Etude du packaging des MEMS-RF

par Fabien Roubeau

Thèse de doctorat en Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes

Sous la direction de Pierre Blondy.

Soutenue le 11-05-2016

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le jury était composé de Pierre Blondy, Rose-Marie Sauvage, Francis Pressecq, Olivier Vendier, Dominique Baillargeat, Dominique Cros.

Les rapporteurs étaient Fabio Coccetti, Jorge Perez-Martinez.

mots clés

• MEMS–RF capacitif
• Process
• Packaging
• Nitrure de silicium
• Systèmes microélectromécaniques
• Radiofréquences

Résumé

Ces travaux de recherche portent sur la conception et la réalisation de micro commutateurs MEMS-RF capacitifs packagés en couche mince. Le principe de fonctionnement de ces composants repose sur un changement de valeur de la capacité du composant, lors de son activation par une tension continue qui permet un mouvement non linéaire d’une électrode de la capacité. Le composant réalisé est constitué d’une poutre en or, encapsulé par une couche de nitrure de silicium qui sert à la fois de capot et de diélectrique pour la capacité variable. La réalisation des composants a nécessité la mise au point d’un nouveau procédé de fabrication permettant de trouver des matériaux « compatibles » entre eux : les couches sacrificielles métalliques ne doivent pas être attaquées lors de la gravure de la couche qui constitue la poutre, et inversement : la poutre ne doit pas être attaquée par la solution qui grave les couches sacrificielles. De plus, le dépôt et la gravure de la couche qui constitue le capot ne doivent pas altérer les couches sacrificielles et la poutre. Une étude, à l’aide d’un logiciel de simulation, a permis de déterminer le dimensionnement des capots en tenant compte de leurs forme et épaisseur. De même, la géométrie de la poutre a pu être étudiée pour présenter une topologie qui est la moins sensible aux contraintes causées par la dilatation thermique et la déformation du capot. Une réalisation des premiers composants MEMS-RF fonctionnels a pu être mesurée entre 100 MHz et 40 GHz et présente des caractéristiques similaires à celles obtenues par simulation. Puis, des mesures en température et des mesures de fiabilité en cyclage permettent de valider les topologies proposées. Enfin, une réalisation d’un réseau de capacités MEMS packagé est présentée.

mots clés

• Capacitive RF-MEMS
• Process
• Packaging
• Silicon nitride

Titre traduit

Study of RF-MEMS packaging

Résumé

This research focuses on the design and production of micro-capacitive RF-MEMS switch with thin film wafer-level packaging. The operating principle of this device is based on a capacity change when activated by DC voltage that makes a non-linear move of one electrode of the capacitor. The device is made of a gold beam encapsulated by a silicon nitride layer used to both cover the moving beam and as dielectric layer in the variable capacitance. The production of the device required the development of a new manufacturing process to find “compatible” materials together: the sacrificial layers must not be attacked during the etching of the beam layer and vice versa the beam should not be etched by the sacrificial etching solution. Moreover, deposition and etching of the layer which constitutes the cap must not alter the sacrificial layers and the beam. A study using a simulation software, was used to determine the design of the cap, taking into account their shape and thickness. Similarly, the geometry of the beam has been studied to introduce a topology that is less sensitive to stresses induced by thermal expansion and deformation of the cap. An embodiment of the first functional RF-MEMS components was measured between 100 MHz and 40 GHz and has similar characteristics to those obtained by simulation. Then, measures at different temperatures, and cycling reliability of measures used to validate the proposed topologies. Finally a capacitive MEMS array is shown.