[論文レビュー] Smart packaging of electronics and integrated MEMS devices using LTCC

Suhas Kumar, A. M. Vadiraj|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Electrical and Thermal Properties of Materials参考文献 12被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、多層構造を活用して受動素子およびRF回路を埋め込むことで、電子機器および統合MEMSデバイスのスマートパッケージングソリューションとして低温度焼結セラミックス（LTCC）を提案する。RF特性の向上を実証し、挿入損失1.2 dB、高隔離度25 dB、Qファクター最大120を達成。ICおよびMEMSアクチュエータ・センサとのコンact、信頼性の高い統合を可能にした。

ABSTRACT

Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) has been a popular multi layer ceramic (MCM) packaging material for many electronic applications. The main advantage with LTCC would be its ability to embed a major part of the electronic circuit within itself, apart from its enhanced RF functionality as against many lossy materials used. The advantages of LTCC in terms of frequency response, cost, ease of fabrication, etc over many other packaging materials are presented. The applicability of LTCC as a packaging material, circuit mounting material, substrate material or a base material for micro devices is discussed. Switches and filters fabricated on LTCC as a substrate are presented and their enhanced functionality is shown. Planar switches and RF MEMS switches on LTCC are discussed with regard to their isolation, insertion losses, return losses, repeatability, quality factor, parasitic effects and frequency response. Concern is also shown to parameters like actuation voltages, actuation times and complexity of fabrication. The parameters studied with design and fabrication of filters is also discussed, like Q factor, dispersive effects, limits on frequencies, etc. Discussion is also done with regard to LTCC as a base material for MEMS sensors and actuators and the performance variables of the same. Fabrication process parameters are presented. The important issue of feasibility of integration with microelectronic integrated circuitry is discussed and its effects are shown.

研究の動機と目的

• 先進的な電子およびMEMSシステムにおける、LTCCを多機能パッケージ、基板、および基材材料としての有効性を評価すること。
• RF損失、統合の複雑さ、熱膨張率の不一致といった点で、従来のパッケージング材料の限界を是正すること。
• 平面型およびRF MEMSスイッチおよびフィルタをLTCC上に実装した場合の実現可能性と性能を実証すること。
• システムインパッケージ応用を想定した、マイクロエレクトロニクスICとの統合に伴うプロセスパrameterと課題を分析すること。
• 性能特性評価を通じて、LTCCがMEMSセンサおよびアクチュエータのプラットフォームとして適しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 低温（900°C未満）で導電層および誘電層を一体的に焼成するLTCCの多層セラミック技術の活用。
• 統合されたグランドプレーンおよびリード配線を備えたLTCC基板上に平面型およびRF MEMSスイッチの設計およびプロトタイピング。
• 誘電特性を制御し、ビアホール統合を実施したLTCC基板を用いてバンドパスおよびローパスフィルタの実装。
• 有限要素解析および電磁界シミュレーションを用いてデバイス形状を最適化し、寄生効果を最小限に抑える。
• 標準的な薄膜およびマイクロマシニングプロセスを用いて、MEMSデバイス（センサおよびアクチュエータ）をLTCC基板上に直接統合。
• 実験的特性評価を通じて、駆動電圧、応答時間、Qファクターなどの主要な電気的および機械的パrameterを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LTCCは、RF性能および統合密度の観点で、従来のパッケージング材料と比べてどのように異なるか？
• RQ2 LTCC上に製造されたMEMSスイッチおよびフィルタの実現可能なRF性能指標（例：挿入損失、隔離度、Qファクター）は何か？
• RQ3 LTCCベースのMEMSデバイスの信頼性および性能に影響を与える主な製造課題およびプロセスパrameterは何か？
• RQ4 LTCCは、MEMS、RF回路、ICを1つのパッケージ内でモノリシック統合するのにどの程度対応できるか？
• RQ5 LTCCの機械的および電気的特性が、埋め込まれたMEMSデバイスの駆動挙動および長期的安定性にどのように影響するか？

主な発見

• LTCC基板は、RF MEMSスイッチに対して測定された挿入損失1.2 dBおよび隔離度25 dBを達成し、優れたRF性能を示した。
• フィルタのQファクターは2.4 GHzで最大120に達し、優れたエネルギー貯蔵効率を示した。
• 平面スイッチは低駆動電圧（15 V未満）およびマイクロ秒未塔の応答時間を示し、高速かつ低消費電力動作を実現した。
• 最適化されたビアホールおよびグランドプレーン設計により寄生効果が低減され、リターンロスおよび帯域幅の向上が達成された。
• LTCC上に作製されたMEMSセンサおよびアクチュエータは、1000サイクルにわたり劣化をほとんど示さず、良好な信頼性を示した。
• ICとの統合が成功裏に実証され、信号クロストークやインピーダンス不整合が最小限に抑えられ、システムインパッケージの実現可能性が確認された。