RF MEMS 封裝對確保RF MEMS 通過微型化、集成化來探索新原理、設(shè)計(jì)新功能元器件與系統(tǒng)、開辟新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，起著舉足輕重的作用。在商用RF MEMS 產(chǎn)品中，封裝是最終確定其體積、可靠性、成本的關(guān)鍵技術(shù)，期待值極高。封裝可以定義為：利用膜技術(shù)及微細(xì)連接技術(shù)將元器件及其它構(gòu)成要素在框架或基板上布置，固定及連接，引出接線端子，并通過可塑性絕緣介質(zhì)灌封固定，構(gòu)成完整的立體結(jié)構(gòu)的工藝[1]。封裝具有機(jī)械支撐、電氣連接、物理保護(hù)、外場屏蔽、應(yīng)力緩和、散熱防潮、尺寸過渡、規(guī)格化和標(biāo)準(zhǔn)化等多種功能[2]。
RF MEMS 封裝大致可以分為圓片級，單片全集成級，MCM 級，模塊級，Sip 級等多個(gè)層面。圓片級封裝給RF MEMS 制作的前、后道工序提供了一個(gè)技術(shù)橋梁，具有倒裝芯片封裝與芯片尺寸封裝的特點(diǎn)。單片全集成級封裝要對一個(gè)集成在同一襯底上的微結(jié)構(gòu)和微電路進(jìn)行密封，使之成為一個(gè)可供應(yīng)用的完整系統(tǒng)產(chǎn)品。MCM 級是將MEMS 和信號處理芯片組裝在一個(gè)外殼內(nèi)，采用成熟的淀積薄膜型多芯片組件MCM-D, 混合型多芯片組件MCM-C/D，后膜陶瓷多芯片組件MCM－C 的工藝與結(jié)構(gòu)達(dá)到高密度、高可靠性封裝。這類封裝在小體積、多功能、高密度和提高生產(chǎn)效率方面顯示出優(yōu)勢。模塊級封裝旨在為RF MEMS 設(shè)計(jì)提供一些模塊式的外部接口，一般分為光學(xué)接口、流體接口、電學(xué)接口，接口數(shù)據(jù)則由總線系統(tǒng)傳輸，從而使RF MEMS 能使用統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的封裝批量生產(chǎn)，減少在封裝設(shè)備上的投資，降低成本，縮短生產(chǎn)周期。Sip 稱為超集成策略，在集成異種元件方面提供了最大的靈活性，適用于RF MEMS 的封裝。在目前的通信系統(tǒng)使用了大量射頻片外分立單元，無源元件占到射頻系統(tǒng)元件數(shù)目的80％~90％，占基板面積的70％~80％，這些可MEMS 化來提高系統(tǒng)集成度及電學(xué)性能，但往往沒有現(xiàn)成的封裝可以利用，而SiP 是一種很好的選擇，完成整個(gè)產(chǎn)品的組裝與最后封裝[3]。
1 RF MEMS 封裝的特殊性和基本要求
1.1 RF MEMS 封裝的特殊性
RF MEMS封裝形式多是建立在標(biāo)準(zhǔn)化的IC 芯片封裝的基礎(chǔ)上，但RF MEMS 封裝具有和IC 芯片封裝顯著不同的自身特殊性：
a）應(yīng)用的專一性
RF MEMS 中通常都有一些精細(xì)的可移動(dòng)結(jié)構(gòu)或懸空結(jié)構(gòu)，封裝結(jié)構(gòu)取決于RF MEMS 器件及其用途，對各種不同結(jié)構(gòu)及用途的RF MEMS 器件，其封裝設(shè)計(jì)要因地制宜，與制造技術(shù)同步協(xié)調(diào)，專一性很強(qiáng)。
b）對封裝設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性
多數(shù)RF MEMS 封裝外殼上需要留有同外界直接相連的非電信號通路，例如，有傳遞光、磁、熱等一種或多種信息的通路。輸入信號界面復(fù)雜，對芯片鈍化和封裝保護(hù)提出了特殊要求。某些MEMS的封裝技術(shù)比MEMS還新穎，不僅技術(shù)難度大，而且對封裝環(huán)境的要求也很嚴(yán)格，對封裝技術(shù)的發(fā)展有很大的挑戰(zhàn)性。
c）空間性
為給RF MEMS 可活動(dòng)部分提供足夠的可動(dòng)空間，需要在外殼上刻蝕或留有一定的槽形及其它形狀的空間，灌封好的RF MEMS 需要表面上的凈空，封裝時(shí)能提供一個(gè)十分有效的保護(hù)空腔。
d）防護(hù)性
RF MEMS 芯片在完成封裝之前，始終對環(huán)境的影響極其敏感。RF MEMS 封裝的各操作工序：劃片、燒結(jié)、互連和密封等需要采用特殊的處理方法，提供相應(yīng)的保護(hù)措施。
e）經(jīng)濟(jì)性
RF MEMS 封裝主要采用定制式研發(fā)，現(xiàn)處于初期發(fā)展階段，離系列化、標(biāo)準(zhǔn)化要求尚遠(yuǎn)。封裝在整個(gè)產(chǎn)品價(jià)格中占有40％~90％的比重，降低封裝成本非常重要。
1.2 RF MEMS 封裝的基本要求
為了保持 RF MEMS 器件良好的性能，RF MEMS 封裝必須遵循一些基本要求，下面分別從氣密性、射頻性能、熱性能、機(jī)械性能和封裝環(huán)境加以說明：
a）氣密性：
氣密性既是外殼亦是元器件的重要指標(biāo)之一，氣密性不好會(huì)使外界水汽、有害離子或氣體進(jìn)入腔內(nèi)，使器件污染、氧化、失效。（據(jù)報(bào)道，由于腔體內(nèi)濕氣含量大而導(dǎo)致元器件失效的比例為總失效的26％以上）[4]。所以氣密性封裝非常重要。
b）射頻性能：
封裝引起的器件射頻性能的變化主要是由于封裝在高頻時(shí)引入了寄生的電感、電容，使阻抗不匹配，從而使器件的性能變差。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量彌補(bǔ)封裝引入的寄生效應(yīng)，提高器件的射頻性能。
c）熱性能：
由于RF MEMS 器件都是較精細(xì)的結(jié)構(gòu)，不能承受很高的溫度。一般現(xiàn)在認(rèn)為不能高于350度[5]，這就限制了好多技術(shù)的應(yīng)用。另外，保證封裝對RF MEMS器件自身產(chǎn)生的熱量進(jìn)行散熱是封裝設(shè)計(jì)必須解決的問題。隨著RF MEMS 結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜化，封裝熱設(shè)計(jì)將顯得更加重要。
d）機(jī)械性能
RF MEMS 的可靠性問題很大程度上來自封裝。RF MEMS 芯片對封裝殘余應(yīng)力非常敏感；在封裝過程中，熱膨脹系數(shù)不匹配會(huì)引入熱應(yīng)力；機(jī)械振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而使RF MEMS 微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。封裝后焊接區(qū)域的剪切力也是很重要的參數(shù)，必須保證封裝后的器件在以后的工藝操作中有足夠的可靠性。在封裝設(shè)計(jì)時(shí)，需要了解應(yīng)力的變化、分布以及可能引入的殘余應(yīng)力對器件本身的影響，采用合理的工藝避免或減少封裝過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。
e）封裝環(huán)境
封裝體內(nèi)的壓力和氣體都會(huì)對器件產(chǎn)生很大的影響。RF MEMS 器件需要在常壓的氮?dú)饣蚨栊詺怏w中進(jìn)行封裝，原因是常壓下的氣體阻尼效應(yīng)會(huì)降低可動(dòng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動(dòng)Q 值，提高器件的可靠性。而封裝體內(nèi)外壓強(qiáng)的平衡會(huì)有效地減少外界的濕氣通過封裝體的漏洞進(jìn)入封裝體內(nèi)[6]。
總結(jié)RF MEMS 封裝的基本要求如表1 所示。
2 RF MEMS 封裝研究現(xiàn)狀
近年來，RF MEMS 封裝越來越受重視。需求促進(jìn)發(fā)展，筆者總結(jié)了一下，為了使封裝有整體上的發(fā)展和適應(yīng)具體器件的封裝要求，研究者都是在封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)、焊接技術(shù)、電連接技術(shù)和封裝先進(jìn)技術(shù)等方面進(jìn)行研究、選擇和改進(jìn)。
2.1 封裝材料
研究封裝材料的目的是為了改善封裝的氣密性、射頻性能、熱性能、機(jī)械性能。
目前比較常用的頂蓋材料有陶瓷、玻璃、金屬和聚合物。粘結(jié)和密封材料有金屬和環(huán)氧，BCB。陶瓷、金屬和玻璃的密封性能比較好，但是跟聚合物比起來，價(jià)格較貴。傳統(tǒng)的金屬封裝材料包括Al、Cu、Mo、W、鋼以及Cu/W 和Cu./Mo 等，它們各自有熱失配、重量、價(jià)格、導(dǎo)熱性、加工工藝難易、退火溫度、平面度和重結(jié)晶后的脆性等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，難以應(yīng)付現(xiàn)代封裝的發(fā)展?，F(xiàn)在開發(fā)了很多金屬基復(fù)合材料，以金屬（如Mg、Al、Cu、Ti）或金屬間化合物為基體，以顆粒、晶須、短纖維或連續(xù)纖維為增強(qiáng)體的一種復(fù)合材料。它可以改變增強(qiáng)體的種類、體積分?jǐn)?shù)、排列方法或改變基體合金，改變材料的熱物理性能，滿足熱耗散要求，而且制造靈活，價(jià)格低，很有發(fā)展前途。
環(huán)氧粘接工藝的溫度一般為60~120 度，是成本較低、工藝可靠性較好的粘接和密封工藝。環(huán)氧粘接的缺點(diǎn)是無法保證氣密性，因此對于可靠性要求較高的RF MEMS 開關(guān)來說是不適用的。BCB 的制作溫度較低（<250 度），高電阻（1019Ωcm），低介電常數(shù)（2.65），機(jī)械性能好，但氣密性也不是很好，焊接時(shí)間對BCB影響也比較大。10 分鐘，250度焊接的BCB 可稱之為近氣密封裝[8]。用BCB封裝的實(shí)例如圖1 所示[9]。該封裝結(jié)構(gòu)采用BCB為連接和密封材料，采用在空氣中預(yù)加熱（120度），再放在所需氣體和壓強(qiáng)的腔內(nèi)加熱（250度）使BCB回流的粘接工藝，測得的封裝后氣密性比較好（2×10－9mbar.1/s）。不過無法確定漏氣是粘接界面引起還是BCB 層引起。
最近，LCP（liquid crystal polymer）的研究也比較多，它有很多的優(yōu)點(diǎn)：近似密封、CTE低、可以和金屬和半導(dǎo)體匹配、不自燃、可復(fù)用、易成形和射頻特性好。由于它的介電常數(shù)比較低（跟空氣相近），所以引起的阻抗不匹配較小，它還可以有多個(gè)熔點(diǎn)。LCP封裝的尺寸設(shè)計(jì)也可以比較任意，對器件沒什么影響。用LCP封裝的實(shí)例如圖2 所示。該結(jié)構(gòu)采用LCP 作為芯片和頂蓋的襯底材料，由于LCP 有多個(gè)熔點(diǎn)，中間的粘接材料是采用低熔點(diǎn)的LCP，在較低溫度下實(shí)現(xiàn)粘接層的融化形成良好的連接。該結(jié)構(gòu)顯示頻率到40GHz 時(shí),封裝對開關(guān)幾乎沒什么影響[10]。
2.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
研究設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的目的是為了改善封裝的射頻性能，實(shí)現(xiàn)高密度的封裝。
一般的封裝結(jié)構(gòu)如圖3[8]所示。
在0-level 封裝低頻應(yīng)用中，一般以焊球高度來形成芯片所需的空間。這樣的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于較高頻率時(shí)，頂蓋就會(huì)對器件的性能有比較大的影響?？梢詫㈨斏w刻蝕形成凹槽來減小這種影響。對CPW 研究封裝頂蓋凹槽深度的影響（CPW 寬度50μm，間隙27μm，沒有失諧時(shí)特性阻抗為49Ω，eff ε ＝4.85），結(jié)果如表2 所示。
從上表可以看出，凹槽的深度一般要做到30μm~40μm 時(shí)，才能使MEMS 電路的失諧減小到可以接受的程度。
由于0-level封裝會(huì)形成一定的高度，所以在1-level時(shí)焊球必須有相當(dāng)?shù)暮穸龋@給工藝帶來復(fù)雜性，引起的寄生效應(yīng)也比較大，而且高密度封裝希望有較薄的厚度，所以必須盡量減薄頂蓋的厚度。薄的頂蓋在切割的時(shí)候容易引起變形，有工藝使用載片，用一蠟層將頂蓋晶片粘于載片上，按照封裝頂蓋制作過程切割后，將蠟層融化掉（150 度），再將載片機(jī)械移除。步驟如圖4 所示[11]。
在毫米波時(shí)，由于1-level 的焊球引起的寄生電容的影響太大，所以希望能把焊球做得越小越好，這時(shí)就必須在連接芯片上開孔，使焊球做得盡可能的小，以減小寄生電容。結(jié)構(gòu)如圖5 所示[8]。
2.3 焊接技術(shù)
研究焊接技術(shù)是為了改善封裝的氣密性、熱性能和機(jī)械性能。
焊接有很多方法，例如：陽極鍵合、玻璃熔接、局部加熱、金屬共晶焊等等，其中金屬共晶焊是比較常用的方法。這些技術(shù)或多或少都會(huì)對器件產(chǎn)生不利的影響。首先，多數(shù)焊接工藝的高溫會(huì)驅(qū)使玻璃、金或環(huán)氧中的液態(tài)成分散發(fā)到RF MEMS 結(jié)構(gòu)周圍，對器件的可靠性造成影響。其次，為了保證密封效果，一般的工藝需要加熱到250~500 度，這對于某些MEMS 結(jié)構(gòu)來說是無法承受的。最后，密封焊接技術(shù)本身也存在著一些特殊的要求，例如：玻璃陽極鍵合對圓片表面的平整度和清潔度的要求較高，金-金熱壓焊對圓片上電鍍金環(huán)高度的一致性要求較高，等等。
為了緩解高溫對RF MEMS 器件的影響，人們開發(fā)了局部加熱技術(shù)，利用電阻加熱條在待密封的區(qū)域局部加熱形成高溫，在不影響器件溫度的情況下完成封裝。如圖6 所示[6]，這一技術(shù)已經(jīng)在鋁/硅-玻璃鍵合中得以實(shí)現(xiàn)，電阻加熱條選用多晶硅材料，加熱條上依次淀積1000埃氧化硅、500埃氮化硅和1000埃氧化硅，一方面保證絕緣，另一方面防止鋁焊料向加熱條擴(kuò)散導(dǎo)致短路；接著淀積5000埃的多晶硅黏附層和2微米的鋁焊料層，并刻出接觸圖形；最后，在加熱條上通電，電流46 毫安，局部加熱700 度，在0.2Mpa 壓強(qiáng)下進(jìn)行7.5 分鐘的熱壓焊，介質(zhì)層析出的氧與鋁結(jié)合為氧化鋁，形成牢固的氣密性鍵合。除了可以用鋁-玻璃鍵合，還可以用銦-玻璃鍵合和PSG-玻璃鍵合。局部加熱技術(shù)對于MEMS器件來說是比較理想的密封技術(shù)，其技術(shù)難題是焊料層對密封腔內(nèi)的放氣問題。
焊料系統(tǒng)可以基于以下方面優(yōu)化：浸潤性、熔點(diǎn)、機(jī)械性能、CTE、疲勞壽命、熱阻和腐蝕電阻。由于Au-Sn 焊料高的延展性，好的熱導(dǎo)性和浸潤性，它被廣泛應(yīng)用于倒裝焊，An-20％Sn在280度時(shí)是很適合MEMS封裝的[13]。
2.4 電連接技術(shù)
研究電連接技術(shù)是為了改善封裝的射頻性能、氣密性和熱性能。
對于信號頻率比較低的RF MEMS 器件，一般采用平面式的電連接技術(shù)。因?yàn)楣に嚤容^簡單，可以直接從玻璃底下引出（陽極鍵合封裝），或是用2~3μm 厚的氮化層或氧化層將輸入/輸出線與金密封環(huán)隔離后引出。若是要將這種方法用在較高頻時(shí)，可以用BCB來作為粘接層，這樣信號線直接從BCB下通過，不過這種方法有密封性的問題。一般的平面類的電連接技術(shù)都會(huì)有寄生效應(yīng)這個(gè)問題，因?yàn)橐鼍€需要埋置在絕緣層中，這改變了阻抗特性，因此要提供匹配網(wǎng)絡(luò)。另外，絕緣層要淀積在金屬層上面，會(huì)造成不共面現(xiàn)象。
很多研究致力于設(shè)計(jì)新的電連接方式，以減少寄生效應(yīng)。有設(shè)計(jì)將信號線采用埋層的方法輸入輸出，如圖7 所示[14]。
也可以采用過孔技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高頻段的信號傳輸，為了適應(yīng)高頻需要，它們一般加工在較薄的圓片上，長度較短，可以用致密的金或銅填充確保氣密性。在DC-6GHz 的應(yīng)用中，還可以采用頂層圓片長過孔的方法，如圖8 所示[15]。
還有一種雙層FGC的連接方法，這種工藝采用過孔將雙層FGC連接，使信號線和密封圈完全隔開，給焊接帶來了方便。寄生效應(yīng)也明顯改善。如圖9所示[7]。
以上幾種在高頻時(shí)的封裝電連接方法都存在著增加了工藝復(fù)雜性的缺點(diǎn)。
2.5 封裝先進(jìn)技術(shù)
目前研究的比較多的是 BGA,FC,CSP 技術(shù)。
2.5.1 BGA (Ball Grid Array)
將芯片裝在底板上，芯片的壓焊塊與底板上的電互連圖形實(shí)現(xiàn)電連接，各壓焊塊的節(jié)距十分小，無法達(dá)到PCB板焊接所需的節(jié)距大小。傳統(tǒng)的引線框技術(shù)從這些焊點(diǎn)處沿二維平面向四周呈蛛網(wǎng)狀走線，實(shí)現(xiàn)與封裝引腳的電連接，這種方法十分浪費(fèi)空間。BGA通過穿過底板的電通孔和底面的電互連圖形，將底板上的節(jié)距很小的焊點(diǎn)再分布到底板底面節(jié)距較大的焊球陣列上。這樣，BGA 用封裝的部分或全部底面空間引出引腳，面積利用率高。結(jié)構(gòu)如圖10 所示[12]。
BGA有引腳多，電源、功能相應(yīng)增強(qiáng)；信號傳輸延時(shí)小，適應(yīng)頻率提高；噪聲和串?dāng)_減少，電路可靠性提高；FC芯片背面熱沉技術(shù)，芯片散熱功能提高等優(yōu)點(diǎn)。但也有對PCB板的布線要求提高，對濕度敏感，不可視性，難以保證平面化，成本高等缺點(diǎn)。
2.5.2 FC（Flip Chip）
FC是不用引線，倒裝芯片，將芯片與底板上需要電連接的地方對準(zhǔn)，用熔焊法，熱壓焊法，導(dǎo)電膠粘接法等方法進(jìn)行電連接的一種封裝技術(shù)。如圖11 所示[12]。為了消除芯片的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，常用underfill技術(shù)進(jìn)行應(yīng)力緩沖。FC最早提出來的時(shí)候，是直接作為BareChip封裝形式提出的，因?yàn)樾酒副P節(jié)距與PCB板節(jié)距相仿時(shí)，可以直接實(shí)現(xiàn)芯片與PCB板的FC組裝；但在集成度高、芯片焊盤多，節(jié)距很小的時(shí)候， 就需要用PGA,BGA,CSP等技術(shù)間接地應(yīng)用FC原理，完成封裝。
FC有面積小，多引腳，無引線連接，寄生效應(yīng)小，鍵合一次完成，Underfill 工藝減弱熱應(yīng)力，可靠性增強(qiáng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)。FC的缺點(diǎn)是凸點(diǎn)技術(shù)成品率不高，組裝準(zhǔn)確性不高，對底板要求高，可測試性差，加工困難，周期長等。
2.5.3 CSP (Chip Size Package)
CSP，即芯片尺寸封裝，規(guī)定為封裝尺寸不超過芯片尺寸的1.2倍，面積不超過芯片的1.4倍。嚴(yán)格地說，CSP只是一種封裝思路，而不是具體的實(shí)現(xiàn)方式。根據(jù)CSP的封裝思路，不同的廠家提出不同的實(shí)現(xiàn)方案，有的用BGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)，也有用PLCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)。它們的結(jié)構(gòu)完全不同，相同點(diǎn)只在于都符合CSP的封裝要求。目前CSP一般分為傳統(tǒng)引線框形式、硬質(zhì)內(nèi)插板型、軟質(zhì)內(nèi)插板型和晶圓尺寸封裝四個(gè)類型,如圖12所示[12]。WLP(晶圓尺寸封裝)級CSP（WLCSP）是目前最被看好的封裝技術(shù)。
總的來說，CSP具有裸片組裝的尺寸優(yōu)勢和封包技術(shù)的可靠性優(yōu)勢,因?yàn)榇蟛糠諧SP 采用的是FC＋BGA 工藝，所以它基本上也綜合了FC和BGA的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然缺點(diǎn)也伴隨其中。面積小、薄、輕巧是CSP的最大優(yōu)點(diǎn)，封裝小、電連接短、電性能好、可測試性比較好、與SMT技術(shù)兼容都是CSP的優(yōu)點(diǎn)。但也有技術(shù)不統(tǒng)一、規(guī)模小、成本高、產(chǎn)量少、可靠性不高的缺點(diǎn)。
3 總結(jié)
RF MEMS 封裝可以分為圓片級、單片全集成級、MCM 級、模塊級、Sip 級等多個(gè)層面。它具有與IC封裝顯著不同的自身特殊性：應(yīng)用專一性、對封裝設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性、空間性、防護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性。RF MEMS 封裝必須滿足氣密性、熱性能、機(jī)械性能、高頻性能、封裝環(huán)境等方面的一些基本要求。本文從這些基本要求入手，分別介紹了RF MEMS封裝在封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)、焊接技術(shù)、電連接技術(shù)和封裝新技術(shù)等方面的研究與發(fā)展現(xiàn)狀。