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在RF MEMS系统中,开关是进入射频领域应用最早并且最多的器件之一,因此目前封装应用比较多的是RF MEMS开关,而封装给射频开关带来的影响也成为研究的热点,开关及其封装体的射频性能是个越来越受关注的问题。微系统产业的很多研究人员和专家都把包括组装和测试在内的封装视为产品成功商业化的唯一亟待解决的关键问题。封装已成为影响市场上各种MEMS产品总的生产成本的主要因素。
RF MEMS器件对封装的要求远远超出了普通微机电系统封装的要求。RF MEMS器件封装的设计涉及到多种学科知识和研究分析方法,一些基于物理的分析方法,例如有限元法(FEM),提供了检验复杂的互连属性及其对器件性能影响的一个平台,就提高MEMS器件对周围环境的灵敏度及其交互性能而言,这种模拟的方法显得尤为关键。本文主要是运用高频结构仿真软件HFSS对一种毫米波MEMS开关的芯片级封装和圆片级封装的射频损耗进行研究,主要包括以下四个方面的内容:
第一章,综述RF MEMS封装和RF MEMS开关。介绍了RF MEMS封装的定义、分类、特殊性和基本要求,接着对RF MEMS开关进行了概述,讨论了RF MEMS封装的研究现状,提出了目前在。RF MEMS器件封装方面研究比较多的问题。
第二章,设计一种毫米波MEMS开关。首先介绍了射频MEMS开关的结构、工作原理及主要性能参数。其次,设计了一种毫米波MEMS电容式并联开关的结构。最后,应用HFSS软件对所设计的毫米波MEMS开关的S参数进行了模拟,S参数的模拟结果表明所设计的毫米波MEMS开关在30~40GHz的频率范围内具有良好的射频性能。在30~40GHz的频率范围内,S11的范围是从-14.25dB变化到-12.32dB,相应地,S21的范围是从-0.88dB变化到-0.50dB,在中心频率35GHz处,S11大小为-13.06dB,S21大小为-0.69dB。
第三章,研究毫米波MEMS开关的芯片级封装。首先设计了一种芯片级封装的结构和工艺流程。其次,利用HFSS软件对毫米波MEMS电容式并联开关的芯片级封装进行了模拟研究。通过模拟不同的基板厚度、不同的封帽厚度、不同的封帽材料以及不同的键合线直径等因素对开关回波损耗的影响,得出了对于所设计的芯片级封装结构比较合适的尺寸参数,并且总结了一些在封装设计中需要考虑的问题。
第四章,研究毫米波MEMS开关的圆片级封装。首先,针对一种毫米波MEMS开关设计了圆片级封装结构,给出了过孔连接方式的结构设计和工艺流程。其次,利用HFSS软件对毫米波MEMS电容式并联开关的圆片级封装进行了模拟研究。分别模拟了圆片级封装中不同的顶盖材料和不同的顶盖厚度对开关回波损耗的影响。模拟的结果表明,圆片级封装的顶盖材料和顶盖厚度会对毫米波MEMS开关的回波损耗产生显著影响。在30~40GHz频率范围内,选择厚度为100μm的硅作为顶盖具有明显的优势。