MEMSパッケージングにおけるLIDEレーザー誘起ディープエッチング技術の応用
MEMS技術の継続的な革新により、MEMSデバイスは民生用電子機器、医療機器、航空宇宙用途で広く利用され、その小型、高速、信頼性、低コストによる大きな価値を提供しています。MEMSパッケージングは、MEMSデバイス開発において重要なステップです。MEMS（微小電気機械システム）パッケージングには、MEMSデバイスを密封・保護し、電気接続を確保しながら環境の影響からデバイスを保護するプロセスが含まれます。パッケージングプロセスは、製品製造コストの20%～95%を占める場合があります。
01 MEMS製造に適した材料としてのガラス
ガラスウエハ処理技術の革新は、MEMS技術の進歩を牽引しています。ガラスウエハはMEMSウエハレベルパッケージングに使用され、一部の電子製品ではシリコンウエハの代替基板として活用されています。MEMSセンサーは、過酷な環境下でも高い信頼性と長期的な性能を発揮します。ガラス材料はMEMSパッケージング技術において基板キャリアとして広く使用されているため、様々な業界や用途において理想的な選択肢となっています。
02 MEMS製造およびパッケージングにおけるガラスの利点
ガラスは、高い気密性、熱安定性、光学特性、耐薬品性、高い絶縁性、そして加工性を備えているため、MEMSパッケージングに適した材料です。その耐久性により、MEMSデバイスを長期にわたって保護することができます。
光学特性
ガラスは透明性が高く、光センシングやアクチュエーションを必要とするMEMSデバイスに最適です。金属や酸化物などの様々な薄膜材料でコーティングすることで、光学特性を制御できます。さらに、非常に滑らかな表面は光反射にも最適です。
カプセル化と包装
高い気密性: ガラスは優れた気密性を提供し、湿気やその他の汚染物質が MEMS デバイスに侵入するのを防ぎ、信頼性と寿命を向上させます。
優れた耐薬品性ガラスは化学腐食に対する耐性が非常に高いため、過酷な化学環境で MEMS デバイスを保護するのに最適な素材です。
機械的強度ガラスは比較的堅牢で耐久性に優れており、MEMSデバイスを機械的ストレスから保護します。金属や他の材料とは異なり、ガラスは疲労の影響を受けないため、長期にわたる高信頼性が求められるアプリケーションに適しています。
シリコンとは異なり、ガラスは絶縁性が高く、熱膨張係数 (熱線膨張係数) と機械的強度を一定の範囲内で調整できます。
ガラス貫通ビア（TGV）による相互接続
高密度相互接続TGVは高密度相互接続を可能にし、より複雑なMEMSデバイスとより小型のフォームファクタを実現します。これは、TGVビアの高アスペクト比によりガラス基板を貫通する垂直相互接続が容易になるためです。
信頼性の向上TGVは、ワイヤボンディングやフリップチップボンディングに比べて、より信頼性の高い相互接続を提供します。TGVのパス長が短いため、信号遅延と電磁干渉（EMI）が低減されます。
熱安定性TGVは、MEMSデバイスからの熱をガラス基板を通してパッケージ外部へ伝導することで効率的に放散します。これにより、MEMSデバイスの熱管理が大幅に改善され、寿命が延長されます。
パッケージの柔軟性TGVは様々な接続方法に対応しており、MEMSパッケージ設計の柔軟性を高めます。これにより、より多くのセンサー、アクチュエータ、その他のコンポーネントを単一のパッケージに統合することが可能になります。
強化された光学性能TGVは小径で大量生産が可能であり、光ファイバーやその他の光学部品との統合が可能です。これにより、MEMSデバイスと光センシング機能や光アクチュエーション機能の統合が容易になります。
03 ドイツのLPKF LIDEプロセスが薄板ガラスの加工効率を大幅に向上
50μmから1,000μmの薄板ガラスは、様々な産業用途に大きな可能性を秘めています。しかしながら、従来の機械的な切断・穴あけ加工では、ガラス基板に微小な亀裂や残留内部応力が残ることが多く、薄板ガラスのマイクロスケールでの加工は困難を極めます。最新のLIDE（レーザー誘起深エッチング）技術を採用したLPKF Vitrionレーザーシステムは、ガラス材料の非接触精密レーザー加工を、かつてない効率と品質で実現します。LIDEプロセスは、マイクロシステムにおける新たな設計の可能性を解き放ち、産業チェーン全体に革命をもたらす可能性を秘めています。
ライド テクノロジーでは、これらの課題に対処するために次の 2 つのステップのみが必要です。
選択的レーザー修飾: デザインパターンに基づき、特別に開発されたレーザー光源を用いてガラスを選択的に加工します。レーザーはガラス部品内部に焦点を合わせ、全厚加工を実現します。
化学エッチングレーザーは材料の光化学的性質を変化させ、後続工程で選択的な化学エッチングを可能にします。変化した部分のエッチング速度は、変化していない材料に比べて大幅に向上します。ガラスがエッチング槽内で過ごす時間は、所望の構造寸法を達成するために正確に制御されます。
04 MEMSにおけるLPKF LIDEの応用
LIDEプロセスは、元の材料の高い破壊強度を維持しながら、優れた再現性で高い弾性率を示す、欠陥のないガラスベースのマイクロシステムの製造を可能にします。これにより、バネ、垂直または水平のメンブレン、アクチュエーション部品やセンシング部品などの構造を統合することが可能になります。
力変位センシング測定：
ライド 処理されたガラススプリングシステム。
断面が 30 μm × 260 μm、XY プラットフォーム サイズが 5 んん × 7 んん のマイクロ スプリング構造。
XY システムの Z 軸変位範囲は最大 4.3 んん です。
高い再現性と約1GPaの破壊強度。
ラジアルコームドライブ光反射測定：
微細構造とスパッタリングされた金属膜を備えた 2 枚のガラス ウェハーが積み重ねられています。
ギャップ幅5μmの櫛構造。
圧電駆動型光反射システムは、220 Hz で ±3.1° の面外角度偏向を実現します。
光反射面積7mm×7mm。
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