摘 要:MEMS在射频（RF）应用领域表现出的低功耗、低损耗和高数据率的优越特性为RF无线通信系统及其微小型化提供新的技术手段。在产品设计的初期阶段，RF MEMS封装的设计考虑是降低成本、提高产品合格率的有效途径。本文主要针对当前RF MEMS器件与电路设计制造中突出的问题——封装技术进行研究，指出封装在产品设计中的重要地位和技术实现方法，特别介绍了计算机仿真在RF MEMS器件与电路封装中的作用。
关键词：RF MEMS，封装，无线通信系统
1 引言
射频MEMS技术不仅在无线通信领域应用中具有广泛的前景，在未来的军事系统中，像寻的雷达、地面雷达，都将是使用RF MEMS器件的平台。目前已经研究开发出一系列高性能的RF MEMS元件，但是由于封装中出现的技术困难，严重束缚了RF MEMS器件与系统集成的商业化进程。为此，新型的射频封装概念和封装专用设计工具的研究也都在积极进行中。
在射频应用领域，MEMS器件的应用场合是非常严格的，可以说，它超过了其他射频微电路和常规的MEMS器件的要求。RF MEMS器件封装和RF微电路封装一样，要尽可能地减小射频信号的衰减，是一种“射频”封装概念，也就是说，RF封装技术要保持低的插入损耗和低的反射损耗，同时还要考虑射频MEMS器件封装工艺过程的环境影响以保持原有的良好电特性。另外与其他常规的MEMS器件封装要求一样，也必须考虑器件的机械行为。总之，RF MEMS的封装需要综合RF MEMS器件潜在的多学科特性。例如，涉及到电磁、静电、压电控制技术。这些给RF MEMS封装带来强烈的挑战性，仅仅应用现存的技术已经远远不能满足射频应用的需要。
与传统的集成电路(IC)相比，RF MEMS的封装特别需要满足环境保护、电信号路径、机械支撑和热量处理诸多特性的需要。然而，RF MEMS封装与传统的集成电路相比，更富有独特的挑战性，是因为RF MEMS器件在封装过程的多样性以及许多器件需要与环境连续和紧密的接触。这样，在制作RF MEMS器件时需要特殊的材料和工艺技术，所以封装的成本占总成本的60％左右也都是正常的。
尽管MEMS具有强大竞争力，在设计产品的初期阶段，RF MEMS封装的设计考虑是相当重要的一环，良好的封装技术可以大大降低成本，提高产品合格率。因此，RF MEMS封装是维护MEMS器件的良好的射频电气特性、实现实用化的最后一关。本文对RF MEMS封装的方法和封装的仿真方法进行讨论。
2 射频封装方法的研究
目前流行的封装方法包括陶瓷、金属、塑料封装的键合技术、活性密封(PECVD or LPCVD)、混合封装（例如多芯片模块MCM）。对于RF MEMS，典型的芯片级封装技术包括倒装片(Flip chip)技术(在普通衬底上的封装MEMS和微电子器件)和球形网格封装（BGA）。
MCM通过使用传统的厚膜技术能够把MEMS器件集成并封装在一个单一的衬底上。使用陶瓷、硅和印刷电路板的多层衬底材料，不同的塑模形式可以贴附和嵌入到衬底表面。塑模之间可以通过线连接、倒装或直接贴附金属。通过低噪声布线，每一层塑模非常接近，这样可以提高系统的特性，同时，在某些情况下可减少或消除不必要的互联。这种三维结构封装方式都在研究中，以使塑模和它们支撑的衬底可以在它们之间互相层叠。
为了使MEMS器件免受外部环境的污染，同时保证良好的散热特性，薄膜涂层可以沉积到器件上。这个过程称为等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。薄膜贴附通常采用硅二氧化物或硅氮来增加阻抗和电绝缘特性。密闭是用来保护器件免受外部环境的负面影响，例如污染物、机械振动或振荡。一般的密闭结构采用环氧硅树脂材料。这些材料可以良好的贴附在衬底上，可以降低机械压力和由于压力产生的热量因子的失配。
倒装片、球形网格（BGA）封装方法都属于芯片级的封装，芯片结构和I／O端（锡球）方向朝下，由于I／O引出端分布于整个芯片表面，故在封装密度和处理速度上 Flip chip 已达到顶峰，特别是它可以采用类似SMT技术的手段来加工，是芯片封装技术及高密度安装的发展趋势。
倒装片封装方法在RF MEMS中得到广泛的应用。传统的线连接可以通过金属或可传导的聚合梁代替，这个梁可以制作在晶片和衬底上。梁不但提供了晶片的连接，而且对载体提供了电子连接。这个处理过程可以使元件非常接近传输线，降低了信号的衰减。与线连接的倒装技术相比，提高了互联的电特性，允许更高的封装密度[3-4]。但是，器件本身却被保留在开放的环境中。那么，需要一个密闭的封装，例如一个金属盒，但并不能保证环境是真空的。一个高性能的RF MEMS器件采用倒装的方法进行封装需要整个RF电路包裹在真空中，这样会导致器件成本的增加和由于真空的环境的降低而引起的长期性能的下降。
近来出现的球栅阵列（BGA）是一种高密度、高I/O集成电路封装技术。它的I／O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，线长度短，这样消除了微小间距器件中因引线而引起的共面度和翘曲的问题。技术的优点是可增加I／O数和间距，消除技术的高I／O数带来的生产成本和可靠性问题。这种封装使用最小化垂直尺寸、封装引脚和直接垂直贴附到下一级，这样降低了转换长度和RF 损耗。通常情况下，BGA封装插入损耗小于0.1dB，具有系统小引脚和低成本的优越性。
目前，在无线通信系统中，最新的手机融入了多频带工作和尖端技术，例如，语音识别、日历、录音和网络浏览功能。主流的封装技术包括标准的大小0.050英寸（1.27mm），如准平面封装（QFP），小外形封装（SOP），薄准平面封装，和塑料有引线片式载体(PLCC)来支持新产生的小型化产品。更小的封装大小0.025英寸（0.65mm），如准小型化封装和球形网格封装（BGA）变得更加流行，特别是对微处理器。BGA封装铅封装提供了更好的特性，它在设计设计高速时钟电路中得到广泛的应用。PHS MEMS 将是下一代RF产品的关键技术，包括无源器件的集成（IPD）和芯片级（WLP）封装。
3 封装在射频MEMS中的应用
最近，RF MEMS系统的封装已经在无线系统得到广泛的应用（例如， GSM、蓝牙、GPS和雷达系统中）。对于RF MEMS封装的主要包括以下几个方面[6]：1) 低寄生的芯片／衬底的互联（使用裸芯，小片距互联）；2) 无源集成衬底（匹配阻抗，高Q值无源R-L-C器件）；3) 下一级封装的互联（低插入损耗，电磁屏蔽）；4) 最快的设计方法（EDA设计，芯片封装的联合设计）。
在RF MEMS系统中，开关是进入射频领域应用最早且最多的器件之一，因此目前封装应用比较多的是RF MEMS开关。一个典型的固态RF开关如图1所示，它使用倒装片的封装方法把离散的器件集成到RF微电路上。但这样的开关封装可能导致信号衰减。
CFDRC和MORGAN公司设计的开关采用低温共热陶瓷（LTCC）的方法是RF MEMS封装的特性得到提高，减小了信号的衰减，如图2所示。这种封装技术制作出器件具有体积小和易处理的特性，优化了RF特性。而且采用的技术都是已经存在的制作技术。
图3所示的RF MEMS移相器是采用X-band厚膜BGA MEMS封装技术。这种移相器是一个两位移相器，中心频率为10GHz，插入损耗为0.96dB，带内的反射损耗大于14dB，平均插入损耗为1.14dB，平均反射损耗15.9dB，相位误差小于3.3度。这种先进的封装技术为相控阵雷达应用大大降低设计和制作成本。
4 芯片级封装键合材料
BCB是一种新型的封装键合材料，适用于屏蔽腔要求具有机械强度、密闭，同时不能降低器件的性能的场合。BenzoCycloButene (BCB)，是对附着粘合和密封层的一种有效材料。与阳极键合和硅直接键合相比，使用（BCB）作为键合和封装的材料处理过程相对简单。特别是对在硫化过程中，对于信号的非直接馈入有很好的效果。而且，（BCB）表现出最小限度的除气作用、高化学抵抗能、高键合力、低温处理和低的残留压力级。使用BCB制作的RF MEMS开关的封装过程如图4所示。开关结构如图5所示。这种封装材料提高了附着粘合结构，为芯片级封装和密封提供了新思路。
5 RF MEMS封装的计算机仿真
和处理其他的静电、热量、机械特性一样，通过计算机仿真能够高效处理RF器件的电磁特性。通过对RF器件封装特性的研究，可以预测和判断损耗来源，包括传导、辐射和反射。通过仿真改变封装的结构来分析对器件特性的影响，最后通过试验得到封装器件的实际特性来验证计算仿真结果。例如Motorola产品MM7500 射频MEMS开关的电容为10 pF（开路），可获得60～70分贝的隔离度，封装后的隔离度则降到40～50分贝。由此可见，RF MEMS封装特性的重要性是不言而喻的。解决这个问题的途径必需要依靠计算机辅助设计技术来解决。
目前，已经有许多商业化射频仿真软件，包括2.5维和三维的EDA仿真软件，例如sonnet、Ansoft HFSS、AGILENT ADS。基于矩量法仿真的EDA软件主要包括ADS（Advanced Design System）、Sonnet，基于有限元仿真的EDA仿真软件包括HFSS，试验表明，分析结果对于RF器件的仿真是非常准确的。使用CFD－Maxwell仿真可以帮助分析不同封装的概念。另外RF MEMS封装特性的仿真还可以使用Ansoft HFSS（高频结构仿真）。在FDTD电磁仿真中可采用高斯脉冲作为激励源，因为高斯脉冲具有许多优点，特别是可分析的频谱范围很广，频率应用范围可从1到100GHz。在仿真中，可以设置高斯脉冲的宽度为时间步的千分之一（时间步是由网格的分辨率决定的）。通过仿真还可以计算三维电场和磁流密度。可在MMIC衬底上，流入、流出封装器件信号路径的电流和电压的值来分析器件的电磁特性，如图6所示，并给出S-参数（如图7所示）。这些参数是MEMS封装设计的基础。几何尺寸和通常使用材料参数并没有对某一个特定的封装，仿真的数据可以和实际测量的数据进行比较，对于给出的封装得到最优化的设计，从而得到设计所需的最优参数。这样可以大大的降低设计成本和研制周期。
为占领竞争的制高点，在提供知识产权（IP）的同时还提供相应的EDA设计工具。如MEMSCAP 公司就是同时提供 MEMS IP和 EDA 工具，以便把IP设计到一个高度集成的电路中去的新型公司之一。MEMSCAP公司操作的基本方法是：它可以在 IC 的常规加工工序完成后，把 MEMS 器件作为额外的、被加工层制作在 IC的顶部。该方法再沉积金属片（膜）和绝缘层（薄膜），然后对这些层进行微机械加工。IP 供应商 Conventor 公司也有一个很大的 RF MEMS 器件库，库中的开关可提供给用户进行集成，也可作为分立器件供用户评估或组装到基片或电路板级产品中。这些都是采用欧姆接触设计的开关，可在直流到40GHz的频率范围内工作。该供应商将以芯片（可用来进行芯片加导线的组装）或封闭器件的形式向客户供应RF MEMS器件。 Conventor 公司提供单刀单掷和单刀双掷两种开关，它们具有大于35dB的隔离度和小于0.2dB的插入损耗。还提供一套EDA设计工具，其中包括Architect程序、Builder程序、Designer程序和Analyzer程序。这些程序通过对微结构的有限元分析来设计和分析RF MEMS 器件。这些程序还可链接至其它商业化EDA软件工具，如 Ansys 公司的 Ansoft和 Agilent 公司的HFSS 高频结构仿真程序。
阿尔卡特公司 MEMS 微系统、部件和封装部研究工作的目标是实现一种经济的封装技术，用来把该器件密封在合适的保护性环境里。该目标已经通过零级或硅片级方案得以实现。在这一方案中，可以修改芯片接合技术，以便在一次操作中把盖或罩安装到一块硅片上的所有器件上，是用一种有5道工序的 CMOS 或 BiCMOS 兼容的工艺制造的开关与硅片级封装技术相结合。
6 结 论
当前，射频集成电路（RFIC）产业、电子系统的微小型化和系统集成化的需求，尤其是移动通信产业市场指数增长规律持续不衰，加快了各种RF MEMS器件的研究和开发速度。RF MEMS器件与微电路的开发成功对封装提出了新要求，因此对于任何RF MEMS器件的应用都受到它的最终封装的限制。本文对当前国际上MEMS在射频中应用的封装概念、封装方法和封装技术进行了综述，研究封装对RF器件特性的影响。研究结果表明，复杂的电磁仿真软件的分析可以用来预测的封装器件的特性，降低RF MEMS器件封装设计的时间。计算机仿真可以在非常短的时间内有效研究新型封装概念。本文为RF MEMS器件的封装新概念提供设计上的考虑。随着计算机仿真软件的完善发展，封装的设计将变得更加快速而准确。
