反転させたマイクロストリップ伝送線路を有するRF微小電子機械システムおよび作製方法

本発明の実施形態は、一般に高周波(RF)微小電子機械システム(MEMS)パッケージ、より詳細には、それ自身の一体化された接地経路を含まないMEMSデバイス用RF伝送線路を形成する、反転させた、または裏返しにした接地面設計を有するRF MEMSパッケージに関する。

RF MEMSデバイスは、その最も一般的な形態では、電気的に作動する機械的動作を用いて、RF伝送線路における開回路または閉回路を実現する小型のデバイスとして規定することができる技術である。RF MEMSデバイスがオンの位置にある場合、RF伝送線路は、「閉じ」られ、RF MEMSデバイスは、高周波RF信号を伝送するために使用され得る。

RF伝送線路を作製するための1つの公知の技法は、図1に示すように、マイクロストリップ伝送線路10の使用によるものである。マイクロストリップ伝送線路10は、誘電体基板12の頂面16に位置する導電性信号線14、および誘電体基板12の底面20に位置する接地面18を有する誘電体基板12を含む。導電性信号線14および接地面18は、互いに相互作用して誘電体基板12を通って進む電磁波を生成してRF信号を生成する。マイクロストリップ伝送線路10の幅、誘電体基板12の厚さ、および誘電体基板12の材料の比誘電率は、マイクロストリップ伝送線路10の特性インピーダンスを決定する。RF MEMSデバイスは、RF伝送線路を「開」または「閉」に制御するために導電性信号線14に含まれている場合がある。

図1に示すようなマイクロストリップ伝送線路は、しばしば高周波回路設計において、導電性バッキングされたコプレーナ導波路伝送線路と併せて使用される。すなわち、RF伝送線路は、マイクロストリップ伝送線路の形態から導電性バッキングされたコプレーナ導波路伝送線路の形態に移行することがある。

図2は当技術分野で知られているような導電性バッキングされたコプレーナ導波路伝送線路22を示す。コプレーナ導波路伝送線路22は、誘電体基板12の頂面16に配置された導電性信号線14を含む。同一の誘電体基板12上でマイクロストリップ伝送線路10からコプレーナ導波路伝送線路22へ移行するとき、信号線14は、この移行を通じて誘電体基板12の頂面16を横切って続いている。コプレーナ導波路伝送線路22は、誘電体基板12の頂面16上に、かつ導電性信号線14の両側に配置された1対の接地線30、32をさらに含む。そのため、信号線14、接地線30、32は、同じ側に位置し、したがって、同一平面上にある。加えて、接地面18は、誘電体基板12の底面20に位置し、信号線14と同様に、移行を通じて誘電体基板12の底面20を横切って続いている。コプレーナ導波路伝送線路22は、接地線30、32と接地面18を電気的に接続するように誘電体基板12の厚さを貫いて形成された複数の接地バイア38をさらに含む。RF信号は、信号線14と接地面18との間で、さらに接地線30、32と信号線14との間で電磁波によって生成される。

上で論じたように、高周波回路設計で使用されるRF伝送線路は、MEMSデバイスの実装基板の底面に一体化された接地面を含む。一体化された接地面は、信号線と相互作用し、電磁波およびRF信号を生成する。しかしながら、すべてのMEMSパッケージが一体化された接地面を用いて製造されているわけではないため、既存のMEMSパッケージは、RF伝送用のデバイスに一体化される前に修正されなければならない。そのような修正は、MEMSデバイスの反対側の実装基板の表面に接地面を置くこと、および接地面を基板の頂面の接地線に電気的に接続するために基板を貫いてバイアを形成することを含む。しかしながら、石英およびシリコンなどの材料から作られた基板にバイアを生成することは困難で、時間がかかる可能性がある。

したがって、MEMSデバイスまたはその関連付けられた実装基板に対する構造的な修正なしに、一体化された接地面を含まないMEMSデバイスをRF MEMSパッケージに一体化することが望ましい。

米国特許第2009/246929号

本発明の一態様によると、高周波(RF)微小電気機械システム(MEMS)パッケージは、第1の実装基板と、第1の実装基板の頂面に形成された信号線であって、信号線の第1の部分を信号線の第2の部分に選択的に電気的に結合するMEMSデバイスを備える、信号線と、信号線の第1の部分に隣接して第1の実装基板の頂面に形成された第1の対の接地パッドと、信号線の第2の部分に隣接して第1の実装基板の頂面に形成された第2の対の接地パッドと、を有するMEMSダイ組立体を含む。また、RF MEMSパッケージは、第1の対の接地パッドおよび第2の対の接地パッドに電気的に結合された接地組立体であって、第2の実装基板と、第1の実装基板の頂面に面する第2の実装基板の表面に形成され、第1の対の接地パッドおよび第2の対の接地パッドに電気的に結合された接地領域と、を有する接地組立体を含む。キャビティが接地領域と信号線との間に形成され、第1の対の接地パッドがMEMSデバイスの第1の側に隣接して位置し、第2の対の接地パッドがMEMSデバイスの第2の側に隣接して位置する。

本発明の別の態様によると、高周波(RF)微小電気機械システム(MEMS)パッケージを製造する方法は、第1の実装基板を用意するステップと、第1の実装基板の頂面に信号線を形成するステップであって、第1の実装基板の頂面に信号線の第1の部分を形成するステップ、第1の部分と第2の部分との間に間隙に設けるように第1の実装基板の頂面に信号線の第2の部分を形成するステップ、ならびに間隙をブリッジするためにMEMSデバイスを信号線の第1の部分および信号線の第2の部分に結合するステップ、を含むステップと、を含む。本方法は、信号線の第1の部分に隣接して第1の実装基板の頂面に第1の対の接地パッドを形成するステップと、信号線の第2の部分に隣接して第1の実装基板の頂面に第2の対の接地パッドを形成するステップであって、第2の対の接地パッドが第1の対の接地パッドから離間されている、ステップと、接地組立体を第1の対の接地パッドおよび第2の対の接地パッドに結合するステップであって、接地組立体が第2の実装基板の底面に形成された接地領域を備える、ステップと、間にキャビティを設けるように接地領域を信号線から離間させるステップと、をさらに含む。

本発明のさらに別の態様によると、高周波(RF)微小電気機械システム(MEMS)ウェーハ構造体は、ウェーハ基板の頂面に配置された複数のMEMSデバイスと、各信号線がそれぞれのMEMSデバイスの第1の側に位置する第1の部分、およびそれぞれのMEMSデバイスの第2の側に位置する第2の部分であって、第1の間隙によって第1の部分から分離された第2の部分を有する、ウェーハ基板の頂面に形成された複数の信号線と、それぞれの信号線の第1の部分の両側に隣接する第1の対の接地パッドと、それぞれの信号線の第2の部分の両側に隣接する第2の対の接地パッドと、を有するMEMSウェーハ組立体を含む。RF MEMSウェーハ構造体は、接地基板の底面に形成された接地面であって、第1の対の接地パッドおよび第2の対の接地パッドに接合された接地面を備える接地面組立体をさらに含み、接地面および複数の信号パッドが、各キャビティがそれぞれのMEMSデバイスを含む複数のキャビティによって離間され、複数のMEMSデバイスに隣接するMEMS基板の頂面には接地パッドがない。

これらおよび他の利点ならびに特徴は、添付図面に関連して提供される本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な記載からより容易に理解されるであろう。

図面は、本発明を実行するために現在考えられる実施形態を示す。

従来技術で知られているようなマイクロストリップ伝送線路である。

従来技術で知られているような導電性バッキングされたコプレーナ導波路伝送線路である。

本発明の実施形態による、RF MEMSパッケージの概略斜視図である。

線4−4に沿ってとられた図3のRF MEMSパッケージの概略断面図である。

線5−5に沿ってとられた図4のRF MEMSパッケージの概略断面図である。

線6−6および線6a−6aに沿ってとられた図4のRF MEMSパッケージの概略断面図である。

線7−7に沿ってとられた図4のRF MEMSパッケージの概略断面図である。

本発明の別の実施形態による、RF MEMSパッケージの第1の基板の概略上面図である。

本発明の別の実施形態による、RF MEMSウェーハ構造体の概略側面図である。

線10−10に沿ってとられた図9のRF MEMSウェーハ構造体の概略断面図である。

本発明の別の実施形態による、RF MEMSディスクリートパッケージの概略上面図である。

線12−12に沿ってとられた図11のRF MEMSディスクリートパッケージの側断面図である。

線13−13に沿ってとられた図11のRF MEMSディスクリートパッケージの側断面図である。

本発明の別の実施形態による、RF MEMSパッケージの概略斜視図である。

線15−15に沿ってとられた図14のRF MEMSパッケージの概略断面図である。

線16−16に沿ってとられた図15のRF MEMSパッケージの概略断面図である。

本発明の実施形態による、RF MEMSウェーハ構造体の概略側部断面図である。

線18−18に沿ってとられた図17のRF MEMSウェーハ構造体の概略断面図である。

本発明の実施形態は、それ自身の一体化された接地経路を含まないMEMSデバイス用RF伝送線路を形成する、反転させた、または裏返しにした接地面設計を含む高周波(RF)微小電子機械システム(MEMS)パッケージを提供する。RF伝送線路は、接地面を含む二次基板をMEMSデバイスに結合することによって形成される。二次基板上に形成された接地面と一次基板上のMEMSデバイスの信号線との間の相互作用がRF伝送線路を生成する。その結果、RF伝送線路は、MEMSデバイスまたはその実装基板の物理的構造を変更または修正することなく生成される。

最初に図3を参照すると、本発明の実施形態によるRF MEMSパッケージ40の概略斜視図が示されている。RF MEMSパッケージ40は、MEMS41および接地面組立体43を含む。MEMSダイ組立体41は、頂面50に配置された、MEMSデバイス48を含む導電性信号線46を有するMEMS実装基板42を含む。MEMS基板42は、限定されないが、石英、アルミナ、ガリウム砒素、シリコンなどの絶縁性、半絶縁性材料、または半導電性材料から形成されたバルクキャリア基板である。本発明の一実施形態では、MEMSデバイス48は、オーム接触スイッチ機構である。しかしながら、代替の実施形態では、MEMSデバイス48は、容量性接触スイッチ機構であってもよい。加えて、MEMSデバイス48は、限定されないが、磁気的、圧電的、熱的、および静電的な力などの当技術分野で知られている任意の作動機構も利用することができる。

第1の対の導電性接地線またはパッド52、54、および第2の対の導電性接地線またはパッド56、58が第1の基板42の頂面50に配置されている。図1および図2の従来技術のデバイスと異なり、図3のMEMSダイ組立体41は、その底面60に形成される接地面を含まない。その結果、MEMSダイ組立体41がスタンドアロンのデバイスとして使用される場合、RF信号は、MEMSダイ組立体41を通って自由に伝播しない。

MEMSダイ組立体41を通るRF信号の伝搬を改善するために、接地面組立体43がMEMSダイ組立体41に結合される。接地面組立体43は、接地実装基板44の底面64に形成された接地面/領域62を含む。MEMS基板42と同様に、接地基板44は、限定されないが、石英、アルミナ、ガリウム砒素、およびシリコンなどの絶縁性または半絶縁性材料である。接地面62は、金スタッドバンプなどの電気接点または相互接続部66を介して接地パッド52〜58に接合され、電気的に結合されている。接地面62は、例えば、銅、金、タングステン/ニッケル/金スタック、または別の一般的なパッケージング材料などの任意の導電性材料であってもよい。スタッドバンプ66は、接地パッド52〜58を接地面62に接合および電気的に結合するのに適した任意の材料、例えば、限定されないが、ハンダバンプ、金バンプ、および超音波熱付着バンプなどであってもよいことが考えられる。一緒になって、信号線46および接地面62は、RF伝送線路63を形成する。RF伝送線路63の電気インピーダンスは、信号線46と接地面62との間の距離を調整することによって操作されてもよく、この距離がスタッドバンプ66の高さによって制御される。

接地面62およびMEMS基板42の配置に基づいて、結果として得られるRF MEMSパッケージ40の構造は、従来技術の構造と比較して、裏返しにした、または反転させた向きを有し、接地面62が、信号線46および接地パッド52、58の下ではなく上に位置する。そのような配置は、MEMSダイ組立体41の誘電体基板42を貫いて形成された貫通バイアが存在しない場合にRF信号の伝搬を可能にする。図示するパッケージ構造は、基板42が石英またはシリコンなどの加工するのが困難な材料の場合に特に有利であり、以下でさらに詳述するように、パッケージをより高密度の信号線で構築することも可能にする。

図4は、MEMSダイ組立体41の上面図を表すRF MEMSパッケージ40の概略断面図である。図5は、図4の線5−5を通るRF MEMSパッケージ40の概略断面図である。図4および図5を一緒に参照すると適切であるが、信号線46は、第1の部分68、第2の部分70、およびMEMSデバイス48を含む。信号線46の第1の部分68および信号線46の第2の部分70は、間隙72によって分離され、この間隙72がMEMSデバイス48によってブリッジされている。MEMSデバイス48が(図5に示す)「オン」状態すなわち閉位置にある場合、MEMSデバイス48は、信号線46の第1の部分68を信号線46の第2の部分70に電気的に結合し、これによってRF伝送線路63上に閉回路を生成する。MEMSデバイス48が「オフ」状態すなわち開位置にある場合、信号線46の第1および第2の部分68、70は、電気的に切断され、RF伝送線路63上に開回路を生成する。

図示するように、第1の対の接地パッド52、54は、信号線46の第1の部分68に隣接して第1の基板42の頂面50に配置され、第1の基板42の全体にわたっては延在しない。すなわち、第1の対の接地パッド52、54は、第1の基板42の頂面50の全長75の第1の部分74に限定される。同様に、第2の対の接地パッド58、56は、信号線46の第2の部分70に隣接して第1の基板42の頂面50に配置され、第1の基板42の頂面50の全長75の第2の部分76に限定される。第1の対の接地パッド52、54のそれぞれの長さ53は、第1の部分68の長さ69よりも小さい。同様に、第2の対の接地パッド56、58のそれぞれの長さ57は、第2の部分70の長さ71よりも小さい。その結果、MEMSデバイス48に隣接する頂面50の全長75の第3のまたは残りの部分78には、接地パッドが置かれていない。言いかえれば、第1の対の接地パッド52、54は、第1の基板42の長さ75にわたって第2の対の接地パッド58、56から離間している。

スタッドバンプ66は、信号線46と接地面62との間に生成されるキャビティ80の高さを画成する。キャビティ80は、パッケージ40内部の共振応答を減衰させるために、本発明の代替の実施形態によると、例えば、限定されないが、空気、または窒素などの誘電気体などの誘電性媒体で充填される。本発明の一実施形態では、キャビティ80は、真空であり、または接地面62とMEMS基板42との間で気密封止されている。当技術分野で知られている任意の気密封止プロセス、例えば、限定されないが、気密はんだ封止、ガラスフリット封止、および金−金熱圧縮封止が使用されてもよいことが考えられる。気密封止の結果として、キャビティ80は、外部環境と流体連通しない。

図3および図5に示すように、本発明の一実施形態では、MEMSダイ組立体41の全長75は、接地面組立体43の全長77よりも大きくてもよい。その結果、接地パッド52〜58はそれぞれ、接地面62を越えて延在する接地コンタクト面55を含む。同様に、信号線46の第1の部分68は、接地面62を越えて延在する第1の信号コンタクト面69を含み、信号線46の第2の部分70は、接地面62を越えて延在する第2の信号コンタクト面71を含む。代替の実施形態によると、接地コンタクト面55、第1の信号コンタクト面69、および第2の信号コンタクト面71は、接地信号を測定または注入することによってRF MEMSパッケージ40をテストするために、外部回路(図示せず)に接続されたワイヤボンド(図示せず)を含んでもよく、または接地−信号−接地(GSG)プローブ(図示せず)に結合されてもよい。

図6は、RF MEMSパッケージ40の第1の部分74および第2の部分76内部の、図4の線6−6および線6a−6aに沿った電界の側方成分をそれぞれ示すRF MEMSパッケージ40の断面図である。図5に示すように、接地基板44は、MEMS基板42の上方に延在し、接地面62は、接地基板44の底面64に結合されている。加えて、接地面62は、スタッドバンプ66を介して、接地パッド52、54に電気的に接合されている。信号線46と接地面62との間に生成される電磁場は、キャビティ80を通って延在する側方成分82を含む。

図7に示すRF MEMSパッケージ40の概略断面図は、RF MEMSパッケージ40の第3の部分78内部の、図4の線7−7に沿った電界の側方成分を表す。部分74、76内の電磁場と同様に、RF MEMSパッケージ40のこの部分78内の電磁場は、信号線46の第1の部分68と接地面62との間で生成される。その結果、電磁場の側方成分82は、MEMS基板42を通らず、キャビティ80を通ってのみ延在する。電磁場がキャビティ80を通って進み、パッケージ40の第3の部分78内のMEMS基板42に浸透しないため、RF MEMSパッケージ40内部の信号損失は、電磁場がパッケージ構造の全体にわたって誘電体基板に浸透する従来技術のデバイスと比較して、著しく改善される。さらに、潜在的な信号損失を考慮する必要なしに、MEMS基板42に対する材料選択を行うことができ、それによって、広範囲の材料をパッケージ製造に使用することが可能になる。

図3〜図7は、接地基板44の底面64に一様に施されているとして接地面62を表しているが、本発明の代替の実施形態では、接地面62は、厚さが変わってもよいことが考えられる。そのような実施形態では、接地面62は、接地面62から延出する突部と接地面62に形成された切欠き部との任意の組合せを含むことができる。これらの突部および/または切欠き部の幾何学形状は、RF伝送線路63の所望の電気的共振を実現するために設計仕様書に基づいて選択されてもよい。加えて、RF伝送線路63の電気的共振は、キャビティ80の高さ、長さ、および/または幅を変えることによって調整され得る。

ここで図8を参照すると、本発明の代替の実施形態による複数の信号線46、84を含むMEMSダイ組立体85が示されている。MEMSダイ組立体85は、図3のMEMSダイ組立体41の構成部品と同様の構成部品を含み、したがって、図3の構成部品を示すために使用された数字は、図8の同様の構成部品を示すためにも使用されている。MEMSダイ組立体85は、信号密度の増加が望まれる用途において、RF MEMSパッケージ40(図3)のMEMSダイ組立体41の代わりに使用されてもよい。

図8に表すように、第1の信号線46および第2の信号線84は、MEMS基板42の頂面50に形成されている。信号線46、84は、信号線46(図3)と同様に構築され、それぞれのMEMSデバイス48を含む。第1のグループの接地線またはパッド52、54、86、および第2のグループの接地線またはパッド56、58、88は、第1の基板42の頂面50に形成されている。図示するように、信号線46の第1の部分68は、接地パッド52と接地パッド54との間に位置し、信号線84の第1の部分90は、接地パッド54と接地パッド86との間に位置する。同様に、接地パッド56、58は、信号線46の第2の部分70の両側に隣接し、接地パッド58、88は、信号線84の第2の部分92の両側に隣接する。接地パッド52〜58、86、88は、図3〜図7に関して記載したのと同様のやり方で、電気接点またはスタッドバンプ66(図3)を介して接地面組立体43(図3)に電気的に接続されてもよい。

図8に示す実施形態は、MEMS基板42の頂面の空間を節約して、より小さくより小型のMEMSパッケージを可能にするために、信号線46、84の隣接する第1の部分68、90間に単一の接地パッド54、および信号線46、84の隣接する第2の部分70、92間に単一の接地パッド58を含んでいるが、各信号線46、84は、それ自身の第1および第2の対の接地パッドを含んでもよいことが考えられる。

図8は、2つの信号線、第1のグループの3つの接地パッド、および第2のグループの3つの接地パッドの使用を示すが、任意の数n+1(またはn・2)の接地パッドを含む第1および第2のグループの接地パッドと共に、任意の数nの信号線が、第1の基板の頂面に形成されてもよいことが考えられる。

本発明の一実施形態において、RF MEMSパッケージ40(図3)は、図9に示すようなRF MEMSウェーハ構造体94から個片化される。RF MEMSウェーハ構造体94は、導電性接合部145、147、および/または、電気的相互接続部すなわちスタッドバンプ166と気密封止149、151との組合せによって、MEMSウェーハ組立体141に結合された接地面組立体143を含む。図3の接地面組立体43と同様に、接地面組立体143は、接地基板168に接合された接地面すなわち接地領域169を含む。MEMSウェーハ組立体141および導電性接合部145の詳細を示すために、線10−10に沿ってとられたRF MEMSウェーハ構造体94の断面図が図10に提供されている。

ここで、適切な場合は図9および図10を一緒に参照すると、MEMSウェーハ組立体141は、MEMSウェーハ基板96の頂面102に形成されたそれぞれの信号線98、100上に設けられたMEMSデバイス124、126、128、130を含む。図10に示すように、各信号線98、100は、複数の信号線部分にパターニングされ、信号線98、100は、それぞれの第1の部分104、106、第2の部分108、110、第3の部分111、113、および第4の部分112、114を含む。第1の間隙116は、第1の部分104を第2の部分108から分離し、第2の間隙118は、第3の部分111を第4の部分112から分離する。MEMSデバイス124は、第1の間隙116をブリッジし、第1の部分104と第2の部分108を電気的に結合し、MEMSデバイス126は、第2の間隙118をブリッジし、第3の部分111を第4の部分112に電気的に結合する。同様に、MEMSデバイス128は、信号線100上の第1の間隙120をブリッジするように置かれ、第2のMEMSデバイス130は、信号線100の第2の間隙122をブリッジするように置かれる。

MEMSデバイス48と同様に、MEMSデバイス124、126、128、130は、それぞれの信号線部分を選択的に結合する。例えば、MEMSデバイス124は、閉位置にある場合、部分104と部分108を電気的に結合し、開位置にある場合、部分104と部分108を電気的に切り離し、MEMSデバイス126は、閉位置にある場合、部分108と部分112を電気的に結合し、開位置にある場合、部分108と部分112を電気的に切り離す。同様に、MEMSデバイス128は、閉位置にある場合、部分106と部分110を電気的に結合し、開位置にある場合、部分106と部分110を電気的に切り離し、MEMSデバイス130は、閉位置にある場合、部分110と部分114を電気的に結合し、開位置にある場合、部分110と部分114を電気的に切り離す。

MEMSウェーハ組立体141は、隣接する信号線98、100間に位置する接地線または接地パッドのグループも含む。具体的には、第1のグループの接地パッド132、134、136、138がMEMSウェーハ基板96の頂面102に形成され、接地パッド132、134が信号線98の第1の部分104の両側に隣接し、接地パッド136、138が信号線100の第1の部分106の両側に隣接する。同様に、第2のグループの接地パッド140、142、144、146は、信号線98、100の第2の部分108、110および第3の部分111、113の両側に隣接して位置する。第3のグループの接地パッド148、150、152、154は、信号線98、100のそれぞれの第4の部分112、114の両側に隣接して位置する。図10に示すように、第1のグループの接地パッド132〜138、第2のグループの接地パッド140〜146、および第3のグループの接地パッド148〜154は、ウェーハ基板96の幅165にわたって互いに電気的に切り離されている。

図10は、2つの間隙、2つのMEMSデバイス、および4つの信号線部分を有する各信号線98、100を表しているが、ウェーハ構造体94の各信号線は、任意の数nの間隙、nのMEMSデバイス、およびn*2の信号線部分を含んでもよいことが考えられる。例えば、信号線98は、4つの間隙、4つのMEMSデバイス、および8つの信号線部分を含むことができる。さらに、2つよりも多いまたは少ない信号線がMEMSウェーハ基板96の頂面102に形成されてもよいことが考えられる。さらに、図9は、各信号線の4つの部分に対応する3つのグループの接地パッドの使用を表すが、任意の数nのグループの接地パッドが使用されてもよいことが考えられる。加えて、代替の実施形態は、任意の数n/2の信号線に対応する各グループの接地パッド内部に任意の数nの接地パッドを含んでもよい。

本発明の一実施形態において、導電性接合部145、147は、接地面組立体143の接地面169をMEMSウェーハ組立体141に電気的および機械的に接合する導電性材料から形成される。例えば、接地パッド132〜146、導電性接合部145、147、および接地面169はそれぞれ、金から形成されてもよく、その結果、導電性接合部145、147は、金−金熱圧縮接合を介してそれぞれの接地パッド132〜146を接地面169に接合する。図9に示すように、導電性接合部145、147は、接地面169と信号線98、100との間で気密封止されたそれぞれのキャビティ155、157を生成する。各キャビティ155、157は、空気、または限定されないが、窒素などの他の誘電気体で充填されてもよい。あるいは、接地パッドおよび接地面169は、図3〜図7に関して記載された手順と同様に、スタッドバンプ166を使用して電気的に一緒に結合されてもよく、個々の気密封止149、151は、図10の右側部分に示すように、例えばガラスフリットなどの非導電性材料を使用して、それぞれのMEMSデバイス126、130を取り囲んで形成される。

導電性接合部147、145を含む本発明の実施形態では、信号線98、100の第1の部分104、106および第2の部分108、110は、図9、および図10の左側部分に示すように、それぞれのキャビティ157、155内部に完全に配置されている。導電性バイア97は、ウェーハ基板96を貫いて形成される。バイア97の一部分は、信号線98、100の第1および第2の部分104、106、108、110を対応する信号線プローブパッド99に電気的に接続する。バイア97の別の部分は、接地パッド132〜146を対応する接地線プローブパッド101に電気的に接続する。次に、GSGプローブ(図示せず)を使用して、RF MEMSパッケージ158、162をテストするために接地信号を測定しまたは注入することができる。プローブパッド99、101は、RF伝送線路のRF信号伝搬に与える影響が無視できるように、信号線98、100、接地パッド132〜146、および接地面169との関連でサイズ調整される。

導電性接合部145、147およびスタッドバンプ166/個々の気密封止149、151の組合せは、例示的な目的のために図10で示されているが、製造手順を簡単にするために、すべての導電性接合部またはすべての気密封止/スタッドバンプの組合せを有する所与のウェーハパッケージが構築されることが考えられる。

接地面組立体143がMEMSウェーハ組立体141に結合された後、結果として得られるRF MEMSウェーハ構造体94は、切断線156に沿って、個々のRF MEMSパッケージ158、160、162、164に個片化されてもよい。RF MEMSパッケージ158、162などの、信号線がキャビティ内部に完全に封止された実施形態では、個片化されたパッケージの全幅167は、対応する接地組立体の幅と実質的に等しい。バイア97は、接地面および信号線へのインタフェースを生成するために設けられる。あるいは、接地パッドおよび信号線がそれぞれの気密封止149、151を越えて延在するパッケージ162および164などのRF MEMSパッケージでは、個片化されたパッケージの全幅173は、図3に示す配置と同様に、対応する接地組立体よりも大きい。これらの実施形態では、接地パッドおよび信号線への電気的な接続性は、上述したようにワイヤボンド接続またはGSGプローブによって行われてもよい。

RF MEMSパッケージ158、162などの、信号線がキャビティ内部に完全に封止された実施形態では、個片化されたパッケージの全幅167は、対応する接地組立体の幅と実質的に等しい。バイア97は、接地面および信号線へのインタフェースを生成するために設けられる。あるいは、接地パッドおよび信号線がそれぞれの気密封止149、151を越えて延在するパッケージ162および164などのRF MEMSパッケージでは、個片化されたパッケージの全幅173は、図3に示す配置と同様に、対応する接地組立体よりも大きい。これらの実施形態では、接地面および信号線への電気的な接続性は、上述したようにワイヤボンド接続またはGSGプローブによって行われてもよい。

図10に示すように、各RF MEMSダイパッケージ158〜164は、それぞれの接地パッドが両側に配置された信号線を含む。本発明の代替の実施形態では、各RF MEMSパッケージ158〜164は、図8に示すMEMSダイ組立体85と同様に、2つ以上の信号線を含むことができる。

図11は、本発明の代替の実施形態によるRF MEMSディスクリートパッケージ170の概略上面断面図を示し、一方、図12〜図13は、線12−12および線13−13に沿ってとられた概略側断面図をそれぞれ表している。本実施形態では、RF MEMSパッケージ170は、構造がMEMSダイ組立体41(図4)と同様のMEMSダイ組立体171と、限定されないが、セラミックなどの絶縁材料から作られた本体176およびリッド178を含む接地組立体172と、を含む。図11に示すように、接地パッド領域182は、本体176の内部底面180に形成されている。接地組立体172は、本体176の頂面180に形成された信号パッド184、186をさらに含む。

信号パッド184、186は、信号パッド184、186を信号線188に接合し電気的に結合するのに適した任意の材料から形成された電気接点または相互接続部190、例えば、限定されないが、はんだスタッドバンプ、金スタッドバンプ、および超音波熱付着スタッドバンプを介してMEMSダイ組立体171の導電性信号線188に接合され、電気的に結合される。信号線46(図4)と同様に、信号線188は、MEMSダイ組立体171のMEMS基板194の表面192に形成され、第1の部分196、第2の部分198、および第1の部分196と第2の部分198との間の間隙197をブリッジするMEMSデバイス200を含む。

加えて、複数の接地パッド195、199がMEMS基板194の下向きの表面192に形成されている。提供された図には、2つの接地パッド195、199のみが示されているが、MEMSダイ組立体171は、接地パッド52〜58(図4)と同様に、信号線188の各部分196、198に隣接して位置する少なくとも1対の接地パッドを含むことが考えられる。相互接続部190は、接地パッド領域182を複数の接地パッド195、199のそれぞれに接合し、電気的に結合するために使用される。

本発明の実施形態によると、気密封止202は、当技術分野で知られている任意の気密封止プロセス、例えば、限定されないが、気密はんだ封止、ガラスフリット封止、金−金熱圧縮封止を使用して、接地組立体172の本体176とリッド178との間に形成される。その結果、信号線188と接地パッド領域182との間のキャビティ204は、気密性があり、外部環境と流体連通することができない。それゆえ、キャビティ204は、空気、または限定されないが、窒素などの別の誘電気体で充填されてもよい。

図12に示すように、複数の導電性バイア206が接地組立体172の本体176を貫いて形成されている。各バイア206は、対応する信号パッド184、186と位置合わせされ、信号パッド184、186をディスクリートパッケージ174の外側表面212に配置された信号パッド208、210と電気的に結合する。信号パッド208、210は、入力/出力(I/O)接続部209、211を介してRF MEMSパッケージ170と外部プリント回路板(図示せず)との間の電気的接続を容易にするために、ディスクリートパッケージ174の外側表面212に配置される。

上述の実施形態では、接地組立体は、1つまたは複数の電気的接続を介してMEMSダイ組立体上の接地パッドに電気的に接地されている。また、これらの電気的接続は、接地組立体をMEMSダイ組立体に機械的に結合する。図14に示す代替の実施形態では、RF MEMSパッケージ214は、非導電性材料から構築された機械的なポスト234によって接地面組立体217に結合されたMEMSダイ組立体215を含む。接地面組立体217は、以下でより詳細に記載するように、外部接地(図示せず)への接続を介して接地される。

MEMSダイ組立体41(図3)と同様に、MEMSダイ組立体215は、MEMS実装基板220の頂面218に配置された導電性信号線216を含む。信号線216は、MEMSデバイス48(図3)と同様に、オーム接触スイッチ機構または容量性スイッチ機構であってもよいMEMSデバイス222を含み、任意の知られている作動手段を利用してもよい。MEMS基板220は、限定されないが、石英、アルミナ、ガリウム砒素、シリコンなどの絶縁性、半絶縁性、または半導電性材料から形成されてもよい。本発明の本実施形態では、図15に示すように、MEMS基板220の頂面218には接地線または接地パッドが形成されていない。

適切な場合は、図14〜図16を一緒に参照すると、接地組立体217は、接地面226が底面228に形成された接地実装基板224を含む。接地面226は、例えば、銅、金、タングステン/ニッケル/金スタック、または別の一般的なパッケージング材料などの導電性材料である。接地基板224は、MEMS基板220と同一のまたは異なる絶縁性、半絶縁性、もしくは半導電性材料から形成されてもよい。少なくとも1つのバイアが頂面232と底面228との間に画成された接地基板224の厚さ225を貫いて形成される。各バイアは、導電性材料で充填され、接地面226を外部接地源(図示せず)に電気的に結合するために金属相互接続部230を生成する。

図示するように、機械的なポスト234は、MEMSダイ組立体215を接地組立体217に結合し、一方で、MEMS実装基板220およびその関連付けられた信号線216を接地面226から離間させる。機械的なポスト234の高さ235は、信号線216と接地面226との間の間隔を画成するように選択されてもよい。キャビティ242は、信号線216と接地面226との間に生成される。本発明の一実施形態において、キャビティ242は、キャビティ242が外部環境と流体連通しないように、接地面226とMEMS基板220との間で気密封止されてもよい。キャビティ242は、パッケージ214内部の共振応答を減衰させるために、限定されないが、窒素などの誘電気体で充填されてもよい。RF MEMSパッケージ40(図3)と同様に、電磁場の側方成分244は、MEMS実装基板220を通らず、キャビティ242を通ってのみ延在する。

信号線216は、RF MEMSダイ組立体41(図3)の信号線46と同一のやり方で構築される。すなわち、信号線216は、第1の部分236、間隙240によって第1の部分236から分離された第2の部分238、および間隙240をブリッジするためのMEMSデバイス222を有する。一緒になって、MEMSダイ組立体215の信号線216および接地組立体217の接地面226は、RF伝送線路227を形成する。閉位置にある場合、MEMSデバイス222は、第1の部分236と第2の部分238を電気的に結合して、RF伝送線路227に閉回路を生成する。開位置にある場合、MEMSデバイス222は、第1の部分236と第2の部分238とを電気的に切り離して、RF伝送線路227に開回路を生成する。RF伝送線路227の電気インピーダンスは、信号線216と接地面226との間の距離を制御するために、機械的なポスト234の高さを調整することによって制御されてもよい。

RF MEMSパッケージ40(図3)と同様に、RF MEMSパッケージ214は、結果として、裏返しにした、または反転させた向きを有する構造となり、接地面226が、従来技術のデバイスのようにMEMS基板220の底面に直接結合されるのではなく、信号線216の上方に位置する。そのため、MEMSダイ組立体215の実装基板220を貫いてバイアを形成することなしにRF信号の伝搬が可能になる。そのような構造は、実装基板が石英またはシリコンなどの加工するのが困難な材料である場合に、特に有利であり、パッケージをより高密度の信号線で構築することもできる。さらに、図16に示すように、信号線216の第1の部分236と接地面226との間で生成される電磁場は、MEMS基板220を通らずにキャビティ242を通ってのみ延在する側方成分246を含む。そのため、RF MEMSパッケージ214内部の信号の損失は、電磁場が誘電体基板に浸透する従来技術のデバイスと比較して著しく改善される。

本発明の別の実施形態では、図17および図18に示すように、複数のRF MEMSパッケージ214は、RF MEMSウェーハ構造体248から個片化されてもよい。そのような実施形態では、複数のMEMSデバイス222がMEMSウェーハ基板278のそれぞれの信号線216上に設けられたMEMSウェーハ組立体247が形成される。MEMSウェーハ組立体247が、接地基板256の底面254に形成された接地面252を含む接地面組立体249に結合されると、RF MEMSウェーハ構造体248が形成される。図14の接地面組立体217と同様に、接地面組立体249は、接地基板256の厚さ259を貫いて延在し、接地面252に電気的に結合されている複数の相互接続部258をさらに含む。相互接続部258は、結果として得られる各RF MEMSパッケージ214が接地面252を外部接地(図示せず)に結合するための少なくとも1つの相互接続部258を含むように、接地面組立体249内部に位置する。

図10の実施形態と同様に、気密封止304が接地面252とMEMSウェーハ基板278との間に形成され、接地面252と信号線216との間に、空気、または限定されないが、窒素などの別の誘電気体で充填されてもよいキャビティ312を生成する。図示する実施形態では、封止304は、気密封止149、151(図10)と同様の、ガラスフリットなどの非導電性材料である。そのため、信号線216は、気密封止304を越えて延在するように構築されてもよく、それによって、信号線216に対して外部電気的接続を行うことができる。完成すると、複数のRF MEMSパッケージ214は、切断線324に沿ってRF MEMSウェーハ構造体248から個片化されてもよい。図18は、各RF MEMSパッケージ214内部で単一のMEMSデバイス222の使用を示しているが、本発明の代替の実施形態は、各パッケージ内部に複数のMEMSデバイス222を含んでもよい。

本発明の代替の実施形態では、ポスト234は、信号線216およびMEMSデバイス222を取り囲み、気密封止されたキャビティ312を生成する連続的な材料の形態であってもよい。そのため、各RF MEMSパッケージ214は、(1)気密封止されたキャビティ312を生成する、および(2)MEMSダイ組立体215を接地面組立体217に結合するという二重の機能を果たす単一の機械的なポスト234を含む。

有益には、本発明の実施形態は、このように、専用の接地面を含まないMEMSダイ組立体を使用して、RF信号の伝搬を可能にするRF MEMSパッケージおよびRF MEMSウェーハを提供する。MEMSパッケージが、裏返しにした、または反転させた接地面を有する別の基板に接合されると、MEMSダイ組立体の信号線および第2の基板の接地面は、RF伝送線路を形成する。裏返しにした、または反転させた接地面とMEMSデバイスとの間に生成された電磁場の側方成分は、主として接地面とMEMSデバイスとの間の空気または誘電体充填されたキャビティ内に存在するため、信号損失は、基板貫通バイアおよび専用の接地面を含む従来技術のデバイスと比較して低減する。さらに、本明細書に開示された本発明の実施形態は、ひとつには貫通バイアの省略、および基板材料選択における柔軟性の向上の結果として、信号密度が増大したMEMSパッケージの作製を可能にする。

本発明の一実施形態によると、高周波(RF)微小電気機械システム(MEMS)パッケージは、第1の実装基板と、第1の実装基板の頂面に形成された信号線であって、信号線の第1の部分を信号線の第2の部分に選択的に電気的に結合させるMEMSデバイスを備える信号線と、信号線の第1の部分に隣接して、第1の実装基板の頂面に形成された第1の対の接地パッドと、信号線の第2の部分に隣接して、第1の実装基板の頂面に形成された第2の対の接地パッドと、を有するMEMSダイ組立体を含む。また、RF MEMSパッケージは、第1の対の接地パッドおよび第2の対の接地パッドに電気的に結合された接地組立体であって、第2の実装基板と、第1の実装基板の頂面に面する第2の実装基板の表面に形成され、第1の対の接地パッドおよび第2の対の接地パッドに電気的に結合された接地領域と、を有する接地組立体を含む。キャビティは、接地領域と信号線と間に形成され、第1の対の接地パッドは、MEMSデバイスの第1の側に隣接して位置し、第2の対の接地パッドは、MEMSデバイスの第2の側に隣接して位置する。

本発明の別の実施形態によると、高周波(RF)微小電子機械システム(MEMS)パッケージを製造する方法は、第1の実装基板を用意するステップと、第1の実装基板の頂面に信号線を形成するステップであって、第1の実装基板の頂面に信号線の第1の部分を形成するステップ、第1の部分と第2の部分との間に間隙を設けるように第1の実装基板の頂面に信号線の第2の部分を形成するステップ、ならびに間隙をブリッジするためにMEMSデバイスを信号線の第1の部分および信号線の第2の部分に結合するステップ、を含むステップと、を含む。本方法は、信号線の第1の部分に隣接して第1の実装基板の頂面に第1の対の接地パッドを形成するステップと、信号線の第2の部分に隣接して第1の実装基板の頂面に第2の対の接地パッドを形成するステップであって、第2の対の接地パッドが第1の対の接地パッドから離間されている、ステップと、接地組立体を第1の対の接地パッドおよび第2の対の接地パッドに結合するステップであって、接地組立体が第2の実装基板の底面に形成された接地領域を備える、ステップと、間にキャビティを設けるように接地領域を信号線から離間させるステップと、をさらに含む。

本発明のさらに別の実施形態によると、高周波(RF)微小電子機械システム(MEMS)ウェーハ構造体は、ウェーハ基板の頂面に配置された複数のMEMSデバイスと、各信号線がそれぞれのMEMSデバイスの第1の側に位置する第1の部分、およびそれぞれのMEMSデバイスの第2の側に位置する第2の部分であって、第1の間隙によって第1の部分から分離された第2の部分を有する、ウェーハ基板の頂面に形成された複数の信号線と、それぞれの信号線の第1の部分の両側に隣接する第1の対の接地パッドと、それぞれの信号線の第2の部分の両側に隣接する第2の対の接地パッドと、を有するMEMSウェーハ組立体を含む。RF MEMSウェーハ構造体は、接地基板の底面に形成された接地面であって、第1の対の接地パッドおよび第2の対の接地パッドに接合された接地面を備える接地面組立体をさらに含み、接地面および複数の信号パッドが、各キャビティがそれぞれのMEMSデバイスを含む複数のキャビティによって離間され、複数のMEMSデバイスに隣接するMEMS基板の頂面には接地パッドがない。

この書面による明細書は、最良のモードを含む、本発明を開示するための、ならびに任意のデバイスまたはシステムを作製および使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含む、当業者が本発明を実施することができる例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。他のそのような例は、特許請求の範囲の文字どおりの文言と相違しない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字どおりの文言と実質的な差異が無い同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

本発明は、限定された数の実施形態にのみ関連して詳細に記載されたが、本発明は、そのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、これまでに記載されていないが、本発明の思想および範囲と相応する任意の数の変形形態、代替形態、置換形態、または等価な構成を組み込むように修正され得る。加えて、本発明の様々な実施形態が記載されたが、本発明の態様は、記載された実施形態の一部しか含んでいない場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の記載によって限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。

4−4 線 5−5 線 6−6 線 6a−6a 線 7−7 線 10−10 線 12−12 線 13−13 線 15−15 線 16−16 線 18−18 線 40 RF MEMSパッケージ 41 MEMSダイ組立体 42 MEMS実装基板、MEMS基板、第1の基板、誘電体基板 43 接地面組立体 44 接地実装基板 46 信号線 48 MEMSデバイス 50 頂面 52 第1の対の接地パッド 53 長さ 54 第1の対の接地パッド 55 接地コンタクト面 56 第2の対の接地パッド 57 長さ 58 第2の対の接地パッド 60 底面 62 接地面/領域 63 RF伝送線路 64 底面 66 相互接続部、スタッドバンプ 68 第1の部分、第1の信号コンタクト面 69 長さ 70 第2の部分、第2の信号コンタクト面 71 長さ 72 間隙 74 全長の第1の部分 75 MEMSダイ組立体の全長 76 全長の第2の部分 77 接地面組立体の全長 78 全長の第3の部分 80 キャビティ 82 側方成分 84 信号線 85 MEMSダイ組立体 86 第1の接地パッド 88 第2の接地パッド 90 第1の部分 92 第2の部分 94 MEMSウェーハ構造体 96 MEMSウェーハ基板 97 導電性バイア 98 信号線 99 信号線プローブパッド 100 信号線 101 接地線プローブパッド 102 ウェーハ基板の頂面 104 第1の部分 106 第1の部分 108 第2の部分 110 第2の部分 111 第3の部分 112 第4の部分 113 第3の部分 114 第4の部分 116 第1の間隙 118 第2の間隙 120 第1の間隙 122 第2の間隙 124 MEMSデバイス 126 MEMSデバイス 128 MEMSデバイス 130 MEMSデバイス 132 接地パッド 134 接地パッド 136 接地パッド 138 接地パッド 140 接地パッド 141 MEMSウェーハ組立体 142 接地パッド 143 接地面組立体 144 接地パッド 145 導電性接合部 146 接地パッド 147 導電性接合部 148 接地パッド 149 気密封止 150 接地パッド 151 気密封止 152 接地パッド 154 接地パッド 155 キャビティ 156 切断線 157 キャビティ 158 RF MEMSダイパッケージ 160 RF MEMSダイパッケージ 162 RF MEMSダイパッケージ 164 RF MEMSダイパッケージ 165 幅 166 スタッドバンプ 167 全幅 168 接地基板 169 接地領域、接地面 170 RF MEMSパッケージ 171 MEMSダイ組立体 172 接地組立体 173 全幅 174 ディスクリートパッケージ 176 本体 178 リッド 180 本体の内部底面、本体の頂面 182 接地パッド領域 184 信号パッド 186 信号パッド 188 信号線 190 相互接続部 192 表面 194 MEMS基板 195 接地パッド 196 第1の部分 197 間隙 198 第2の部分 199 接地パッド 200 MEMSデバイス 202 気密封止 204 キャビティ 206 導電性バイア 208 信号パッド 209 接続部 210 信号パッド 211 接続部 212 外側表面 214 RF MEMSパッケージ 215 MEMSダイ組立体 216 信号線 217 接地面組立体、接地組立体 218 MEMS実装基板の頂面 220 MEMS実装基板 222 MEMSデバイス 224 接地実装基板 226 接地面 227 RF伝送線路 228 底面 230 金属相互接続部 232 接地基板の頂面 234 ポスト 236 第1の部分 238 第2の部分 240 間隙 242 キャビティ 244 側方成分 246 側方成分 247 MEMSウェーハ組立体 248 RF MEMSウェーハ構造体 249 接地面組立体 252 接地面 254 底面 256 接地基板 258 相互接続部 278 MEMSウェーハ基板 304 気密封止 312 キャビティ 324 切断線