【摘要】：系統(tǒng)級、微型化和低成本集成封裝是微電子機械系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical System,簡稱MEMS)封裝的一大趨勢,而封裝基板技術為系統(tǒng)提供支持、保護和電互連作用,是三維(Three-dimensional,簡稱3D)系統(tǒng)級MEMS封裝的關鍵技術。將無源元件埋入封裝基板,是進一步減小MEMS系統(tǒng)封裝體積的重要途徑。在系統(tǒng)級MEMS封裝基板材料中,玻璃具有低熱膨脹系數(shù)、大光學帶寬、高電阻率、氣密性、防潮性、化學穩(wěn)定性和低成本等優(yōu)勢,極具發(fā)展?jié)摿Α５?玻璃的加工難度大,現(xiàn)有基板工藝也難以直接應用,因此亟需發(fā)展成套的MEMS封裝玻璃基板加工技術以及設計方法。本論文基于熱成型技術,提出一種埋入無源元件型MEMS封裝玻璃基板的新型制備技術,并研究其設計方法。首先,本論文設計將導電通路、電阻、電容、電感、濾波器等埋置于玻璃基板內(nèi)部,設計采用玻璃回流工藝制備埋入無源元件型玻璃基板。該設計充分利用基板內(nèi)部空間,釋放更多表面空間應用于3D集成,顯著縮小封裝體積。接著,本論文對埋入型基板設計思路進行實驗驗證。實驗結(jié)果表明,所制備埋入玻璃基板元件的線寬為50-200um,厚度200um,可制備深寬比2.5的微結(jié)構。玻璃回流工藝利用高溫熔融玻璃無孔洞包覆微結(jié)構,可大批量、低成本地制備埋入型玻璃基板,元件厚度高至上百微米,有效拓寬信號通路,減小電阻,而傳統(tǒng)表面微加工工藝制備的元件最厚為20-30um。然后,本論文對埋入型基板設計思路進行HFSS仿真驗證。仿真結(jié)果表明,采用導電TGV實現(xiàn)共面波導的3D互連結(jié)構損耗較低,可應用于實際生產(chǎn)。電感厚度增加可降低回波損耗和插入損耗,大幅度提高品質(zhì)因數(shù),小幅度減小有效電感,而玻璃回流工藝制備的埋入玻璃基板電感厚度可高至上百微米,驗證了該工藝和該設計思路的實際應用價值。以高摻雜硅作為電感材料損耗較大,品質(zhì)因數(shù)較低,不適合應用于實際生產(chǎn)。以銅作為電感材料電磁性能優(yōu)良,不同結(jié)構電感具有不同范圍的品質(zhì)因數(shù)、有效電感和頻率。隨著厚度增加,電感品質(zhì)因數(shù)增加率減小,到達一定厚度后存在品質(zhì)因數(shù)滾降現(xiàn)象,而有效電感持續(xù)緩慢減小,因此,厚度作用范圍并非無窮大。最后,本論文對設計、實驗和仿真進行總結(jié)概括,并提出新的研究思路。
[Abstract]:System-level, miniaturization and low-cost integrated packaging is a major trend in microelectromechanical system (Micro-electro-mechanical System,) packaging, and packaging substrate technology provides support, protection and electrical interconnection for the system. It is a three-dimensional (Three-dimensional,) technology. The key technology of system-level MEMS encapsulation is referred to as 3 D. Embedding passive components into the packaging substrate is an important way to further reduce the packaging volume of MEMS systems. In the system-level MEMS packaging substrate, glass has the advantages of low thermal expansion coefficient, large optical bandwidth, high resistivity, gas tightness, moisture resistance, chemical stability and low cost. However, the processing of glass is difficult and the existing substrate process is difficult to be directly applied. Therefore, it is urgent to develop the complete set of MEMS packaging glass substrate processing technology and design method. Based on the thermoforming technology, this paper presents a novel fabrication technique of embedded passive element MEMS packaging glass substrate, and studies its design method. Firstly, the conductive path, resistance, capacitance, inductance, filter and so on are embedded in the glass substrate, and the passive element glass substrate is fabricated by glass reflux process. The design makes full use of the inner space of the substrate, freezes more surface space for 3D integration, and significantly reduces the packaging volume. Then, the design idea of embedded substrates is verified experimentally in this paper. The experimental results show that the linewidth and thickness of the embedded glass substrate elements are 50-200 um. and the thickness of the embedded glass substrate elements is 200um. the microstructure with the aspect ratio of 2.5 can be prepared. Glass reflux process can be used to fabricate embedded glass substrates in large quantities and low cost by using high temperature melting glass without holes to cover microstructures. The thickness of embedded glass substrates is as high as hundreds of microns, which effectively broadens the signal path and reduces the resistance. The thickness of the components prepared by the traditional surface micromachining process is 20-30 uma. Then, the design idea of embedded substrates is verified by HFSS simulation. The simulation results show that using conductive TGV to realize 3D interconnect structure of coplanar waveguide has low loss and can be used in practical production. With the increase of inductance thickness, the return loss and insertion loss can be reduced, the quality factor can be greatly improved, and the effective inductance can be reduced by a small margin, while the thickness of the embedded glass substrate inductor prepared by glass reflux process can be as high as hundreds of microns. The practical application value of the process and the design idea is verified. High doped silicon is not suitable for practical production because of its high loss and low quality factor. Copper as inductor has excellent electromagnetic properties. Inductors with different structure have different quality factors, effective inductors and frequencies. With the increase of the thickness, the increase rate of the inductance quality factor decreases, and when the thickness reaches a certain thickness, there exists the phenomenon of the quality factor rolling down, while the effective inductor continues to decrease slowly, so the action range of the thickness is not infinite. Finally, this paper summarizes the design, experiment and simulation, and puts forward new research ideas.
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN405

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本文編號：2358132