[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出将低温共烧陶瓷（LTCC）作为电子器件和集成微机电系统（MEMS）器件的智能封装解决方案，利用其多层结构嵌入无源元件和射频（RF）电路。研究展示了优异的射频性能，包括低插入损耗（1.2 dB）、高隔离度（25 dB）以及高达120的品质因数，同时实现了与集成电路（ICs）及MEMS执行器和传感器的紧凑、可靠集成。

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.

研究动机与目标

• 评估LTCC作为先进电子系统和MEMS系统多功能封装、基板及基础材料的适用性。
• 解决传统封装材料在射频损耗、集成复杂度和热失配方面的局限性。
• 展示LTCC在承载平面化和射频MEMS开关及滤波器方面，实现高Q因子的可行性与性能表现。
• 分析制造参数及与微电子IC集成的挑战，以支持系统级封装应用。
• 通过性能表征评估LTCC作为MEMS传感器和执行器平台的适用性。

提出的方法

• 利用LTCC的多层陶瓷技术，在低温（低于900°C）下共烧结导电层与介电层。
• 在LTCC基板上设计并制造集成接地平面与互连结构的平面化和射频MEMS开关。
• 通过控制介电性能及通孔集成，在LTCC基板上实现带通和低通滤波器。
• 采用有限元建模与电磁仿真优化器件几何结构，最小化寄生效应。
• 利用标准薄膜工艺与微加工技术，将MEMS器件（传感器与执行器）直接集成于LTCC基板上。
• 通过实验表征评估关键电学与机械参数，如驱动电压、响应时间及Q因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 LTCC在射频性能与集成密度方面相较于传统封装材料有何差异？
• RQ2 在LTCC上制造的MEMS开关与滤波器可实现的射频性能指标（如插入损耗、隔离度、Q因子）达到何种水平？
• RQ3 影响LTCC基MEMS器件可靠性与性能的关键制造挑战与工艺参数有哪些？
• RQ4 LTCC在单一封装内实现MEMS、射频电路与IC的单片集成程度如何？
• RQ5 LTCC的机械与电学性能如何影响嵌入式MEMS器件的驱动行为与长期稳定性？

主要发现

• LTCC基板在射频MEMS开关上实现了1.2 dB的实测插入损耗与25 dB的隔离度，表明其具备优异的射频性能。
• 所制造滤波器在2.4 GHz频率下Q因子最高达120，展现出卓越的能量存储效率。
• 平面开关表现出低驱动电压（低于15 V）与亚微秒级驱动时间，支持高速、低功耗运行。
• 通过优化通孔与接地平面设计，有效抑制了寄生效应，提升了回波损耗与带宽性能。
• 在LTCC上制造的MEMS传感器与执行器在1000次循环内表现出稳定运行，且性能衰减极小，表明其具有良好的可靠性。
• 成功实现与IC的集成，信号串扰与阻抗失配均极小，证实了系统级封装的可行性。