摘要：射頻（RF）技術在現代通信領域正得到越來越廣泛的應用，用MEMS方法制備的射頻元件不僅尺寸小、成本低、功能強大，而且更利于系統集成。系統級封裝（SiP）寄生效應小、集成度高的優點特別適合用來封裝RF-MEMS系統。本文介紹了系統級封裝的發展現狀特別是在射頻領域的應用，同時重點分析了在RF-MEMS系統級封裝中封裝結構、元件集成、互連及封裝材料等幾個關鍵問題。
關鍵詞：系統級封裝；射頻-微機電系統；無源器件集成；互連

1 引言

射頻技術是無線通信發展的關鍵技術之一。由于在射頻系統中大量地使用無源元件，在元器件和互連中存在較強的寄生效應，射頻系統封裝的設計優化對提高整個系統的性能顯得非常重要，高性能射頻電路的設計、制造和封裝已經是目前研究的熱點。

采用微細加工工藝將微米尺度下的微機械部件和 IC電路制作在同一個芯片上形成高度集成的功能單元。由于MEMS單元具有體積小、響應快、功耗低、成本低的優點，具有極為廣闊的應用前景[1] 。

在目前的通信系統中使用大量射頻片外分立單元，如諧振器、濾波器、耦合器等，使系統的空間尺寸較大。利用MEMS技術可以同標準集成電路工藝兼容，制作的無源元件有利于系統集成度和電學性能的提高，并且成本更低。但隨之而來的是對這類RF-MEMS系統元件和封裝問題的研究，這些也成為人們關注的熱點。

2 RF-MEMS系統級封裝的優勢

系統級封裝（System in a Package，即SiP）由于減少了連線距離，減小了寄生效應，提高了系統的電性能和集成度，同時由于可直接采用現有IC工藝制造元件，而不像SoC那樣需要完全重新設計所有元件，使得SiP應用的范圍非常廣泛，成本也比較低，具有非常好的發展前景。

RF-MEMS系統的封裝設計必須既考慮到封裝體對RF器件的影響，又要考慮封裝MEMS元件的一些特殊性，如在射頻條件下由封裝引入的寄生電感、寄生電容會引起信號串擾、延遲等等。特別是在輸入和輸出端口位置，這些連接和界面的電學性能將直接影響系統的電學性能[2]。若采用系統級封裝，可使信號在封裝體內直接傳輸，這樣可縮短系統內元件間的連線距離，降低系統的寄生效應，改善了互連的電學性能。在RF系統中無源器件數量多，面積大，它們的集成對系統性能的影響較大。而利用MEMS工藝加工的無源元件的可集成性正是MEMS的突出優點之一，也有利于系統級封裝的實現。因此，將RF-MEMS元件進行系統級封裝對于簡化系統結構、降低寄生效應和損耗、提高應用頻率范圍、縮短產品開發時間、降低成本都具有重要意義。

圖1為ANADIGICS公司關于RF系統封裝的示意圖，其中集成了表面安裝器件（SMD）、集成式無源元件（硅或玻璃基板）、存儲器芯片，使用倒裝焊連接到系統中，同時還可將不同襯底材料制作的RF-CMOS芯片、GaAs高性能功率放大器隱埋在基板中，在基板上利用HDI技術制作掩埋式無源元件、傳輸線等，最后再次使用倒裝焊實現系統與電路板的互連，這種系統級封裝可明顯縮短互連，提高集成度和系統性能[3]。

系統級封裝的另一個重要優點是從系統設計階段開始就必須考慮其封裝問題，即系統與封裝進行協同設計，這樣可以最大地降低其封裝成本、提高產品的性能和縮短產品的開發周期。
3 RF-MEMS系統級封裝的關鍵技術

在RF-MEMS系統封裝中，有如下幾個關鍵問題需要重點考慮：無源元件的集成方式、封裝結構的設計、系統內芯片間的互連以及封裝材料的選擇等。

3.1 無源元件集成

無源元件在RF系統中數目眾多，占用系統面積大。有統計表明，無源元件（電容、電感、電阻等）在RF系統中占到元件數目的80％到90％，占基板面積的70％到80％[3]，因此，無源元件的集成對于提高系統的集成度非常重要。同目前常用的表面安裝無源元件相比，將元件集成于封裝內可以有效地提高系統的可靠性、縮短導電通路、降低寄生效應、降低成本、減小器件尺寸。

通常RF-MEMS無源元件有一些可動部分或懸空結構，如可變電容、開關等，圖2（a）所示為清華大學微電子所用MEMS工藝制作的壓控電容的結構圖[4]。此外，有些元件具有硅杯空腔或立體結構，圖2（b）所示為三維電感[5]。這些可動和立體MEMS元件的封裝與傳統的集成電路塑料封裝不同，它們需要足夠大的超凈空腔以容納立體結構，或給懸空可動部件以足夠的運動空間，并實行真空封裝以降低阻尼和防止微粒進入活動部件孔隙，延長可動部分的壽命。

無源元件的集成方式主要有分離式、集成式和掩埋式三種。分離式是將封裝好的元件安裝到系統中，集成度最低，但目前的工藝比較成熟；集成式是將制作好的未經封裝的無源元件或者無源元件陣列用一定的互連方式集成到系統中；而掩埋式則是直接在基板上制作無源元件，在基板內部進行連接，實現了最短的互連和最高的封裝效率。集成式和掩埋