CN101456530A - 用于集成电路封装内的mems开关的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于设置在集成电路封装内的MEMS开关的方法和系统，所述方法包括控制RF组件以及集成电路内的由所述RF组件处理的信号的切换。通过利用嵌入在多层封装内的MEMS开关来实现上述切换和信号控制操作，其中所述多层封装与集成电路相绑定。RF组件以及一个或多个MEMS开关集成在多层封装内。所述RF组件通过一个或多个MEMS开关与集成电路电连接。MEMS开关可以是静电激活或者磁激活。RF组件与集成电路内的一个或多个电容相连。所述RF组件包括：变压器、电感、传输线、微带和/或共面波导滤波器和/或表面安装设备。所述集成电路通过倒装接合技术与所述多层封装相连。

Description

用于集成电路封装内的MEMS开关的方法和系统
技术领域
本发明涉及无线通讯，更具体地说，涉及一种用于设置在集成电路封装内的MEMS(微机电系统)开关的方法和系统。
背景技术
移动通讯技术在一定程度上改变了人们的通讯方式，并且移动电话已经从奢侈品逐渐转变为日常生活必需品。移动电话的使用已经不会再受到地点以及技术的限制，而是取决于实际情况。随着语音通话填补了人们的基本通讯要求，并且移动语音连接正逐步融入人们生活中，移动通讯革命的下一个时代将会是移动互联网时代。移动互联网正成为人们时常生活信息的重要来源，并且对该网络的接入操作也逐渐简单化、通用化。
随着适用有线和/或无线通讯技术的电子设备与日俱增，对这些电子设备能效的提高也显得愈发重要。例如，大部分通讯设备都是移动无线设备并且这些设备都是依靠电池进行供电。因此，这些设备中的发射和/或接收电路通常消耗掉了设备的能量的绝大部分。此外，在一些传统通讯系统中，便携设备中的发射器和/或接收器与设备中的其他模块相比往往都是低能效的。因此，这些发射器和/或接收器会对移动无线设备的电池寿命起到显著影响。
比较本发明后续将要结合附图介绍的系统，现有技术的其它局限性和弊端对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
发明内容
本发明提供了一种用于设置在集成电路封装内的MEMS开关的方法和系统，结合至少一幅附图进行了充分的展现和描述，并在权利要求中得到了更完整的阐述。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种无线通讯方法，包括：
在无线系统中，通过一个或多个集成在多层封装内的MEMS开关阵列，对RF组件以及集成电路内的由所述RF组件处理的信号的切换进行控制，其中，所述多层封装与所述集成电路相连接。
优选地，所述方法进一步包括：通过所述一个或多个MEMS开关阵列对所述一个或多个RF组件进行调谐。
优选地，所述方法进一步包括：通过所述一个或多个MEMS开关阵列对所述一个或多个RF组件进行切换。
优选地，所述MEMS开关阵列是静电激活的。
优选地，所述MEMS开关阵列是磁激活的。
优选地，所述RF组件与所述集成电路内的一个或多个电容器阵列相连。
优选地，所述RF组件包括变压器。
优选地，所述RF组件包括电感器。
优选地，所述RF组件包括MEMS开关配置传输线。
优选地，所述RF组件包括微带和/或共面波导滤波器。
优选地，所述RF组件包括表面贴装器件。
优选地，所述集成电路通过倒装接合技术与所述多层封装相连。
根据本发明另一方面，本发明提供一种无线通讯系统，包括：
与集成电路相连接的多层封装，其中，所述多层封装包括集成的RF组件以及一个或多个MEMS开关阵列，并且其中所述RF组件通过所述一个或多个MEMS开关阵列与所述集成电路电连接。
优选地，所述一个或多个RF组件通过所述一个或多个MEMS开关阵列和/或所述集成电路来进行调谐。
优选地，所述一个或多个RF组件通过所述一个或多个MEMS开关阵列和/或所述集成电路来进行切换。
优选地，所述MEMS开关阵列是静电激活的。
优选地，所述MEMS开关阵列是磁激活的。
优选地，所述RF组件与所述集成电路内的一个或多个电容器阵列相连。
优选地，所述RF组件包括变压器。
优选地，所述RF组件包括电感器。
优选地，所述RF组件包括MEMS开关配置传输线。
优选地，所述RF组件包括微带和/或共面波导滤波器。
优选地，所述RF组件包括表面贴装器件。
优选地，所述集成电路通过倒装接合技术与所述多层封装相连。
本发明的各种优点、各个方面和创新特征，以及其中所示例的实施例的细节，将在以下的描述和附图中进行详细介绍。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一实施例采用MEMS开关阵列的多带无线系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例集成有MEMS开关的多层封装的截面视图；
图3是本发明一实施例MEMS开关的结构示意图；
图4是本发明一实施例MEMS开关操作的示意图；
图5是本发明一实施例将MEMS开关设置到集成电路封装内的步骤流程图；
图6是本发明一实施例利用集成MEMS开关阵列对RF组件进行控制的步骤流程图。
具体实施方式
本发明的具体方面涉及用于设置在集成电路封装内的MEMS开关的方法和系统。本发明具体实施方面包括与集成电路电连接的多层封装，集成在该多层封装内的RF组件以及一个或多个MEMS开关。MEMS开关可以是静电激活或者磁激活的。所述RF组件通过一个或多个MEMS开关与集成电路电连接。RF组件与集成电路内的一个或多个电容器阵列相连。所述RF组件包括：变压器、电感器、传输线、微带和/或共面波导滤波器和/或表面贴装器件。所述集成电路通过倒装接合技术与所述多层封装相连。
图1是本发明一实施例采用MEMS开关阵列的多带无线系统的结构示意图。如图1所示，图中示出无线系统150，包括：RF接收器153A以及153B、RF发射器154A以及154B、MEMS开关这列152、数字基带处理器159、处理器155、存储器157、双工机163以及天线151A、151B、151C和151D。天线151A以及151B中的一个或多个与MEMS开关阵列152或者双工机153通信连接，并且每个天线经配置可处理特定频率范围内的信号。
MEMS开关阵列152可包括由单独可寻址的MEMS开关构成的开关阵列，用于将RF发射器154A和154B和/或RF接收器153A和153B与适当的天线151A和/或151B或151C和/或151D通过双工机163选择性地连接。MEMS开关阵列152可根据系统频率要求将适当的发射器154A或154B与无线系统150内的天线连通。MEMS开关阵列152可根据应用需要将天线151A、151B、151C和151D中的一个或多个与适当的接收器153A或153B相连。其中的MEMS开关阵列将会在图2～4中作进一步描述。
天线151A以及151B可用于EDGE/GSM应用，并且天线151C以及151D可通过双工机应用于WCDMA。
RF接收器153A和153B可包括适当的逻辑器件、电路和/或代码以用于对接收到的RF信号进行处理。RF接收器153A和153B可接收各种无线通讯系统所使用的不同频带内的RF信号，例如，蓝牙、WLAN、GSM和/或WCDMA。MEMS开关阵列152可根据实际应用和/或频率要求将接收器153A和/或153B与适当的天线相连。
数字基带处理器159可包括适当的逻辑器件、电路和/或代码以用于处理基带信号。因此，数字基带处理器159可对从RF接收器153A和153B接收的信号和/或由RF发射器通过无线通讯媒体发射的信号进行处理。数字基带处理器159还可基于来自处理的信号的信息，为RF接收器153A和153B以及RF发射器154A和154B提供控制和/或反馈信息。数字基带处理器159可将来自处理信号的信息和/或数据传送给处理器155和/或存储器157。此外，数字基带处理器159可从处理器155和/或存储器157处接收信息，该信息经处理后会被传送到RF发射器154A和154B以供传输至无线通讯媒体。
RF发射器154A和154B可包括适当的逻辑器件、电路和/或代码以用于对传输的RF信号进行处理。RF发射器154A和154B可对不同无线通讯系统所使用的各种频带内的RF信号进行传输，例如，蓝牙、WLAN、GSM和/或WCDMA，实现频率可调以及标准可选。在本发明的实施例中，每个RF发射器154A和154B可根据特定的应用、频率和/或功率等级进行配置。因此，为实现特定的传输，MEMS开关阵列152可与适当的RF发射器相连。RF发射器和接收器的数量并不局限于图1所述。因此，无线系统150中可依据无线标准、频率和/或功率等级集成任意数目的RF发射器和接收器。
处理器155可包括适当的逻辑器件、电路和/或代码以用于对无线系统150进行控制和/或数据处理。处理器155可用于对RF接收器153A和153B、RF发射器154A和154B、数字基带处理器159、和/或存储器157的至少一部分进行控制。因此，处理器155可生成至少一个信号来控制无线系统150的操作。
存储器157可包括适当逻辑器件、电路和/或代码以用于对无线系统150利用的数据和/或其他信息进行存储。例如，存储器157可用于将数字基带处理器159和/或处理器155生成的处理后数据进行存储。存储器157还可用于将对无线系统150中至少一个模块进行控制所用的配置信息进行存储。例如，存储器157还包括对RF接收器153A和/或153B进行配置以使得所述接收器能够接收适当频带内的信号所需的信息。
MEMS开关阵列152包括由单独可寻址的MEMS开关构成的开关阵列，用于将RF发射器154A和154B和/或RF接收器153A和153B与适当的天线151A和/或151B或151C和/或151D通过双工机163选择性地连接。其中的MEMS开关阵列将会在图2～4中作进一步描述。
双工机163可包括适当的逻辑器件、电路和/或代码以用于将两个信号进行合并，即将由RF发射器154A和154B生成的输出信号以及由天线151C和/或151D接收到的信号合并成一个信号，以使得能够在同一根天线上同时完成通讯的发射与接收操作。在需要采用多种频带的情况下，双工机163可包括多个双工机，并且还可用在需要进行全双工通讯的情况中，比如WCDMA。
在操作过程中，RF发射器154A和154B中的一个或两个可生成一个或多个放大的RF信号。根据采用的无线通讯标准，所述信号可通过MEMS开关阵列152传送给天线151A和151B中的一个或两个。在本发明的另一实施例中，信号可通过双工机163以及MEMS开关阵列152传送给天线151C和151D中的一个或两个。双工机163实现信号的双向通讯，实现同步收发。
在本发明的另一实施例中，在不需要进行双工通讯的情况下，由RF发射器154A或154B生成的信号可通过MEMS开关阵列152传送给选定的天线151A和/或151B。
在本发明的实施例中，无线系统150的各组件可以集成在与多层封装相连的集成电路或芯片上，其中该多层封装在其顶部、底部以及内部包含多个组件，如图2所示。所述封装可包括多层结构，所述集成电路可与该多层结构倒装接合。在所述集成电路上进一步集成RF组件例如滤波器、电感器、电容器和开关的难度随着设备运行频率增至10GHz和/或降至GHz范围而逐渐增大。此外，将RF组件集成在集成电路上将会增加芯片尺寸和成本。通过将RF组件集成在多层封装中，能够大幅度减小设备尺寸，这对于无线系统150运行在60GHz或低于GHz的频率范围时是至关重要的。
图2是本发明一实施例集成有MEMS开关的多层封装的截面视图。图中示出芯片201、绝缘层203、MEMS开关阵列205和225、金属层207、209A、209B、209C、215A、215B、215C、217、223A和223B、锡球211、多层封装213、表面贴装器件219和热环氧树脂层221。
芯片201或集成电路，可包括图1中所示无线系统150，或者还可包括其他需要滤波组件和/或器件的集成电路。芯片201可以利用锡球211与多层封装213进行凸块接合(bump-boned)或者倒装接合。因此，在芯片201以及多层封装213之间无需采用焊线，从而有效减小和/或消除因焊线产生的杂散电感效应。此外，采用锡球211以及热环氧树脂层221能够显著改善芯片201外的导热性。热环氧树脂221是电绝缘的，但是是导热的，却能够将芯片201内的热量导出至热熔更大的多层封装213中。
MEMS开关阵列205和225可包括设置在多层封装213内和/或上的一列MEMS开关。各个MEMS开关是单独可寻址的，并可用于将芯片201内的组件与集成在多层封装213内和/或上的RF组件相连接。通过将MEMS开关以及RF组件设置在多层封装上而非芯片201上，由于分散的RF器件和MEMS开关与片上CMOS对应件相比有着较高的Q值以及较低的插入损耗，因此芯片所需的使用表面积显著降低并且性能显著提高。
金属层207、209A、209B、209C、215A、215B、215C、217、223A和223B包括用于刻划出RF组件的沉积金属层，该RF组件可以是例如电感器、变压器、平衡转换器、电容器、天线、传输线、微带滤波器或共面波导。金属层209形成为用于将芯片201内的功率放大器与天线例如图1中所示天线151A～D进行阻抗匹配的传输线。在本发明的另一实施例中，金属层201以及217可包括微带结构，该微带结构的阻抗是可调节的。
在本发明的其他实施例中，金属层223A和223B以及MEMS开关阵列225可包括长度可调的传输线或微带滤波器，其中可利用多个MEMS开关来接通和切断传输线或微带的各段。因此，传输线或微带的阻抗是可调节的，调节所述组件的共鸣频率。金属层217包含设置在多层封装上的天线。类似地，当MEMS开关阵列集成在金属层217内的情况下，金属层217的各段可与电路接通或切断，从而得到可调的天线。
在本发明的实施例中，一个或多个金属层为用于定义器件诸如变压器、电感器、平衡转换器、隔离器、循环器和回旋器的铁磁性和/或亚铁磁性材料。因此，金属层209A、209B、209C以及215A可具有一变压器，用于为RF滤波器提供阻抗，或者用于将功率放大器与天线连接的平衡转换器。
金属层215B和215C可通过锡球211提供表面贴装器件219与芯片201之间的电接触。金属层的数量并不仅限于图2中所述207、209A、209B、209C、215A、215B、215C、217、223A和223B。因此，可根据与锡球211相连的芯片201的触头数目以及设置在多层封装213内和/或上的RF组件的数目来确定多层封装内的金属层数目。
锡球211可包括金属球，实现芯片201以及多层封装213之间的电接触、热接触以及物理接触。为了能够与锡球211相接触，芯片需要使用足够的力来对金属球进行一定程度的挤压，并且需要在一定的高温下执行才能具有合适的电阻性以及物理结合强度。热环氧树脂层221用于填充锡球211之间的空间并且为芯片201内部热量提供高效的热导出通道。锡球211还可用于实现多层封装213与包含图1中无线系统150其它部件的印刷电路板之间的电接触、热接触以及物理接触。
表面贴装器件219可包括多个离散电路元件，比如电阻器、电容器、电感器以及二极管。表面贴装器件219可与多层封装213相焊接以相互电接触。
在操作过程中，芯片201为一无线系统，例如图1中所示无线系统150，用于发射、接收和处理RF信号。芯片201与设置在多层封装213内和/或上的RF组件或器件电连接，例如变压器、平衡转换器、传输线、电感器、电容器、微带滤波器、共面波导滤波器、MEMS开关阵列以及表面贴装器件。来自芯片201的热量会通过热环氧树脂层221以及锡球211传递至多层封装。MEMS开关阵列205将设置在多层封装213内和/或上的RF器件与芯片201内的相关器件相连接。
在本发明的实施例中，芯片201内的电容器阵列可以与设置在多层封装213内和/或上的RF组件相配合使用，以得到低带宽、频率精细可调的设备。例如，与使用宽带宽滤波器来覆盖多个频率或频率范围从而引入更多不想要的信号的传统系统相比，滤波器性能可以得到显著提高。
图3是本发明一实施例MEMS开关的结构示意图。如图3所示，图中示出设置在图2所示多层封装213上的MEMS开关300。MEMS开关300包括金属线输入301、金属线输出303、桥接膜片305以及绝缘层307。多层封装213上覆盖有电隔离层，例如图2中的绝缘层203。
金属线输入301以及金属线输出303可以是沉积在多层封装213上的沉积金属层并形成为图示结构。桥接膜片305包括导体层，未处于闭合位置时，该导体层支承在金属线输入301的两端并且悬置于绝缘层307上方。MEMS开关300的开关操作会在图4中进一步阐述。
绝缘层307包括介电层，例如硅氢化物，该介电层在MEMS开关300处于闭合状态时将金属线输出303与桥接膜片305相隔开。
在工作过程中，通过在金属线输入301与金属线输出303上施加偏压，使得MEMS开关闭合，在这种情况下，桥接膜片305会被朝着绝缘层307下拉。由金属线输入301、绝缘层307以及金属线输出303形成的电容器提供RF信号从金属线输入301到金属线输出303的电容性耦合。
MEMS开关可利用静电力产生机械运动，以实现RF传输线内的开路或短路。这些开关表现出来的优点在于低插入损耗、高度隔离以及无能耗，这使得这些开关非常适合用于无线设备中。
在本发明的其他实施例中，桥接膜片305可为铁磁性材料，因而在磁力而非静电力的作用下会使得其发生偏转。磁场的产生可通过对位于MEMS开关300下方的电感线圈施加电流来实现。
图4是本发明一实施例MEMS开关操作的示意图。如图4所示，图中示出MEMS开关400处于断开(上图)状态以及处于闭合(下图)状态的截面图。MEMS开关400包括金属线输入301、金属线输出303、桥接膜片305、绝缘层307以及电隔离层401，该电隔离层401与绝缘层307大体类似。金属线输入301、金属线输出303以及桥接膜片305如图3所述。
在操作过程中，如果在金属线间不存在直流偏压或者仅存在低直流偏压，桥接膜片基本上处于水平状态，因而此时MEMS开关处于断开状态。当在金属线输出303以及金属线输入301之间施加上足够高的直流偏压时，桥接膜片会通过静电力被吸引至绝缘层307，因而使得MEMS开关闭合。
图5是本发明一实施例将MEMS开关设置在集成电路封装内的步骤流程图。流程开始于步骤501，随后进入步骤503。在步骤503中，在多层封装内嵌入金属导电层以及铁磁层。在步骤505中，在多层封装的上部和/或底部表面设置RF组件以及MEMS开关。在步骤507中，将芯片倒装接合到多层封装上，然后在步骤509中，将所述多层封装通过倒装接合方式与印刷电路板相连，其中利用热环氧树脂对芯片和封装之间的锡球间的空隙进行填充，流程于步骤511结束。
图6是本发明一实施例利用集成的MEMS开关阵列对RF组件进行控制的步骤流程图。流程开始于步骤601，随后进入步骤603。在步骤603中，通过对适当的MEMS开关的操作将RF组件与集成电路内的适当电路元件相连接。在步骤605中，将集成电路中的可选择的电容器激活以将其与RF组件相连，在步骤607中，利用适当的MEMS开关对RF组件的频率进行调谐。流程于步骤609结束。
在本发明的实施例中，公开一种将多层封装213连接至集成电路201的方法和系统。在多层封装213内集成有RF组件以及一个或多个MEMS开关阵列205和225。所述RF组件通过一个或多个MEMS开关阵列205和225与集成电路电连接。MEMS开关阵列205和225可以是静电激活或者磁激活的。RF组件与集成电路201内的一个或多个电容器陈列相连。所述RF组件包括：变压器209A/209B/209C、电感器、传输线223A和223B、微带和/或共面波导滤波器223A/223B和/或表面贴装器件219。所述集成电路201通过倒装接合技术与所述多层封装213相连。
本发明的一个实施例还提出了一种机器可读存储器，其上存储有计算机程序。该程序至少包含一段用于无线通讯的代码，所述至少一段代码由机器执行使得该机器能够执行本申请中所述的方法步骤。
因此，本发明可应用于硬件、软件、固件或其各种组合。本发明可以在至少一个计算机系统的集中模式下实现，或者在分布式模式下实现，在所述分布式模式下，不同组件分布在几个互联的计算机系统中。采用任何适用于执行本发明介绍的方法的计算机系统或者其他设备都是合适的。一种硬件、软件和固件的典型组合是具有计算机程序的通用计算机系统，当程序被加载和执行时，控制所述计算机系统以使其执行本申请描述的方法。
本发明的一个实施例可以实现为板级产品、单芯片、专用集成电路(ASIC)或者作为单独的部件与系统的其它部分以不同的集成度集成在单芯片中。所述系统的集成度将主要取决于速度和成本考虑。由于如今成熟的处理器技术，利用一个现有的商用处理器是可能的，所述处理器可以实现在本发明的ASIC实现的外部。或者，如果所述处理器是以ASIC核或者逻辑块存在的，那么现有的商业处理器可以被用来实现为ASIC设备的一部分，用固件方式实现其多种功能。
本发明还可以嵌入到计算机程序产品内，所述计算机程序包含能够实现本发明方法的全部特征，当其安装到计算机系统中时，通过运行，可以实现本发明的方法。本文件中的计算机程序所指的是：可以采用任何程序语言、代码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力，以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后实现特定功能：a)转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现。然而，本领域技术人员能够理解的计算机程序的其它含义也被本发明所包含。
虽然本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1、一种无线通讯方法，其特征在于，所述方法包括：
在无线系统中，通过一个或多个集成在多层封装内的MEMS开关阵列，对RF组件以及集成电路内的由所述RF组件处理的信号的切换进行控制，其中，所述多层封装与所述集成电路相连接。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：通过所述一个或多个MEMS开关阵列对所述一个或多个RF组件进行调谐。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：通过所述一个或多个MEMS开关阵列对所述一个或多个RF组件进行切换。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MEMS开关阵列是静电激活的。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MEMS开关阵列是磁激活的。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述RF组件与所述集成电路内的一个或多个电容器阵列相连。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述RF组件包括变压器。
8、一种无线通讯系统，其特征在于，所述系统包括：
与集成电路相连接的多层封装，其中，所述多层封装包括集成的RF组件以及一个或多个MEMS开关阵列，并且其中所述RF组件通过所述一个或多个MEMS开关阵列与所述集成电路电连接。
9、根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述一个或多个RF组件通过所述一个或多个MEMS开关阵列和/或所述集成电路来进行调谐。
10、根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述一个或多个RF组件通过所述一个或多个MEMS开关阵列和/或所述集成电路来进行切换。
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