マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）向けセラミックパッケージ：過酷な環境向けのソリューション

従来の製造技術で作られる単機能デバイスとは異なり、マイクロ電気機械システム（MEMS）は、マイクロメカニカル構造、センサー、アクチュエータ、電子部品を統合した微小サイズの制御可能な電気機械デバイスシステムです。この種の製品には、小型・軽量・低コスト・低消費電力・高信頼性・量産性・容易な統合・インテリジェント実装など、数多くの利点があリます。また、封止が内部のマイクロ電子部品を外部不純物から保護するだけでなく、内部構造に安定した制御可能な物理環境を提供する必要があることを意味します。異なる種類のMEMS製品は、それぞれ固有の製造プロセスと特定のパッケージ形態を有しています。セラミックパッケージは、優れた気密性、卓越した熱機械特性、絶縁性、熱安定性により、金属やプラスチックパッケージと比較して、長期信頼性保護において一般的に優れた総合性能を発揮します。

一般的に使用されるセラミック包装材料とその特徴

酸化アルミニウム（Al₂O₃）：低コストで優れた絶縁特性を有し、センサー基板やパッケージ筐体に広く使用されています。

これは最も広く使用され、技術的に成熟したセラミックパッケージ材料です。その利点は、優れた総合性能と比較的低い製造コストです。高い抵抗率（最大10¹⁴ Ω·cm）と高い誘電強度により、優れた電気絶縁特性も確保されています。しかし、熱伝導率は窒化アルミニウムに比べて比較的低く、電力密度が非常に高い用途には適していません。

窒化アルミニウム（AlN）：高い熱伝導率を有し、高出力MEMSデバイスの放熱パッケージに適しています。

熱伝導率は170～200 W/m·Kに達し、アルミナの数倍に相当します。一方、熱膨張係数はシリコンチップに非常に近いため、温度変化時にパッケージがチップに発生する熱応力を大幅に低減し、過酷な温度環境下におけるデバイスの寿命と安定性を向上させます。そのため、高出力LED、ライダーシステム、高性能コンピューティングチップ、戦術レベルのMEMSセンサーなどのパッケージに広く使用されています。

窒化ケイ素（Si₃N₄）：高い強度と耐薬品性を備え、過酷な環境下でのMEMSに適しています。

その優れた総合的な機械的特性、特に非常に高い破壊靭性と曲げ強度が、繊細なMEMS構造に比類のない衝撃・振動保護を提供します。しかし、製造コストはアルミナよりも高くなります。通常、コスト重視の民生用電子機器ではなく、信頼性と機械的強度に対する要求が極めて高い用途に使用されます。

セラミック包装の形態とプロセス

同時焼成セラミックス（LTCC/HTCC）：大量生産に適しており、配線の集積化が可能です。

このプロセスは、多層の生の磁器と金属回路を積層し、高温同時焼成を行うことで、複雑な3次元配線構造を含む気密性の高いアセンブリを実現します。大量生産を容易にし、コスト削減を実現するだけでなく、高密度配線や受動部品（抵抗、コンデンサ、インダクタ）の内蔵も可能となり、MEMSデバイスの集積度と小型化を向上させます。

気密パッケージ：セラミック基板をベースに、メタライゼーションとガラスろう付け／レーザー溶接により長期安定性を実現しています。

この構造は、MEMSデバイス（ジャイロスコープ、共振器など）の長期信頼性確保の鍵となります。セラミック基板にメタライゼーション処理を施してシーリングリングを形成し、ガラスろう付けまたはレーザー溶接でカバープレートと融合させることで、内部に不活性または真空環境を作り出し、湿気や汚染物質を遮断することで、繊細な微細構造の長期使用における安定した性能を確保します。

マイクロチャネルセラミックパッケージ：流体MEMSおよびガスセンサー向けの統合チャネル設計。

レーザーアブレーションや溶液コーティングスタッキングといった精密加工技術を用いることで、セラミック基板内にマイクロ流体チャネルを直接作製します。この封止プロセスは、作動流体とセンシングチップ間の制御された相互作用を可能にするため、マイクロ流体コントローラ、バイオチップ、ガスセンサーなどの機能的MEMSデバイスの実現に不可欠です。

応用例

1. MEMSジャイロスコープと加速度計：航空宇宙および自動運転に使用
慣性センサーは、内部のマイクロマスブロックを真空環境で動作させることで、空気による減衰が信号感度に与える影響を回避し、極めて高い検出精度を実現します。セラミックガスシールは、内部真空環境の長期安定性を確保し、高精度と信頼性を保証する生命線となっています。
 

2. MEMS圧力センサー：自動車のエンジンルームや油井監視に使用

高温、高圧、腐食性媒体といった過酷な環境下において、セラミックパッケージは機械的な絶縁層として機能し、外部からの応力が繊細なシリコンチップに直接作用するのを防ぎます。同時に、耐腐食性を備えているため、過酷な媒体に直接接触しても信号出力の精度を確保します。

3. RF MEMSスイッチおよびフィルタ：5G/6G通信およびレーダーシステム向け
これらのデバイスは高周波信号に非常に敏感であり、安定した動作環境が必要です。不適切なパッケージングは​​、デバイスのQ値と挿入損失を著しく低下させる可能性があります。セラミックパッケージ（LTCCなど）は、低損失の伝送経路と優れた熱管理機能を提供し、複数の受動部品（インダクタやコンデンサなど）を基板上に埋め込むことができるため、システムレベルパッケージの小型化を促進します。

MEMSシステムにおけるセラミックパッケージは、単なる保護シェルではありません。過酷な環境下におけるデバイスの長期的な安定性と信頼性を確保する上で重要な役割を果たし、MEMSデバイスが動作し、耐久性を維持するための高品質な内部環境を作り出すことができます。