摘要：射频（RF）技术在现代通信领域正得到越来越广泛的应用，用MEMS方法制备的射频元件不仅尺寸小、成本低、功能强大，而且更利于系统集成。系统级封装（SiP）寄生效应小、集成度高的优点特别适合用来封装RF-MEMS系统。本文介绍了系统级封装的发展现状特别是在射频领域的应用，同时重点分析了在RF-MEMS系统级封装中封装结构、元件集成、互连及封装材料等几个关键问题。
关键词：系统级封装；射频-微机电系统；无源器件集成；互连

1 引言

射频技术是无线通信发展的关键技术之一。由于在射频系统中大量地使用无源元件，在元器件和互连中存在较强的寄生效应，射频系统封装的设计优化对提高整个系统的性能显得非常重要，高性能射频电路的设计、制造和封装已经是目前研究的热点。

采用微细加工工艺将微米尺度下的微机械部件和 IC电路制作在同一个芯片上形成高度集成的功能单元。由于MEMS单元具有体积小、响应快、功耗低、成本低的优点，具有极为广阔的应用前景[1] 。

在目前的通信系统中使用大量射频片外分立单元，如谐振器、滤波器、耦合器等，使系统的空间尺寸较大。利用MEMS技术可以同标准集成电路工艺兼容，制作的无源元件有利于系统集成度和电学性能的提高，并且成本更低。但随之而来的是对这类RF-MEMS系统元件和封装问题的研究，这些也成为人们关注的热点。

2 RF-MEMS系统级封装的优势

系统级封装（System in a Package，即SiP）由于减少了连线距离，减小了寄生效应，提高了系统的电性能和集成度，同时由于可直接采用现有IC工艺制造元件，而不像SoC那样需要完全重新设计所有元件，使得SiP应用的范围非常广泛，成本也比较低，具有非常好的发展前景。

RF-MEMS系统的封装设计必须既考虑到封装体对RF器件的影响，又要考虑封装MEMS元件的一些特殊性，如在射频条件下由封装引入的寄生电感、寄生电容会引起信号串扰、延迟等等。特别是在输入和输出端口位置，这些连接和界面的电学性能将直接影响系统的电学性能[2]。若采用系统级封装，可使信号在封装体内直接传输，这样可缩短系统内元件间的连线距离，降低系统的寄生效应，改善了互连的电学性能。在RF系统中无源器件数量多，面积大，它们的集成对系统性能的影响较大。而利用MEMS工艺加工的无源元件的可集成性正是MEMS的突出优点之一，也有利于系统级封装的实现。因此，将RF-MEMS元件进行系统级封装对于简化系统结构、降低寄生效应和损耗、提高应用频率范围、缩短产品开发时间、降低成本都具有重要意义。

图1为ANADIGICS公司关于RF系统封装的示意图，其中集成了表面安装器件（SMD）、集成式无源元件（硅或玻璃基板）、存储器芯片，使用倒装焊连接到系统中，同时还可将不同衬底材料制作的RF-CMOS芯片、GaAs高性能功率放大器隐埋在基板中，在基板上利用HDI技术制作掩埋式无源元件、传输线等，最后再次使用倒装焊实现系统与电路板的互连，这种系统级封装可明显缩短互连，提高集成度和系统性能[3]。

系统级封装的另一个重要优点是从系统设计阶段开始就必须考虑其封装问题，即系统与封装进行协同设计，这样可以最大地降低其封装成本、提高产品的性能和缩短产品的开发周期。
3 RF-MEMS系统级封装的关键技术

在RF-MEMS系统封装中，有如下几个关键问题需要重点考虑：无源元件的集成方式、封装结构的设计、系统内芯片间的互连以及封装材料的选择等。

3.1 无源元件集成

无源元件在RF系统中数目众多，占用系统面积大。有统计表明，无源元件（电容、电感、电阻等）在RF系统中占到元件数目的80％到90％，占基板面积的70％到80％[3]，因此，无源元件的集成对于提高系统的集成度非常重要。同目前常用的表面安装无源元件相比，将元件集成于封装内可以有效地提高系统的可靠性、缩短导电通路、降低寄生效应、降低成本、减小器件尺寸。

通常RF-MEMS无源元件有一些可动部分或悬空结构，如可变电容、开关等，图2（a）所示为清华大学微电子所用MEMS工艺制作的压控电容的结构图[4]。此外，有些元件具有硅杯空腔或立体结构，图2（b）所示为三维电感[5]。这些可动和立体MEMS元件的封装与传统的集成电路塑料封装不同，它们需要足够大的超净空腔以容纳立体结构，或给悬空可动部件以足够的运动空间，并实行真空封装以降低阻尼和防止微粒进入活动部件孔隙，延长可动部分的寿命。

无源元件的集成方式主要有分离式、集成式和掩埋式三种。分离式是将封装好的元件安装到系统中，集成度最低，但目前的工艺比较成熟；集成式是将制作好的未经封装的无源元件或者无源元件阵列用一定的互连方式集成到系统中；而掩埋式则是直接在基板上制作无源元件，在基板内部进行连接，实现了最短的互连和最高的封装效率。集成式和掩埋