【摘要】：分布式RF MEMS移相器具有寬帶、實時、低損耗等優(yōu)點,在相控陣?yán)走_、通訊系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。在射頻應(yīng)用中,MEMS器件的可靠性和性能穩(wěn)定性是至關(guān)重要的,其中一個主要的影響因素是封裝過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力／應(yīng)變。在芯片粘接(die-attaching)工藝中,制作有MEMS結(jié)構(gòu)的芯片由適當(dāng)?shù)恼辰硬牧瞎探釉诜庋b基板上,因而整個結(jié)構(gòu)包含多種具有不同熱-機械特性的材料,封裝過程中因熱膨脹系數(shù)(CTE)失配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力／應(yīng)變將對器件的性能和可靠性產(chǎn)生很大的影響。現(xiàn)有的研究成果大多涉及常規(guī)MEMS器件的封裝效應(yīng),但RF MEMS器件,特別是分布式RF-MEMS器件對熱致封裝效應(yīng)更為敏感,分布的封裝熱應(yīng)力對分布式器件結(jié)構(gòu)具有更為復(fù)雜的作用,同時微波信號本身在傳輸結(jié)構(gòu)上也是分布的。本文分別從理論和實驗兩個方面對分布式RFMEMS移相器的熱致封裝效應(yīng)進行研究,論文的主要工作包括：1.提出了分布式RF MEMS移相器器件-封裝系統(tǒng)的基本單元劃分方法,其器件主體為分布式MEMS傳輸線(DMTL),包括共面波導(dǎo)(CPW)傳輸線和若干并聯(lián)電容式MEMS開關(guān),其封裝部分為由芯片襯底、粘接層和封裝基板等梁狀單元組成的多層結(jié)構(gòu)。2.建立了分布式RF MEMS移相器封裝-器件系統(tǒng)的基本單元模型,包括MEMS開關(guān)的力學(xué)、電學(xué)模型,DMTL的靜電、電磁模型和梁狀單元的熱-機械耦合模型,在此基礎(chǔ)上采用解析方法、分布節(jié)點矩陣方法及簡化集總節(jié)點等效電路方法建立了分布式RF MEMS移相器封裝-器件結(jié)構(gòu)的總體模型,分析了熱致封裝效應(yīng)對分布式RF MEMS移相器射頻特性,主要是相移特性的影響,有限元軟件仿真結(jié)果驗證了上述模型和分析方法的有效性。3.分別采用高阻硅和砷化鎵基片,設(shè)計和制作了不同結(jié)構(gòu)和不同片上位置的多種分布式RF-MEMS移相器,采用芯片粘接方式進行了封裝,并對器件封裝前后的相移-頻率特性進行了測試。模型分析、FEM仿真和實驗測試結(jié)果均表明,熱致封裝效應(yīng)對分布式RF-MEMS移相器的相移特性有著較大的影響,以其中的一個16開關(guān)分布式RF MEMS移相器為例,在13GHz處,封裝前后相移偏移量為62°,約為原始相移量的70%。且由此產(chǎn)生的封裝前后器件相移偏移量與其片上位置有關(guān),即與芯片表面封裝熱應(yīng)變分布有關(guān)。4.基于以上研究,本文提出了一種基于分布式RF MEMS移相器的封裝熱應(yīng)力測量方法,該方法依據(jù)封裝前后分布式RF MEMS移相器的相移偏移量、MEMS開關(guān)偏置電壓改變量和開關(guān)梁上熱應(yīng)力之間的關(guān)系,可以實現(xiàn)封裝熱應(yīng)力的在線和實時測量。本文的研究工作對分布式RF MEMS移相器的設(shè)計和實際應(yīng)用具有較好的參考價值。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN623

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本文編號：2736898