埋入无源元件型玻璃基板的热回流制备及设计研究

摘要

系统级、微型化和低成本集成封装是微电子机械系统(Micro-electro-mechanical System，简称MEMS)封装的一大趋势，而封装基板技术为系统提供支持、保护和电互连作用，是三维(Three-dimensional，简称3D)系统级MEMS封装的关键技术。将无源元件埋入封装基板，是进一步减小MEMS系统封装体积的重要途径。在系统级MEMS封装基板材料中，玻璃具有低热膨胀系数、大光学带宽、高电阻率、气密性、防潮性、化学稳定性和低成本等优势，极具发展潜力。但是，玻璃的加工难度大，现有基板工艺也难以直接应用，因此亟需发展成套的MEMS封装玻璃基板加工技术以及设计方法。本论文基于热成型技术，提出一种埋入无源元件型MEMS封装玻璃基板的新型制备技术，并研究其设计方法。
　　首先，本论文设计将导电通路、电阻、电容、电感、滤波器等埋置于玻璃基板内部，设计采用玻璃回流工艺制备埋入无源元件型玻璃基板。该设计充分利用基板内部空间，释放更多表面空间应用于3D集成，显著缩小封装体积。
　　接着，本论文对埋入型基板设计思路进行实验验证。实验结果表明，所制备埋入玻璃基板元件的线宽为50-200um，厚度200um，可制备深宽比2.5的微结构。玻璃回流工艺利用高温熔融玻璃无孔洞包覆微结构，可大批量、低成本地制备埋入型玻璃基板，元件厚度高至上百微米，有效拓宽信号通路，减小电阻，而传统表面微加工工艺制备的元件最厚为20-30um。
　　然后，本论文对埋入型基板设计思路进行HFSS仿真验证。仿真结果表明，采用导电TGV实现共面波导的3D互连结构损耗较低，可应用于实际生产。电感厚度增加可降低回波损耗和插入损耗，大幅度提高品质因数，小幅度减小有效电感，而玻璃回流工艺制备的埋入玻璃基板电感厚度可高至上百微米，验证了该工艺和该设计思路的实际应用价值。以高掺杂硅作为电感材料损耗较大，品质因数较低，不适合应用于实际生产。以铜作为电感材料电磁性能优良，不同结构电感具有不同范围的品质因数、有效电感和频率。随着厚度增加，电感品质因数增加率减小，到达一定厚度后存在品质因数滚降现象，而有效电感持续缓慢减小，因此，厚度作用范围并非无穷大。
　　最后，本论文对设计、实验和仿真进行总结概括，并提出新的研究思路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 MEMS封装概述

1．2 基板材料

1．2．1 陶瓷基板

1．2．2 有机基板

1．2．3 硅基板

1．2．4 玻璃基板

1．3 玻璃微加工工艺

1．3．1 湿法刻蚀工艺

1．3．2 干法刻蚀工艺

1．3．3 喷砂工艺

1．3．4 超声加工工艺

1．3．5 激光加工工艺

1．3．6 机械切磨工艺

1．3．7 热成型工艺

1．4 玻璃回流工艺及其在MEMS微系统封装中的应用

1．4．1 玻璃回流工艺原理

1．4．2 玻璃回流工艺应用

1．4．3 玻璃回流工艺的新型应用探索

1．5 本论文主要工作

第二章 玻璃基板新型设计研究

2．1 玻璃基板新结构设计

2．1．1 埋入导电通孔的互连型玻璃基板

2．1．2 埋入单元件的埋入型玻璃基板

2．2 玻璃基板制备工艺设计

2．2．1 埋入高掺杂硅结构的玻璃基板

2．2．2 埋入铜结构的玻璃基板

2．3 本章小结

第三章 玻璃基板实验结果分析

3．1 玻璃基板制备工艺版图设计

3．2 干法刻蚀高掺杂硅圆片结果分析

3．3 玻璃回流工艺分析

3．4 圆片减薄工艺分析

3．5 本章小结

第四章 玻璃基板电磁性能分析

4．1 互连型玻璃基板的电磁性能分析

4．1．1 互连型玻璃基板的仿真结构设计

4．1．2 互连型玻璃基板参数优化

4．2 埋入型玻璃基板的电磁性能分析

4．2．1 基于埋入电感型玻璃基板的结构设计

4．2．2 玻璃基板内电感的厚度可设计性分析

4．2．3 埋入玻璃基板电感的优势分析

4．2．4 埋入型玻璃基板在RF MEMS集成中的应用研究

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本论文工作总结

5．2 进一步工作展望

致谢

参考文献

作者简介