Anwendung der laserinduzierten LIDE-Tiefätztechnologie in MEMS-Verpackungen
Dank der kontinuierlichen Innovation der MEMS-Technologie finden MEMS-Bauelemente breite Anwendung in der Unterhaltungselektronik, in medizinischen Geräten sowie in der Luft- und Raumfahrt und bieten dank ihrer kompakten Größe, hohen Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und niedrigen Kosten einen erheblichen Mehrwert. Die MEMS-Verpackung ist ein entscheidender Schritt in der Entwicklung von MEMS-Bauelementen. Die MEMS-Verpackung (Micro-Electro-Mechanical Systems) umfasst den Prozess der Versiegelung und des Schutzes von MEMS-Bauelementen, die Bereitstellung elektrischer Verbindungen und die Abschirmung des Bauelements vor Umwelteinflüssen. Der Verpackungsprozess kann 20 bis 95 % der Herstellungskosten eines Produkts ausmachen.
01 Glas als bevorzugtes Material für die MEMS-Herstellung
Innovationen in der Glaswafer-Verarbeitungstechnologie treiben die Weiterentwicklung der MEMS-Technologie voran. Glaswafer werden im MEMS-Wafer-Level-Packaging verwendet und dienen in bestimmten elektronischen Produkten als alternatives Substrat zu Siliziumwafern. MEMS-Sensoren zeichnen sich selbst in rauen Umgebungen durch hohe Zuverlässigkeit und langfristige Leistung aus. Glasmaterialien werden in der MEMS-Verpackungstechnologie häufig als Substratträger verwendet, was Glaswafer zur idealen Wahl für verschiedene Branchen und Anwendungen macht.
02 Vorteile von Glas bei der MEMS-Herstellung und -Verpackung
Glas ist aufgrund seiner hohen Luftdichtheit, thermischen Stabilität, optischen Eigenschaften, chemischen Beständigkeit, hohen Isolierung und Bearbeitbarkeit ein bevorzugtes Material für MEMS-Verpackungen. Seine Haltbarkeit gewährleistet langfristigen Schutz für MEMS-Geräte.
Optische Eigenschaften
Glas ist transparent und eignet sich daher ideal für MEMS-Geräte, die optische Sensoren oder Betätigungselemente erfordern. Es kann mit verschiedenen Dünnschichtmaterialien wie Metallen oder Oxiden beschichtet werden, um seine optischen Eigenschaften zu verändern. Darüber hinaus eignet sich seine hochglatte Oberfläche hervorragend für optische Reflexionen.
Verkapselung und Verpackung
Hohe Luftdichtheit: Glas bietet eine hervorragende hermetische Abdichtung und verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen in MEMS-Geräte, wodurch Zuverlässigkeit und Lebensdauer verbessert werden.
Außergewöhnliche chemische Beständigkeit: Glas ist äußerst widerstandsfähig gegen chemische Korrosion und daher ein hervorragendes Material zum Schutz von MEMS-Geräten in aggressiven chemischen Umgebungen.
Mechanische Festigkeit: Glas ist relativ robust und langlebig und schützt MEMS-Geräte vor mechanischer Belastung. Im Gegensatz zu Metallen oder anderen Materialien ermüdet Glas nicht und eignet sich daher für Anwendungen mit langfristiger hoher Zuverlässigkeit.
Im Gegensatz zu Silizium ist Glas hochisolierend und sein Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) sowie seine mechanische Festigkeit können in einem bestimmten Bereich eingestellt werden.
Verbindung mit Through-Glass Vias (TGV)
Verbindungen mit höherer Dichte: TGV ermöglicht hochdichte Verbindungen und ermöglicht so komplexere MEMS-Geräte und kleinere Formfaktoren. Dies liegt am hohen Aspektverhältnis der TGV-Vias, die vertikale Verbindungen durch das Glassubstrat ermöglichen.
Verbesserte Zuverlässigkeit: TGV bietet zuverlässigere Verbindungen als Drahtbonden oder Flip-Chip-Bonding. Die kürzere Pfadlänge von TGVs reduziert Signalverzögerungen und elektromagnetische Störungen (EMI).
Thermische Stabilität: TGVs leiten die Wärme von MEMS-Bauelementen effizient ab, indem sie sie durch das Glassubstrat an die Außenseite des Gehäuses leiten. Dies verbessert das Wärmemanagement von MEMS-Bauelementen erheblich und verlängert ihre Lebensdauer.
Flexibilität bei der Verpackung: TGVs sind mit verschiedenen Verbindungsmethoden kompatibel und bieten so mehr Flexibilität beim MEMS-Gehäusedesign. Dies ermöglicht die Integration von mehr Sensoren, Aktoren und anderen Komponenten in einem einzigen Gehäuse.
Verbesserte optische Leistung: TGVs können in Massenproduktion mit kleinem Durchmesser hergestellt werden, was die Integration von Glasfasern oder anderen optischen Komponenten ermöglicht. Dies erleichtert die Kombination von MEMS-Bauelementen mit optischen Sensor- oder Betätigungsfunktionen.
03 Der deutsche LPKF LIDE-Prozess verbessert die Effizienz der Dünnglasverarbeitung erheblich
Dünnglasplatten von 50 μm bis 1.000 μm bieten großes Potenzial für verschiedene industrielle Anwendungen. Herkömmliche mechanische Schneid- und Bohrprozesse hinterlassen jedoch häufig Mikrorisse und innere Spannungen in Glassubstraten, was die Bearbeitung von Dünnglas im Mikromaßstab erschwert. Das LPKF Vitrion Lasersystem mit modernster LIDE-Technologie (Laser-Induced Deep Etching) ermöglicht die berührungslose Präzisions-Laserbearbeitung von Glasmaterialien mit beispielloser Effizienz und Qualität. Der LIDE-Prozess eröffnet neue Designmöglichkeiten für Mikrosysteme und hat das Potenzial, die gesamte Industriekette zu revolutionieren.
Die LIDE-Technologie erfordert nur zwei Schritte, um diese Herausforderungen zu bewältigen:
Selektive Lasermodifikation: Basierend auf dem Designmuster wird das Glas mithilfe einer speziell entwickelten Laserquelle selektiv modifiziert. Der Laser wird im Inneren des Glasbauteils fokussiert, wodurch eine Modifikation der gesamten Dicke erreicht wird.
Chemisches Ätzen: Der Laser verändert die photochemischen Eigenschaften des Materials und ermöglicht so im nachfolgenden Prozess ein selektives chemisches Ätzen. Die Ätzrate der modifizierten Bereiche ist deutlich höher als bei unverändertem Material. Die Verweildauer des Glases im Ätzbad wird präzise gesteuert, um die gewünschten Strukturabmessungen zu erreichen.
04 Anwendungen von LPKF LIDE in MEMS
Das LIDE-Verfahren ermöglicht die Herstellung fehlerfreier Mikrosysteme auf Glasbasis, die die hohe Bruchfestigkeit des Ausgangsmaterials beibehalten und gleichzeitig eine hohe Elastizität mit hervorragender Wiederholgenauigkeit aufweisen. Diese Fähigkeit ermöglicht die Integration von Strukturen wie Federn, vertikalen oder horizontalen Membranen sowie Betätigungs- oder Sensorkomponenten.
Kraft-Weg-Messungen:
LIDE-verarbeitete Glasfedersysteme.
Mikrofederstrukturen mit einem Querschnitt von 30 μm × 260 μm und einer XY-Plattformgröße von 5 mm × 7 mm.
Das XY-System verfügt über einen Z-Achsen-Verschiebebereich von bis zu 4,3 mm.
Hohe Wiederholgenauigkeit und eine Bruchfestigkeit von ca. 1 GPa.
Radiale Kammantriebsmessungen der optischen Reflexion:
Dabei werden zwei Glaswafer mit Mikrostrukturen und aufgesputterten Metallfilmen aufeinander gestapelt.
Kammstrukturen mit einer Spaltweite von 5 μm.
Piezoelektrisch angetriebene optische Reflexionssysteme erreichen eine Winkelablenkung außerhalb der Ebene von ±3,1° bei 220 Hz.
Optische Reflexionsfläche von 7 mm × 7 mm.
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