Wafer-Level Packaging of Microelectromechanical Systems Based on Frame Structure
Authors
Date
2024Publisher
Another Title
Тонкоплёночная технология корпусирования микроэлектромеханических систем на основе каркасной структуры
Bibliographic entry
Wafer-Level Packaging of Microelectromechanical Systems Based on Frame Structure = Тонкоплёночная технология корпусирования микроэлектромеханических систем на основе каркасной структуры / E. S. Barbin, I. V. Kulinich, T. G. Nesterenko [et al.] // Приборы и методы измерений. – 2024. – № 4. – С. 323-333.
Abstract
Modern microelectromechanical systems (MEMS) are devices that incorporate microelectronic components and micromechanical structures on a single chip. Packaging is a mandatory stage in MEMS manufacturing. It ensures mechanical protection, sealing and transmission of electric energy and signals. The present work was aimed at developing a MEMS packaging method as a part of the consolidated manufacturing process. The method is developed on the example of a microwave MEMS switch. The switch manufacturing scheme includes conventional technologies used for producing gallium arsenide integrated circuits: optical lithography, liquid etching, electron-beam and magnetron deposition of metallic, resistive and dielectric films. The work presents a new inter-plate MEMS packaging based on a frame structure with a passivating film. The main purpose of the package frame layer is mechanical support for an upper layer of the sealing material. The frame layer should have the structure allowing for unimpeded removal of the sacrificial photoresist and be impermeable for the sealant. To satisfy the requirements stated, a metallic thin copper-film spatial frame was fabricated by galvanic deposition. The frame structure is a geodesic dome comprised of a complex network of triangle cells arranged in rows. The connected triangles create a self-supporting durable framework. The measurement and modeling results demonstrate that the round frame structure is more durable than a square frame with the same maximum cell dimensions. The stress-strain state for the round framework considerably alters depending on the number of rows of triangle cells. In addition to the mechanical support, the cell structure of the framework – with adequate selection of cell dimensions, solvent and sealant viscosities – allows for unimpeded penetration of the solvent (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP) and removal of ma-P1225 photoresist sacrificial layers. At the same time, the layer structure is impermeable for the sealant (benzocyclobutene, BCB). The proposed MEMS switch packaging enables mass fabrication of GaAs integrated circuits in a single process, which expands their frequency range. The new plate-level packaging technology is absolutely compatible with MEMS fabrication technology without specific materials and equipment which reduces the dimensions and cost of MEMS.
Abstract in another language
Современные МЭМС – это устройства, объединяющие в себе микроэлектронные компоненты и микромеханические структуры на одном чипе. Процесс корпусирования является обязательным этапом изготовления МЭМС устройств, который обеспечивает механическую защиту, герметичное уплотнение, передачу электроэнергии и сигналов. Целью данной работы являлась разработка способа корпусирования МЭМС, который входит в единый технологический процесс изготовления устройства. Разработка такого метода корпусирования осуществлена на примере СВЧ МЭМС ключа. Схема технологического процесса изготовления СВЧ МЭМС ключа включает в себя традиционные процессы технологии арсенид-галлиевых интегральных схем, такие как оптическая литография, жидкостное травление, электронно-лучевое и магнетронное осаждение металлических, резистивных и диэлектрических пленок. В работе представлена новая межпластинчатая упаковка МЭМС на основе каркасной конструкции с пассивирующей плёнкой. Основная задача каркасного слоя корпуса – обеспечение механической поддержки вышележащему слою герметизирующего материала. Каркасный слой должен обладать структурой, позволяющей беспрепятственно удалять жертвенный слой фоторезиста, и быть непроницаемым для герметизирующего материала. Для выполнения этих требований использована металлическая пространственная рама, выполненная на основе тонкой плёнки меди, полученной методом гальванического осаждения. Каркасная конструкция имеет форму геодезического купола, состоящего из сложной сети треугольных ячеек, расположенных рядами. Соединённые треугольники создают самоподдерживающийся структурно прочный каркас. Результаты измерений и моделирования показали, что круглая рамочная конструкция является более жёсткой, чем квадратная рамная конструкция с таким же максимальным размером ячейки. Напряженно-деформированное состояние круглой рамной конструкции существенно изменяется в зависимости от количества рядов треугольных ячеек каркасной конструкции. Кроме механической поддержки ячеистая структура каркаса при соответствующем подборе размера ячейки, вязкости растворителя и герметизирующего слоя позволяет беспрепятственно проникать растворителю (N-метилпирролидон) и удалять жертвенные слои фоторезиста ma-P1225. При этом структура данного слоя непроницаема для герметизирующего материала (бизбензоциклобутена). Предложенная упаковка МЭМС ключа позволяет серийно производить интегральные схемы GaAs, в едином технологическом процессе, что расширяет их частотный диапазон. Предлагаемая новая технология упаковки на уровне пластины полностью совместима с технологией производства МЭМС без использования специальных материалов и оборудования, что позволяет снизить габариты и стоимость МЭМС.
View/ Open
Collections
- Т. 15, № 4[7]