摘要：射頻（RF）技術(shù)在現(xiàn)代通信領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，用MEMS方法制備的射頻元件不僅尺寸小、成本低、功能強(qiáng)大，而且更利于系統(tǒng)集成。系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）寄生效應(yīng)小、集成度高的優(yōu)點(diǎn)特別適合用來(lái)封裝RF-MEMS系統(tǒng)。本文介紹了系統(tǒng)級(jí)封裝的發(fā)展現(xiàn)狀特別是在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)重點(diǎn)分析了在RF-MEMS系統(tǒng)級(jí)封裝中封裝結(jié)構(gòu)、元件集成、互連及封裝材料等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：系統(tǒng)級(jí)封裝；射頻-微機(jī)電系統(tǒng)；無(wú)源器件集成；互連

1 引言

射頻技術(shù)是無(wú)線通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于在射頻系統(tǒng)中大量地使用無(wú)源元件，在元器件和互連中存在較強(qiáng)的寄生效應(yīng)，射頻系統(tǒng)封裝的設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的性能顯得非常重要，高性能射頻電路的設(shè)計(jì)、制造和封裝已經(jīng)是目前研究的熱點(diǎn)。

采用微細(xì)加工工藝將微米尺度下的微機(jī)械部件和 IC電路制作在同一個(gè)芯片上形成高度集成的功能單元。由于MEMS單元具有體積小、響應(yīng)快、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，具有極為廣闊的應(yīng)用前景[1] 。

在目前的通信系統(tǒng)中使用大量射頻片外分立單元，如諧振器、濾波器、耦合器等，使系統(tǒng)的空間尺寸較大。利用MEMS技術(shù)可以同標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容，制作的無(wú)源元件有利于系統(tǒng)集成度和電學(xué)性能的提高，并且成本更低。但隨之而來(lái)的是對(duì)這類RF-MEMS系統(tǒng)元件和封裝問(wèn)題的研究，這些也成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

2 RF-MEMS系統(tǒng)級(jí)封裝的優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)級(jí)封裝（System in a Package，即SiP）由于減少了連線距離，減小了寄生效應(yīng)，提高了系統(tǒng)的電性能和集成度，同時(shí)由于可直接采用現(xiàn)有IC工藝制造元件，而不像SoC那樣需要完全重新設(shè)計(jì)所有元件，使得SiP應(yīng)用的范圍非常廣泛，成本也比較低，具有非常好的發(fā)展前景。

RF-MEMS系統(tǒng)的封裝設(shè)計(jì)必須既考慮到封裝體對(duì)RF器件的影響，又要考慮封裝MEMS元件的一些特殊性，如在射頻條件下由封裝引入的寄生電感、寄生電容會(huì)引起信號(hào)串?dāng)_、延遲等等。特別是在輸入和輸出端口位置，這些連接和界面的電學(xué)性能將直接影響系統(tǒng)的電學(xué)性能[2]。若采用系統(tǒng)級(jí)封裝，可使信號(hào)在封裝體內(nèi)直接傳輸，這樣可縮短系統(tǒng)內(nèi)元件間的連線距離，降低系統(tǒng)的寄生效應(yīng)，改善了互連的電學(xué)性能。在RF系統(tǒng)中無(wú)源器件數(shù)量多，面積大，它們的集成對(duì)系統(tǒng)性能的影響較大。而利用MEMS工藝加工的無(wú)源元件的可集成性正是MEMS的突出優(yōu)點(diǎn)之一，也有利于系統(tǒng)級(jí)封裝的實(shí)現(xiàn)。因此，將RF-MEMS元件進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)封裝對(duì)于簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低寄生效應(yīng)和損耗、提高應(yīng)用頻率范圍、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低成本都具有重要意義。

圖1為ANADIGICS公司關(guān)于RF系統(tǒng)封裝的示意圖，其中集成了表面安裝器件（SMD）、集成式無(wú)源元件（硅或玻璃基板）、存儲(chǔ)器芯片，使用倒裝焊連接到系統(tǒng)中，同時(shí)還可將不同襯底材料制作的RF-CMOS芯片、GaAs高性能功率放大器隱埋在基板中，在基板上利用HDI技術(shù)制作掩埋式無(wú)源元件、傳輸線等，最后再次使用倒裝焊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與電路板的互連，這種系統(tǒng)級(jí)封裝可明顯縮短互連，提高集成度和系統(tǒng)性能[3]。

系統(tǒng)級(jí)封裝的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段開(kāi)始就必須考慮其封裝問(wèn)題，即系統(tǒng)與封裝進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，這樣可以最大地降低其封裝成本、提高產(chǎn)品的性能和縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。
3 RF-MEMS系統(tǒng)級(jí)封裝的關(guān)鍵技術(shù)

在RF-MEMS系統(tǒng)封裝中，有如下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要重點(diǎn)考慮：無(wú)源元件的集成方式、封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)內(nèi)芯片間的互連以及封裝材料的選擇等。

3.1 無(wú)源元件集成

無(wú)源元件在RF系統(tǒng)中數(shù)目眾多，占用系統(tǒng)面積大。有統(tǒng)計(jì)表明，無(wú)源元件（電容、電感、電阻等）在RF系統(tǒng)中占到元件數(shù)目的80％到90％，占基板面積的70％到80％[3]，因此，無(wú)源元件的集成對(duì)于提高系統(tǒng)的集成度非常重要。同目前常用的表面安裝無(wú)源元件相比，將元件集成于封裝內(nèi)可以有效地提高系統(tǒng)的可靠性、縮短導(dǎo)電通路、降低寄生效應(yīng)、降低成本、減小器件尺寸。

通常RF-MEMS無(wú)源元件有一些可動(dòng)部分或懸空結(jié)構(gòu)，如可變電容、開(kāi)關(guān)等，圖2（a）所示為清華大學(xué)微電子所用MEMS工藝制作的壓控電容的結(jié)構(gòu)圖[4]。此外，有些元件具有硅杯空腔或立體結(jié)構(gòu)，圖2（b）所示為三維電感[5]。這些可動(dòng)和立體MEMS元件的封裝與傳統(tǒng)的集成電路塑料封裝不同，它們需要足夠大的超凈空腔以容納立體結(jié)構(gòu)，或給懸空可動(dòng)部件以足夠的運(yùn)動(dòng)空間，并實(shí)行真空封裝以降低阻尼和防止微粒進(jìn)入活動(dòng)部件孔隙，延長(zhǎng)可動(dòng)部分的壽命。

無(wú)源元件的集成方式主要有分離式、集成式和掩埋式三種。分離式是將封裝好的元件安裝到系統(tǒng)中，集成度最低，但目前的工藝比較成熟；集成式是將制作好的未經(jīng)封裝的無(wú)源元件或者無(wú)源元件陣列用一定的互連方式集成到系統(tǒng)中；而掩埋式則是直接在基板上制作無(wú)源元件，在基板內(nèi)部進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了最短的互連和最高的封裝效率。集成式和掩埋