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Keramische Verpackungen für mikroelektromechanische Systeme

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Keramisches Packaging für mikroelektromechanische Systeme (MEMS): Lösungen für raue Umgebungen

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Im Gegensatz zu Einfunktionsgeräten, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren gefertigt werden, handelt es sich bei mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) um ein steuerbares elektromechanisches Gerätesystem in Mikrogröße, das mikromechanische Strukturen, Sensoren, Aktoren und elektronische Komponenten integriert. Diese Art von Produkten hat zahlreiche Vorteile, darunter geringe Größe, geringes Gewicht, niedrige Kosten, niedriger Stromverbrauch, hohe Zuverlässigkeit, Massenproduzierbarkeit, einfache Integration und intelligente Implementierung. Dies bedeutet auch, dass die Verkapselung nicht nur die internen mikroelektronischen Komponenten vor äußeren Verunreinigungen schützen muss, sondern auch eine stabile und kontrollierbare physikalische Umgebung für die interne Struktur bietet. Die verschiedenen Arten von MEMS-Produkten haben alle ihre eigenen einzigartigen Herstellungsverfahren und spezifischen Verpackungsformen. Keramikgehäuse bieten aufgrund ihrer ausgezeichneten Luftdichtigkeit, ihrer hervorragenden thermisch-mechanischen Eigenschaften, ihrer Isolierung und ihrer thermischen Stabilität im Allgemeinen eine bessere Gesamtleistung für den Schutz der langfristigen Zuverlässigkeit als Metall- oder Kunststoffgehäuse.

Häufig verwendete keramische Verpackungsmaterialien und ihre Eigenschaften

Aluminiumoxid (Al₂O₃): Kostengünstig, hervorragende Isolationseigenschaften, wird häufig für Sensorsubstrate und Gehäuseteile verwendet.

Dies ist das am weitesten verbreitete und technologisch ausgereifte keramische Verpackungsmaterial. Seine Vorteile liegen in der hervorragenden Gesamtleistung und den relativ niedrigen Herstellungskosten. Sein hoher spezifischer Widerstand (bis zu 10¹⁴ Ω-cm) und seine hohe Durchschlagfestigkeit sorgen außerdem für hervorragende elektrische Isolationseigenschaften. Allerdings ist seine Wärmeleitfähigkeit relativ geringer als die von Aluminiumnitrid, und es ist nicht für Szenarien mit extrem hoher Leistungsdichte geeignet.

Aluminiumnitrid (AlN): Hohe Wärmeleitfähigkeit, geeignet für die Wärmeableitung bei MEMS-Geräten mit hoher Leistung.

Seine Wärmeleitfähigkeit kann 170-200 W/m-K erreichen, was um ein Vielfaches höher ist als die von Aluminiumoxid. Der Wärmeausdehnungskoeffizient kommt dem von Siliziumchips sehr nahe. Dadurch kann die thermische Belastung, die durch das Gehäuse auf dem Chip bei Temperaturschwankungen entsteht, erheblich reduziert werden, was die Lebensdauer und Stabilität des Geräts in rauen Temperaturumgebungen erhöht. Daher wird es häufig für die Verpackung von Hochleistungs-LEDs, Lidar-Systemen, Hochleistungs-Computerchips und MEMS-Sensoren auf taktischer Ebene verwendet.

Siliziumnitrid (Si₃N₄): Hohe Festigkeit und chemische Beständigkeit, geeignet für MEMS in rauen Umgebungen.

Der Vorteil liegt in seinen herausragenden umfassenden mechanischen Eigenschaften, insbesondere in seiner extrem hohen Bruch- und Biegefestigkeit, die empfindlichen MEMS-Strukturen einen unvergleichlichen Schutz vor Stößen und Vibrationen bieten. Allerdings sind seine Herstellungskosten höher als die von Aluminiumoxid. Es wird in der Regel in Szenarien eingesetzt, in denen extrem hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und mechanische Festigkeit gestellt werden, und nicht in der kostensensiblen Unterhaltungselektronik.