分布式微机电系统移相器芯片级微封装构件

摘要

分布式微机电系统移相器芯片级微封装构件，它涉及一种微机电系统(MEMS)移相器芯片级微封装构件。本发明的目的是为解决现有键合方法存在寄生效应和相互干扰强、增加器件的体积和损耗、形状发生畸变、制备工艺复杂和气体污染的问题。本发明密封绝缘介质封装体上开有上下相通的孔，密封绝缘介质封装体的上表面上固定有密封剂层，密封绝缘介质封装体由聚酰亚胺、氮化硅或者二氧化硅材料制成，密封绝缘介质封装体的厚度(t)为5－20μm。本发明在10～50GHz的微波频段工作，具有寄生效应低、相互干扰低、工艺兼容性好、形状无畸变、工艺简单、无气体污染和体积小的优点。本发明的插入损耗＜－0.2dB、反射系数低于－20dB、相移量也具有非常好的线性关系。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)移相器芯片级微封装构件。

背景技术

移相器是相控阵雷达、卫星通信、移动通信设备中的核心组件中最重要的部分，它的工作频带、插入损耗直接影响着这些设备的抗干扰能力和灵敏度以及系统的重量、体积和成本。目前，国内外研究者已开发出适用于毫米波小型化、低功耗和低成本的分布式MEMS移相器。但是，由于分布式MEMS移相器封装结构不能提供良好的机械支持和环境保护、优越的电气互连和散热、稳定的射频性能等等，使得分布式MEMS移相器的商品化受到严重的阻碍。目前，分布式MEMS移相器芯片级封装主要采用传统的键合技术，即在分布式MEMS移相器硅衬底键合上用陶瓷材料、合金材料、金属、玻璃或硅等材料制成的封装帽。由于传统键合方法需要金属密封圈、黏合剂或高压直流电和衬底与封装帽对准，容易导致各种不良的附加效应，如寄生效应和相互干扰强、增加器件的体积和损耗、形状发生畸变、制备工艺复杂和气体污染。另外，由于在键合封装过程中需要高温，当温度敏感材料被应用在分布式MEMS移相器中时，传统键合技术都不能采用。

发明内容

本发明的目的是为解决现有键合方法存在寄生效应和相互干扰强、增加器件的体积和损耗、形状发生畸变、制备工艺复杂和气体污染的问题，现提供一种分布式微机电系统移相器芯片级微封装构件。本发明由衬底1、第一共面波导地线2、信号线上绝缘介质层3、第二共面波导地线4、移相器的微结构件5、第一金属互连线6、第二金属互连线7、第三金属互连线8、密封绝缘介质封装体9、第四金属互连线10、第五金属互连线11、第六金属互连线12、共面波导信号线13和密封剂层1 5组成，第一金属互连线6、第二金属互连线7和第三金属互连线8等距设置在衬底1内的右侧，第四金属互连线10、第五金属互连线11和第六金属互连线12等距设置在衬底1内的左侧，第一共面波导地线2、第二共面波导地线4和共面波导信号线13三者相互平行设置在衬底1的上面，第一共面波导地线2的两端分别与第一金属互连线6和第六金属互连线12相连接，第二共面波导地线4的两端分别与第三金属互连线8和第四金属互连线10相连接，共面波导信号线13的两端分别与第二金属互连线7和第五金属互连线11相连接，绝缘介质层3只固定在移相器的微结构件5正下方的共面波导信号线13的上表面上，移相器的微结构件5下表面的两端分别与第一共面波导地线2和第二共面波导地线4的上表面固定连接，密封绝缘介质封装体9设置在移相器的微结构件5的外侧，密封绝缘介质封装体9的两侧分别与第一共面波导地线2和第二共面波导地线4的上表面固定连接，密封绝缘介质封装体9上开有上下相通的孔14，密封绝缘介质封装体9的上表面上固定有密封剂层15，密封绝缘介质封装体9由聚酰亚胺、氮化硅或者二氧化硅材料制成，密封绝缘介质封装体9的厚度t为5-20μm。本发明与传统键合封装结构不同的是采用了两项重要的技术来降低分布式MEMS移相器的反射损耗、插入损耗、寄生效应和封装成本，提高工艺的兼容性和器件的可靠性：一、通过采用低介电常数密封绝缘介质封装体替代了用陶瓷材料、合金材料、金属、玻璃或硅等材料制成的封装帽的方法来降低分布式MEMS移相器的反射损耗、插入损耗和体积。二、通过采用兼容的MEMS工艺直接在密封绝缘介质封装体上开有上下相通的孔以及密封绝缘介质封装体的上表面上固定有密封剂层而形成的微封装帽，而不是在分布式MEMS移相器衬底上键合用陶瓷材料、合金材料、金属、玻璃或硅等材料制成的封装帽。与传统的封装结构不同的是消除键合方法需要高温、金属密封圈、黏合剂或高压直流电和衬底与封装帽对准，从而实现降低封装成本、封装结构的寄生效应和相互干扰，提高工艺的兼容性和器件的可靠性。

本发明在10～50 GHz的微波频段工作，与现有技术相比，它在不增加成本、不增加反射损耗和插入损耗的前提下具有寄生效应低、相互干扰低、工艺兼容性好、形状无畸变、工艺简单、无气体污染和体积小的优点。经仿真实验，本发明的插入损耗<-0.2dB、反射系数低于-20dB、相移量也具有非常好的线性关系，并且本发明尺寸小，寿命长，成本低，完全适合大批量低成本生产，可以广泛的应用于射频通信系统以及小型相控阵雷达、相控阵天线系统中，利于推广应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3～图5是射频仿真结果示意图。图3中图纵坐标的数字表示的是插入损耗，单位：分贝(dB)，图横坐标的数字表示的是频率，单位：GHz；图4中图纵坐标的数字表示的是反射损耗，单位：分贝(dB)，图横坐标的数字表示的是频率，单位：GHz；图5中图纵坐标的数字表示的是相位位移，单位：度，图横坐标的数字表示的是频率，单位：GHz。

具体实施方式

具体实施方式一：(参见图1～图2)本实施方式由衬底1、第一共面波导地线2、绝缘介质层3、第二共面波导地线4、移相器的微结构件5、第一金属互连线6、第二金属互连线7、第三金属互连线8、密封绝缘介质封装体9、第四金属互连线10、第五金属互连线11、第六金属互连线12、共面波导信号线13和密封剂层15组成，第一金属互连线6、第二金属互连线7和第三金属互连线8等距设置在衬底1内的右侧，第四金属互连线10、第五金属互连线11和第六金属互连线12等距设置在衬底1内的左侧，第一共面波导地线2、第二共面波导地线4和共面波导信号线13三者相互平行设置在衬底1的上面，第一共面波导地线2的两端分别与第一金属互连线6和第六金属互连线12相连接，第二共面波导地线4的两端分别与第三金属互连线8和第四金属互连线10相连接，共面波导信号线13的两端分别与第二金属互连线7和第五金属互连线11相连接，绝缘介质层3只固定在移相器的微结构件5正下方的共面波导信号线13的上表面上，移相器的微结构件5下表面的两端分别与第一共面波导地线2和第二共面波导地线4的上表面固定连接，密封绝缘介质封装体9设置在移相器的微结构件5的外侧，密封绝缘介质封装体9的两侧分别与第一共面波导地线2和第二共面波导地线4的上表面固定连接，密封绝缘介质封装体9上开有上下相通的孔14，密封绝缘介质封装体9的上表面上固定有密封剂层15，密封绝缘介质封装体9由聚酰亚胺、氮化硅或者二氧化硅材料制成，密封绝缘介质封装体9的厚度t为5-20μm。聚酰亚胺的介电常数ε_r＝3.4。氮化硅的介电常数ε_r＝7.5。二氧化硅的介电常数ε_r＝2。

具体实施方式二：(参见图1～图2)本实施方式的衬底1所选用的为高阻硅材料制成(并附有二氧化硅层)，衬底1的厚度H为500μm，衬底1的介电常数ε_r为11.9，第一金属互连线6、第二金属互连线7、第三金属互连线8、第四金属互连线10、第五金属互连线11和第六金属互连线12的半径均为10μm，密封绝缘介质封装体9和移相器的微结构件5上下之间的距离h为50μm。通过在垂直穿过衬底1的第一金属互连线6、第二金属互连线7、第三金属互连线8、第四金属互连线10、第五金属互连线11和第六金属互连线12之间施加直流电压来改变移相器的微结构件5的结构形变，当不施加电压时，移相器的微结构件5保持正常状态，在施加电压后移相器的微结构件5产生形变。