El encapsulado de los chips de los módulos giroscópicos MEMS se refiere al proceso completo —que se lleva a cabo después de la fabricación a nivel de oblea de la estructura de detección y los circuitos de procesamiento de señal— de encapsular el chip individual, enrutar los conductores y establecer las interconexiones eléctricas. El encapsulado influye directamente en el entorno de estrés termomecánico del módulo, su fiabilidad hermética y la integridad de la señal. Actualmente, las principales soluciones de encapsulado para estos chips se dividen en tres categorías: cerámica, plástico y metal.
Comparación de las tres soluciones de embalaje
(1) Envases de cerámica
La alúmina o el nitruro de aluminio sirven como sustrato y material de encapsulado. Se utiliza un proceso cerámico multicapa de cocción conjunta (HTCC/LTCC) para fabricar la cavidad y las capas de interconexión; el chip se conecta a las almohadillas internas mediante unión por hilo o unión flip-chip y, finalmente, se sella con una tapa de cerámica o metal.
Compatibilidad térmica: El coeficiente de dilatación térmica (CTE) es de aproximadamente 6,0–7,2 ppm/°C para la alúmina y de 2,7 ppm/°C para el nitruro de aluminio. Estos valores coinciden estrechamente con los del silicio, lo que reduce significativamente la tensión ejercida sobre la estructura MEMS durante las fluctuaciones de temperatura y garantiza una baja deriva de polarización cero.
Hermeticidad: Capaz de lograr un sellado hermético verdadero (tasa de fuga ≤ 1×10⁻⁸ atm·cm³/s), aislando eficazmente la humedad y los contaminantes, y ofreciendo una excelente fiabilidad a largo plazo.
Alta frecuencia/Bajos efectos parásitos: Los materiales cerámicos presentan bajas pérdidas dieléctricas, lo que los hace adecuados para pines de señal de alta frecuencia.
Las limitaciones del embalaje cerámico incluyen altos costos de material y procesamiento, así como altas temperaturas de sinterización (>800 °C); por lo tanto, es adecuado principalmente para aplicaciones de alta gama.
(2) Envases de plástico
La carcasa se fabrica mediante compuestos de moldeo de resina epoxi, utilizando procesos de moldeo por inyección o transferencia. Generalmente se emplean marcos de conexión metálicos para los pines, y las conexiones entre el chip y los pines se realizan mediante soldadura de hilo de oro o cobre.
Los envases de plástico ofrecen importantes ventajas en cuanto a costes; los costes de material y procesamiento son sustancialmente inferiores a los de los envases de cerámica o metal, lo que los hace adecuados para la producción en masa.
Las desventajas del embalaje de plástico son principalmente tres. El coeficiente de dilatación térmica (CTE) de la resina suele superar los 10 ppm/°C, lo que provoca una importante discrepancia térmica con el chip de silicio; el estrés térmico causa directamente fluctuaciones en el factor de escala y la polarización cero. La hidrofilia de la resina epoxi provoca una tensión de hinchamiento al absorber humedad; durante la soldadura a alta temperatura, esto puede desencadenar el "efecto palomitas de maíz", que provoca el agrietamiento del encapsulado. Además, la penetración de humedad corroe gradualmente las estructuras internas, comprometiendo la fiabilidad a largo plazo. Adicionalmente, la hermeticidad insuficiente impide el sellado al vacío, lo que dificulta el cumplimiento de los requisitos de estabilidad a largo plazo de las aplicaciones de alta precisión.
(3) Embalaje metálico
Estos encapsulados utilizan una carcasa fabricada con aleación de Kovar (una aleación de hierro, níquel y cobalto) o acero inoxidable. Los conductores están aislados y sellados contra la carcasa metálica mediante aislantes de vidrio, y el interior puede llenarse con gas inerte o evacuarse al vacío.
El encapsulado metálico es reconocido por su excepcional resistencia mecánica, ofreciendo la mejor resistencia a golpes y vibraciones entre todas las soluciones de encapsulado. Es capaz de soportar entornos operativos extremos caracterizados por sobrecargas y fuerzas de impacto elevadas. Además, su hermeticidad rivaliza con la del encapsulado cerámico, bloqueando eficazmente la humedad y los contaminantes para garantizar la fiabilidad a largo plazo del chip interno.
El coeficiente de dilatación térmica (CTE) del encapsulado metálico es de aproximadamente 5,0–5,5 ppm/°C; si bien es superior al del encapsulado plástico, persiste una incompatibilidad con el chip de silicio, lo que implica que el impacto del estrés térmico no puede ignorarse. Además, el tamaño y peso relativamente grandes del encapsulado, junto con la densidad limitada de los pines, dificultan el desarrollo de módulos miniaturizados y altamente integrados. El proceso de fabricación es complejo y el coste total puede incluso superar al del encapsulado cerámico. Debido a la tendencia general de la industria hacia la miniaturización, el encapsulado metálico está siendo reemplazado gradualmente por soluciones de encapsulado cerámico en el campo de los giroscopios MEMS.
Tabla resumen comparativa
Criterios de comparación | Envases de cerámica | Envases de plástico | Paquete metálico |
Compatibilidad térmica (CTE) | Excelente (≈2.7–7 ppm/°C) | Deficiente (>10 ppm/°C) | Medio (≈5–5,5 ppm/°C) |
Hermeticidad | Excelente (hermético al vacío) | Malo (no hermético) | Excelente (hermético al vacío) |
Resistencia a la humedad/corrosión | Excelente | Pobre | Excelente |
Resistencia mecánica | Medio | Medio | Excelente |
Capacidad de miniaturización | Medio-alto | Alto | Bajo |
Densidad de plomo | Alto (admite enrutamiento multicapa) | Medio | Bajo |
Costo | Alto | Bajo | Alto |
Aplicaciones típicas | Navegación/Aeroespacial/Medición de precisión | Electrónica de consumo/juguetes/IMU de gama baja | Perforación petrolífera / Militar / Entornos extremos |
Recomendaciones de selección
· Sectores de alta precisión y fiabilidad (navegación inercial, aeroespacial, conducción autónoma): el encapsulado cerámico es la opción óptima, ya que ofrece una excelente adaptación térmica y hermeticidad.
· Electrónica de consumo y aplicaciones sensibles al coste (teléfonos móviles, mandos de videojuegos, dispositivos portátiles): Los envases de plástico ofrecen ventajas en cuanto a la reducción de costes y peso, aunque conllevan algunas desventajas en cuanto a la precisión.
· Entornos mecánicos extremos (perforación de pozos profundos, pruebas de alto impacto): Los envases metálicos conservan un nicho de mercado debido a su resistencia mecánica superior.
En resumen, el encapsulado cerámico, que aprovecha las ventajas de la compatibilidad térmica y la hermeticidad, representa la tecnología predominante para los chips de módulos giroscópicos MEMS de alta precisión; el encapsulado plástico domina el mercado de consumo gracias a su rentabilidad; y el encapsulado metálico se limita a entornos especializados. Las tendencias futuras apuntan a una continua reducción de costes en los procesos de encapsulado cerámico y a una evolución hacia estructuras compuestas —que combinan cerámica cocida a alta temperatura (HTCC) con tapas metálicas— para mejorar aún más la integración y la fiabilidad, consolidando así su posición central en aplicaciones de alto valor.
dejar un mensaje
Escanea y envíalo a WeChat. :
