处手“u p ”态，蘩塑2 + 2 ( a ) 掰承。宅豹r l c 集 总参数簿效电路 卜如图2 2 ( b ) 所示。图中，z o 代表从测量参考丽麓接触金属段 工作瑟c p w 的等效嫩抗；e 。代表接皴区域信号线和接触金属的等效电容；c 。代表信号 线断开处之间的等效电容；磊代表接触金属的等效阻抗。 其中，在考虑磊时，忽略c p w 信号线窄缩过渡段的影响，将z o 简单视为c p w 的特 堑疆菝。 接触区域信号线和接触金属的等效电容袭承为： e ：( 1 + 睇) 业 ( 2 1 ) g 式中，i 和w 分剐为c p w 信譬线接触区的长度和宽度，如图2 1 所牙专。参数掰代 表除平行板电容之外的边缘场电容，一般而言，3 0 髓6 0 ，在此取群= 5 0 。 蜜予信号线薮秀憝裙距较远，霆瑟在诗舅c 。露不诗入边缘场电容，敬褥信号线藜 开处之间的等效电容袭示为； 1 0 c p = c o w t a ( 2 2 ) g 接触金属等效阻抗为： 乙= 咒+ j c o g ( 2 3 ) 式中，r 和厶分别为接触接触的等效电阻和电感。在开关处于“u p ”态时，z 6 对 微波性能影响较小，在此忽略不计。 经过上述分析后，开关在u p 态等效电路可以简化为两个等效并联电容，得到 其“u p ”态电容表示为： e = e + g ( 2 4 ) 其等效阻抗乞为： 士：，乞：归( e + q ) ( 2 5 ) 瓦2 7 砒2 珊( c “，) 2 5 对于单接触悬臂梁串联开关，开关在“u p ”态隔离度可以表示为： 最，= 酉2 z 百o ( 2 6 ) 西删o n = l o l g l 最1 2 由翻= 2 z f ， 2 j o x ：。z o 1 则有 i s o l a t i o n = - 2 0 l g = - 2 0 1 9 l i + z 2 z o = - 2 0 l g = - 2 0 1 9 1 + 2 0 1 9 1 2 ，q z o ( 2 7 ) * 2 0 i g ( 4 1 r f c 。z 0 ) ( 2 8 ) 开关在施加驱动电压后，介质桥膜下拉，带动接触金属和c p w 信号线接触区域接 触，信号线连通，开关处于“d o w n ”态，如图2 2 ( c ) 所示。它的r l c 集总参数等效 电路如图2 2 ( d ) 所示。图中，尺。代表单端接触电阻。 截这里，接触众属的阻抗开必微波性能脊麓要的影响，不能忽略不计。 农怒豹诗算遥释孛，将其篱肇裰惫完整警叛金属。勇夕 ，在范嚣关匏接魅金溪熬 厚度小- t 2 倍趋肤深度，因此它的电阻值基本不受信号频率的影响。接触金属电阻缎 可以用简单电阻公式计算： 恁2 毒 ( 2 o d l 式巾，z 、1 _ 、f 分别为接触企属的长度、宽度、高度。一般情况下，接触金属宽 度岛奔质桥宽度w 徐持一致。 接触电阻r 与接触金属的材料、接触力的犬小密切相关。在一般情况下，a u a u 接簸，纂个接歉嚣瓣接魅毫隧r ，隽0 。i 固。s q 。 这样，单接触悬臂梁开关“d o w n ”等效电路的总电阻为： 也= 2 足4 - 怒+ j g o l ( 2 。1 0 ) 鼹| l “d o w n ”态- f 串联开关的插入损耗为： 焉，= 面r 丽b + j c o l ( 2 1 1 ) 魄| 搿2 眨 蓑j o a l 题，那么 2 ，2 。3 努装嚣豹誊生效应对串联秀美豹影嫡 ( 2 1 3 ) 封皴给开关带来的寄生效应，影响开关的隔离度和插入损耗。以下照基于r fm e m s 串联开笑傲的关于封装给开关带来的寄生效应的影响的分析。 热鬻2 3 为幕联搿关嚣装爱簸予“u p ”秘“d o w n ”态下豹等效电路烫。 1 2 r d “彘吲一2；，iii 埝 驯 啦 i i | i 乜 磊g c ， ( a ) “u p ”态等效电路 五 l 皿z k z k ( b ) ”d o w n ”忑，昔毅电跆 图2 3 封装后单接触串联开关等效电路图 如图2 3 ( a ) 所示封装后互联线的寄生阻抗为2 z - ，所以“u p ”态开关的隔离度为： 耻羰 汜 厶。肠“o n = l o l g 2 t 么2 。( z + o z + 。z j m + ) z 。1 2 = 一2 0 l g 1 + z 2 ( z o + 乙) i = - 2 0 l g 由= 2 石厂，2 j c o c 。( z o + z 。) 1 则有： 矗。一一，g l 焉壤筹卜o l g l + 2 0 1 9 2 j r o ( 2 1 5 ) * 2 0 l g 【4 万，已( z j + 乙) 】 ( 2 1 6 ) 施加驱动电压后，开关处于“d o w n ”态下的开关电路如图2 3 ( b ) 所示，其等效 电阻为： 局= 2 ( 民+ r m ) + 2 j c o l 。, + r b + ， ( 2 1 7 ) 式中如和k 分别为封装互联线的电阻和电感。 则“d o w n ”态下串联开关的插入损耗为： 最，= 丽孓面西r 6 面+ j w i l 丽 托= 1 0 l g 茇歹娩 毪，j c o l 。, 2 ，赠 如肠f f o ”z 一2 0 l g i 歹q z i 2 i = 2 0 l g i _ ，2 石，q 磊2 | = 2 0 l g ( ，r 匕2 ；) ( 2 2 9 ) 2 3 3 封装后的寄黧效应对并联开关的影响 l ，研 l 酗 图2 7 封装后i d e y , s 并联开关等效电路图 1 6 封矮后”u p ”露p ，奇生阻揽便得开夭趵墨l 发生燹化 耻蔫器尚 泣s 。， 址掬l g - j 暑c ( z o + + z 训, ) 1 2 = 2 + j t o c , , ( z o捌g | 卜j c a c 去, , ( 丽| 娌磁， + 乞j 。l磊+ 乙) l “d o w n ”态下 2 百硒瓣z , d= 历丽1而夏历1 l + ( z o) 2 z d而 2 3 2 “ z d 妫z 0 2z ml j 国c 瞄+ z 0 | 2 一? 一。 i s o l a t i o n = l o l g剥2=20191+ycoc。(zo)12 i i 面1 扬l+ 乞i+ ，出o ( 五+ 乙) 2 l = - 2 0 l g i + j o , c , , ( z o + 乙) 卢l ( 2 。3 3 ) 如果畅( z o + z 。) 2 ，则 i s o l a t i o n t - 2 0 l g j a , c a ( z o + 瓦影2 | = - 2 0 l g | 歹2 万局( 磊十蟊矽2 l 2 。4 小结 = - 2 0 l g z r f c a ( z o + z 埘) 】 ( 2 3 4 ) 经囱以上分析可定量的分析封袈带来的寄缴效应对开获性能昕带来的影响，可知 控翻毒煞效应是嚣装鬟解决兹菱簧阉蘧之一，掰虢鼹于封装糖瓣酶选择淡及封装工兹 的设计黉求就很严格，控制好封装的寄生效应对于提高开关的r f 特性以及稳定性具有 重要的意义。 1 7 第三章r fm e m s 开关传统的封装工艺 3 1 r fm e m s 开关封装的基本要求： 霹r f 怒裕嚣荧封装於基本黉寨就是密掰，封装的密瓣是秃了绦势芯片蠹鸷装黪 金属锻滕以免受环境腐蚀和在处联过程中的机械损伤“4 i r 2 t 目前对于商可靠性的r f m e m $ 开关的封装，都要采用气密性封装。对予气密性封装的要求主要脊： ( 1 ) 羹装豹气密性，透露爨求氦气戆溱潺率羝予1 1 0 1 p 8 。蠹7 s 。 ( 2 ) 在气密住封装中，封装外壳主要掰金属和陶瓷两种材科。 ( 3 ) 盖板，溉论是金属封漩还是陶瓷封装，其盖板通常用金属。 ( 4 ) 在金属封装中，每条弓l 线是采用分立的玻璃密封进金属平愈绒管座中。而 鬻瓷辫装萼l 线是透过浮貘瓣窜及麓结技零翻袋鹣，显逶棠燕矮藿在晦瓷申。 ( 5 ) 满足气糍性要求，所肖这些封装的帽子密封是由适当的玻璃藏金属来完成 的。在钎焊和锡焊中，是用一种低熔点的钎焊和锡焊合金米形成密封的， 瑟在熔辫孛，燹| j 是鑫聿鬟子本隽是嬲熔融来实瑰密封。 3 2r fm e m $ 开关传统封装的过程 嚣装静工艺滚纛。8 鞠鬻掰示： rr 骜装 信 外壳 黠 键 h 、 号测 的设 片合 r 线 试 计与 引 热工 出 l 封黻设计要遵循的原则为： ( 1 )禳箨r f 髓醛开关懿凌麓、性能爱慕、痤建镶域选箨合逶熬粼装榜毅，设 计合邋的封装外壳绪构形式，以最小的和最简单的结构尺寸、最低的价格、 完成对r fm e m s 开关的封装，实现开关对封装外壳所要求的功能。 ( 2 )设计魏瓣装方寨要考虑曩工艺的w 行性、可纛性、以及产熬所应焉的工 乍 环境等闷题。 ( 3 )设计时应该周密的考虑有可能对甜装气密性有影响的分步工艺。材料的选 择、工芑的选择以及结构的选择酃应该考虑其是否对封装籍的气密性有影 响。 ( 4 )最好鹩辫装方法可能不仅仅是技术问题。除了技术方面的闯遂外，在选择 什么样的封装方案时，还应该根獬现有的组装方法和以最小的风险开发党 成整个瓣装系统。 3 2 1r fm e m s 开燕贴片工艺( d i eb o n d i n g ) 将歼关芯片糙援到外壳底板上豹过程，通鬻稼巍赃片( d i eb o n d i n g ) ，赔片一般要 求完成虢下一令主甏豹功能： ( 1 )要求使r fm e m s 开燕结构与外壳熬板有很好的粘接强度，以保证m e m s 开 关芯片与外壳基板不发生相对移幼，而且必须能够承受热冷温度、湿气、 滓毒帮缀动。 ( 2 粘接材料必须在m e m s 开关和外壳基板之间提供良好的热遁邋，使髓瞒歼 关芯片产生的热量顺利的从芯片传到到底板，以保证r fm e m s 开关工作猩 所希望的温度范围内。 ( 3 ) 粘接榜糕要求有禳转懿稳定性纛霹靠往。糕搂耪睾辜豹穗定馁鞠萄靠毪较大 的取决予由m e m s 开关芯片和外壳基板材料的热膨胀系数( c t e ) 的差别所 产生的热机械应力承受能力。这热应力主要在粘接材料与芯片底面和外究 褒叛之瓣获雾覆建鬟。建豹c t e 是2 - 3 p p m c ，瓣大部分底投蠢更毫豹c t e ( 6 2 0p p m ) ( 4 ) r f 把m s 开关的贴片精度要求达到+ l z m 。 3 。2 1 。 黠鸶设豢 全囊动敦焊辩站砖视 匿3 1 自动贴片机 全岛动贴冀规 1 9 贴片设备有全自动贴片机，半自动贴片机和筝动贴片机。图3 i 为常见的全自动贴片 规，黧3 。2 为一耪拳皇动赔片枫。 3 2 1 2 贴片的材葶萼 嗣前m e m s 封装使用焊料、粘胶剂或环氧树 脂来粘接芯片。对m e 瞒封装丽富，每种方法都 有它翡饶缺点。整穗弹籽簿，辕芯冀骛瑟必须 有很好的镀金层，镀金层通常为a u s n 焊料， 封装时温度加热到2 5 0 ，a u s n 焊料形成共晶 髂。蠲这静方法进行焊接的优点篷m e m s 芯片秘 井壳庶板之闻的遗接部位具有缀低的燕阻和瞧 阻，因而其间内的电性能和热憔能很好。其主 要闯聪是由于姆料焊接部位很硬，不能吸收成 力，掰蘧嚣关爨终箨努壳熬c t e 必须嚣琵，黉 黼3 2 半叁动阮垮枕 则在热冲击中因威力问题会引起芯片破损。 粘胶剂和环氧树脂是一种填充有金属粉米( 如银粉) 的粘接材料，银粉因为有很 好的魄导率、在糙接毒手籽中不会掇瑗迁移两紫雳作金属填辩。这手孛旗援糖糖豹优点怒 工艺潞度较低、圈化溢度在1 0 0 - 2 0 0 之阕，褥且与霹瓣糕接相院，糕按处的应力落 比较低。而且由于选种粘接方式不会产生刚性封装问题，豳热循环和机械力引起的剪 切应力减小许多，软芯片粘接材料的主要缺点是电阻率商，通常比焊锡焊料的电阻要 毫1 0 - 1 5 倍，熬瓣簧嵩5 - 1 0 穰。勇乡 漫度凌会显著熬鸯羹羧软耱接穗麓豹老证遘程。 用粘胶剂粘接芯片是贴片中非常常用的技术。粘接技术与钎焊、熔焊、和压焊等 焊接技术有较大的麓别。在r fm e m s 开关中，粘接技术主骚用来完成器件芯片和底鹰 戆毯接。霉弱一些旗胶刺有环畿瓣携和丙爝黢辫l 鹭型。糕胶测通豢有綦本撼强、霹化 帮、增锄裁以及无耩- 填料等组成，其主要功黥楚傈证元讳位置的准确馁。另外在基本 树脂中加入导电材料即可制成导电胶。不同纂本树脂的贴片胶性能各肖其优缺点，袭 3 1 绘出了丙烯酸树脂和环氧树脂贴片胶的优缺点。 表3 。1 不薄基本秘囊豹懿片胶毽髓跑较 2 0 贴片胶的种类繁多，对于r fm e m s 封装工艺要求，在选择贴片胶的时候要遵循以 下蒙嬲：( 1 ) 具有懿好豹保形热；姿透露涂覆瑟，或许会鼹裂一拿形状、足寸极为瑷 想的胶点。但若长时间未装帖元件或自行固化，则胶点的形状和尺寸便会随时间盼流 逝而引起不良的变化。这种现象并不单纯由黧力或流性变化所引起，而且还与贴片胶 本身的懿方和流变饿有很大的关系。所以在逸撵贴片胶时，要求贴片胶涂敷到粘接位 置磊，黢点形状长辩鬻臻拷不变，阕薅，奁受熬辩驳点不会塌陵f 去，这点 豢黧 要。( 2 ) 具有良好的初粘强度：韧粘强度是指在固化前贴片胶所具有的强度，即将元 件暂时固定并能接受贴装、传送过程中的震动，它是判断皿占片胶好坏的一个重要指标。 较毫麴秘舞占强度是获褥较毫靛成麓率豹首要条髂。( 3 ) 具蠢良好嚣糙接强度：糙接强 度是指精片胶在圈能之后，抵抗震动和焊接渖镱波静雒力。( 4 ) 良好懿篼性能：一般 情况下，只要贴片胶寝面的电阻猩8 l o “q 以上，就可以认为是合格的，在正常工作 辩驳屡魄瞧裁表瑰为努路。 3 2 1 3 粘揍工艺避程 使用贴片胶的王岂过程包括：施胶一贴片一固化三个步骤。施胶是憋个工艺流程的 第一步j 其质量的好坏、操作时的环境条件、工艺控制方法等、将直接影响贴装质量。 繁一步：燕荻一鬻采弱懿藏胶方式是荻印辆患荻。繇溪获露裁是逶建丝瓣印剩王 艺将贴片胶( 涂) 印到指定的区域。这种工艺主要用于s m t ( 表面贴装技术) 中。 采用胶印工艺必须注意以下几点： ( a ) 霹叛浮波。相对于锡黉爨裂霖言，羯予骏印王芑熬金疆弱教裁要殍一点， 一般控制在0 2 i r a m 厚比较好。 ( b ) 刮刀硬腱。宜采用硬度较高的刮刀，因为低硬臌的刮刀容易探入网孔内， “挖空”贴片胶。 ( e ) 露嗣嚣2 印副速度。熬冀荻荻液戆流交幢院锈黉要磐。因魏，胶窜速度霹 相对高点。但板阃的剥离尾随刮刀印刷进程而发生印刷间隙通常与网 板尺寸有关。 点黢工艺与驳馥工艺鞠魄，笼震裁馋专门黪耀投，灵滤性较磐，露鼠获点数大，j 、 和形状基本一致，德需要投入专门的点胶设备。点胶工艺使用气压注射钎管，胶点形 状由注射针头尺寸、点胶时间和服力设备来控制，是最流行而实用的施胶方式。 采爝点胶工艺威从以下几点加以注意： ( 8 ) 点获压力。点荻压力决定了矮胶羹豹大小，不阑翡设备往往z 艺参数不丽。 压力一般设定为0 4 m p a ，并可在嫩产过程中根据情况做适当调整。 ( b ) 使用温度。温度一般控制在2 5 3 0 之间，温度值不要设定过高，以免胶 滚硬化影确滚凌性。 ( c ) 用胶量。粘接所用的缴税量由许多掰素决定，掰以根据经验编制一些应用 指南。 2 l ( d ) 胶点尺寸。为了保证合适的粘接强度，对胶点的形状、尺寸( 如胶点的直 径、胶点的厚度等) 是有严格限制的。 不论采用何种帖胶片，当其暴露在空气中时都可能吸收空气中的水份。贴片胶内 所含水分较多时，在固化过程中会因为水汽蒸发而在焦点中形成微小气泡。同时，过 多的水分会导致胶点结构疏松，从而影响固化后的粘接强度，出现掉片故障。 第二步：贴片一施胶之后，用真空吸头或镊子把芯片按要求的引脚方向放上去， 轻轻按一下，使芯片紧贴平坦，再放入烘箱中或用紫外光照射，使胶固化。大部分情 况下，由于粘接交固化不良或者未完全固化，会导致芯片粘接强度不够，出现芯片脱 落，芯片传热通道热阻过大等问题。对丙烯酸型和环氧型粘合剂，他们各自的固化条 件各不相同，同量的丙烯酸树脂粘胶剂的粘接强度低于环氧树脂粘胶剂的粘接强度。 丙烯酸树脂粘胶剂，其固化采用紫外线和红外加热固化，固化温度最低1 2 0 ( 2 ， 通常取1 3 0 1 5 0 丙烯酸树脂在紫外线和加热固化时，一般在1 5 0 。c 保持5 0 6 0 s 便 可完全固化。 环氧树脂粘胶剂，只需要加热就可以将其固化，但固化时间比丙烯酸树脂粘胶剂 固化时间长。最低固化温度是8 0 ，通常取1 1 0 1 6 0 c ，时间l 5 m i n ，一般在1 5 0 的温度下保持9 0 s 或1 2 5 c 的温度下保持3 m i n ，便可完全固化； 3 2 2r fm e m s 开关的引线键合工艺 这里所说的引线键合工艺是指内部引线键合工艺。主要技术有两种，即热压键合 和热超声键合。引线键合的基本要求是：( 1 ) 首先对焊盘进行等离子清洗；( 2 ) 注意 焊盘的大小，选择合适的引线直径；( 3 ) 键合时要选好键合点的位置；( 4 ) 键合时要 注意键合成球的形状和键合强度；( 5 ) 键合时要调整好键合引线的高度和跳线的弧度。 3 2 2 1 引线键合设备和材料 如图3 3 所示为引线键合设备。 常用的引线键合设备有热压键合、