Packaging of RF MEMS switches and performance improvement
RF MEMS anahtarların paketlenmesi ve başarım artırımı
- Tez No: 595460
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞİMŞEK DEMİR, PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 141
Özet
Bu tez paralel, kapasitif değeçli RF MEMS anahtarlar için, kapak ve bileşen alttaşlarının BCB ile birbirine yapıştırıldığı özgün bir sıfır-seviye paketleme yöntemini sunmaktadır. Paketleme yöntemi ilk olarak 50 Ω EDK hatların paketlenmesi için kullanılmıştır. Önerilen devre modeli ve paketlenen beş farklı EDK hattın ölçümlerinin birbirine uyumlanması ile paket yapısının mikrodalga karakterizasyonu yapılmıştır. Önerilen devre modeli birbirine seri bağlanmış iletim hatlarından oluşmakta olup, EDK üzerindeki düzlemsel geçiş bölgelerindeki süreksizlikleri modellemek için parazitik kapasitanslar kullanılmıştır. Mikrodalga karakterizasyon sonuçları her bir düzlemsel geçişin RF MEMS anahtarın toplam araya girme kaybına 0.1 dB ekleme yaptığı sonucunu vermiştir. Mikrodalga karakterizasyon adımlarından sonra, önerilen paketleme yöntemi paralel, kapasitif değeçli RF MEMS anahtarlara uygulanmıştır. Uygulanan dayanıklılık analizleri (kırma kuvveti testleri), mekanik analizler (optic profilometre ölçümleri), aktivasyon analizleri (C-V ölçümleri), RF başarım analizleri (S-parametresi ölçümleri), süreksizlik analizleri (anahtarlama zamanı ölçümleri) ve ömür analizleri (ömür sınama ölçümleri) kullanılarak paketlenen anahtarların başarımı değerlendirilmiştir. Uygulanan paketleme yöntemi ile kapakların RF MEMS anahtarlardan ortalama 18.3 MPa yatay kuvvet ile ayrıldıkları gözlemlenmiştir. Kırma testi uygulanan beş anahtardan bir tanesi 26.9 MPa seviyesinde dayanıklılık göstermiştir. Bu değerler benzeri paketleme yöntemlerinin ulaştığı seviyelerin üzerinde sonuçlar vermiştir. Paketleme sürecinden önce ve sonra uygulanan optik profilometre ölçümleri ile MEMS köprü yapısının ortalama 71 nm yukarı yönlü büküldüğü gösterilmiştir. Bu bükülme değerleri, gerçekleştirilen aktivasyon analizleri ile tutarlılık göstermektedir. Dokuz paketli anahtar ile gerçekleştirilen analizlerde, aktivasyon voltajları ortalama 4.2 V artış göstermiştir. S-parametre ölçümleri paket yapısının ihmal edilebilir etkisini ortaya koymuştur. Yukarı durumda 35 GHz çalışma frekansında geri dönüş kayıpları ve araya girme kayıpları sırasıyla 28 dB ve 0.4 dB olarak ölçülmüştür. Buna ek olarak, 35 GHz çalışma frekansında aşağı durum yalıtım seviyeleri birçok paketli anahtar için 35 dB seviyesinde gözlemlenmiştir. Süreksizlik ölçümleri paketli anahtarlar için 10 μs yükselme süresi ve 8.5 μs çökme süresi ortaya koymuştur. Ömür sınama testlerinde bir paketli anahtar RF başarımı bozulmadan 10.2 milyar kere çalışmıştır. Olası proses varyasyonları düşünülerek gerçekleştirilen ve EM benzetim sonuçlarına dayanan hassasiyet analizleri, paketleme yönteminin dayanıklılığını ve proses değişkenlerinden pek etkilenmediğini göstermiştir. Bu tez, paketleme yöntemine ve yapılan başarım analizlerine ek olarak, özgün, parçalı geniş bantlı bir karakterizasyon yöntemini de sunmaktadır. Bu yöntem ile RF MEMS anahtarların üretiminde ve paketlenmesinde kullanılan cam ve yüksek özdirençli silisyum alttaşların dielektrik sabitlerinin frekansa bağlılıkları gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
This dissertation presents a novel zero-level packaging method for shunt, capacitive contact RF MEMS switches where BCB acts as the adhesive interlayer between the cap and device wafers. Initially, the packaging concept is realized for 50 Ω CPW transmission lines. A microwave characterization procedure (circuit modeling) is performed by curve fitting five packaged CPW transmission line performances to the proposed circuit model. The circuit model consists of cascaded transmission line segments, in which lumped capacitances are utilized for modeling the discontinuities in the planar feedthrough regions. The microwave characterization procedure demonstrated 0.1 dB/transition with the implemented packaging approach. Afterward, shunt, capacitive contact RF MEMS switches are packaged by exactly the same package structure. Endurance analysis (shear strength tests), mechanical analysis (optical profiler measurements), actuation analysis (C-V measurements), RF performance analysis (S-parameter measurements), transient analysis (switching-time measurements), and lifetime analysis (lifetime measurements) assessed the overall performance of the BCB packaged RF MEMS switches. The packaging method demonstrated 18.3 MPa average shear strength. One of the five tested switches reached 26.9 MPa, which exceeded the counterpart packaging methods in this regard. Optical profiler measurements of the MEMS bridge before and after the packaging process presented 71 nm average center deflection. Actuation analysis presented consistent results with the optical profiler measurements where the actuation voltages increased 4.2 V in the average during the packaging process. The S-parameter measurements indicated negligible effect on the RF performance of the switch. The return loss and insertion loss at 35 GHz (operating frequency) in the upstate are 28 dB and 0.4 dB, respectively. Moreover, the isolation characteristics indicate 35 dB at 35 GHz for most of the packaged switches. The transient analysis showed 10 μs rise time and 8.5 μs fall time for the packaged RF MEMS switches. Lifetime measurement demonstrates 10.2 billion cycles without failure in the RF performance. A sensitivity analysis based on EM simulations presented the robustness and insensitivity of the package in terms of possible process variations. The dissertation also presents a novel piecewise wideband characterization method based on CPW transmission line measurements to demonstrate the dispersive nature of the utilized glass and high-resistivity silicon wafers.
Benzer Tezler
- Zero-level packaging of microwave and millimeterwave mems components
Mikrodalga ve milimetredalga MEMS bileşenlerinin sıfır-seviye paketlenmeleri
İLKER COMART
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. ŞİMŞEK DEMİR
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- RF MEMS aygıtlar için dikey/yatay beslemeli paket yapısının geliştirilmesi
Development of a packaging structure with vertical/lateral feedthroughs for RF MEMS devices
EVRİM ÖZÇAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MURAT HÜSNÜ SAZLI
- Design and implementation of microwave lumped components and system integration using MEMS technology
Mikrodalga toplu devre elemanlarının ve sistem entegrasyonunun MEMS teknolojisi ile tasarımı ve yapımı
ENGİN UFUK TEMOÇİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞİMŞEK DEMİR
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Pasteurization of dehydrated food powders with radio frequency heating
Başlık çevirisi yok
SAMET ÖZTÜRK
Doktora
İngilizce
2018
Besin Hijyeni ve TeknolojisiThe University of GeorgiaPROF. FANBIN KONG
DR. RAKESH K. SINGH