Vacuum Packaging of MEMS (Microelectromechanical System) Devices using LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) Technology

LTCC 기술을 이용한 MEMS 소자 진공 패키징

In the current electronic technology atmosphere, MEMS (Microelectromechanical System) technology is regarded as one of promising device manufacturing technologies to realize market-demanding device properties. In the packaging of MEMS devices, the packaged structure must maintain hermeticity to protect the devices from a hostile atmosphere during their operations. For such MEMS device vacuum packaging, we introduce the LTCC (Low temperature Cofired Ceramic) packaging technology, in which embedded passive components such as resistors, capacitors and inductors can be realized inside the package. The technology has also the advantages of the shortened length of inner and surface traces, reduced signal delay time due to the multilayer structure and cost reduction by more simplified packaging processes owing to the realization of embedded passives which in turn enhances the electrical performance and increases the reliability of the packages. In this paper, the leakage rate of the LTCC package having several interfaces was measured and the possibility of LTCC technology application to MEMS devices vacuum packaging was investigated and it was verified that improved hermetic sealing can be achieved for various model structures having different types of interfaces (leak rate: stacked via; $4.1{\pm}1.11{\times}10^{-12}$/ Torrl/sec, LTCC/AgPd/solder/Cu-tube; $3.4{\pm}0.33{\times}10^{-12}$/ Torrl/sec). In real application of the LTCC technology, the technology can be successfully applied to the vacuum packaging of the Infrared Sensor Array and the images of light-up lamp through the sensor way in LTCC package structure was presented.

MEMS 소자는 현재의 전자산업환경에서 여러 요구조건을 만족시킬 수 있는 특징을 갖추고 있으며 이러한 MEMS 소자를 이용한 MEMS 구조물의 packaging 방법에 있어서는 내부 MEMS 소자의 동작을 위한 외부 환경으로부터의 보호를 위하여 Hermetic sealing에 대한 요구를 충분히 만족시켜야 한다. 본 논문에서는 이와 같은 MEMS device의 진공 패키지를 구현함에 있어서 기판내부에 수동소자를 실장할 수 있는 LTCC 기술$^{1)}$ 을 이용하여 진공 패키징하는 방법에 대하여 소개한다. 본 기술을 이용하는 경우 기존의 Hermetic sealing이외에 향후 적층 기판 내부에 수동소자를 내장시켜 배선 길이 및 노이즈 성분을 감소시켜 더욱 전기적 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있게된다. 본 논문에서는 LTCC기판을 이용하여 패키징 시킨 후, 내부 진공도에 영향을 줄 수 있는 계면들에서의 시간에 따른 진공도 변화로부터 leakage rate를 측정 (stacked via : $4.1{\pm}1.11{\times}10^{-12}$/Torr1/sec, LTCC 기판/AgPd/solder/Cu의 여러 가지 계면구조: $3.4{\pm}0.33{\times}10^{-12}$/ Torrl/sec)하여 LTCC 기판의 Hermetic sealing 특성에 관하여 조사하였다. 실제 적용의 한 예로 LTCC 기술을 이용하여 Bolometer를 성공적으로 진공패키징할 수 있었으며 실제 관찰된 이미지를 함께 소개한다.