RF, 封装与可靠性研究室
作者: 发布日期:2014-07-04

射频MEMS(RF MEMS Branch)

 

 

随着信息时代的来临,雷达和无线通信领域正迫切需要低功耗、超小型化且能够与信号理电路单片集成的新型器件。RF MEMS是将MEMS技术用于制作射频器件。

 

RFMEMS技术能够实现与MMIC的高度集成,使得制作集信息的采集、处理、传输和执行于一体的系统集成芯片成为可能。

 

MEMS终端式微波功率传感器(MEMS Termination Type Microwave Power Sensor):

 

由共面波导传输线,终端负载电阻,薄膜热电堆和压焊块组成。终端负载电阻吸收微波功率并将其转化为热量,基于Seebeck效应,热电堆将该热量转化为直流电压输出。该传感器具有直流功耗为零、线性度好、频带宽和动态范围大等优点。

MEMS相位检测器(MEMS Microwave Phase Detector):

待测信号输入功合器,MEMS终端式微波功率传感器检测合成功率,基于矢量合成原理,反推余弦函数得到相位差,具有零直流功耗和宽的频率测量范围等优点。

 

MEMS在线式微波功率传感器(MEMS Inline Type Microwave Power Sensor):

 

MEMS微波功率耦合器和终端式功率传感器组成。待测微波功率按一定比例由MEMS膜耦合到终端式传感器中,产生热电势的输出。提出阻抗匹配和电容补偿结构可减小反射损耗和实现宽频带,具有低微波损耗、高灵敏度、宽频带、良好的线性度、ms量级的响应时间并与GaAsMMIC工艺兼容等特点。

 

MEMS频率检测器(MEMS Microwave Frequency Detector):

 

 

由功分器、功合器、移相器以及功率传感器组成。该频率检测器基于矢量合成原理,其新颖之处在于,采用了两种不同的功率传感器:MEMS电容式微波功率传感器和MEMS终端式微波功率传感器。它们分别适用于大功率信号和小功率信号的测量。该检测器具有零直流功耗、线性度好等优点。

2010年我国高速公路总长度已达世界第二.但高速公路的事故伤亡率却也高居世界前列。剧增的车辆数量,复杂的路况,以及昂贵的国外路面监测系统,使高速公路的安全形式日益严峻。将微小灵敏、成本低廉的RF MEMS传感器集成到路面传感器系统中,可以对各种路面状态进行远程、大样本量的实时监测,分析和预警危险情况,对道路交通信息化、智能化和安全化发展有着十分重要的意义。

 

盐度、水膜厚度及多频检测技术(Salinity,Water Film Thickness And Multi-Frequency Detection Technology):

 

盐度传感器采用双脉冲电压激励电导测量原理,通过检测路面水分中盐度变化,继而推测出路面冰点值,从而实现对路面结冰现象的预警和预报。

水膜厚度传感器采用微波反射传感原理,通过测量对不同水膜厚度下微波信号反射系数的变化,实现路面积水厚度的检测,从而提高系统的路面积水监控和报警能力。

多频冰水检测传感器采用多种脉冲频率检测原理,通过测量不同脉冲频率下冰、雪、湿、干状态介电常数的取值及频率变化规律,实现路面状态的判定,提高路面恶劣环境的监控和报警能力。

 

系统集成和数据处理技术(SystemIntegration and Data Processing Technology):

 

路面传感器系统集成采用隔离信号布局布线设计和信号屏蔽结构,实现多传感器合理布局以及多种高频信号隔离和相互屏蔽。采用多种封闭结构和组装手段实现系统主模块与外界恶劣环境之间的良好隔离和保护。

路面传感器系统采用自顶而下的设计方法,实现由系统主程序、系统初始化程序、中断服务程序、多传感器模块程序、通信模块程序构成的软件系统。采用模块数据处理程序实现对各个传感器模块输出数据的补偿、校正与处理,采用系统预警算法实现多传感器数据的融合与预警判断。

 

系统标定和可靠性试验技术(SystemCalibration and Reliability Test Technology):

 

路面传感器系统通过标定项目的设定、标定参数的确定、标定流程的编制、标定环境的建立、标定设备的配备和改装,实现整个系统的批量化、自动化标定。

路面传感器系统可靠性试验根据系统所处的恶劣气候环境和力学环境,从实验室环境和实际应用环境两方面选择和设计可靠性试验项目,包括高/低温工作、高低温循环、振动、冲击、湿热、光照/淋雨、盐雾等,具体确定试验方法、流程及参数,得到一整套批量可靠性试验方案。

 

封装与可靠性(Packagingand reliability Branch)介绍

 

    封装是MEMS商业化的一个关键环节,只有经过封装的MEMS器件才能真正称其为产品并投入使用。MEMS封装技术的发展直接影响到MEMS产品的发展。实际上很多成功的MEMS技术还没有成为商业化产品的主要原因就是其封装技术的研究滞后于器件研究。随着高级封装技术的不断发展,一些MEMS封装技术甚至已经成为MEMS芯片制造领域中的关键技术,芯片的制造与封装的实现越来越难以区分。MEMS必将具有广阔的前景,MEMS封装技术的发展将是推动MEMS实用化的重要力量。

 

 21世纪,摩尔定律还能延续么?

  摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登-摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

    摩尔定律一直是驱动半导体发展的金科玉律,半个世纪以来,半导体的发展始终徘徊在这条定律左右。不过,摩尔定律始终是个有着物理极限的构想,而随着技术不断前行,这个极限已经在人们触手可及的不远处,随着特征尺寸从22纳米发展至14纳米甚至更小尺寸,由于量子效应导致的短路等问题使得芯片制造达到物理极限。当大部份芯片厂商也都感觉到遵循摩尔定律之途愈来愈难以为继。

  人们认为,不远的将来,摩尔定律将走到尽头!如何能使摩尔定律能够维系下去?全世界的科学家和工程师们都一直在思考这个问题。

  新一代的三维(3D)系统级集成与封装技术是目前延续或者超越摩尔定律的重要方法之一!3D 集成是指将多层平面器件堆叠起来,并通过穿透硅的Z 方向通孔实现互连的系统级集成方案。它的发展有两条主线:

    第一条主线是“延续摩尔”(More Moore)。即在晶圆上集成节距更小的晶体管,降低临界尺寸。

    第二条主线是“超越摩尔”(More Than Moore),以技术多元化为研发重点,从系统的角度,在一个微小的系统内集成不同类型的技术,并集成更加多种类的功能,例如传感器、生物器件、射频器件等,后者是摩尔定律所不能带来的。

    三维集成封装的一般优势包括:采用不同的技术(如MEMS,CMOS, SiGe, GaAs 等)实现器件集成,即“混合集成”或者“异质集成”,通常采用较短的垂直互连技术代替很长的二维平面互连技术,从而提高系统的性能,并降低功耗和成本。因此,三维系统集成技术在性能、功耗和形状因素等方面都具有较大的优势。

  但是,三维集成封装的微型化发展趋势在系统的非均质集成、散热、成本、可靠性等多个方面仍然存在着很大的挑战,它需要一系列科学和技术的进一步发展。

    当前,国内外微系统集成与封装的技术差距很大,中国在“十二五”和“十三五”器件将投入大量资金、组织实施国家重大科技专项(02专项)来专门解决上述问题,该领域存在着大量的机遇和挑战!

 

先进微系统三维集成技术(Critical 3D Integration Techniques of Advanced Microsystem):

 

    利用有限元方法,研究2.5D/3D IC integrationMicro copper pillar bump的结构对组装回流工艺中Cu/low-k芯片的low-k层热应力的影响。

 

新型智能MEMS传感器(NovelIntelligent MEMS Sensors R&D):

 

    采用先进系统级微集成方案,制备小型化的MEMS原子钟;以MEMS工艺为基础,制备高性能,体积可控的碱金属原子气室。

 

先进微电子封装材料(Advanced Microelectronic Packaging Materials):

        随着电子技术不断发展,芯片的集成度、封装密度以及工作频率越来越高,芯片单位面积上的发热量日益增大,散热问题已经成为发展高性能器件所面临的障碍之一。采用具有较高导热性的热界面材料(TIM)填充于固体-固体界面的非接触间隙,以增大界面的导热能力,是目前降低界面热阻的主要方式。 

 

    每一款产品从实验室走向市场都要经历可靠性的挑战。微小灵巧的MEMS器件的可靠性机理则更加微妙。从材料、结构到器件、封装、系统,每一层次的MEMS都其特有的可靠性问题。可靠性问题的不断解决将使将MEMS产品越来越多地走进我们的生活。

 

物理级可靠性(Physics Level Reliability):

    微小的MEMS器件结构极易受环境干扰而发生暂时或永久性失效。不同类型器件对不同环境因素敏感。针对各器件的共性问题和个性问题分别设计通用和定制实验方法,能有效归纳器件失效模式,提高设计质量。

 

MEMS可靠性软硬件综合评测平台(MEMS ReliabilityEvaluation Platform):

       基于虚拟仪器系统和模块化软件设计思想,将已有各类、各级MEMS可靠性模型、机理和测试方法的研究成果集成为软、硬件两个平台,配套使用,显著提高MEMS可靠性诊断、评测与反馈设计质量和效率。

 









研究室成员:尚金堂(负责人)、唐洁影、廖小平、王磊、张志强。

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