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Embalaje cerámico para sistemas microelectromecánicos

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Embalaje cerámico para sistemas microelectromecánicos (MEMS): soluciones para entornos agresivos

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A diferencia de los dispositivos de una sola función fabricados mediante técnicas de fabricación tradicionales, los sistemas microelectromecánicos (MEMS) son sistemas de dispositivos electromecánicos controlables de tamaño micro que integran estructuras micromecánicas, sensores, actuadores y componentes electrónicos. Este tipo de producto presenta numerosas ventajas, como su pequeño tamaño, peso ligero, bajo coste, bajo consumo de energía, alta fiabilidad, producibilidad en masa, fácil integración e implementación inteligente. Esto también significa que la encapsulación no sólo debe proteger los componentes microelectrónicos internos de las impurezas externas, sino también proporcionar un entorno físico estable y controlable para la estructura interna. Los distintos tipos de productos MEMS tienen sus propios procesos de fabricación y formas de encapsulado específicas. Los envases cerámicos, debido a su excelente hermeticidad, excelentes propiedades termomecánicas, aislamiento y estabilidad térmica, suelen ofrecer un mejor rendimiento global a la hora de proporcionar una protección de fiabilidad a largo plazo en comparación con los envases metálicos o de plástico.

Materiales y características de los embalajes cerámicos más utilizados

Óxido de aluminio (Al₂O₃): Bajo coste, excelentes propiedades aislantes, comúnmente utilizado en sustratos de sensores y carcasas de embalajes.

Es el material de envasado cerámico más utilizado y tecnológicamente más maduro. Sus ventajas radican en su excelente rendimiento integral y su coste de fabricación relativamente bajo. Su alta resistividad (hasta 10¹⁴ Ω-cm) y su elevada rigidez dieléctrica también garantizan unas excelentes propiedades de aislamiento eléctrico. Sin embargo, su conductividad térmica es relativamente inferior a la del nitruro de aluminio, y no es adecuado para escenarios con una densidad de potencia extremadamente alta.

Nitruro de aluminio (AlN): Alta conductividad térmica, adecuado para el embalaje de disipación de calor de dispositivos MEMS de alta potencia.

Su conductividad térmica puede alcanzar 170-200 W/m-K, varias veces superior a la de la alúmina. Además, su coeficiente de expansión térmica es muy similar al de los chips de silicio. Esto puede reducir significativamente el estrés térmico generado por el encapsulado en el chip cuando cambia la temperatura, aumentando así la vida útil y la estabilidad del dispositivo en entornos de temperaturas adversas. Por ello, es habitual encontrarlo en el envasado de LED de alta potencia, sistemas lidar, chips informáticos de alto rendimiento y sensores MEMS de nivel táctico.

Nitruro de silicio (Si₃N₄): Alta resistencia y resistencia química, adecuado para MEMS en entornos difíciles.

La ventaja radica en sus extraordinarias propiedades mecánicas integrales, especialmente su altísima tenacidad a la fractura y resistencia a la flexión, que pueden proporcionar una protección sin igual contra golpes y vibraciones a las sensibles estructuras MEMS. Sin embargo, su coste de fabricación es superior al de la alúmina. Suele aplicarse en situaciones en las que los requisitos de fiabilidad y resistencia mecánica son extremadamente elevados, más que en la electrónica de consumo sensible a los costes.