[논문 리뷰] Smart packaging of electronics and integrated MEMS devices using LTCC

Suhas Kumar, A. M. Vadiraj|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 05.

Electrical and Thermal Properties of Materials참고 문헌 12인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 전자기기 및 통합 MEMS 장치를 위한 스마트 패키징 솔루션으로 저온 공구세라믹(LTCC)을 제안하며, 다층 구조를 활용해 수동 부품과 RF 회로를 내장한다. 저손실(1.2 dB), 높은 분리도(25 dB), 품질 인자 최대 120 등의 향상된 RF 성능을 입증하였고, IC 및 MEMS 액추에이터/센서와의 컴act하고 신뢰성 있는 통합을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고도화된 전자 및 MEMS 시스템을 위한 다기능 패키징, 기판 및 기초 재료로서 LTCC의 평가를 목적으로 한다.
• RF 손실, 통합 복잡성, 열적 불일치 측면에서 기존 패키징 재료의 한계를 해결하고자 한다.
• 평면형 및 RF MEMS 스위치 및 필터를 LTCC 기반으로 구현함으로써 고 품질 인자 성능의 실현 가능성과 성능을 입증하고자 한다.
• 시스템온패키지 응용을 위한 마이크로전자 IC와의 통합에 영향을 미치는 제조 공정 매개변수 및 과제를 분석하고자 한다.
• 성능 특성 분석을 통해 LTCC가 MEMS 센서 및 액추에이터 플랫폼으로서의 적합성을 평가하고자 한다.

제안 방법

• 저온(900°C 이하)에서 도전성 및 유전성 층을 동시에 소성하는 LTCC의 다층 세라믹 기술을 활용한다.
• 통합 기저판 및 인터커넥트를 갖춘 LTCC 기반에서 평면형 및 RF MEMS 스위치의 설계 및 제작을 수행한다.
• 유전율를 제어하고 비아홀 통합을 구현한 LTCC 기반의 대역통과 및 저역통과 필터를 구현한다.
• 유한요소 해석 및 전자기 시뮬레이션을 활용하여 장치 기하구조를 최적화하고 부가 효과를 최소화한다.
• 표준 박막 및 마이크로머신 공정을 사용하여 MEMS 장치(센서 및 액추에이터)를 직접 LTCC 기반에 통합한다.
• 실험적 특성 측정을 통해 작동 전압, 반응 시간, 품질 인자와 같은 주요 전기적 및 기계적 매개변수를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LTCC는 기존 패키징 재료에 비해 RF 성능 및 통합 밀도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 LTCC에 제작된 MEMS 스위치 및 필터의 구현 가능한 RF 성능 지표(예: 삽입 손실, 분리도, 품질 인자)는 무엇인가?
• RQ3 LTCC 기반 MEMS 장치의 신뢰성 및 성능에 영향을 미치는 주요 제조 과제 및 공정 매개변수는 무엇인가?
• RQ4 LTCC는 MEMS, RF 회로 및 IC를 단일 패키지 내에서 단일체 통합하는 데 어느 정도 기여할 수 있는가?
• RQ5 LTCC의 기계적 및 전기적 성질이 내장된 MEMS 장치의 작동 거동 및 장기 안정성에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• LTCC 기반 RF MEMS 스위치에서 측정된 삽입 손실은 1.2 dB, 분리도는 25 dB로 높은 RF 성능을 나타낸다.
• 제작된 필터의 품질 인자는 2.4 GHz에서 최대 120에 도달하여 뛰어난 에너지 저장 효율성을 입증한다.
• 평면형 스위치는 15 V 이하의 낮은 작동 전압과 마이크로초 이하의 작동 시간을 보이며, 고속 및 저전력 작동이 가능하다.
• 비아홀 및 기저판 설계를 최적화함으로써 부가 효과를 최소화하여 반사 손실과 대역폭을 향상시켰다.
• LTCC 기반으로 제작된 MEMS 센서 및 액추에이터는 1000회 사이클 동안 안정된 작동을 보이며 열화가 최소화되어 우수한 신뢰성을 나타낸다.
• IC와의 성공적인 통합이 이루어졌으며, 신호 간섭 및 임피던스 불일치가 최소화되어 시스템온패키지 실현 가능성을 확인하였다.