CN101341626A - 具有频率可调谐功能块的封装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子封装，包括：基板(12)；所述基板表面处的频率可调谐功能块；电介质材料，具有利用电子激励的可变介电常数，并且与所述功能块相接触；和支撑(11)，保护基板以便限定封装，其特征在于，所述基板包括隔膜(13)，所述隔膜位于封装的上空腔(14)和下空腔(15)之间，由可以是液晶的电介质材料填充至少一个空腔。两个空腔的出现使得能够提高功能块的工作频率范围，其中至少一个空腔由可变介电常数电介质材料填充。

Description

具有频率可调谐功能块的封装

技术领域

本发明的领域涉及集成在微机械加工(micro-machined)结构中的电子元件，尤其对要求低损耗的微波元件应用非常有益。

背景技术

微机械加工工艺允许制作有源或无源的结构，在毫米频率处降低成本并可观地提高性能的同时，相对于诸如印刷电路之类的传统技术，极大地减小了有源或无源结构的尺寸和重量。具体地，该技术能够以3个尺寸集成功能性，这能够提高电路的集成密度。在这些微机械加工结构的内部，还提供了将高级(high-level)多功能系统集成在单个平面技术中的可能性。例如，采用该类技术，利用倒装晶片或配线来集成有源元件是非常可行的。

这还使得能够容易地集成微机械加工无源元件，作为对分立元件的替换，其中分立元件经常需要复杂且由此而昂贵的集成研究。此外，该技术具有以下优点：在减小最终结构的尺寸的同时，能够直接集成MEMS(微电子存储系统)元件以及获得从1GHz到数个THz的非常有效的系统。

因为通过结构的屏蔽自然地实现了电路的保护，所以微机械加工电路不需要任何特殊的封装，也就是说，不需要任何外部封装或支撑。

微机械加工技术使得能够在非常精细隔膜(约10μm)上蚀刻导体以及在固态基板中封装整个结构。可以将其应用于任何类型的半导体基板，但是硅的使用使得能够更可观地降低制造成本，该基板被广泛使用于半导体工业中。

已经具体地提出了包括微机械加工结构的模块，其中微机械加工结构包括频率可调谐功能块(function)，如图1中所示。在基板1的表面处限定蚀刻的信号线L_S和关联的接地面PM_S，并将蚀刻的信号线L_S和关联的接地面PM_S封装在由典型地通过机械加工硅片来获得的基板和支撑2所限定的微机械加工设备中。这包括由接地面的三级PM₁、PM_S和PM₂所限定的所谓的三级(triplate)结构，接地面PM₁和PM₂保证了对包括空腔3的整体的电磁屏蔽。

此外，已经公知的是：通过使用其特征随着电子激励而变化的电介质材料，能够实现频率可调谐功能块。

例如，在文献(“Tunable Passive Phase Shifter for MicrowaveApplications using Highly isotropic Liquid Crystals”，WEIF-32，IEEEMTT-S Digest 2004，pp 1153-1156，“Ferro-electric and Liquid CrystalTunable Microwave Phase Shifters”，33rd European MicrowaveConference-Munich 2003，pp 1431-1434，“Improvement of an InvertedMicrostrip Line-Based Microwave Tunable Phase-Shifter using LiquidCrystal”，33rd European Microwave Conference-Munich 2003，pp1417-1420，“Nouvelles structures de déphaseurs agiles en fréquence àsubstrat cristal liquide″[New frequency-agile phase shifter structures withliquid crystal substrate]，12th Journées Nationales Microondes，16-17-18May 2001-POITIERS，6B1)中已描述的液晶的使用，这使得不仅能够实现可变电容器或移相器，还能够实现可调谐滤波器。

例如，为了使由信号线及其接地面所限定的功能块频率可调谐，已经提出了利用其电介质常数可以被电控制的液晶类型的材料来填充空腔3。

然而，接地类(ground-like)基板的出现表现了该类型结构的缺点，这一方面因为传统上用作基板的材料的高介电常数，另一方面因为其电介质性质的非频率(non-frequency)可调谐性。

发明内容

在本文中，本发明提出了一种新的电子封装，包括：基板；频率可调谐功能块；电介质材料，具有利用电子激励的可变介电常数，并且与所述功能块相接触；以及支撑，保护基板以便限定封装，其特征在于所述基板包括支撑可调谐功能块的隔膜，所述隔膜位于封装的上空腔和下空腔之间，利用电介质材料来填充至少一个空腔。

有利地，可变介电常数电介质材料能够包括液晶。这可以是同质(homogeneous)材料或合成材料，所述合成材料包括聚合物和分散在聚合物中的液晶。

有利地，基板包括：第一部分，由展示局部机械加工表面的半导体材料制成；第二部分，包括由包括局部机械加工表面的半导体材料所支撑的隔膜，组装所述第一部分和第二部分，机械加工表面彼此相对，在所述机械加工表面和隔膜之间限定下空腔。

有利地，支撑包括：第三局部机械加工部分，由半导体材料制成，在所述机械加工表面和隔膜之间限定上空腔。

有利地，利用包括液晶的至少一种材料填充一个或全部空腔。

有利地，功能块可以是滤波器、延迟线、移相器等类型。

有利地，功能块包括：信号线和关联的接地面。

有利地，上空腔的下表面和下空腔的上表面各包括：用于信号的接地面，使得能够保证对与频率可调谐功能块相关的封装的电磁屏蔽。应该注意到，在这种情况下，接地面的概念涉及有用信号的频带，DC电压的地可能不同。

有利地，金属化半导体基板的机械加工表面，以构成接地面。

根据发明的变体，用于频率调谐功能块的装置包括电场，所述电场施加于一方面蚀刻于隔膜上的结构和另一方面至少一个接地面之间，或在出于从DC信号的观点两个接地面隔离的情况下，所述电场施加于两个接地面之间。

有利地，封装可以由硅制成，隔膜由氧化硅、或氮化硅类型、或二者结合、或由苯并环丁烯(benzocyclobutene)制成。

有利地，所述功能块和/或接地面由金属制成。具体地，这可以是金。

根据本发明，本发明的主题还是一种制造电子封装的方法，所述方法包括以下步骤：

-制作第一局部机械加工基板；

-制作隔膜，所述隔膜包括由第二局部机械加工基板所支撑的频率可调谐功能块；

-制作第三局部机械加工基板；

-组装三个基板以便限定封装，封装包括在隔膜任一侧的下空腔和上空腔；

-利用流体材料填充至少一个空腔，流体材料包括具有利用电子激励的可变介电常数的电介质材料。

有利地，电介质材料可以包括液晶。

根据发明的变体，通过注射来执行包括液晶的材料的填充。

根据发明的变体，金属化第一、第二和第三基板的机械加工表面。

有利地，所述基板是由硅制成的。

根据本发明的备选方法，能够通过光刻(photolithography)来机械加工基板。

附图说明

通过阅读之后的非限制性描述以及借助于附图，将更好地理解发明，且发明的其它优点将变得显而易见，在图中：

-图1演示了根据现有技术的包括频率可调谐功能块的示例性电子封装；

-图2演示了发明的示例性封装，包括利用隔膜分隔的两个空腔；

-图3a至3c演示了根据发明的制造封装的方法的步骤；

-图4a至4b演示了解决频率可调谐功能块的两个例子；

-图5演示了根据发明在封装中隔膜的表面处制作的3-极滤波器的示例；

-图6演示了根据本发明作为频率的函数的匹配和传输的演进，用于通过修改施加到封装中所用液晶的DC电压来调整的不同介电常数值。

具体实施方式

如表示根据本发明的示例性封装的剖面图的图2所示，总体上本发明提出的电子封装包括由隔膜分隔的两个空腔，其中在隔膜上制作也被称作功能块的至少一个元件，寻求所述功能块的频率可调谐。

更准确地，利用第一部分或支撑11以及也被称作基板的第二部分12限定封装，利用隔膜13将封装分开，其中，在表示微带线L_S的情况下，在隔膜13上制作功能块。从而，在隔膜13的任一侧限定了两个空腔上空腔14和下空腔15。利用具有频率可调谐介电常数的电介质材料来填充这样的两个空腔中的至少一个，有利地，也可以是两个，如本情况中利用涉及电介质材料的阴影所示。此外，这样制作的结构包括三级的接地面：PM_S、PM₁₁和PM₁₂。

制作封装(包括在硅基板中制作的空腔)的示例：

应该对利用数个硅基板制作封装进行更详细的描述：

-使用第一硅基板S₁，通过光刻在其上制作掩膜，以便能够限定用于蚀刻的区。在蚀刻之后，金属化整个表面，获得如图3a中所示并且包括接地面PM₁₁的机械加工的基板；

-如图3b所示，对应于上表面上由氧化层所覆盖的硅基板，使用第二基板S₂。其它材料可以代替氧化物用作以上提到的隔膜。在下表面机械加工该片，直到氧化层上的蚀刻停止，从而形成用于容纳可调谐功能块的隔膜。因此，在氧化层Co上，在上表面沉积用于构成频率可调谐功能块的微带线L_S以及关联的接地面PM_S，在后表面上沉积另一金属化PM₂₀；

-如图3所示机械加工并由金属层覆盖的第三硅基板S₃，用于制作类似于图3a所示的基板，第三硅基板S₃包括接地面PM₂₁。

-然后通过铜焊接、粘贴剂接合或热压缩来组装S₁、S₂和S₃三个基板。从而，限定了封装连同其两个空腔及能够屏蔽的接地面：利由金属化PM₂₀和PM₂₁限定的PM₁₁和PM₁₂。

已制作了集成两个空腔的封装，实现了利用流体液晶材料填充。可以通过注射来执行填充操作，以便连接频率可调谐功能块，其中利用制作在覆盖层上并允许通过超高频端口的开口来注射。

可以采用多种方式来完成液晶的电压控制。图4a和4b演示了可能的电子布局。因此，图4a演示了一种配置，在该配置中，将RF射频电压和DC电压Vdc施加到在微带线L_S层面处的隔膜上蚀刻的结构上。

图4演示了另一种可能配置，在该配置中，将液晶的DC控制电压施加到围绕微带线的接地面元件PM₁₁和PM₁₂之间。

根据本发明制作封装(包括3-极滤波器和利用液晶填充的两个空腔) 的示例

在所选的示例中，功能块是如图5所示的3-极滤波器，其中图5示出了俯视图，其示出关联的信号接地面PM_S的谐振器R₁、R₂和R₃的输入线L₁和输出线L₂的组件金属化。还可以制作诸如延迟线、移相器之类的其它功能块。

利用来自Merck公司的商业向列型液晶K15来填充空腔，其相对介电常数可以在2.9至3.0之间变化。

对应于作为工作频率的函数在各种介电常数下的匹配(递减曲线)和传输(递增曲线)的演进，获得图6所示的性能。可以通过修改施加的DC电压来调整介电常数。

获得的中心频率的相对变化率等于也就是这里是1GHz至30GHz。如图6的曲线所示，在-30dB左右，充分地保留了匹配级。

已经对根据现有技术和根据本发明来执行封装中3-极滤波器的工作频率的变化幅度方面的性能进行了比较。

a)采用如图1所示现有技术结构的封装包括氧化铝基板和由液晶K15填充填充的空腔：

中心频率的相对变化率：0.7％

b)采用如图1所示现有技术结构的封装包括利用RO4003聚合物材料制成的基板和利用液晶K15填充的空腔：

中心频率的相对变化率：1.6％

c)采用如图2所示本发明结构的封装包括由空气填充的空腔和由液晶K15填充的空腔：

中心频率的相对变化率：3％

d)采用如图2所示的本发明结构的封装包括由液晶K15填充的两个空腔：

中心频率的相对变化率：3.3％。

Claims (12)

1、一种电子封装，包括：基板(12)；所述基板表面处的频率可调谐功能块；电介质材料，具有利用电激励的可变介电常数，并且与所述功能块(L_S)相接触；以及支撑(11)，固定到基板以便限定封装，其特征在于，所述基板包括支撑可调谐功能块的隔膜(13)，所述隔膜位于封装的上空腔(14)和下空腔(15)之间，至少一个空腔由电介质材料所填充。

2、根据权利要求1的电子封装，其特征在于，利用包括液晶的材料填充至少一个空腔。

3、根据权利要求2的电子封装，其特征在于，所述材料是包括聚合物和液晶的合成材料。

4、根据权利要求1至3之一的电子封装，其特征在于，上空腔的下表面和下空腔的上表面各包括接地面(PM₁₁，PM₁₂)。

5、根据权利要求1至4之一的电子封装，其特征在于，功能块包括微带线(L_S)和关联的接地面(PM_S)

6、根据权利要求5的电子封装，其特征在于，所述基板包括：第一部分，由展示局部机械加工表面的半导体材料制成；第二部分，包括由包括局部机械加工表面的半导体材料所支撑的隔膜，组装所述第一部分和第二部分，机械加工表面彼此相对，在所述机械加工表面和隔膜之间限定下空腔。

7、根据权利要求6的电子封装，其特征在于，所述支撑包括：由半导体材料制成的机械加工部分，在所述机械加工表面和隔膜之间限定上空腔。

8、根据权利要求6或7的电子封装，其特征在于，金属化所述机械加工表面，以及所述机械加工表面构成接地面。

9、根据权利要求1至8之一的电子封装，其特征在于，包括用于对所述功能块进行频率调谐的装置。

10、根据权利要求9的电子封装，其特征在于，所述用于对所述功能块进行频率调谐的装置包括用于在功能块层面或接地面施加电场的装置。

11、根据权利要求1至10之一的电子封装，其特征在于，由硅制成所述封装，由氧化硅、或氮化硅类型、或二者的组合制成所述隔膜，或由苯并环丁烯制成所述隔膜。

12、根据权利要求11的电子封装，其特征在于，所述功能块是滤波器、延迟线、移相器类型。

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