分布式RF MEMS移相器热致封装效应研究

发布时间：2020-07-01 14:45

【摘要】：分布式RF MEMS移相器具有宽带、实时、低损耗等优点,在相控阵雷达、通讯系统中具有广阔的应用前景。在射频应用中,MEMS器件的可靠性和性能稳定性是至关重要的,其中一个主要的影响因素是封装过程中产生的结构热应力／应变。在芯片粘接(die-attaching)工艺中,制作有MEMS结构的芯片由适当的粘接材料固接在封装基板上,因而整个结构包含多种具有不同热-机械特性的材料,封装过程中因热膨胀系数(CTE)失配而产生的热应力／应变将对器件的性能和可靠性产生很大的影响。现有的研究成果大多涉及常规MEMS器件的封装效应,但RF MEMS器件,特别是分布式RF-MEMS器件对热致封装效应更为敏感,分布的封装热应力对分布式器件结构具有更为复杂的作用,同时微波信号本身在传输结构上也是分布的。本文分别从理论和实验两个方面对分布式RFMEMS移相器的热致封装效应进行研究,论文的主要工作包括：1.提出了分布式RF MEMS移相器器件-封装系统的基本单元划分方法,其器件主体为分布式MEMS传输线(DMTL),包括共面波导(CPW)传输线和若干并联电容式MEMS开关,其封装部分为由芯片衬底、粘接层和封装基板等梁状单元组成的多层结构。2.建立了分布式RF MEMS移相器封装-器件系统的基本单元模型,包括MEMS开关的力学、电学模型,DMTL的静电、电磁模型和梁状单元的热-机械耦合模型,在此基础上采用解析方法、分布节点矩阵方法及简化集总节点等效电路方法建立了分布式RF MEMS移相器封装-器件结构的总体模型,分析了热致封装效应对分布式RF MEMS移相器射频特性,主要是相移特性的影响,有限元软件仿真结果验证了上述模型和分析方法的有效性。3.分别采用高阻硅和砷化镓基片,设计和制作了不同结构和不同片上位置的多种分布式RF-MEMS移相器,采用芯片粘接方式进行了封装,并对器件封装前后的相移-频率特性进行了测试。模型分析、FEM仿真和实验测试结果均表明,热致封装效应对分布式RF-MEMS移相器的相移特性有着较大的影响,以其中的一个16开关分布式RF MEMS移相器为例,在13GHz处,封装前后相移偏移量为62°,约为原始相移量的70%。且由此产生的封装前后器件相移偏移量与其片上位置有关,即与芯片表面封装热应变分布有关。4.基于以上研究,本文提出了一种基于分布式RF MEMS移相器的封装热应力测量方法,该方法依据封装前后分布式RF MEMS移相器的相移偏移量、MEMS开关偏置电压改变量和开关梁上热应力之间的关系,可以实现封装热应力的在线和实时测量。本文的研究工作对分布式RF MEMS移相器的设计和实际应用具有较好的参考价值。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN623

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