Mixed-domain simulation and hybrid wafer-level packaging of RF-MEMS devices for wireless applications

In questa tesi verranno trattati sia il problema della creazione di un ambiente di simulazione a domini fisici misti per dispositivi RF-MEMS, che la definizione di un processo di fabbricazione ad-hoc per il packaging e l’integrazione degli stessi. Riguardo al primo argomento, sarà mostrato nel dettaglio lo sviluppo di una libreria di modelli MEMS all’interno dell’ambiente di simulazione per circuiti integrati Cadence c . L’approccio scelto per la definizione del comportamento elettromeccanico dei MEMS è basato sul concetto di modellazione compatta (compact modeling). Questo significa che il comportamento fisico di ogni componente elementare della libreria è descritto per mezzo di un insieme limitato di punti (nodi) di interconnessione verso il mondo esterno. La libreria comprende componenti elementari, come travi flessibili, piatti rigidi sospesi e punti di ancoraggio, la cui opportuna interconnessione porta alla realizzazione di interi dispositivi (come interruttori e capacità variabili) da simulare in Cadence c . Tutti i modelli MEMS sono implementati per mezzo del linguaggio VerilogA c di tipo HDL (Hardware Description Language) che è supportato dal simulatore circuitale Spectre c . Sia il linguaggio VerilogA c che il simulatore Spectre c sono disponibili in ambiente Cadence c . L’ambiente di simulazione multidominio (ovvero elettromeccanico) così ottenuto permette di interfacciare i dispositivi MEMS con le librerie di componenti CMOS standard e di conseguenza la simulazione di blocchi funzionali misti RF-MEMS/CMOS. Come esempio, un VCO (Voltage Controlled Oscillator) in cui l’LC-tank è realizzato in tecnologia MEMS mentre la parte attiva con transistor MOS di libreria sarà simulato in Spectre c . Inoltre, nelle pagine successive verrà mostrata una soluzione tecnologica per la fabbricazione di un substrato protettivo (package) da applicare a dispositivi RF-MEMS basata su vie di interconnessione elettrica attraverso un wafer di Silicio. La soluzione di packaging prescelta rende possibili alcune tecniche per l’integrazione ibrida delle parti RF-MEMS e CMOS (hybrid packaging). Verranno inoltre messe in luce questioni riguardanti gli effetti parassiti (accoppiamenti capacitivi ed induttivi) introdotti dal package che influenzano le prestazioni RF dei dispositivi MEMS incapsulati. Nel dettaglio, tutti i gradi di libertà del processo tecnologico per l’ottenimento del package saranno ottimizzati per mezzo di un simulatore elettromagnetico (Ansoft HFSSTM) al fine di ridurre gli effetti parassiti introdotti dal substrato protettivo. Inoltre, risultati sperimentali raccolti da misure di strutture di test incapsulate verranno mostrati per validare, da un lato, il simulatore Ansoft HFSSTM e per dimostrate, dall’altro, la fattibilit`a della soluzione di packaging proposta. Aldilà dell’apparente debole legame tra i due argomenti sopra menzionati è possibile identificare un unico obiettivo. Da un lato questo è da ricercarsi nello sviluppo di un ambiente di simulazione unificato all’interno del quale il comportamento elettromeccanico dei dispositivi RF-MEMS possa essere studiato ed analizzato. All’interno di tale ambiente, l’influenza del package sul comportamento elettromagnetico degli RF-MEMS può essere tenuta in conto per mezzo di modelli a parametri concentrati (lumped elements) estratti da misure sperimentali e simulazioni agli Elementi Finiti (FEM) della parte di package. Infine, la possibilità offerta dall’ambiente Cadence c relativamente alla simulazione di dipositivi RF-MEMS interfacciati alla parte CMOS rende possibile l’analisi di blocchi funzionali ibridi RF-MEMS/CMOS completi.

Food Safety and Mineral Oil Contaminated Paperboard Packaging: an Analytical Challenge and a Migration Study

Food packaging protects food, but it can sometimes become a source of undesired contaminants. Paper based materials, despite being perceived as “natural” and safe, can contain volatile contaminants (especially if made from recycled paper) able to migrate to food, as mineral oil, phthalates and photoinitiators. Mineral oil is a petroleum product used as printing ink solvent for newspapers, magazines and packaging. From paperboard printing and from recycled fibers (if present), mineral oil migrates into food, even if dry, through the gas phase. Its toxicity is not fully evaluated, but a temporary Acceptable Daily Intake (ADI) of 0.6 mg kg-1 has been established for saturated mineral oil hydrocarbons (MOSH), while aromatic hydrocarbons (MOAH) are more toxic. Extraction and analysis of MOSH and MOAH is difficult due to the thousands of molecules present. Extraction methods for packaging and food have been optimized, then applied for a “shopping trolley survey” on over 100 Italian and Swiss market products. Instrumental analyses were performed with online LC-GC/FID. Average concentration of MOSH in paperboards was 626 mg kg-1. Many had the potential of contaminating foods exceeding temporary ADI tens of times. A long term migration study was then designed to better understand migration kinetics. Egg pasta and müesli were chosen as representative (high surface/weight ratio). They were stored at different temperatures (4, 20, 30, 40 and 60°C) and conditions (free, shelved or boxed packs) for 1 year. MOSH and MOAH kinetic curves show that migration is a fast process, mostly influenced by temperature: in egg pasta (food in direct contact with paperboard), half of MOSH is transferred to food in a week at 40°C and in 8 months at 20°C. The internal plastic bag present in müesli slowed down the startup of migration, creating a “lag time” in the curves.