Керамическая пластина

из оксида алюминияиз нитрида кремниянитрид алюминия

В отличие от однофункциональных устройств, изготовленных традиционным способом, микроэлектромеханические системы (MEMS) представляют собой микроразмерные управляемые электромеханические устройства, объединяющие микромеханические структуры, датчики, исполнительные механизмы и электронные компоненты. Этот тип изделий обладает многочисленными преимуществами, включая малые размеры, небольшой вес, низкую стоимость, низкое энергопотребление, высокую надежность, массовое производство, простоту интеграции и интеллектуальную реализацию. Это также означает, что инкапсуляция должна не только защищать внутренние микроэлектронные компоненты от внешних загрязнений, но и обеспечивать стабильную и контролируемую физическую среду для внутренней структуры. Различные типы МЭМС-продуктов имеют свои уникальные производственные процессы и специфические формы упаковки. Керамические упаковки, благодаря своей отличной герметичности, выдающимся термомеханическим свойствам, изоляции и термостабильности, обычно обеспечивают более высокие комплексные характеристики в обеспечении долгосрочной защиты надежности по сравнению с металлическими или пластиковыми упаковками. Часто используемые керамические упаковочные материалы и их характеристикиОксид алюминия (Al₂O₃): Низкая стоимость, отличные изоляционные свойства, широко используется в подложках и корпусах датчиков. Это наиболее широко используемый и технологически зрелый керамический упаковочный материал. Его преимущества заключаются в отличных комплексных характеристиках и относительно низкой стоимости производства. Высокое удельное сопротивление (до 10¹⁴ Ω-см) и высокая диэлектрическая прочность также обеспечивают отличные электроизоляционные свойства. Однако его теплопроводность относительно ниже, чем у нитрида алюминия, и он не подходит для сценариев с чрезвычайно высокой плотностью мощности.Нитрид алюминия (AlN): высокая теплопроводность, подходит для теплоотвода упаковки мощных МЭМС-устройств. Его теплопроводность может достигать 170-200 Вт/м-К, что в несколько раз выше, чем у глинозема. Между тем, его коэффициент теплового расширения очень близок к коэффициенту теплового расширения кремниевых чипов. Это позволяет значительно снизить тепловое напряжение, возникающее в корпусе микросхемы при изменении температуры, тем самым увеличивая срок службы и стабильность устройства в жестких температурных условиях. Поэтому его часто используют для упаковки мощных светодиодов, лидарных систем, высокопроизводительных вычислительных чипов и МЭМС-датчиков тактического уровня. Нитрид кремния (Si₃N₄): Высокая прочность и химическая стойкость, подходит для МЭМС в жестких условиях эксплуатации. Преимущество заключается в его выдающихся комплексных механических свойствах, особенно в чрезвычайно высокой вязкости разрушения и прочности на изгиб, которые могут обеспечить беспрецедентную защиту от ударов и вибраций для чувствительных структур МЭМС. Однако стоимость его производства выше, чем у глинозема. Обычно она применяется в сценариях с чрезвычайно высокими требованиями к надежности и механической прочности, а не в чувствительной к затратам потребительской электронике. Формы и процессы керамической упаковкиОбожженная керамика (LTCC/HTCC): Подходит для массового производства и позволяет осуществлять интегральную разводку. В этом процессе несколько слоев фарфора-сырца соединяются с металлическими цепями и подвергаются высокотемпературному совместному обжигу за один раз, в результате чего получается герметичная сборка, содержащая сложные трехмерные межсоединения. Это не только облегчает массовое производство для снижения затрат, но и позволяет выполнять проводку высокой плотности и встраивать пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, индукторы), повышая тем самым уровень интеграции и миниатюризации МЭМС-устройств.Герметичная упаковка: Основана на керамической подложке и достигает долгосрочной стабильности благодаря металлизации и пайке стекла/лазерной сварке. Такая структура является ключом к обеспечению долговременной надежности МЭМС-устройств (таких как гироскопы, резонаторы). Она подвергается металлизации на керамической подложке для формирования уплотнительного кольца, которое затем сплавляется с защитной пластиной с помощью пайки стекла или лазерной сварки, создавая внутреннюю инертную или вакуумную среду, способную изолировать влагу и загрязняющие вещества, обеспечивая стабильную работу чувствительных микроструктур при длительном использовании.Микроканальная керамическая упаковка: Интегрированная конструкция каналов для жидкостных МЭМС и газовых датчиков. С помощью прецизионных технологий обработки, таких как лазерная абляция и нанесение покрытий на раствор, микрофлюидические каналы изготавливаются непосредственно в керамической подложке. Этот процесс инкапсуляции необходим для реализации функциональных МЭМС-устройств, таких как микрофлюидные контроллеры, биочипы и газовые сенсоры, поскольку он обеспечивает контролируемое взаимодействие между рабочей жидкостью и чувствительным чипом. Примеры примененияМЭМС-гироскоп и акселерометр: Используются в аэрокосмической отрасли и автономном вождении. Инерционный датчик требует, чтобы внутренний блок микромассы перемещался в вакуумной среде, что позволяет избежать влияния воздушного затухания на чувствительность сигнала и тем самым достичь чрезвычайно высокой точности обнаружения. Керамическое газовое уплотнение обеспечивает долговременную стабильность внутренней вакуумной среды и является спасательным кругом, гарантирующим высокую точность и надежность.MEMS-датчик давления: Используется в моторных отсеках автомобилей и для мониторинга нефтяных скважин. В экстремальных условиях, таких как высокая температура, высокое давление и агрессивные среды, керамическая упаковка может служить в качестве механического изолирующего слоя, предотвращая внешнее напряжение от прямого воздействия на чувствительные кремниевые чипы. В то же время ее антикоррозийные свойства позволяют ей вступать в прямой контакт с агрессивными средами, что обеспечивает точность выходного сигнала.RF MEMS Switches and Filters: Для систем связи и радиолокации 5G/6G. Эти устройства чрезвычайно чувствительны к высокочастотным сигналам и требуют стабильной рабочей среды. Неправильная упаковка может серьезно ухудшить значение добротности и вносимые потери устройств. Керамическая упаковка (например, LTCC) обеспечивает низкие потери в каналах передачи, отличные возможности терморегулирования и позволяет размещать на подложке множество пассивных компонентов (таких как индукторы и конденсаторы), что способствует миниатюризации упаковки на уровне системы. Керамическая упаковка в системах МЭМС - это далеко не просто защитная оболочка. Она играет решающую роль в обеспечении долгосрочной стабильности и надежности устройств в жестких условиях эксплуатации и может создать высококачественную внутреннюю среду для выживания и функционирования МЭМС-устройств.Ключевые особенности / технические характеристики:Отличная герметичность и термомеханические свойстваВысокая изоляция и термостабильностьМатериалы: Оксид алюминия (Al₂O₃), нитрид алюминия (AlN), нитрид кремния (Si₃N₄)Совместно обожженная керамика (LTCC/HTCC) для массового производства и интеграцииГерметичная упаковка с металлизацией и пайкой стекла/лазерной сваркойМикроканальная керамическая упаковка для жидкостных МЭМС и газовых датчиковПрименение: Аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, мониторинг нефтяных скважин, связь 5G/6G, радарные системы