углубление, формируемое сухим травлением

устройства на GaAs подложке (крепление методом перевернутого кристалла)

многослойная структура

кремниевая подложка

двухмодовый кольцевой фильтр

соединение

металлический держатель подложки высокорезистивная кремниевая подложка

Рис. 9.1. Трехмерный многослойный монтаж микросистемы миллиметрового диапазона. Репродукция из книги К. Takahashi, U. San-gawa, S. Fujita, M. Matsuo, T.Urabe, H. Ogura, H.Yu-buki, 2001, (.Packaging using microelectromechanieal technologies and planar components*, IEEE Transactions or Microwave Theory and Techniques 49(11): 2099-2104 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

Ha рис. 9.1 показано поперечное сечение трехмерного многослойной конструкции, используемой для микроструктур на кремниевой подложке. Пассивные элементы, такие как фильтры и согласующие цепи, формируются в каждом слое, а активные устройства собираются на верхнем JCлoe по технологии перевернутого кристалла. Так строятся структуры трехмерных ИС на основе кремния, которые обладают лучшим соотношением цена-эффективность по сравнению с GaAs. На рис. 9.2 показана схема монтажа 25-ти ГГц приемника со встроенным микрофильтром, а также приведены его экспериментально полученные частотные характеристики (Takahashi et al, 2000). Размеры корпуса такого устройства равны Их Имм^. Общий коэффициент усиления преобразователя составляет 22 дБ при факторе шума менее 4 дБ.

малошумящий усилитель

(монолитная СВЧ ИС)

вч вход

ВЧ= -50 дБм

частота генератора = -И дБм промежуточная частота =1,72 ГГц частота генератора = ВЧ промежуточная частота 30

усиштель генератора {ммйшитная СВЧ ИС)

1.0 мм

24 26 28

вч частота, ГГц

Рис. 9.2. а - схема монтажа 25-ти ГГц приемника со встроенным фильтром, б - его частотные характеристики. Репродукция из книги К.Takahashi, U. Sangawa, S. Fujita, К. Goho, Т. Urabe, Н. Ogura, Н. Yubuki, 2000, (.Packaging using microelectromechanieal technolo-

. :.,3 j,v gjgg aд(J planar components*, 200 Asia Pacific Microwave Conference, ; - IEEE, Washington, DC: 904-907 с разрешения IEEE, ©2000 IEEE

9.3.5. Монтаж микросистем на гибких печатных платах

Этот способ монтажа был пред.гожен в работе (Butler, Bright, 2000) для сборки оптоэлектромеханических микросистем и ВЧ микроустройств. Он был взят из микроэлектронной технологии изготовления схем на гибких печатных платах (COF). COF - это высокопроизводительная многокристалльная технология сборки, при которой кристаллы монтируются внутри пластиковой подложки, а электрические соединения выполняются при помощи тонкопленочных оверлейных структур, сформированных сверху компонентов (рис. 9.3). При помощи полиимида или термопластиков кристаллы прикрепляются снизу оверлейной структуры, нанесенной на гибкой печатной плате. Пусле чего вокруг кристаллов и их компонентов формируется сама подложка. Для этого применяется технология формования пластмассы, включающая в себя перенос рисунка, прессование или литье при температуре 210 °С. Внутренние соединения выполняются через сквозные отверстия, выполненные при помощи аргонового ионного лазера. Для обеспечения электрических связей по трафарету напьшяется слой металлизации из Ti/Cu. Совместное применение лазера переменной мощности и методов очистки при помощи плазмы и струи воды под высоким давлением позволяет эффективно

9.3.3. Пластиковые корпуса <i . . * \. ,

Из-за низкой стоимости производства пластиковые корпуса достаточно часто применяются в электронной промышленности. Однако изготовить пластиковые корпуса герметичными нельзя, что делает невозможным их использование в областях, где требуется высокая прочность и надежность устройств. Другим недостатком пластиковых корпусов является подверженность к растрескиванию в процессе температурной обработки.

9.3.4. Многослойный монтаж микросистем

удалять оверлейную структуру, не повреждая при этом встроенные микроструктуры. На рис. 9.4 показана матрица микрозеркал (5x5) со встроенной схемой управления, для сборки которой применялся метод оверлейного монтажа.

отверстия, сделанные при помощи лазера

оверлейная f Л

структура ~~f ШЩЖ ШШк Ш

1 кристалл микросистемы КМОП кристалл 1

]Е*ис. 9.3. Принцип монтажа микросистем на гибких печатных платах. Репродукция из книги J.T. Butler, V.M. Bright, 2000, Ап embed-ded overlay concept for microsystems packaging*, IEEE Transactions on Advanced Packaging 23(4): 617-622 с разрешения IEEE, ©2000

,г IEEE

Рис. 9.4. Матрица управляемых микрозеркал (5 X 5), изготовленная методом оверлейного монтажа. Репродукция из книги J.T. Butler, V.M. Bright, 2000, Ап embedded overlay concept for microsystems packaging*, IEEE Transactions on Advanced Packaging 23(4): 617-622 с разрешения IEEE, ©2000 IEEE

отверстия, сделанные при помощи лазера

оверлейная структура на гибкой печатной плате

микросистема

микроконтроллер

9.3.6. Монтаж на подложке

Способ монтажа должен выбираться на самых ранних стадиях разработки микросистем. Самое лучшее соотношение стоимость-эффективность достигается при применении монтажа, проводимого непосредственно на подложке (СШео, 2001а, Reichal, Grosser, 2001).

площадка для крепления

микросистема

кремнии

кремниевый кристалл

Рис. 9.5. Монтаж ВЧ микросистемы на кремниевой подложке

Методом анизотропного жидкостного травления кремниевых подложек вдоль определенных кристаллических плоскостей при помойки сильных растворов ш;елочей, например, КОН, можно формировать тонкие диафрагмы, сквозные отверстия и V-образные проре-

Разработка схем монтажа и внедрение их в технологический процесс производства микроустройств может помочь снизить стоимость всего устройства. Для сборки устройств, в которых на одной подложке размеш;ены и микросистема, и электрическая схема, необходимы методы универсального монтажа. При таком подходе каждое микроустройство может монтироваться своим собственным способом. Для электромеханических микросистем, имеюш;их в своем составе структуры, перемеш;аюш;иеся по поверхности подложки, необходимо предусматривать дополнительные заш;итные кремниевые конструкции. Эти заш;итные структуры обеспечивают не только механическую зашцту устройства, но и позволяют предотвратить попадание влаги. Для организации такой конструкции подложка, на которой сформирован активный элемент, скрепляется с другой подложкой. Соединение двух подложек осуш;ествляется либо при помойки плавления стекла, либо анодной сварки. Прецизионное соединение подложек является ключевым моментом при сборке микросистем (Helsen et al, 2001, Mirza, 2000).

Монтаж на подложке включает в себя проведение дополнительных технологических операций, которые заключаются в вытравливании специальных полостей в заш;итной подложке и в непосредственном соединении двух подложек. На рис. 9.5 схематично показана сборка микросистемы на подложке. Такой способ монтажа позволяет микроустройству свободно перемеш;аться в вакууме или инертной атмосфере при условии герметичности соединений, что также заш;иш;ает микроструктуры от попадания различных видов загрязнений. Вытравливание полостей в кремниевой подложке, размеш;е-ние полученной структуры сверху микросистемы и склеивание их вместе позволяет реализовать герметичную сборку.

зи. Наибольшая скорость травления кремния соответствует плоскостям (100) и (ПО), а наименьшая - (Ш)- Для формирования маскирующих слоев, как правило, применяется диоксид кремния или нитрид кремния, нанесенный методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении. Примерами применения монтажа на подложке являются головки для струйных принтеров и кремниевые пьезоэлектрические датчики давления, используемые в системах промышленной автоматизации. Для крепления двух подложек разработано довольно много методов. Их примерами являются: анодная сварка кремния со стеклом, низкотемпературное склеивание кремния с кремнием при помощи расплава стекла, непосредственное соединение кремниевых подложек, эвтектическое плавление и склеивание при помощи эпоксидных смол.

9.3.7. Экранирование и самоупаковка микросистем z

диэлектрическая мембрана

(а) линия, опирающаяся на мембрану

проводник

экранирующие

полости и

(б) линия с диэлектрическим экраном

Рис. 9.6. Схема самоупаковывающихся линий передач: а - линия, опирающаяся на диэлектрическую мембрану, б - линия с диэлектрическим экраном. Репродукция из книги R.F. Dryton, 1995, The Devepopment and Characterization of Self-packages using Micromachining Techniques for High Frequency Circuit Applications, PhD dissertation, University of Michigan, Ann Arbor, MI с ргьзрешения University of Michigan

Существуюпще микротехнологии обеспечивают гибкий подход к разработке линий передач, обладающих низкими потерями (Dryton, 1995). Они также позволяют изготавливать отдельные планарные компоненты схем методом самоупаковки (Hinderson et al, 2000). Примеры изготовления микроустройств методами самоупаковки показаны на рис. 9.6, 9.7 и 9.8. На рис. 9.6 приведены варианты двух линий передач: в одном из них металлические проводники опираются на мембрану, в другом - под проводящими линиями находится по-

лость. На рис. 9.7 и 9.8 в верхней подложке сформирована полость, заполненная воздухом. Эта подложка монтируется над металлическими проводниками. Объединение верхней и нижней экранированных схем приводит к построению ВЧ системы.

Рис. 9.7. Самоупаковывающаяся линия передач, состоящая из двух кремниевых подложек. Репродукция из книги R.F. Dryton, 1995, The Devepopment and Characterization of Self-packages using Micromachining Techniques for High Frequency Circuit Applications, PhD dissertation. University of Michigan, Ann Arbor, MI с разрешения University of Michigan

верхняя полость, заполненная воздухом

нижняя полость, металлические заполненная проводники

материалом подложки

выход волновода изоляционный слой

слои с

технологическими полостями

проводник заземления

подложка

(кремний, покрытый золотом / кремний с удельным сопротивлением 15 Ом см / высокорезистивиый кремний)

Рис. 9.8. а - Типичный монтаж линии передач с копланарным волново- дом, б - вид сверху, в - вид сбоку. Репродукция из книги S.J.

л Kim, Y.S. Kwon, H.Y. Lee, 2000, Sihcon MEMS Packages for copla-

nar MMICs , Proceedings of 2000 Asia-Pacific Microwave Conference, Australia, December 2000, IEEE, Washington, DC с разреше-ния IEEE, ©2000 IEEE

9.4. Монтаж методом перевернутых кристаллов

Метод перевернутых кристаллов часто применяется для сборки ВЧ систем. Это связано с тем, что такой способ монтажа позволяет обеспечивать очень малую протяженность межкомпонентных соединений и за счет этого уменьшать паразитный импеданс. В данном методе сборки кристалл ИС помещается лицевой стороной вниз