CN114080368A - 气密封闭的硬化玻璃外壳及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气密封闭外壳，其包括形成外壳的至少一个部分的基底基材和覆盖基材、由所述外壳包围的至少一个功能区域，其中至少覆盖基材优选地包括玻璃质材料，其中基底基材和覆盖基材用至少一个激光接合线气密密封地结合，其中激光接合线具有垂直于其连接平面的高度HL，其中至少覆盖基材在其表面上至少在与所述激光接合线相对的一侧上具有硬化层、优选化学硬化层，其中硬化层优选地将压应力施加到覆盖基材上。

Description

气密封闭的硬化玻璃外壳及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于外壳的透明覆盖层、一种透明外壳以及一种用于提供多个气密密封外壳的方法。

背景技术

气密封闭外壳可以用于保护敏感的电子设备、电路或例如传感器等。因此医疗植入物可以用于例如心脏区域中、视网膜中或生物处理器。迄今为止，已经制造并使用钛制成的外壳用于这些目的。

传感器可以用外壳保护以应对特别不利的环境条件。该领域还包括例如MEMS(微机电系统)、气压计等。

根据本发明的外壳使用的另一领域可以在用于智能手机的壳、在虚拟现实眼镜领域中以及类似装置中发现。

上述使用目的的共同点是，电子设备对其坚固性有很高的要求。因此，电子设备被保护免受环境影响。另外，必要情况下要求，保证与外壳的内部区域、即由外壳构成的腔体的光学交换，即外壳是至少部分透明的。

基本上已知的是，将多个零件共同结合并且这些零件如此设置，使得在可以容置部件的中间空间中产生容纳区域。例如，欧洲专利EP 3 012 059B1示出了一种制造用于保护光学构件的透明零件的方法。在此使用了一种新型的激光方法。

发明内容

在上下文中，本发明应视为外壳被改进并且特别是更有抵抗力地被构建。由此可以提高抵抗环境影响以及例如机械负载的鲁棒性。

换句话说，本发明的目的在于，提供一种用于腔体的改进的外壳，以承受更加不利的环境条件和影响。在此特别注意外壳的机械应力，以例如避免边棱破损。

本发明的另一方面是，特别成本有利地、但也可靠且持久地提供外壳的改进，因为改进的外壳还必须在市场上的竞争情况中保持其自身的地位。

因此在本发明的范围内提出了一种用于提供多个气密密封外壳的方法。尽管该方法也可以毫无困难地改变为，用该方法仅制造单个外壳，但出于经济考量以相同的工艺顺序生产多个外壳是有意义的，因为由此可以节省时间、花费和原材料物料。

根据本发明，提供了一种气密封闭外壳，该外壳至少包括构成外壳的至少一部分的基底基材和覆盖基材。换言之，例如，覆盖基材平放到基底基材上，使得基底基材与覆盖基材构成叠摞。它在此可以优选地是晶片叠摞。

外壳包围至少一个功能区域，该功能区域可以设置为用于执行各种任务。例如，功能区域可以包括活性表面。功能区域优选具有腔体，即由外壳包围的中空空间。该腔体可以设置为用于安装或容置功能构件，使得其涉及一种容置腔体。

至少覆盖基材优选地至少局部地包括玻璃质材料。覆盖基材的玻璃质材料进一步优选至少局部是透明的，特别是至少对于特定波长范围透明。在一个示例中，覆盖基材由在350nm至1800nm的波长范围内透明的玻璃组成。此外，盖板玻璃具有两面抗反射涂层，即所谓的抗反射涂层(AR-Coating)，其将1000nm至1100nm范围内的菲涅耳反射分别从5％降低到1％以下。多数玻璃在此波长范围内具有高透射率。对于最终的透射率，之后施加的涂层是决定性的，其可以根据相应的特性进行设计。

基底基材和覆盖基材利用至少一个激光接合线气密密封地结合。因此，基底基材可以借助激光接合线紧邻且直接地与覆盖基材气密密封地结合。

在此激光接合线具有垂直于其连接平面的高度HL。换句话说，激光接合线可以理解为一条具有通常椭圆形横截面(高度HL+AF可达100μm、宽度10-20μm)的连续的熔融线，该熔融线由来自激光发射的类珠串的热量积累引起。一般地，熔融线在激光发射珠串以上创建。激光发射珠串AF的位置在此位于连接平面以下，使得所得熔融区的横截面穿透连接平面。因此熔融线具有一定程度的伸展。在该示例中从连接平面到激光接合线的结合区的端部在一个方向上的竖直距离称为HL。激光焊接优选使用具有高重复率的激光。激光夹杂物的珠串通常不再可见，并且珠间距仅间接(热量积累)进入到熔融线的几何结构中。

至少覆盖基材在其表面上至少在与激光接合线相对置的一侧上具有硬化层，优选化学硬化层，其中硬化层优选地将压应力施加到覆盖基材上。

换言之，在第一步骤中提供第一(基底基材)和至少一个第二基材(覆盖基材)以提供外壳，其中该至少一个第二基材由透明材料构成，即对于至少某一波长范围至少局部或部分是透明的。至少两个基材在此直接彼此靠紧地或彼此重叠地布置，其中待密封的腔体由至少一个第二基材覆盖，其中相应外壳的相应下侧由第一基材构成。在至少两个基材之间形成至少一个接触面，使得每个外壳具有至少一个接触面。然后通过沿着每个外壳的(多个)接触面，特别是沿着每个外壳的边缘处的线在接触面上结合至少两个基材来气密密封地封闭腔体。外壳可以有利地例如由共同的例如以晶片叠摞的晶片的形式的起始基材共同制造。然后在该方法中借助切割或分离步骤实现相应外壳的分开。

基材层紧邻并且彼此直接接触地叠摞，即彼此靠紧地布置。在基材层之间尽可能排除外来材料，使得产生从一个基材层到相邻的基材层的尽可能紧密和平坦的接触。例如，在两个基材的情况下，基底基材布置成与覆盖基材彼此直接接触，尤其在基底基材和覆盖基材之间不存在其它材料或间距。例如可以容忍的是，如果基材层之间存在也可能由基材的不均匀性导致的小于5μm、优选小于2μm、更优选小于1μm的间距。

在多于两个基材的示例中，基底基材与中间基材层或中间基材层中的第一个紧邻地紧邻地相邻布置，覆盖基材又与中间基材层或中间基材层中的最后一个紧邻地紧邻地相邻布置。

然后利用新的激光结合工艺将基材彼此结合。在此，平坦的基材层与紧邻地相邻布置的平坦的基材层直接彼此结合，而没有为此目的提供或需要外来材料或非平坦材料或中间材料层。因此，基材分别直接彼此结合。在两个基材层之间的平坦的接触区域中引入的产生的激光接合线将直接彼此靠紧地布置的基材层不可分离地彼此连接。激光接合线的熔合区域因此位于两个基材中，并且从第一基材无缝地并入到紧邻地相邻布置的第二基材中，即例如从基底基材并入到覆盖基材中。

因此从一个基材层到下一个基材层构成紧邻的、平坦的或甚至完全平坦的过渡，例如基底-基底过渡或玻璃-玻璃过渡。局部界定的体积形成为结合区或激光接合线，其中在相邻的、尤其构造为平坦的基材层之间存在材料转移或混合。换句话说，第一基材，例如覆盖基材的材料渗透到相邻设置的基材，例如中间基材或基底基材中，反之亦然，即来自相邻设置的基材的材料渗透到第一基材中，使得在结合区中存在相邻布置的基材的彼此完全的材料混合。结合区因此也可以称为对流区。

用于产生不可分离的基材-基材过渡的新激光结合技术在此以特别有利的方式没有在早期已知方法中在基材之间必须引入的中间层、玻璃料、薄膜或粘合剂。更确切地，可以在没有相应的干扰的中间层或附加材料的情况下产生不可分离的连接。这节省了额外材料的使用、增加了最终产品的可实现的硬度、并且能够实现功能区域或腔体/多个腔体的可靠的气密密封。激光结合区在此可以在完成的最终产品中例如通过在小的熔融区域中的材料的特定局部折射率变化来验证。

在外壳中，基底基材和覆盖基材可以用相同的激光接合线彼此气密密封地结合。另一方面，可以将一个或多个中间基材布置在基底基材和覆盖基材之间，其中然后将基底基材与最下方的中间基材结合并且将覆盖基材与最上方的中间基材结合。

至少一个激光接合线可以优选地以距离DF环绕地包围功能区域。激光接合线也可以作为例如S形的曲线引入到材料或两个基材之间的接触面的区域中，使得在此在必要情况下部分地进入到硬化材料的硬化区域或硬化区中。令人惊讶地发现，当由于硬化而在材料中建立的拉应力高时，借助激光结合工艺的材料的结合也起作用。

硬化层可以具有硬化层厚度DoL。覆盖基材可以在激光接合线上方优选地具有直至硬化层的最小材料厚度MM。对于覆盖基材的总厚度DA，此外也可以适于以下条件：DA-HL-DoL≥MM。因此，总厚度DA减去以HL延伸到覆盖基材中的激光接合线的高度，并且进一步减去硬化层厚度DoL剩下至少覆盖基材的最小材料厚度MM。距离MM确保，硬化区域不会发生热湮灭。

硬化层厚度DoL是应力曲线应力过零点的深度。令人惊讶的是，焊接线甚至可以在盖板玻璃的DoL中，而不会影响强度。这是由于激光结合线在小于50μm的范围内的小的可实现的侧向伸展，例如10至50μm或10至20μm。焊接线可以突出到硬化表面中，因为它在那里优选仅“软化”不重要的区域。换句话说，当激光结合线调整或设定为其仅具有小的侧向伸展时，该激光结合线可以是硬化表面的一部分。

为了安全起见，可以在激光接合线上方提供最小材料厚度MM，该最小材料厚度将激光接合线与硬化表面分开。最小材料厚度优选地大于或等于100μm、更优选地大于或等于50μm、甚至更优选地大于或等于20μm。另一方面，已经发现，如果激光接合线上方的最小材料厚度MM小于200μm、优选小于100μm、更优选小于50μm是足够的。

覆盖基材可以以有利的方式在两侧被硬化，使得覆盖基材具有在其面向功能区域的一侧上和/或在与基底基材的连接面上的具有硬化层厚度DoLb的第二硬化层。

激光接合线的高度HL可以大于第二硬化层的硬化层厚度DoLb。

至少覆盖基材优选地在所有侧面，特别是在其整个外周面上被硬化。换言之，覆盖基材在所有侧面具有一个或多个硬化层，其围绕功能区域，特别是整个周向地围绕。在这方面，该包装随后被硬化。

硬化层然后可以具有硬化层厚度DoLa、第二硬化层可以具有硬化层厚度DoLb、并且第三硬化层可以在外壳的环绕边缘上具有硬化层厚度DoLc。在一个示例中，厚度DoLa、DoLb和DoLc可以相同。

侧向于功能区域，激光接合线和硬化层厚度DoLa之间的侧向最小距离DB可以是例如5至10μm。由于该过渡部不应软化，则有利的是侧向于相应的硬化边棱保持模块宽度的至少一半。由于激光接合线可以更高，例如具有100μm或更小的HL，焊接面积与边棱面积的比率不太有利。因此，最好在此首先不要让激光接合线伸入到硬化区中。

覆盖基材可以具有这个或其他功能区域。换言之，功能区域可以布置在覆盖基材中。例如，功能区域可以包括施加在覆盖基材的下侧上的活性面，例如反射层。例如，功能区域可以通过将覆盖基材通过适合的方法挖空的方式在覆盖基材中被挖出。喷砂方法可以适用于此。

基底基材也可以在其与激光接合线相对的下侧上具有硬化层DoLd。

每个外壳可以形成腔体，其由外壳的侧向环绕的边缘、下侧以及上侧包围。换句话说，这样的腔体在所有侧面都被外壳包围，使得用于腔体的外壳形成环绕的边缘、下侧和上侧。

腔体特别可以构造为容置腔体。这意味着，例如，电子电路、传感器或MEMS可以在相应的腔体中使用，即它们容置在那里。这些前述装置，例如特别是电子电路、传感器或MEMS因此在所有侧面都被外壳包围，因为它们被布置在容置腔体内。

在根据本发明的方法中，首先提供至少两个基材，即例如覆盖基材和基底基材，其中这两个基材中的至少一个由透明材料构成或至少局部地包括透明材料。至少两个基材直接彼此靠紧地或直接彼此重叠地布置。换句话说，至少两个基材彼此布置或附接成使得它们在至少两个基材之间不存在其它层的情况下彼此平坦地靠紧。

由于技术原因，有可能无法避免基材层之间的最少的气体夹杂物，这也是基材层可能不平整的原因。例如，可以通过增加压力，例如尤其通过将至少两个基材彼此压靠，或者通过对基材层进行表面处理，例如磨削工艺来进一步减少夹杂气体的量。特别优选的是基材之间可能出现的间隙小于或等于5μm厚、更优选小于或等于2μm、更优选小于或等于1μm。例如，这种间隙是由基材生产中的公差、由热影响或由颗粒如灰尘的夹杂物产生的。即使在这种在本发明的范围内也应被认为是紧邻地相邻的可容许间距的情况下，也可以以如下方式用激光结合，即结合区具有在10至50μm之间的厚度，从而确保气密密封。在这种情况下，结合区也从第一基材延伸直到与第一基材相邻设置的第二基材中。因此，结合区在第一和第二基材之间的接触区域中被引入并且将基材彼此直接熔合成不可分离的复合结构。换言之，当相邻布置的基材在结合区接合时，位于结合区的两个基材的材料直接熔融并且第一基材的材料与第二基材的材料混合成不可分离的、一件式的复合结构。因此，此类制造的外壳无论如何在结合区中具有一件式的、即基材之间的整体复合结构。

至少一个透明基材形成待密封的腔体的相应外壳的相应边缘和相应上侧。在优选设计方案中，彼此靠紧放置的两个透明基材是至少一个透明基材，使得第一透明基材形成相应腔体的边缘并且第二透明基材形成相应腔体的上侧。在对此的替代设计方案中，透明基材具有凹深部或槽。凹深部或槽例如可以借助研磨方法或其他消减方法、例如蚀刻方法引入到透明基材中。第二基材形成相应外壳的相应下侧。

在优选实施方式中，所有三个基材层都是透明的，使得下侧、边缘以及上侧，以及因此外壳完全由透明材料构成。

气密密封封闭腔体的步骤可以借助激光结合方法沿着每个外壳的相应连接面结合至少两个基材来执行。换句话说，能量可以借助激光在连接面或所需穿透深度的区域中沉积，特别是局部沉积，即可以称为冷结合方法。因此，为结合提供的热能集中在连接面的路线上定向并且仅缓慢地扩散到外壳的其余材料中，使得尤其在腔体中不会出现显着的温度升高。这防止设置在腔体中的电子设备过热。

通过激光，在此两个基材的材料沿着连接面在相应外壳的区域中局部熔融，使得至少两个基材局部连接。为此，本领域技术人员可以例如参考EP 3 012 059B1，其通过引用并入本文。

相应的外壳借助切割或分离步骤分开。这意味着，以每个外壳与其余材料分开的方式切割或分离基材。

外壳最终通过化学溶液浴在其表面上进行化学硬化。

发明人已经发现，通过在化学溶液中浸泡而使表面化学硬化能够显着增加相应外壳的抗破损性，并且由此特别地减少了边棱破损。出于多种原因，这令人惊讶。

首先，令人惊讶的是，化学溶液没有渗透到接合缝处，并且因此结合缝没有受到化学应力。这可能会产生恶化的影响，最初必须假设这一点。因此迄今为止还认为采用将两个或多个基材彼此结合的方法进行化学硬化的外壳在技术上是不可行的，因为当外壳与基材分开时，预计外壳会破裂。发明人在最初的实验中也发现了这一点。使用在此介绍的方法，并且在特别优选的情况下，结合使用激光进行结合和/或分离步骤，令人惊讶地现在这成为可能。

此外，令人惊讶地发现，通过激光结合封闭的腔体可以很容易地承受2个大气压或更高的内部压力，例如当外壳在硬化浴中加热时会发生这种情况。

外壳优选地包括第一和第二透明基材，其中第一透明基材形成腔体的相应的边缘，而第二透明基材形成腔体的相应的上侧。换言之，第一透明基材形成覆盖基材并且第二透明基材形成中间基材。当使用两个透明基材时，第一个用于形成边缘，第二个用于形成上侧，已经为每个外壳配置了两个环绕的光学透明区域。在这种情况下，相应的腔体通过以下方式气密密封地封闭，即利用激光结合方法沿着一方面在覆盖基材和中间基材之间以及另一方面在中间基材和基底基材之间的两个边界面结合。第一透明基材和第二透明基材以及基底基材在这种情况下彼此牢固地焊接，并且同时将腔体气密密封地封闭。

优选地，至少两个、优选三个基材优选以具有至少两个、优选三个晶片的晶片叠摞的形式提供。然后可以在相同的工作过程中由晶片或晶片叠摞共同制造多个气密密封外壳。该程序已被证明是特别经济的，因为伴随有特别少的废料和因此的材料损失。

至少两个晶片优选地由玻璃制成或者至少一个晶片由玻璃制成并且第二晶片由与玻璃不同类型的材料制成。换言之，形成腔体下侧的晶片可以由光学非透明材料提供，该材料在必要情况下具有其它特性，例如特别是导电性。然而，外壳的边缘和上侧由透明材料制成。进一步优选的是，提供由透明材料制成的所有基材。在由玻璃制成或主要由玻璃制成，特别是由硼硅玻璃制成的透明外壳的情况下，特别有利的是，它是化学惰性的。

气密密封外壳的边棱硬度可以使用四点弯曲测试方法进行测量。用根据本发明的方法强化的外壳的边棱硬度因此特别耐用，在此为至少150MPa或甚至大于150MPa。

优选地，相应外壳的分开借助激光来执行，即借助激光切割或激光分离方法。由此可以进行外壳的更干净的分离，其中产生更少的断裂和更干净的分离点。也用于结合步骤的相同激光可以优选地用于分离。

除了玻璃之外，至少一个透明基材还可以包括玻璃陶瓷、硅或蓝宝石或上述材料的组合，也就是说，例如由玻璃-硅、玻璃/硅/蓝宝石组合或硅/蓝宝石组合构成。

一个或多个基材也可以具有涂层。例如可以使用AR涂层、保护涂层、生物活性膜、光学过滤器、例如由ITO或金制成的导电层，只要确保，对于激光的辐射区域中，对于使用的激光波长存在透明性或至少部分透明性。

外壳的化学硬化步骤优选包括以下子步骤中的至少一个：提供酸性或碱性溶液，特别是包含KNO₃或由KNO₃组成；将外壳引入到酸性或碱性溶液中；将酸性或碱性溶液加热至至少650K、优选至少700K、更优选至少720K的温度；将外壳在酸性或碱性溶液中浸泡至少6小时、优选至少8小时、更优选至少9小时、优选最多12小时。

酸性或碱性溶液还可以包含其它钾盐。原则上，钠离子与铷、铯、钫或类似物的交换也是可能的。在硬化过程中应注意，外壳应具有尽可能少的例如与浴盆、所使用的架子或浴中的其它对象的接触点，因为在相应的接触点处可能会降低硬化浴的效果。

根据本发明，还提供了一种具有封闭在其中的气密封闭容置腔体的外壳，其根据上述方法制造。

根据上述方法制造的外壳可以以有利的方式用作医疗植入物或用作传感器，特别是用作气压计。

在本发明的范围内还有一种特别透明的外壳，其具有用于容纳容置对象的气密封闭的容置腔体。容置对象例如是电子电路、传感器或MEMS。

根据本发明的外壳具有由透明材料制成的侧向环绕的边缘以及下侧和上侧，它们一起完全包围容置腔体。

侧向环绕的边缘、下侧或上侧中的至少一个在这种情况下对于某波长范围至少局部透明。换句话说，如果外壳的至少一个子元件至少在子元件的子区域处对于优选的波长范围是透明的就足够了，其中波长范围是预先已知的并且，如果期望，材料可以根据要使用的激光波长进行相应调整。

外壳使用激光结合方法结合到气密闭合的外壳。换句话说，边缘、下侧和上侧由不止一个部件，例如两个或三个部件或更多部件构成，并且其中这些部件彼此激光结合以生产外壳。

外壳至少部分地和/或局部地被化学硬化。例如，外壳的一个表面，即例如上侧被化学硬化。上侧和边缘也可以进行化学硬化。特别优选地，不仅上侧，还有边缘以及下侧都被化学硬化，使得不仅上侧或下侧的相应表面而且相应的边棱、也称边缘都被化学硬化。

侧向环绕的边缘可以优选地由第一基材制作，下侧由第二基材制作，并且上侧由第三基材制作。然后外壳又由晶片叠摞制造。

优选地，在透明外壳的情况下，侧向环绕的边缘和/或下侧和/或上侧可以被化学硬化，或更优选地，外壳的整个表面被化学硬化。

外壳的化学硬化优选通过以下方式实现，即在30μm或更小、或20μm或更小、或优选10μm或更小的层厚度中存在的钠离子部分地或完全地由钾离子交换。

优选地，在从例如在一个制造方法中，尤其在上述制造方法中与外壳一起制造的其它外壳分离之后，外壳经受化学硬化。

外壳可以包括由第一部件制作的由透明材料制成的侧向环绕边缘、由第二部分制作的下侧以及由第三部分制作的上侧，它们一起完全包围容置腔体。

然后使用激光结合方法将外壳的上述至少三个部件结合为气密闭合的外壳。

优选地，外壳具有至少150MPa或大于150MPa的边棱硬度，其中边棱硬度可以使用四点弯曲测试方法测量。

透明外壳例如可以具有3mm×3mm或更小的尺寸，尤其容置腔体具有小于或等于2mm的直径。例如，透明外壳也可以具有0.2mm×0.2mm或更小的尺寸。另一方面，根据应用领域，透明外壳也可以制造得更大，长度可以达到若干厘米，甚至更多。来自实践的尺寸限制，其是由于优选的制造方法为前提，但不应被理解为本身的尺寸限制，仅在于要切割的晶片的尺寸。然而使用晶片进行制造仅应理解为示例。例如，完全有可能使用玻璃板来制造透明外壳，该外壳也可以具有比典型的晶片大小更大的尺寸。

附图说明

附图中：

图1a示出了打开的容置腔体的俯视图；

图1b示出了封闭外壳的3D视图；

图2a示出了穿过外壳的截面；

图2b示出了结合区的细节视图；

图3示出了外壳的另一实施方式的俯视图；

图4a-8b示出了如图3所示的外壳的实施方式沿着线A->B或C->D的截面；

图9示出了用于制造外壳的方法的流程；

图10示出了用于制造外壳的另一种方法的流程；

图11-14是根据本发明实现的外壳的摄影视图。

具体实施方式

图1a示出了待保护的容置对象2，其嵌入在基底基材或下晶片3上、在其侧面上被中间晶片4围住或包围并且其待由覆盖基材或上晶片5覆盖。在图1的示例中，三个晶片3、4、5因此共同形成围绕在腔体12中布置的容置对象2的外壳1。换句话说，当在图1的示例中将上晶片5放置到中间晶片4上时形成所有侧面闭合的在后面的步骤中待气密封闭的容置腔体12。

图1b示出了以这种方式构成的气密封闭的、化学硬化的外壳1。如图1中的示例，该外壳1具有彼此叠摞的基底基材或下晶片3、中间基材或中间晶片4以及覆盖基材或上晶片5。一方面在下晶片3和中间晶片4之间以及另一方面在中间晶片4和上晶片5之间分别存在接触面或边界面25。从图1a还可以看出，中间晶片层4构造为不连续的，使得容置腔体12在中间晶片层4的高度处形成。

参考图2a，通过气密封闭的、化学硬化的外壳1的截面被示出。下晶片3形成腔体12的下侧22，中间晶片4形成腔体12的边缘21，并且上晶片5最终形成腔体12的上侧23。换言之，下晶片、中间晶片和上晶片3、4、5一起作为晶片叠摞18包围容置腔体12。容置对象2布置在腔体12中。

图2b示出了结合区域的细节视图，其中激光结合的界面区7和激光结合区8清楚地出现。激光结合区8布置在光学边界面25的区域中。环境影响会从外壳1的外侧作用到外壳上，尤其激光结合的叠摞18的折角6上。这些折角6在此还防止例如化学溶液渗透到晶片叠摞18中直至激光结合区8。换言之，令人惊讶的是，在激光结合的叠摞18的折角6处没有发生化学溶液的渗透。

图3示出了根据本发明的外壳1的俯视图，其中环绕的激光结合区8围绕功能区域13。功能区域13可以以不同的方式构建。在图4a至8b中可以找到功能区域13的设计的示例以及外壳的其它选项。功能区域13的各种设计在此可以在图3中如此图形组合，因为所有俯视图可以以相同方式示意性地示出。截面绘制在A-B或C->D线上，其相应地在图4a至8b中被再现。

功能区域可以实现各种任务，例如这可以是光学接收器或布置在功能区域13中的技术的、机电的和/或电子的构件。多个这些任务也可以在功能区域13中实现。外壳8在上侧被上基材5覆盖。激光结合区8延伸到该上基材5中。

参考图4a，外壳1的第一实施方式的第一剖视图被示出，其中上基材5在其上侧上具有第一硬化层27。例如，覆盖基材5可以在其与基底基材连接之前或也可以在基底基材3连接之后将其上侧浸入到硬化浴中(参见例如图9)，使得完成的外壳1在一侧化学硬化，即具有至少一个硬化表面27和/或具有至少一个硬化层。换言之，完成的外壳1至少局部地或至少部分地硬化，如尤其化学硬化。在化学硬化时形成作用到覆盖基材5上的压应力。

图4a还示出了来自彼此成一系列的多个激光脉冲命中区域16的激光结合线8的结构，这些激光脉冲命中区域彼此紧密地设置成使得基底基材3和覆盖基材5的材料彼此无间隙地融合。第一硬化层27具有高度DoL。结合区8具有高度HL。在硬化区27和结合区8之间剩下最小材料厚度MM。然后，覆盖基材5的整个厚度可以由HL+MM+DoL组成。

图4b示出了外壳1的一种实施方式的沿着如图3中插入的C->D线的剖视图。覆盖基材5在其上侧或外侧具有第一硬化层27，其经过厚度DoL延伸到覆盖基材5的材料中。换句话说，覆盖基材5以及因此外壳1在上侧被硬化或在那里具有硬化区27，使得外壳1局部地、即在一侧上被硬化。

图4b还示出了穿过功能区域13、13a的截面，该功能区域例如延伸为外壳1中的连续中空空间或腔体。换言之，腔体从基底基材3延伸直到覆盖基材5中并且例如呈现由基底基材3和/或覆盖基材5制成的凹部的形式。例如，功能区域13a还可以包括活性层、例如导电层，并且功能区域13包括腔体。环绕围绕功能区域13、13a布置激光结合区8，借助该激光结合区功能区域13、13a在侧面上四周被封闭。可以想象，在激光结合区8中留下开放区域，使得功能区域13、13a不会四周被封闭，例如保持开放连通通道，通过该连通通道可以建立例如与环境的流体连通。换句话说，可以规定，预先规划的方位或位置不是用聚焦激光束9封闭，而是通过其它手段，例如用粘合剂在那里建立气密的封闭。优选地，功能区域13、13a在所有侧面并且没有间隙地封闭。

参考图5a，另一实施方式被示出，其中激光结合区8借助激光脉冲命中16沿着接触面25产生，在该激光结合区上覆盖基材5与基底基材3焊接或结合。在该实施方式中，覆盖基材5在其上侧上具有第一硬化层27以及在其下侧上具有第二硬化层28。为了实现这一点，首先将覆盖基材5在不与其它基材接触的情况下放置到硬化溶液中并在其两个相对表面上化学硬化。在该实施方式中，覆盖基材5因此直接在硬化层28的区域中结合。完全令人惊讶的是，结合在硬化层28中是完全可能的。

图5b示出了外壳1的另一实施方式，其中示出了沿着图3中所示的线C->D的剖视图。外壳1具有第一硬化层27和第二硬化层28，其中两个硬化层都被引入或施加在覆盖基材5中。功能区域13、13a延伸穿过硬化层28，使得硬化层28围绕功能区域13、13a的环形区域被限定。结合区8部分地位于第二硬化层28中。硬化层28具有高度DoLb。单独的激光脉冲命中区域16以及因此结合区8可以设置成使得其高度HL超过第二硬化区28。由此可以保证，结合渗透到材料的非硬化区域中，即结合区域的端部不再位于预紧区域。结合区28的端部因此进入到材料的无应力区域，即尤其玻璃的无应力区域中。换言之，结合区8具有在第二硬化层28上方的伸出部，其中该伸出部延伸到区域MM的未硬化材料中。

根据图6a，示出了外壳1的另一示例，其中引入了第一硬化层27、第二硬化层28和第三硬化层29。在该实施方式中，覆盖基材5以及基底基材3在它们的两个长侧上都已经硬化、尤其是在硬化溶液中化学硬化。换言之，将基材3、5在相应的长侧上，即例如在相应的上侧和下侧上分别浸入到用于化学硬化的硬化溶液中，以硬化长侧。在硬化之后，两个基材3、5彼此重叠设置，即叠摞，使得基底基材3靠紧在覆盖基材5的下侧上。布置在基底基材3的上侧上的硬化区因此靠紧在设置在覆盖基材5的下侧上的硬化区上。基材3、5然后在硬化材料的区域中直接结合，即尤其在硬化玻璃的区域中。

假设，通过激光结合过程在相应的激光脉冲命中区16的区域中发生材料松弛，使得，如果激光脉冲命中区在其高度HL处超过硬化区28的高度，则伸出部仍然存在，从而从第一基材3在相应脉冲命中区上方伸出并且伸入直到第二基材5中存在连续的松弛材料。在外壳1的成品叠摞中，第一硬化层27因此布置在其上侧上，第二硬化层28布置在接触面25上，并且第三硬化层29不置在其下侧上。

图6b示出了截面C->D区域中的另一实施方式，其具有三个硬化区域27、28、29。功能区域13、13a在该实施方式中也布置成使得其从基底基材3延伸到覆盖基材5中，例如作为在相应基材中的凹部。这种凹部13、13a尤其可以通过喷砂方法引入。围绕凹部13、13a布置结合线8，使得凹部13、13a在所有侧面被气密地封闭。

图7a示出了外壳1的在截面A->B的区域中的又一实施方式，其中覆盖基材5在其上侧上具有第一硬化层27并且在其窄侧或边棱14上具有第二硬化层28。因此，例如将覆盖基材5单独地或在与基底基材3结合之后将覆盖基材5的上侧浸入到硬化溶液中以化学硬化并且在此浸入至达到第二硬化层28的高度的程度。在该示例中，基底基材3没有任何硬化区。在该示例中，侧向硬化区28直接终止于覆盖基材5和基底基材3之间的接触面25的区域中。沿着结合线8的结合在硬化区28的内侧引入，即在松弛材料中引入。

图7b示出了外壳1的又一实施方式，其中第一长侧具有硬化层27并且第一窄侧14局部具有硬化层28。硬化层28可以环绕围绕外壳1延伸，例如围绕功能区域13闭合。与图3相比，示出了沿着在那里绘制的线C->D、即穿过功能区域13的截面。在本实施方式中，功能区域13受限于覆盖基材5的尺寸，因此没有延伸到基底基材3中。基底基材3直接且紧邻地与覆盖基材5结合，使得在基底基材3和覆盖基材5之间没有设置另外的层或没有设置另外的基材。功能区域13设计为腔体。例如，可以借助喷砂方法，通常使用研磨方法将腔体引入到覆盖基材5中。化学蚀刻也是可能的，以将腔体引入到基材中。

图8a示出了外壳1的又一实施方式，其中示出了图3所示的A->B线区域中的截面，即沿着或穿过结合线8的截面。在本实施方式中，外壳1的所有外侧上均被硬化，即不仅相对的两个长侧均具有硬化层27和29，外壳的环绕边棱14也具有硬化层28，其中环绕边棱14环形围绕外壳1延伸。换言之，在长方体外壳的情况下，长方体所具有的所有四个窄侧理解为边棱14。边棱14也可以被理解或称为外壳的边缘21，其围绕腔体延伸。如图8a所示的外壳1可以例如通过以下方式获得，即将包括覆盖基材5和基底基材3的完成的结合的外壳浸入到硬化溶液中并且尤其在那里化学硬化。硬化层27、28、29因此直接布置在外壳1的外侧上。在硬化层27、28、29的内侧上因此保留用于结合线8的区域，该结合线在必要情况下以与硬化层27、28、29一定间距被引入。

图8b示出了外壳1的实施方式，其中示出了沿着线C->D的截面。外壳1在所有侧面都被化学硬化，换言之即在所有表面上都具有硬化区域27、28、29。例如，在可以是覆盖基材5的上侧的第一长侧上布置第一硬化层27，在可以是基底基材3的下侧的第二长侧上布置第三硬化层29，并且在环绕边缘21或环绕边棱14上布置第二硬化层28。腔体的上侧23布置在第一硬化层27的内侧，腔体的边缘21布置在第二硬化层28的内侧，腔体的下侧22布置在第三硬化层29的内侧。腔体或功能区域13、13a因此在所有侧面都被硬化材料27、28、29包围。参照图9，示出了用于制造外壳1的方法的第一实施方式。在步骤A中，将晶片和待容置的容置对象2对准。在此覆盖基材或上晶片5靠紧在中间晶片4上，并且该中间晶片又以形成晶片叠摞18的方式靠紧在基底基材或下晶片3上。由于在这种情况下包括其中构造有腔体12的凹部的中间晶片4布置在中间，因此容置腔体12在所有侧面都被晶片材料包围。换句话说，当在步骤A中对准晶片时，腔体12的所有侧向包围都由腔体的边缘21、下侧22和上侧23形成。

图3中所示方法的步骤B示出了彼此重叠布置的具有位于其中的用于容纳容置对象2的腔体12的叠摞18。该晶片叠摞18可以以这种闭合形式被供给至结合工艺。

步骤C示出了相应容置腔体12的激光结合，即腔体12在所有侧面沿着接触面25的封闭。为此，在晶片叠摞18的表面上方从晶片叠摞18以上引导激光单元15并且在此将聚焦激光束9逐渐指向到待结合的区上。激光结合线8例如可以设计为交叉线的网格。如果这证明例如取决于材料有利于随后的分离，也可以使用两条或更多条激光结合线8的平行绘制。在制造方法的步骤C结束之后，所有的腔体12被气密封闭。

步骤D示出了分离或切割晶片叠摞18以分开外壳1的步骤。在这种情况下，晶片叠摞沿着分离或切割线10被切割或分离。

在步骤E中，外壳1在具有酸性或碱性硬化溶液的浴11中化学硬化。浴11优选具有温度调节，使得可以保持预设温度。

步骤F最后示出了气密密封的化学硬化的具有布置在其中的容置腔体12的外壳1。

参考图10，示出了另一方法，通过该方法可以获得气密闭合的化学硬化的外壳1。在该方法的步骤A中通过以下方式构成晶片叠摞18，即将单独的晶片层3、4、5彼此重叠地设置并定向。容置对象2布置在容置腔体12中。

步骤B示出了完成的制造的晶片叠摞18，其中下晶片3、中间晶片4和上晶片5分别彼此直接接触地彼此重叠地平放。

该晶片叠摞在步骤C中被供给至具有酸性或碱性硬化溶液的浴11并在浴中硬化。

在步骤D中执行激光结合工艺，其中每个腔体12借助结合三个晶片层3、4、5气密封闭。激光在此沿着光学边界面并围绕每个单独的腔体12环形地结合晶片层3、4、5。

在步骤E中使用激光切割工艺。激光沿着切割线10引导，使得可以执行晶片的切割。通过这种切割方法获得具有特殊强度的边棱。优选地，边棱保持平滑和完整。然而，也可以例如借助短脉冲激光穿孔获得具有精细研磨状粗糙度的边棱。

步骤F示出了气密封闭的和化学硬化的外壳1的存在。

图11示出了由Schott D263T eco实现的硬化外壳1的第一示例的俯视图。可以清楚地识别在外壳1内部的圆的、即基本上呈圆形的圆的并且在所有侧面闭合的腔体12。在该示例中，腔体12具有大约4mm的水平直径。外壳具有约为5.5mm的边棱长度。所示样品在450℃下在100％KNO₃溶液中硬化9小时。

图12示出了由Schott D263T eco制造的外壳1的硬化边棱14的侧视图。出于透视的原因，腔体12在图12的视图中是不可见的。参照图13，还示出了外壳1的俯视图，其中也可以识别边棱14的走向。

图14最后示出了根据本发明的外壳1的截面的侧视图，该外壳由Boro33制造，该外壳具有封闭的腔体12。图14所示的样品也在450℃下在100％KNO₃溶液中硬化9小时。图14还可以清楚地识别在基材层之间出现的接触面25，该接触面一方面设置在下基材3和中间层4之间，另一方面设置在中间层4和上基材5之间。上下嵌块是粘到玻璃芯片上以准备横截面的PMMA片。仅图14中框起来的区域示出了玻璃外壳1。塑料被设置在旁边作为样品制备的其余部分。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，上述实施方式应被理解为示例性的并且本发明不限于这些实施方式，而是可以在不脱离权利要求的保护范围的情况下以多种方式变化。此外显而易见的是，无论所述特征是否在说明书、权利要求、附图或在其它方面公开，这些特征也单独定义了本发明的基本组成部分，即使它们与其它特征一起描述。在所有附图中，相同的附图标记代表相同的物体，从而必要情况下仅在一个或无论如何没有关于所有附图提及的物体的描述也可以传递到物体在描述中没有明确描述的那些附图中。

附图标记列表

1 气密封闭硬化外壳

2 容置对象

3 下基材或者基底基材或下晶片

4 中间基材或中间晶片

5 上基材或者覆盖基材或上晶片

6 激光结合叠摞18的折角

7 激光结合界面区

8 激光结合区

9 聚焦激光束

10 分离或切割线

11 用酸性或碱性硬化溶液浸泡

12 容置腔体

13 功能区域

13a 第二功能区域

14 边棱

15 用于结合和/或切割的激光单元

16 激光脉冲命中区域

18 叠摞或晶片叠摞

21 边缘

22 腔体的下侧

23 腔体的上侧

25 接触面或边界面

27 硬化区或第一硬化层

28 硬化区或第二硬化层

29 硬化区或第三硬化层

Claims (23)

1.一种气密封闭外壳(1)，其包括：

基底基材(3)和覆盖基材(5)，它们形成所述外壳的至少一个部分；

由所述外壳包围的至少一个功能区域(12、13、13a)，

其中至少所述覆盖基材优选地包括玻璃质材料，

其中所述基底基材和所述覆盖基材利用至少一个激光接合线(8)气密密封地结合，

其中所述激光接合线具有垂直于其连接平面的高度HL，

其中至少所述覆盖基材(5)在其表面上至少在与所述激光接合线相对置的一侧上具有硬化层(27、28、29)、优选化学硬化层，其中所述硬化层优选地将压应力施加到所述覆盖基材(5)上。

2.根据权利要求1所述的气密封闭外壳(1)，

其中，所述基底基材(3)利用相同的激光接合线(8)与所述覆盖基材(5)彼此气密密封地结合，和/或

其中，所述至少一个激光接合线(8)以一定间距(DF)环绕地包围功能区域(12、13、13a)。

3.根据前述权利要求中的至少一项所述的气密封闭外壳(1)，

其中，所述硬化层(27、28、29)具有硬化层厚度DoL，并且所述覆盖基材(5)在所述激光接合线(8)上方具有直至所述硬化层的最小材料厚度MM，并且其中对于所述覆盖基材的总厚度DA适于以下条件：DA-HL-DoL≥MM。

4.根据前述权利要求中的至少一项所述的气密封闭外壳(1)，

其中，所述覆盖基材(5)在两侧被硬化，使得所述覆盖基材具有在与所述基底基材(3)的连接面(25)上的具有硬化层厚度DoLb的第二硬化层(28)。

5.根据权利要求4所述的气密封闭外壳(1)，

其中，所述激光接合线(8)的高度HL大于所述第二硬化层(28)的硬化层厚度DoLb。

6.根据权利要求1至3中的至少一项所述的气密封闭外壳(1)，

其中，至少所述覆盖基材(5)在所有侧面上、尤其在其整个外周面上具有所述硬化层(27、28、29)，其中，所述硬化层具有硬化层厚度DoLa，所述第二硬化层具有硬化层厚度DoLb，并且第三硬化层在所述外壳的环绕边缘(14)上具有硬化层厚度DoLc，其中尤其厚度DoLa、DoLb和DoLc是相同的。

7.根据前述权利要求中的至少一项所述的气密封闭外壳(1)，其中，所述覆盖基材(5)具有所述功能区域或其他功能区域(12、13、13a)。

8.根据前述权利要求中的至少一项所述的气密封闭外壳(1)，其中，所述基底基材在其与所述激光接合线相对置的下侧上具有硬化的DoLd层。

9.根据前述权利要求中的至少一项所述的气密封闭外壳，

其中，在所述基底基材与所述覆盖基材之间布置有中间基材，

其中，所述基底基材在所述连接平面中与所述中间基材结合，并且其中所述覆盖基材在第二连接平面中与所述中间基材结合。

10.根据前述权利要求中的至少一项所述的气密封闭外壳，

其中，所述外壳在所述功能区域的所有侧面都被硬化，和/或

其中，所述外壳在其每个外表面上具有硬化层。

11.根据前述权利要求中的至少一项所述的气密封闭外壳(1)，其中，所述功能区域包括用于容纳容置对象(2)例如电子电路、传感器或MEMS的气密封闭的容置腔体(12)。

12.根据前一权利要求所述的气密封闭外壳，

其中，所述覆盖基材形成所述容置腔体的上侧(23)，其中所述中间基材(5)形成所述容置腔体的侧向环绕边缘(21)，并且所述基底基材形成所述容置腔体的下侧(22)，它们一起完全地包围所述容置腔体，并且其中侧向环绕的边缘、下侧或上侧中的至少一个对于一波长范围至少局部是透明的。

13.根据前述权利要求中的至少一项所述的气密封闭外壳(1)，

其中，所述外壳用激光结合工艺通过以下方式结合成所述气密封闭的外壳，即借助至少一个激光接合线将所述基底基材、所述覆盖基材和在必要情况下一个或多个中间基材彼此结合。

14.根据前述权利要求中的至少一项所述的气密封闭外壳(1)，

其中，所述外壳的硬化通过以下方式实现，即在30μm或更小、或20μm或更小、或优选10μm或更小的层厚度中存在的钠离子部分地或完全地由钾离子交换。

15.根据前述权利要求中的至少一项所述的气密密封外壳(1)，

其中，所述透明外壳在与其他透明外壳分离之后经受化学硬化。

16.一种用于提供多个气密密封外壳(1)的方法，其中，每个外壳提供功能区域、尤其例如提供容置腔体(12)，所述功能区域由所述外壳的侧向环绕的边缘(21)、下侧(22)和上侧(23)包围，所述方法具有以下步骤：

-提供至少一个覆盖基材和基底基材(3、4、5)，其中至少所述覆盖基材(5)包括至少局部透明的材料，其中所述至少两个基材(3、4、5)直接彼此靠紧地或彼此重叠地布置，

-通过借助激光结合工艺沿着结合线结合至少两个基材(3、4、5)来气密密封地封闭所述功能区域，

-借助切割或分离步骤分开相应外壳，

-通过在化学溶液(11)中浸泡使所述相应外壳的表面的化学硬化。

17.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述至少两个基材(3、4、5)被提供为具有至少两个、优选三个晶片的晶片叠摞(18)，以从所述晶片在相同工作过程中一起制造多个气密密封外壳(1)。

18.根据前一权利要求所述的方法，

其中，所述至少两个晶片(3、4、5)由玻璃、玻璃陶瓷、硅或蓝宝石构成，或者

其中，至少一个晶片包括不同类型的材料。

19.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，借助激光切割或激光分离步骤来执行分开所述相应外壳(1)的步骤，其中尤其使用也用于结合步骤的相同激光。

20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个透明基材(3、4、5)由玻璃、玻璃陶瓷、硅或蓝宝石或前述材料的组合构成。

21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述外壳(1)的化学硬化步骤包括以下子步骤中的至少一个：

提供酸性或碱性溶液(11)，尤其包含KNO₃或由KNO₃组成，

将所述外壳引入到所述酸性或碱性溶液中，

将所述酸性或碱性溶液加热到至少650开尔文、优选至少700开尔文、更优选至少720开尔文的温度，

将所述外壳在所述酸性或碱性溶液中浸泡至少6小时、优选至少8小时、更优选至少9小时、优选最多12小时。

22.具有封闭在其中的气密封闭的功能区域的、特别是包括根据上述任一项方法制造的容置腔体(12)的气密密封外壳(1)。

23.根据上述至少一项方法制造的外壳(1)的用途，所述外壳具有封闭在其中的气密封闭的功能区域，尤其包括作为医疗植入物或作为传感器、尤其作为气压计的容置腔体(12)。

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