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Die
Erfindung betrifft ein Gehäusebauteil, insbesondere für
optoelektronische Anwendungen, sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines derartigen Gehäusebauteils.
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Gehäusebauteile,
insbesondere für optoelektronische Anwendungen gemäß dem
Stand der Technik sind auf der Internetseite http://www.schott.com/epackaging/ bekannt
geworden. Der Offenbarungsgehalt dieser Internetseite wird vollumfänglich
in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen.
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Optische
Bauteile, insbesondere Laserbauteile und Halbleiterlaserdioden sowie
Fotodioden, die in der Kommunikationstechnologie und als Sensoren Verwendung
finden, sind in hohem Maße auf Temperaturschwankungen,
Feuchtigkeit und andere physikalische und chemische Einflüsse
empfindlich.
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Es
ist daher wichtig, derartige Komponenten, die auch als optoelektronische
Komponenten bezeichnet werden, vor derartigen Einflüssen
zu schützen.
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Um
dies zu erreichen, werden die optoelektronischen Komponenten in
einem Gehäuse eingeschlossen. Derartige Gehäuse
werden als sogenannte Transistoroutline (TO) gemäß internationalem
Industriestandard bezeichnet. Ein derartiges TO-Gehäuse
besteht immer aus zwei Komponenten, einer sogenannten Basisplatte,
die auch als Header bezeichnet wird und einer Kappe. Ein oder mehrere
derartiger Header werden mit einer Kappe, einer sogenannten Cap,
verbunden, ergebend ein Gehäuse, das das optoelektronische
Bauteil umschließen kann. Kappe und Header sind miteinander
derart verbunden, dass ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse
resultiert. Die hermetische Verbindung zwischen der Kappe und dem
Header ist bevorzugt auch vakuumdicht und erfolgt durch verschiedene
Prozesse wie Widerstandsschweißen, Laserschweißen, Kaltschweißen,
Löten oder Press-Fit-Schweißen. Am meisten verbreitet
ist eine Widerstandsschweißtechnik.
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Die
Header werden auch als Basisplatte des hermetischen Gehäuses
bezeichnet.
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Bevorzugt
sind die optoelektronischen Komponenten auf einer derartigen Basisplatte
vor dem hermetischen Verschweißen angeordnet.
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Sowohl
die Basisplatte wie die Kappen und die optoelektronischen Bauteile
weisen Materialien mit einem ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
auf, bevorzugt eine Stahllegierung oder Kovar. Betreffend den thermischen
Ausdehnungskoeffizient wird auf die DIN ISO 7991,
betreffend die Temperatur Tg auf die DIN
ISO 7884-8 verwiesen.
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Die
Kappen des Gehäuses sind derart aufgebaut, dass sie elektromagnetische
Strahlung, bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von infraroten Wellenlängen
bis zu UV-Wellenlängen, das heißt im Wellenlängenbereich
von 190 nm bis 2000 nm in das Gehäuse hinein und aus dem
Gehäuse heraustreten können. Dies ermöglicht,
dass Lichtsignale der optoelektronischen Komponenten beispielsweise
eines VCSEL aus dem Gehäusebauteil heraustreten beziehungsweise
in das Gehäusebauteil eintreten können.
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Um
eine hermetische Verkapselung zu gewährleisten und das
Ein- und Austreten von Licht zu ermöglichen, umfassen die
Gehäusebauteile somit transmissive Materialien, wie beispielsweise
Glas, die in die Kappen bestehend aus einem metallischen Werkstoff
eingebracht werden. Das Gehäusebauteil umfasst wenigstens
ein metallisches Element und ein nichtmetallisches Element. Die
nichtmetallischen Elemente, insbesondere beispielsweise die transmissiven
Elemente wie Linsen, Fensterelemente etc. die in die Kappe eingebracht
werden, umfassen beispielsweise eine reflektive Beschichtung oder
auch Strahlteilerbeschichtungen oder auch Antireflexbeschichtungen.
Die Verbindung zwischen dem metallischen Teil des Gehäusebauteils
und dem nicht metallischen Teil des Gehäusebauteils, beispielsweise dem
Fensterbauteil oder der Linse, erfolgen im Stand der Technik derzeit
mit bleihaltigen Glasloten, die eine niedrige Einbrenntemperatur
von ungefähr 450°C aufweisen.
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Bleilote
sind aber aufgrund des hohen Bleigehaltes im allgemeinen nicht umweltverträglich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit, ein Gehäusebauteil, insbesondere
für optoelektronische Anwendungen anzugeben, das ein metallisches
Element und ein nicht metallisches, bevorzugt transmittives Element
umfasst, wobei das metallische Element und das nicht metallische
Element zuverlässig und hermetisch miteinander verbunden
werden können, ohne die Verwendung von bleihaltigen Lotmaterialien.
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Diese
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das nicht
metallische Element des Gehäusebauteils zumindest in einem
Teilbereich eine Metallisierung aufweist, die das Aufbringen eines metallischen
Lotes, insbesondere eines weitgehend bleifreien metallischen Lotes,
ermöglicht, so dass eine sichere, das heißt eine
hermetische Verbindung zwischen nicht metallischem Element und metallischem
Element des Gehäusebauteils erreicht wird.
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Weitgehend
bleifreie bzw. bleifreie metallische Lote sind z. B. Zinn-Ag-Lote.
Die Zinn-Ag-Lote, die bevorzugt sind, haben Zusammensetzungsbereiche
mit einem Anteil Sn zwischen 90 Gew-% und 99 Gew-%, Ag zwischen
1 Gew-% und 10 Gew-%. Daneben können die Lote Bi zwischen
0 Gew-% und 5 Gew-% und/oder Kupfer zwischen 0 Gew-% und 3 Gew-%
enthalten. Ein bevorzugtes Zinn-Ag-Lot enthält beispielsweise
96,5 Gew-% Sn 3,5 Gew-% Ag. Neben den Zinn-Ag-Loten sind auch Zinn-Kupfer-Lote
oder Zinn-Zink-Lote oder Zinn-Indium-Lote denkbar. Ein Zinn-Zink-Lot
enthält beispielsweise Sn 91.2 Gew-% Zn 8.8 Gew-% und ein
Zinn-Indium-Lot, beispielsweise Sn 95 Gew-% In 5 Gew-%. Weitere
möglichen Lote sind die nachfolgend beispielhaft genannten:
Pb75Sn25
Pb80Sn20
Sn85.2In8Ag4.1Bi2.2.Cu0.5
Pb60In40
Sn91.2Zn8.8
Sn91.51n4Ag3.5Bi1
Sn93.3Ag3.1Bi3.1Cu0.5
Sn92Bi4.7Ag.3.3
Sn95.5Ag3.3Zn1
Sn95In5
Sn95.4Ag3.1Cu1.5
Sn90Au10
Sn96.5Ag3Cu0.5
Sn96.5Ag3.9Cu0.6
Sn96Ag3.5Cu0.5
Sn98Sb1Au1
Sn96.5Ag3.5
Sn96Ag4
Sn97Ag3
Sn96.5Ag2.5Cu1
Sn97.5Ag2.5
Sn95Ag5
Sn93Ag7
Sn92Ag8
Sn90Ag10
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Hierbei
bezeichnen die Zahlen hinter den Stoffbezeichnungen die Menge der
jeweiligen Komponente in Gew-%.
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Durch
das Aufbringen einer Metallisierung auf das nicht-metallische Element
ist es möglich, dass bleifreie Lote zum Einsatz kommen,
ohne dass beispielsweise Beschichtungen der nicht metallischen Elemente
durch hohe Einbrenntemperaturen geschädigt werden. Es ist
dann möglich, die optischen Vergütungen der nicht
metallischen Elemente des Gehäusebauteils bereits vor dem
Verbinden, das heißt dem Einlöten der nicht metallischen
Elemente in das metallische Element auf das nicht metallische Element
aufzubringen. Gegenüber einem nachträglichen Aufbringen
von optischen Schichten auf das nicht metallische Element kann durch
einen derartigen Prozess der Herstellungsaufwand für das
gesamte Gehäusebauteil, bestehend aus metallischem Element
und nicht metallischem Element erheblich reduziert werden.
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Die
für die Verwendung eines weitgehend bleifreien metallischen
Lotes notwendige Metallisierung, die auf das nicht-metallische Element
aufgebracht werden muss, erfolgt bevorzugt in einem galvanischen
oder einem Gasphasenprozess. Aber auch ein nasschemischer Auftrag
wäre möglich.
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Die
Metallisierung, die auf dem nicht-metallischen Element beispielsweise
im Rahmen eines Gasphasenprozesses abgeschieden wird, dient im Wesentlichen
als Haftvermittler zu dem bleifreien metallischen Lot. Das metallische
Lot wiederum dient der Verbindung zum metallischen Element. Bevorzugt
umfasst die Haftvermittlerschicht Cr. Das metallische Lot ist ein
weitgehend bleifreies metallisches Lot, wie zuvor detailliert aufgeführt
und umfasst beispielsweise die Metalle Au, Ag oder Sn. Ein besonderes
Gasphasenverfahren zum Aufbringen der Metallisierung und/oder des
metallischen Lotes ist ein PVD-Verfahren. Alternativ wäre
das Aufbringen der Schichten aber auch mit einem nasschemischen
Prozess möglich.
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Das
nicht metallische Element ist bevorzugt wie zuvor beschrieben derart
ausgestaltet, dass es für elektromagnetische Strahlung
zumindest in einem Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums,
das vom Infraroten bis zum Ultravioletten reicht, transparent ist.
Unter transparent wird verstanden, dass die Transmission für
Wellenlängen, insbesondere im Bereich von 300 nm bis 800
nm > 40%, insbesondere > 50%, bevorzugt > 70%, insbesondere
bevorzugt > 80% ist.
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Als
Materialien für das nicht metallische, transparente Element
kommen insbesondere ein Glasmaterial, ein keramisches, transparentes
Material, ein Glaskeramikmaterial ein Halbleitermaterial, beispielsweise
Silizium dotiert und undotiert oder ein transparenter temperaturbeständiger
Kunststoff in Frage. Bei den Gläsern handelt es sich bevorzugt
um Gläser, die auch für Displayanwendungen verwendet werden,
wie zum Beispiel Borosilikatgläser wie D263 der Schott
AG, Mainz, alkalifreie Dünnstgläser wie AF45 der
Schott AG, Mainz oder auch Kalk-Natron-Gläser. Insbesondere
bevorzugt sind Dünnstgläser mit einer Dicke von
weniger als 0,7 mm, wie beispielsweise in der
DE 103 23 303 A1 offenbart.
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Eine
besonders einfache Herstellung eines erfindungsgemäßen
Gehäusebauteils ergibt sich, wenn das nicht metallische
Element einen Kantenwinkel von kleiner als 90 Grad aufweist und
die Metallisierung beispielsweise in einem galvanischen, nasschemischen
oder Gasphasenprozess zumindest teilweise auf einem Teil der äußeren
umlaufenden Kante des nicht metallischen Bauteils mit einem Kantenwinkel
kleiner als 90 Grad aufgebracht wird. Bevorzugt ist der Kantenwinkel
kleiner als 80 Grad, insbesondere bevorzugt kleiner als 75 Grad.
Die an den Kanten zumindest teilweise metallisierten nicht metallischen
Elemente können mit den metallischen Elementen durch metallische
Weichlote wie beispielsweise Sn-Ag-Loten schonend in einer Inertgasatmosphäre
mit dem metallischen Element durch Löten verbunden werden.
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Die
Zinn-Ag-Lote haben Zusammensetzungsbereiche mit einem Anteil Sn
zwischen 90 Gew-% und 99 Gew-% und Ag zwischen 1 Gew-% und 10 Gew-%.
Daneben können die Lote Bi zwischen 0 Gew-% und 5 Gew-%
und/oder Kupfer zwischen 0 Gew-% und 3 Gew-% enthalten. Ein bevorzugtes
Zinn-Ag-Lot enthält beispielsweise 96,5 Gew-% Sn 3,5 Gew-%
Ag. Neben den Zinn-Ag-Loten sind auch Zinn-Kupfer-Lote oder Zinn-Zink-Lote
oder Zinn-Indium-Lote denkbar. Ein Zinn-Kupfer-Lot enthält
beispielsweise 99,3 Gew-% Sn 0,7 Gew-% Cu oder 97 Gew-% Sn 3 Gew-%
Cu. Ein Zinn-Zink-Lot enthält beispielsweise Sn 91,2 Gew-%
Zn 8,8 Gew-% und ein Zinn-Indium-Lot, beispielsweise Sn 95 Gew-%
In 5 Gew-%.
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Beim
Verbinden durch Löten betragen die Temperaturen weniger
als 300°C, so dass eine Schädigung beispielsweise
von optischen Vergütungen der nicht metallischen Bauteile
praktisch ausgeschlossen wird. Auch ein Oxidieren an dem nicht metallischen
Element, die eine aufwendige Nachbehandlung erforderlich machen,
wird vermieden. Durch den Kantenwinkel kleiner als 90° des
nicht-metallischen Elementes wird ein sicheres Aufbringen der Metallisierung
und gegebenenfalls des nicht bleihaltigen metallischen Lotes erreicht.
Bevorzugt wird hierbei der komplette Rand des nicht-metallischen
Bauteiles, der mit dem metallischen Bauteil verbunden wird, beschichtet,
und zwar sowohl mit der Metallisierung wie dem bleifreien Glaslot.
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Um
eine möglichst hermetisch dichte Verbindung zu erhalten
ist es besonders bevorzugt, wenn die Ausnehmung in dem metallischen
Element dieselbe Geometrie aufweist, die die innere Kante des in der
Ausnehmung einzusetzenden nicht metallischen Elementes aufweist.
Das bedeutet, dass der Kantenwinkel der Ausnehmung mit dem Kantenwinkel
des nicht metallischen Elementes korrespondiert. Die Summe des Kantenwinkels
des metallischen Elements und des nichtmetallischen Elementes ist
dann 180°.
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Besonders
bevorzugt ist es, das Gehäusebauteil für die Verkapselung
optoelektronischer Komponenten zu verwenden, wobei das nicht metallische Element
bevorzugt mit einer funktionalen Schicht, beispielsweise einer Antireflexschicht
und/oder einer Strahlteilerschicht und/oder einem Bandbassfilter
beschichtet ist.
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Neben
dem Gehäusebauteil stellt die Erfindung insbesondere auch
ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gehäusebauteils
zur Verfügung. Hierbei wird zunächst das nicht
metallische Bauteil auf besonders einfache Art und Weise hergestellt.
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Hierzu
wird in einem ersten Schritt ein flächiges Substrat, bestehend
aus dem Material des nicht metallischen Elementes, auf einen Träger
aufgebracht.
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Zuvor
oder danach kann das Material des nicht metallischen Elementes auf
dem Träger mit einer funktionalen Beschichtung, beispielsweise
einer Antireflexbeschichtung, einer Strahlteilerbeschichtung oder
einem Bandpassfilter, versehen werden. Anschließend wird
auf dem flächigen Substrat aus dem Material des nicht metallischen
Elementes eine Maskierung aufgebracht, so dass die Oberfläche
des nicht metallischen Elementes vor einem nachfolgenden Trennprozess
geschützt wird. Die Maskierung kann dabei bevorzugt ein
photolithographischer Film, wie z. B. ein Fotoresistlack oder ein
dry-film sein. Der bevorzugt eingesetzte Trennprozess zum Heraustrennen
der nicht metallischen Elemente entlang der nicht maskierten Bereiche
aus dem flächigen Substrat ist ein Sandstrahlprozess.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn durch den Trennprozess, insbesondere durch
den Sandstrahlprozess, beim Heraustrennen der einzelnen nicht metallischen
Elemente aus dem flächigen Substrat der Kantenwinkel der äußeren
umlaufenden Kante des nicht-metallischen Elementes kleiner als 90 Grad,
bevorzugt kleiner als 80 Grad und ganz besonders bevorzugt kleiner
als 75 Grad ist. Ein solcher Kantenwinkel ermöglicht, dass
eine Metallisierung zumindest auf Teilbereiche der äußeren
umlaufenden Kante des nicht metallischen Elementes besonders einfach
aufgebracht werden kann.
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Nach
dem Heraustrennen der einzelnen nicht metallischen Elemente verbleiben
die nicht heraus getrennten nicht metallischen Elemente auf dem Träger.
Wie zuvor beschrieben, werden die Kantenbereiche der nicht metallischen
Elemente nach dem Heraustrennen mit einer Metallisierung und/oder
einem nicht bleihaltigen metallischen Lot, beispielsweise durch
ein PVD-Verfahren oder ein nasschemisches Verfahren versehen.
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Besonders
bevorzugt umfasst die Metallisierung eine Haftvermittlerschicht
zu dem nicht metallischen Element, bevorzugt Cr. Auf die Haftvermittlerschicht,
enthaltend Cr, ist eine weitere Schicht aus dem nicht bleihaltigen
metallischen Lot aufgebracht, die bevorzugt Au, Ag oder Sn umfasst.
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Nach
Aufbringen der Metallisierung und/oder des nicht bleihaltigen metallischen
Lotes zumindest auf einen Teilbereich, bevorzugt auf den gesamten Randbereich
der nicht metallischen Elemente, werden die nicht metallischen Elemente
von dem Träger vereinzelt. Anschließend können
die vereinzelten nicht metallischen Elemente weiterverarbeitet werden,
beispielsweise mit den metallischen Elementen des Gehäusebauteils
durch das nicht-bleihaltige metallische Lot verbunden werden.
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Die
Maskierung des flächigen Substrates erfolgt bevorzugt mit
Hilfe von fotolithographischen Verfahren. Um das flächige
Substrat lösbar mit dem Trägersubstrat zu verbinden,
werden diese beispielsweise mittels einer Klebefolie verbunden,
wobei wenigstens eine Seite der Klebefolie, beispielsweise eine
UV- oder eine thermolösliche Schicht aufweist. Die mit
dem Trägersubstrat verbundene Seite der Klebefolie kann
eine permanente Klebeschicht aufweisen. Alternativ zum Verbinden
des Substrates aus einem nicht-metallischen Element, z. B. Dünnstglases,
mit Hilfe von lösbaren Klebeschichten ist es auch möglich,
lösbare elektrostatische oder Vakuumverbindungen einzusetzen,
wie beispielsweise in den Anmeldungen
DE 103 23 303 ,
DE 103 23 304 ,
DE 103 23 301 beschrieben, deren
Offenbarungsgehalt vollumfänglich in vorliegende Anmeldung
mit aufgenommen wird.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren ohne Beschränkungen
hierauf beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1a unterschiedliche
Ausgestaltung von Bauteilen, bei denen die Erfindung Anwendung finden
kann;
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1b eine
erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Gehäusebauteils,
das als Flachkappe ausgebildet ist.
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2a–2b eine
zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Gehäusebauteils
mit Kantenwinkel.
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2c eine
dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Gehäusebauteiles,
das als Schrägkappe ausgeführt ist;
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3a–3b ein
Herstellverfahren für ein nicht metallisches Element mit
einer Beschichtung.
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In 1a sind
unterschiedliche Gehäusebauteile dargestellt, bei denen
die Erfindung Anwendung finden kann. Hierbei handelt es sich um
optoelektronische Gehäusebauteile, bei denen ein nicht-metallisches
Element, beispielsweise ein Glassubstrat oder eine Glaslinse mit
einem metallischen Element, beispielsweise einer Metallkappe, verbunden
wird. Beispiele für derartige Gehäusebauteile sind
Flachkappen 1000, Kugellinsen 1100, Schrägkappen 1200,
Flachkappen mit geschliffenen Fenstern 1300 und Maschinenkappen 1400.
Bei all den vorgenannten Bauteilen wird das nicht-metallische Element
mit dem metallischen Element mit einem Metalllot, bevorzugt einem
Zinn-Silber-Lot, verbunden.
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1b zeigt
eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Gehäusebauteils. Das Gehäusebauteil umfasst ein
metallisches Element 1, bevorzugt aus einem Stahl, einer
Stahllegierung, einer Nickellegierung, einer Eisen-Nickel-Legierung
oder einer Eisenlegierung. Ganz besonders bevorzugt ist Kovar (ASTM
F15) oder die Legierung 42 (ASTM F30)
sowie ferritische Edelstähle.
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Der
Ausdehnungskoeffizient des metallischen Elementes 1 liegt
bevorzugt im Bereich von 14,5 × 10–6 1/K
bis 17 × 10–6 1/K.
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Der
Ausdehnungskoeffizient des Materials wird im Bezug auf einen Temperaturbereich
von 20°C bis 300°C gemäß DIN
52328 angegeben.
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Das
metallische Element 1 weist eine Ausnehmung 10 auf.
Die Ausnehmung 10 wird in der dargestellten Ausführungsform
durch ein transparentes Bauteil, beispielsweise eine Dünnstglasscheibe,
d. h. ein sog. nicht-metallisches Element 2, verschlossen. Erfindungsgemäß ist
das nicht metallische Element 2, hier insbesondere die
Dünnstglasscheibe mit einer Dicke < 0,3 mm, zumindest am Rand 11,
d. h. in einem Teilbereich mit einer Metallisierung 3 versehen. Das
gesamte Verbindungsschichtsystem 50 zwischen nicht-metallischem
Element 2 und metallischem Element 1 ist bevorzugt
als Zweischichtsystem ausgebildet, wobei eine erste Schicht bzw.
Metallisierung 3 als Haftvermittlerschicht zu dem nicht metallischen
Element 2 dient und die zweite Schicht 4 das bleifreie
metallische Lot umfasst.
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Bevorzugt
umfasst die Haftvermittlerschicht Cr.
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Das
bleifreie metallische Lot ist bevorzugt ein Sn-Ag-Lot. Die Zinn-Ag-Lote
haben Zusammensetzungsbereiche mit einem Anteil Sn zwischen 90 Gew-%
und 99 Gew-% und Ag zwischen 1 Gew-% und 10 Gew-%. Daneben können
die Lote Bi zwischen 0 Gew-% und 5 Gew-% und/oder Kupfer zwischen
0 Gew-% und 3 Gew-% enthalten. Ein bevorzugtes Zinn-Ag-Lot enthält
beispielsweise 96,5 Gew-% Sn 3,5 Gew-% Ag. Neben den Zinn-Ag-Loten sind
auch Zinn-Kupfer-Lote oder Zinn-Zink-Lote oder Zinn-Indium-Lote
denkbar. Ein Zinn-Kupfer-Lot enthält beispielsweise 99,3
Gew-% Sn 0,7 Gew-% Cu oder 97 Gew-% Sn 3 Gew-% Cu. Ein Zinn-Zink-Lot enthält
beispielsweise Sn 91.2 Gew-% Zn 8.8 Gew-% und ein Zinn-Indium-Lot,
beispielsweise Sn 95 Gew-% In 5 Gew-%. Andere mögliche
Lote sind im einleitenden Teil aufgezählt.
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Das
nicht metallische Element, hier das Dünnstglassubstrat 2,
wird in der in 1 gezeigten Ausführungsform
unterhalb der Ausnehmung 10 des metallischen Elementes 1 eingesetzt
und mit Hilfe eines im Wesentlichen bleifreien Lotes 4,
beispielsweise Zinn, bei Temperaturen von kleiner 400°C,
insbesondere kleiner 300°C mit dem metallischen Element 1 verbunden.
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Der
Vorteil der Verbindung mit Hilfe der im Wesentlichen bleifreien
Glaslote liegt darin, dass auf dem Glasteil sowie den galvanischen
Schichten auf dem Metallteil die Temperaturbelastung gering gehalten
wird.
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In
den 2a und 2b ist
eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt,
wobei die Kanten 70 des nicht metallischen Elementes 2 einen Kantenwinkel α von
kleiner als 90 Grad aufweisen. Gleiche Bauteile wie bei der Ausführung
gemäß 1 sind mit
denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Die Ausführungsform
gemäß 2a und 2b zeichnet
sich des Weiteren dadurch aus, dass der Kantenwinkel α des
nicht-metallischen Elementes 2 zum Kantenwinkel β des
metallischen Elementes 1 korrespondieren, d. h. die inneren
Kanten 100 der Ausnehmung des metallischen Elementes 1 weist
einen zum Kantenwinkel des nicht-metallischen Elementes korrespondierenden
Kantenwinkel auf. Die Kanten aus der Summe der Kantenwinkel von nicht
metallischem Element, der vorliegend mit α bezeichnet ist,
und dem Kantenwinkel des metallischen Elementes, der mit β bezeichnet
ist, ergibt eine Summe α + β = 180 Grad. Dies
bedeutet, dass beim Einsetzen des nicht-metallischen Elementes 2 in
das metallische Element 1 das nicht-metallische Element 2 und
das metallische Element 1 an den Flächen der Ausnehmung 10 satt
miteinander anliegen und so für einen sehr dichten Abschluss
sorgen. Wie schon in 1b besteht das auf die Kante
des nicht metallischen Elementes 2 aufgebrachte Verbindungsschichtsystem 50 aus
zwei Schichten, einer ersten Schicht 3, die eine Haftvermittlerschicht
zum nicht metallischen Element ist und bevorzugt beispielsweise
aus Cr besteht, sowie einer auf die Haftvermittlerschicht 3 aufgebrachte
zweite Schicht 4, die das bleifreie metallische Lot umfasst.
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Neben
den Zweischichtsystemen sind auch Dreischichtsysteme möglich,
wobei dann die dritte Schicht eine zwischen die Metallisierung 3 und
das bleifreie metallische Lot 4 eingebrachte Sperrschicht nicht
dargestellt ist.
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Das
nicht metallische Element wird in die Ausnehmung des metallischen
Elementes eingesetzt. In 2b sind
nochmals sehr genau die Kantenwinkel sowie die Schicht und der Anschluss
des nicht metallischen Elementes an das metallische Element dargestellt.
Während bei der Ausführungsform gemäß 2a und 2b die
Kanten sowohl des nicht-metallischen wie des metallischen Elementes zueinander
korrespondieren, ist dies vorteilhaft, aber keinesfalls notwendig.
So wäre es auch möglich, dass nur das nicht-metallische
Element einen Kantenwinkel, bevorzugt einen Kantenwinkel kleiner
als 90°, aufweist. Hierdurch wird die Metallisierung des nicht-metallischen
Elementes, insbesondere des Glassubstrates, mittels beispielsweise
eines PVD-Verfahrens erheblich vereinfacht. Das mit einem Kantenwinkel
ausgerüstete und beschichtete Glassubstrat könnte
dann, wie in 1b gezeigt, in die Ausnehmung 10 des
metallischen Elementes 1 eingesetzt werden.
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In 2c ist
eine Schrägkappe aus einem metallischen Element 1,
mit dem ein nicht-metallisches Element 2 verbunden ist,
gezeigt. Die Verbindung erfolgt erfindungsgemäß mittels
eines bleifreien Metalllotes. Das Verbindungsschichtsystem 50 besteht
bei der Ausführungsform gemäß 2c aus
einem Dreischichtsystem aus Haftvermittlerschicht 3, Sperrschicht 5 und
dem bleifreien Lot 4.
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Das
nicht-metallische Element, das in die Ausnehmung 10 des
Metallischen Elementes 1 eingesetzt wird, weist einen Kantenwinkel α kleiner
90° auf, wodurch die Beschichtung mit dem Verbindungsschichtsystem 50 wesentlich
vereinfacht wird.
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Während
die Ausführungsformen der 1, 2a, 2b und 2c im
Wesentlichen die Verwendung der Erfindung für Kappen für
Gehäuse optoelektronischer Komponenten zeigt, können
durch die Erfindung auch Kapselungen, beispielsweise eines CCD-Chips,
zur Verfügung gestellt werden.
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Die
Verfahrensschritte zur Herstellung eines nicht metallischen Elementes
mit einem am Kantenbereich aufgebrachten Verbindungsschichtsystem sind
in den 3a und 3b dargestellt.
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Zunächst
wird ein flächiges Substrat aus dem nicht metallischen
Werkstoff 2, beispielsweise eines Glases, insbesondere
eines Dünnstglases, mit Hilfe einer Zwischenlage 61,
die bevorzugt als Klebefolie ausgebildet ist, auf einem Träger 62 aufgebracht.
Bevorzugt ist die Klebefolie 61 derart ausgebildet, dass
sie auf der Seite, die zu dem nicht metallischen Werkstoff 2 gerichtet
ist, eine UV- oder thermolösliche Schicht aufweist. Die
dem Trägersubstrat 62 zugewandte Seite weist eine
permanente Klebeschicht auf. Nunmehr wird der nicht-metallische Werkstoff 2,
beispielsweise in einem fotolithographischen Prozess, maskiert,
beispielsweise dadurch, dass eine Maske 60 in Bereichen
auf den nicht-metallischen Werkstoff 2 aufgebracht wird.
Durch die Maske 60 wird der von der Maske abgedeckte Bereich
des nicht-metallischen Werkstoffes bei einem Trennprozess, beispielsweise
bei einem Sandstrahlprozess, geschützt. Die Form der Maske 60 bestimmt dann
die Form des aus dem Substrat des nicht metallischen Werkstoffes
heraus gelösten nicht-metallischen Elementes, beispielsweise
des Dünnstglases. Vorliegend ist das nicht-metallische
Element, beispielsweise das Glassubstrat, kreisrund. Das mittels des
Trennprozesses hergestellte Glassubstrat wird beispielsweise in
die Ausnehmung des Gehäuses, das ein optoelektronisches
Bauteil umschließen kann, eingesetzt. Bevorzugt wird als
Trennprozess ein Sandstrahlprozess verwandt, der derart geführt wird,
dass sich Kantenwinkel der nicht metallischen Elemente, die durch
die Maske 60 abgedeckt sind, von weniger als 90 Grad, bevorzugt
weniger als 80 Grad, ganz besonders bevorzugt weniger als 75 Grad
ergeben. Auf diese im Rahmen des Trennprozesses erzeugte schräge
Kante mit einem Kantenwinkel kleiner 90° kann auf besonders
einfache Art und Weise ein Verbindungsschichtsystem, bestehend beispielsweise
aus einer Metallisierung, umfassend einen Haftvermittler und ein
bleifreies metallisches Lot, aufgebracht werden.
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Das
Ergebnis des Trennprozesses ist in 3b dargestellt.
Wie in 3b zu erkennen, verbleiben durch
den Trennprozess lediglich die maskierten Bereiche des Substrates
aus einem nicht-metallischen Werkstoff auf dem Träger 62.
Die UV- oder thermolösliche Schicht der Klebefolie 61 wird
in einem weiteren Verfahrensschritt gelöst, so dass die einzelnen
Elemente 2, in die Ausnehmungen des metallischen Elementes,
das ein Teil des Gehäusebauteils darstellt, eingesetzt
werden können.
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Die
Kanten 70 der einzelnen Bauteile 2, die bevorzugt
einen Kantenwinkel kleiner 90° aufweisen, können
nunmehr vor dem Vereinzeln, d. h. vor Lösen der einzelnen
nicht-metallischen Bauteile vom Trägersubstrat mit einer
Metallisierung versehen werden, beispielsweise mit einem nasschemisches
Verfahren oder durch Bedampfen. Bevorzugt ist das Verbindungsschichtsystem,
wie zuvor aufgezeigt, eine Zweischichtmetallisierung, bestehend
aus einem ersten Werkstoff bzw. einer ersten Schicht, die im Wesentlichen
Cr umfasst und als Haftvermittlerschicht dient und einem bleifreien
metallischen Lotmaterial, umfassend beispielsweise Au, Ag oder Sn.
Die möglichen bleifreien metallischen Lotmaterialien sind
bereits zuvor angegeben worden.
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Bevorzugt
werden die gemäß dem Verfahren erzeugten Bauteile 2 in
die Ausnehmungen eines metallischen Elementes eingesetzt und mit
dem metallischen Element mit Hilfe des aufgebrachten metallischen,
bleifreien Lotes verbunden, ergebend ein Gehäusebauteil,
das optoelekronische Bauteile umschließen kann.
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Mit
der Erfindung wird somit erstmals ein Gehäusebauteil, insbesondere
für optoelektronische Komponenten angegeben, das es ermöglicht,
ein metallisches Lot, das weitgehend bleifrei ist, zu verwenden.
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Neben
der Vorrichtung wird auch erstmals ein Verfahren zur Herstellung
eines derartigen Elementes angegeben, das sich insbesondere durch eine
hohe Herstellungseffizienz auszeichnet und ein einfaches Aufbringen
einer Metallisierung bzw. Haftvermittlerschicht, bleifreiem Metalllot
und gegebenenfalls einer Sperrschicht auf einem nicht-metallischen
Element, insbesondere einem Glaskörper.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10323303
A1 [0020]
- - DE 10323303 [0033]
- - DE 10323304 [0033]
- - DE 10323301 [0033]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - http://www.schott.com/epackaging/ [0002]
- - DIN ISO 7991 [0008]
- - DIN ISO 7884-8 [0008]
- - ASTM F15 [0042]
- - ASTM F30 [0042]
- - DIN 52328 [0044]