DE102020101982A1 - Verfahren zur Herstellung von Glaswafern zur Verpackung von elektronischen Komponenten und verfahrensgemäß hergestellte elektronische Komponente - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Glaswafers (10) für die Verpackung von elektronischen Bauteilen (3) im Waferverbund, bei welchem eine Glasplatte (9) zwischen zwei Formhälften (7, 8) einer Form (6) gebracht und erwärmt wird, bis die Glasplatte (9) erweicht, wobei die Formhälften (7, 8) gegeneinander gedrückt werden, so dass die Glasplatte verformt wird und einen strukturierten Glaswafer (10) bildet, wobei eine erste Formhälfte (7) eine Anordnung von Vorsprüngen (5) und eine zweite Formhälfte (8) eine Anordnung von Vertiefungen (4) aufweist, wobei die Formhälften (7, 8) der Form (6) zum Verformen der Glasplatte (9) so angeordnet und geformt sind, dass die Vertiefungen (4) und Vorsprünge (5) gegenüberliegen, und wobei die Vorsprünge (5) beim Verformen Kavitäten (15) in die Glasplatte (9) einfügen und wobei das Glas der Glasplatte (9) gegenüberliegend zu den Kavitäten (15) beim Verformen in die Vertiefungen (4) der zweiten Formhälfte (8) fließt, wobei die Vertiefungen (4) so tief sind, dass das Glas zumindest teilweise kontaktlos bleibt und in der Vertiefung (4) jeweils eine konvex geformte Glasfläche (14) ausbildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein die Fertigung verkapselter elektronischer, insbesondere verkapselter optoelektronischer Bauteile. Insbesondere sieht die Erfindung ein waferbasiertes Fertigungskonzept für hermetische Gehäuse für optoelektronische Komponenten vor.
  • Das Verarbeiten von optoelektronischen Komponenten einschließlich deren Verkapselung ist aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Für einen effizienten Fertigungsprozeß der Bauteile ist alternativ zu einem Einzelfertigungsprozeß jedes Gehäuses eine Fertigung in einem Wafer bevorzugt. Dadurch können die Montage und Verbindungsschritte parallelisiert und kostengünstig gestaltet werden.
  • Die US 10347806 B2 beschreibt ein Verfahren, bei welchem UV-LED-Bausteine in einen strukturierten Träger mit becherförmigen Vertiefungen eingesetzt werden. Der Träger wird mit einem Quarzglas-Wafer mit integrierten Linsen durch anodisches Bonden verbunden. Die UV-LED-Bausteine werden so in den durch jeweils die becherförmige Vertiefung mit dem aufgesetzten Quarzglaswafer gebildeten Hohlräumen verkapselt. Die verkapselten UV-LEDs können dann vereinzelt werden. Allerdings müssen bei diesem Verfahren die LED-Bausteine in die kleinen becherförmigen Vertiefungen eingesetzt und darin verlötet werden.
  • Die WO 2015/082477 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines gehausten strahlungsemittierenden Bauelementes auf Waferebene. Nach diesem Verfahren wird ein Formsubstrat verwendet, um ein strukturiertes Deckelsubstrat aus Glas zu erhalten. Dazu werden ein Abdeckungssubstrat und das Formsubstrat getempert, so dass ein Ver- oder Einformen bzw. Fließen des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats in die Vertiefungen zwischen Inselbereichen des Formsubstrats bewirkt wird. Das Abdeckungssubstrat wird dann entfernt, um das strukturierte Deckelsubstrat zu erhalten. Dementsprechend wird das Formsubstrat zum Ausformen von Deckelsubstraten mittels Glasfließverfahren genutzt. Auf diese Weise können Fensterbauelemente in ein Deckelsubstrat integriert werden, womit man empfindliche Strahlungsquellen anschließend hermetisch dicht Verkappen kann. Das Entfernen erfolgt durch mechanisches Trennen selektives Ab- bzw. Wegätzen des Halbleitermaterials des Formsubstrats. Bei beiden Verfahren geht das Formsubstrat verloren, muss also auch für jedes Deckelsubstrat erneut hergestellt werden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Fertigung optoelektronischer Komponenten auf Waferebene zu vereinfachen. Dazu ist ein Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Glaswafers vorgesehen, bei welchem eine Glasplatte zwischen zwei Formhälften einer Form gebracht und erwärmt wird, bis die Glasplatte erweicht, wobei die Formhälften gegeneinander gedrückt werden, wobei je nach Art und Ausbildung von Glasplatte und Formhälften auch die wirkenden Gewichtkräfte ausreichend können, so dass die Glasplatte ge- bzw. verformt wird und einen strukturierten Glaswafer bildet, wobei eine erste Formhälfte mindestens einen Vorsprung, vorzugsweise eine Anordnung von Vorsprüngen und eine zweite Formhälfte mindestens eine Vertiefung, vorzugsweise eine Anordnung von Vertiefungen aufweist, wobei die Formhälften der Form zum Verformen der Glasplatte so angeordnet und geformt sind, dass die Vertiefungen und Vorsprünge gegenüberliegen, und wobei die Vorsprünge Verformen Kavitäten in die Glasplatte einfügen und wobei das Glas der Glasplatte gegenüberliegend zu den Kavitäten beim Verformen in die Vertiefungen der zweiten Formhälfte fließt, wobei die Vertiefungen so tief sind, dass das Glas zumindest teilweise kontaktlos bleibt und in der Vertiefung jeweils eine konvex geformte Glasfläche ausbildet. Das Verformen wird insbesondere durch ein Pressen der Formhälften erreicht. Dabei kann der Pressdruck aber auch alleine durch die Gewichtskraft der obenauf liegenden Formhälfte und der Glasplatte ausgeübt werden. Da das Glas ohne Kontakt zu den Formhälften bleibt, ist die konvexe Glasfläche frei geformt. Der Oberflächenverlauf wird dabei vor allem durch die Oberflächenspannungen der beteiligten Materialien und Umgebungsbedingungen bestimmt. Der so hergestellte Wafer kann insbesondere für die Verpackung von elektronischen Bauteilen im Waferverbund eingesetzt werden. Die in den Wafer eingeprägten Kavitäten können die auf dem korrespondierenden Trägerwafer angeordneten elektronischen, insbesondere optoelektronischen Bauteile auch dann aufnehmen, wenn die Bauteile hervorstehen, beziehungsweise Vorsprünge bilden.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft auch die Herstellung der mit dem strukturierten Glaswafer verkapselten elektronischen, vorzugsweise optoelektronischen Komponenten. Dazu ist ein Verfahren zur Herstellung von verkapselten elektronischen, insbesondere optoelektronischen Komponenten vorgesehen, bei welchem ein Trägerwafer mit einer Vielzahl von elektronischen Bauteilen bestückt wird. Der mit den elektronischen Bauteilen bestückte Trägerwafer wird mit der Seite des strukturierten Glaswafers verbunden, welche die Kavitäten aufweist, so dass die elektronischen Bauteile in den Kavitäten hermetisch eingeschlossen werden. Der so hergestellte Waferverbund wird zerteilt, bspw. mittels Säge-, Laser- oder Ritz-Brech-Prozessen, so dass einzelne elektronische Komponenten erhalten werden, welche einen aus dem Trägerwafer abgetrennten Träger mit dem elektronischen Bauteil und eine das Bauteil in einer Kavität hermetisch einschließende, vom strukturierten Glaswafer abgetrennte Glasabdeckung aufweisen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand der Figuren erläutert.
  • Figurenliste
    • Die 1 bis 6 zeigen Verfahrensschritte zur Herstellung einer verkapselten elektronischen, insbesondere optoelektronischen Komponente.
    • In den 7 bis 9 sind Verfahrensschritte gemäß einer Variante des Verfahrens zur Herstellung bikonvexer Linsen gezeigt.
    • Die 10 und 11 zeigen Verfahrensschritte gemäß einer Abwandlung der Variante gemäß den 7 bis 9.
    • 12 zeigt eine fotografische Aufnahme eines strukturierten Glaswafers.
    • 13 zeigt ein Schnittbild einer Glasabdeckung.
    • 14 ist ein Diagramm des Konturverlaufs von Kavität und konvexer Glasfläche der in 13 gezeigten Glasabdeckung.
  • Ausführliche Beschreibung der Figuren
  • Anhand der 1 bis 3 werden Verfahrensschritte zur Herstellung eines strukturierten Glaswafers erläutert. Die 4 bis 6 zeigen die Weiterverarbeitung unter Verwendung des Glaswafers bis zum Erhalt einer verkapselten elektronischen Komponente. Das Verfahren zur Herstellung des strukturierten Glaswafers 10 basiert darauf, wie in 1 dargestellt, eine Glasplatte 9 bereitzustellen und die Glasplatte zwischen zwei Formhälften 7, 8 einer Form 6 zu bringen. Mit der Form soll das Glas durch Pressen in die gewünschte Form gebracht werden. Die Glaspatte wird zusammen mit den Formhälften 7,8 erwärmt wird, bis die Glasplatte 9 erweicht. Dabei werden die Formhälften 7, 8 gegeneinander gedrückt, so dass das erweichte Glas unter dem aufgebrachten Druck zu fließen beginnt. Wie dargestellt, weist die erste Formhälfte 7 mindestens einen Vorsprung 5, insbesondere eine Anordnung von Vorsprüngen 5 und die zweite Formhälfte 8 mindestens eine Vertiefung 4, vorzugsweise eine Anordnung von Vertiefungen 4 auf. Wie im dargestellten Beispiel können die Flanken 52 des oder der Vorsprünge 5 angeschrägt sein, um das spätere Abnehmen des geformten Glaswafers zu erleichtern. Bevorzug erfolgt der Ver- bzw. Abformungsprozess des Glases trennmittelfrei, um insbesondere die späterhin optischen wirksamen Oberflächen des strukturierten Wafers nicht negativ zu beeinflussen, bspw. durch Kontamination mit Trennmittelresten, Trübungen oder aufgeprägter Rauheit. Somit kann vorteilhaft auf eine mechanische oder chemische Nachbearbeitung oder Nachbehandlung verzichtet werden. Die Oberfläche der konvexen Glasflächen 14, 51 entspricht demnach bevorzugt der Ausgangsrauheit der Glasplatte oder wird durch den thermomechanischen Formgebungsprozess sogar verbessert, so dass von einer feuerpolierten Oberfläche gesprochen werden kann.
  • Die Vertiefungen 4 können allgemein auch wie im gezeigten Beispiel Durchgangsöffnungen sein. Anders als dargestellt, müssen die Wandungen der Vertiefungen nicht ausschließlich senkrecht zur Oberfläche der Glasplatte 9 oder der Formfläche der Formhälfte 8 verlaufen. Vielmehr können sich die Vertiefungen 4 auch verjüngen oder erweitern. Gegebenenfalls kann auf diese Weise die Linsengeometrie des damit geformten Glaswafers beeinflussen. Die Vertiefungen 4 der Formhälfte 8 und die Vorsprünge 5 der Formhälfte 7 liegen einander gegenüber. Unter Einfluss des einwirkenden Drucks beginnt das Glas an den Vorsprüngen 5 auszuweichen. Das Glas fließt dabei auch zumindest teilweise in die jeweils gegenüberliegende Vertiefung 4 ein. Dadurch bildet das Glas unter dem Einfluss der Oberflächenspannung eine konvexe Glasfläche 14 aus. Die Vertiefungen sind so tief, dass das Glas am Apex der konvexen Glasfläche 14 keinen Kontakt mit der Formhälfte 8 erhält. Gleichzeitig werden durch die Vorsprünge 5 der Formhälfte 7 Kavitäten 15 auf der den konvexen Glasflächen 14 gegenüberliegenden Seite der Glasplatte 9 erzeugt. Die Form mit der fertig verformten Glasplatte 9 ist in 2 gezeigt. Die Glasplatte 9 ist durch den Pressvorgang zu einem strukturierten Glaswafer 10 umgeformt worden, der in 3 dargestellt ist. Gemäß einer nicht auf das spezielle Ausführungsbeispiel beschränkten Ausführungsform beträgt der Durchmesser des Wafers vier bis sechs Zoll, insbesondere mehr als 10 cm. Der Wafer muss nicht rund sein. Bei nicht runden Wafern, wie etwa quadratischen oder allgemein polygonalen Wafern gelten die vorstehenden Abmessungen für die größte Querabmessung, also etwa bei einem quadratischen Wafer die Diagonallänge. Die Vertiefungen 4 sowie auch die Erhöhungen 5 sind nicht auf runde Formen beschränkt. Ebenso sind polygonale, viereckige insbesondere quadratische oder unrunde Formen denkbar. Dabei können auch unterschiedliche Formen der Vertiefungen 4 sowie auch der Erhöhungen 5 je nach zu erzielender Struktur der Glasplatte vorliegen, diese Strukturen können auch gemischt auf einem Wafer vorliegen.
  • Die konvexen Glasflächen 14 stellen Linsen 19 dar, mit denen aus der Kavität ausdringendes oder in die Kavität 15 eindringendes Licht gebündelt werden kann. Der so erhaltene strukturierte Glaswafer kann nun dazu verwendet werden, auf Waferebene elektronische Bauteile zu verkapseln. Dazu wird ein Trägerwafer 16 mit einer Vielzahl von elektronischen Bauteilen 3 bestückt, beziehungsweise ein solcher bestückter Trägerwafer 16 bereitgestellt. Dieser soll nun mit der Seite 101 des strukturierten Glaswafers 10, welche die Kavitäten 15 aufweist, verbunden werden. Den Glaswafer 10 mit dem zu verbindenden Trägerwafer 16 zeigt 4. Als Materialien für den Trägerwafer 16 kommen unter anderem Silizium oder andere Halbleiter und Keramik in Betracht. Keramische Materialien für den Wafer können insbesondere Oxide, wie Al2O3 oder auch Nidride sein. Nitridkeramische Wafer, hier insbesondere Aluminiumnitrid-Wafer oder zumindest Aluminiumnitrid enthaltende keramische Wafer werden besonders bevorzugt.
  • Als Materialien für die Formhälften, oder zumindest deren Glaskontaktflächen sind Kohlenstoff oder Graphit, Invar, Kovar, Chrom-Nickel-Stahl, sowie Edelmetalle geeignet. Die Glaskontaktflächen können auch beschichtet sein. Geeignete Beschichtungen umfassen etwa Bornitrid oder Graphit, um eine Abformung des Glases zu erleichtern. Generell sind die Glaskontaktflächen der Formhälften vorzugsweise so ausgebildet, dass die an den optisch wirksamen Bereichen erwünschte Oberfläche erreicht wird.
  • Die elektronischen Bauteile sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Leuchtdioden 33. Insbesondere ist dabei an blaue oder ultraviolettes Licht emittierende Leuchtdioden (UV-LEDs) gedacht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden der Trägerwafer 16 mit dem strukturierten Glaswafer 10 mit einem Lot 21 verbunden, beziehungsweise verlötet. Das Lot kann ein Glaslot oder ein Metalllot sein. Als Metalllot ist insbesondere Gold-Zinn-Lot geeignet. Um das Verlöten zum Herstellen einer hermetischen Verbindung zu erleichtern, ist gemäß noch einer Ausführungsform vorgesehen, dass zumindest einer der beiden Wafer 10, 16 mit einer strukturierten Metallbeschichtung 23 als Haftschicht für das Lot 21 versehen ist. Bei dem dargestellten Beispiel sind sowohl der Trägerwafer 16, als auch der strukturierte Glaswafer 10 mit einer Metallbeschichtung 23 beschichtet. Metalle, die eine gute Haftung auf Glas, sowie auch auf einer Keramik als Material des Trägerwafers 16 haben, sind unter anderem Wolfram und Chrom. Die Metallbeschichtung 23 kann auch mehrschichtig sein. Auf diese Weise kann durch die Kombination verschiedener Metalle eine gute Haftung der Metallbeschichtung an die jeweiligen Substrate, also den Glaswafer 10 und den Trägerwafer 16 einerseits, sowie auch eine gute Anhaftung des Lots 21 erreicht werden.
  • Die hermetisch dichte Verbindung der Wafer 10, 16 kann auf folgende Arten und mit den folgenden Schritten erfolgen:
    1. a) Die Verbindung kann über eine Lötprozeß mit Metalllot erfolgen. Der Trägerwafer 16 und/oder die Kappe, beziehungsweise der Glaswafer 10 sind wie im dargestellten Beispiel auf Waferebene bereits mit einer lötfähigen Oberfläche, beziehungsweise einer Lotbeschichtung versehen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Lotpreform zwischen Glaswafer 10 und Trägerwafer 16 gelegt und unter Temperatureinwirkung verlötet werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer Erhitzung des gesamten Stapels der beiden Wafer 10, 16 kann die Erhitzung des Metalllots über einen Laserprozeß lokal erfolgen. Ein solcher Laserprozess kann gemäß einer besonderen Ausführungsform das Verlöten mittels eines Ultrakurzpulslasers umfassen.
    2. b) Die Verbindung kann über ein Lötprozeß mit Glaslot erfolgen. Das Glaslot wird analog zum Metalllot als Preform zwischen die beiden Wafer gelegt. Das Aufschmelzen des Glaslots erfolgt über einen Temperaturprozeß oder ebenfalls über eine lokales Erhitzen mit einem Laser. Beide Heizverfahren können wie bei der Ausführungsform mit dem Metalllot auch kombiniert werden. Optional wird der Trägerwafer oder der Glaswafer mit einem niederschmelzenden Glas, also wiederum einer Lotbeschichtung vorbeschichtet und diese dann aufgeschmolzen.
  • Beim Koppeln der Wafer unter Verwendung eines Lasers ist es auch denkbar, den Trägerwafer 16 und den strukturierten Glaswafer 10 ohne eine zwischenliegende Lotschicht miteinander zu verbinden. Dies kann durch Aufschmelzen einer strukturierten Metallbeschichtung 23 und/oder sogar ohne eine solche Beschichtung durch lokales Aufschmelzen des Materials eines oder beider Wafer 10, 16. Hierfür ist besonders das Aufschmelzen mit einem Ultrakurzpulslaser geeignet.
  • Den Waferverbund 17 mit dem Trägerwafer 16 und dem mit diesem verbundenen strukturierten Glaswafer 10 zeigt 5. Die beiden Lotschichten auf Trägerwafer 16 und Glaswafer 10 sind durch das Verlöten miteinander verschmolzen und bilden eine dichte Verbindung zwischen dem Trägerwafer 16 und der Seite 101 des Glaswafers 10 mit den Kavitäten 15. Die zu verkapselnden Bauteile 3, wie insbesondere Leuchtdioden 33 sind nach dem Aufsetzen und Verbinden der beiden Wafer 10, 16 in den jeweils mit den Kavitäten 15 gebildeten, hermetisch abgeschlossenen Hohlräumen 30 angeordnet.
  • Besonders bei einem Trägerwafer 16 aus einer Nitridkeramik und insbesondere bei einem Aluminiumnitrid-Wafer besteht das Problem einer schlechten Haftung an anderen Materialien. Wird ein Aluminiumnitrid-Wafer verwendet, ist es dazu besonders vorteilhaft, wenn dieser an den zu verlötenden Bereichen zuvor mit einer Metallisierung, beziehungsweise einer metallischen Schicht beschichtet wird. Diese strukturierte Metallbeschichtung 23 kann mit einem Vakuumabscheideverfahren, insbesondere Sputtern oder Aufdampfen abgeschieden werden. Auch für andere Wafermaterialien kann eine solche Metallisierung von Vorteil sein, um das Verlöten mit einem metallischen Lot und ebenso auch einem Glaslot zu vereinfachen. Gemäß einer Ausführungsform wird bei einer mehrschichtigen Metallbeschichtung 23 eine erste Lage mit einem Vakuumabscheideverfahren abgeschieden. Eine weitere Lage kann dann ebenfalls mit einem Vakuumabscheideverfahren aufgebracht werden. Möglich ist aber insbesondere auch, eine solche weitere Lage galvanisch auf der ersten Lage aufwachsen zu lassen. Auf diese Weise können in einfacher Weise größere Gesamtschichtdicken erreicht werden. Ein gut geeignetes Material für galvanisch abgeschiedene Lagen ist beispielsweise Nickel. So kann die strukturierte Metallbeschichtung 23 gemäß einem Beispiel auf einer ersten Lage, etwa aus Chrom oder Wolfram oder einer Legierung mit Chrom oder Wolfram eine galvanisch abgeschiedene Lage, beispielsweise aus Nickel aufgebracht sein.
  • Gemäß noch einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform wird die strukturierte Metallbeschichtung 23 mehrschichtig mit einer abschließenden Gold-Lage ausgeführt. Beispielsweise kann die oben beschriebene Ausführungsform mit einer Wolfram- oder Chrom-Lage und einer darauf galvanisch aufgewachsenen Nickel-Lage durch eine abschließende Gold-Lage ergänzt werden. Gold ermöglicht eine sehr gute Haftung an ein Lot 21 in Form eines Gold-Zinn-Lotes. Die Schichtdicke einer solchen Gold-Lage kann sehr dünn gehalten werden und liegt vorzugsweise bei kleiner als 1 µm, beispielsweise bei 0,1 µm. Allgemein, ohne Beschränkung auf bestimmte hier beschriebene Beispiele oder Ausführungsformen ist gemäß einem Aspekt eine Gesamtschichtdicke der strukturierten Metallbeschichtung 23 vorgesehen, die im Bereich von 0,1 Mikrometern bis 20 Mikrometern liegt.
  • Der Waferverbund 17 kann nach dem Verbinden zerteilt werden, so dass wie in 6 dargestellt einzelne elektronische Komponenten 1 erhalten werden, welche einen aus dem Trägerwafer 16 abgetrennten Träger 160 mit dem elektronischen Bauteil 3 und eine das Bauteil 3 in einer Kavität 15 hermetisch einschließende, vom strukturierten Glaswafer 10 abgetrennte Glasabdeckung 102 aufweisen.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein keramischer Trägerwafer 16 verwendet. Generell wird bevorzugt, dass die Wärmeleitfähigkeit des Trägerwafers 16 mindestens 20 W/(m-K), vorzugsweise mindestens 50 W/(m-K), insbesondere mindestens 75 W/(m-K), besonders bevorzugt mindestens 100 W/(m-K) beträgt. Insbesondere kann der Trägerwafer 16 ein nitridkeramischer Wafer sein. Das besonders bevorzugte Material hierzu ist ein Aluminiumnitrid-Wafer. Nitridkeramiken und Aluminiumnitrid in besonderem Maße zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Reines Aluminiumnitrid hat eine Wärmeleitfähigkeit von 180 W/(m•K). In der Praxis kann die Wärmeleitfähigkeit von AIN-Keramik niedriger liegen. In einer Ausführungsform beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Trägerwafers unabhängig von dessen Material mindestens 150 W/(m•K), insbesondere mindestens 170 W/(m•K).
  • Die Verwendung eines hoch wärmeleitfähigen Trägers für das Bauteil 3 ist besonders dann von Vorteil, wenn das Bauteil 3 gekühlt werden soll oder im Betrieb selbst viel Wärme produziert. Dies ist besonders bei Bestückung des Trägerwafers 16 mi blauen und insbesondere bei UV-Licht emittierenden Leuchtdioden, beziehungsweise entsprechenden so hergestellten verkapselten Leuchtdioden als optoelektronischen Komponenten der Fall.
  • Gehäuse für Optoelektroniken, die wie auch nach dieser Offenbarung ein optisch transparentes Fenster aufweisen, speziell im UVA/B und C-Bereich, können an sich gut durch die Materialkombination Keramik und Quarzglas realisiert werden. Quarzglas zeichnet sich dabei durch eine hohe UV-Transparenz aus. Dabei kann die Keramik, wie Al2O3 oder A1N als Substrat- oder Submountmaterial und das Quarzglas als optisch transparentes Fenster oder Linse verwendet werden. Neben Quarzglas kommen allgemein auch Silikatgläser in Betracht. Beide Komponenten, das Substratmaterial und das optische Fenster müssen über einen Verbindungsprozeß miteinander kombiniert werden. Für eine hermetisch dichte Verbindung kommt hierzu vornehmlich ein Lötprozeß mit Metalllot in Frage. Quarzglas hat einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von 5,5•10~7K-1. Der Ausdehnungskoeffizient von Aluminiumnitrid beträgt etwa 4,5•10-6K-1, ist also bereits fast eine Größenordnung größer. Al2O3 hat sogar einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 8•10-6 K-1. Bei einer thermischen Belastung des gesamten Gehäuses im Betrieb oder bei der Fertigung resultiert dies in thermomechanischen Spannungen und möglicherweise zu einem Bruch des Gehäuses oder der Verbindung der Komponenten. Dieses Problem wird insbesondere bei der Fertigung im Waferverbund erheblich. Wie oben gesagt hat der strukturierte Glaswafer 10 vorzugsweise einen Durchmesser von mehr als 10 cm, beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 4 bis 6 Zoll. Der Waferverbund 17 hat dann entsprechend vorzugsweise die gleichen Abmessungen.
  • Bei dieser Größe ist die thermische Ausdehnung, die bei typischen Fertigungsprozessen mehr als 120°C, auch mehr als 200 °C oder sogar mehr als 260 °C betragen kann, bereits derart groß, dass dadurch Risse und Fehlstellen über den Wafer entstehen können und eine hermetische Verbindung gefährdet wird.
  • Weiterhin kann dies auch beim einzelnen Gehäusemodul, beziehungsweise der gehäusten elektronischen oder optoelektronischen Komponente 1 im späteren Betrieb erfolgen. Speziell bei einem Betrieb des Gehäuses mit Umgebungstemperaturen über 50°C, bzw. über 80°C kann die Fehlanpassung im linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu einem Bruch der hermetischen Verbindung führen. Wünschenswert wäre daher ein Gehäuse mit einem Träger aus hoch wärmeleitfähiger Keramik, dass sowohl hermetisch und/oder autoklavierbar ist und auf Waferlevel montiert bzw. zusammengebaut werden kann. Ebenso wird ein Gehäuse gesucht, dass bei hohen Temperaturen betrieben werden kann. Nach einem Aspekt dieser Offenbarung soll dazu eine Materialkombination und eine dazu passende Verbindungstechnologie bereitgestellt werden, wobei die Materialien eine möglichst gute Anpassung der linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und eine Komponente optisch transparent ist, speziell im UV A/B und C-Bereich. Das Problem der thermischen Fehlanpassung von Quarzglas und Keramiken, insbesondere Nitridkeramiken oder Al2O3 lässt sich mit einem hoch borsäurehaltigen Borosilikatglas lösen. Allgemein ist dazu in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten von Trägerwafer 16 oder Träger 160 und Glaswafer 10 oder Glasabdeckung 102 um weniger als einen Betrag 5•10-7K-1 differieren. Um gleichzeitig noch eine hohe UV-Transmission zu erzielen, ist zusätzlich ein hoher Siliziumoxid-Gehalt von Vorteil. Allgemein ist in einer Ausführungsform der Erfindung dabei vorgesehen, dass der strukturierte Glaswafer 10 aus einem Borosilikatglas hergestellt wird, welches einen summierten Gehalt von B2O3 und SiO2 aufweist, der mindestens 79 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens 83 Gewichtsprozent beträgt. Für die hohe UV-Transmission ist es weiterhin günstig, wenn der Gehalt von SiO2 in Gewichtsprozent um einen Faktor im Bereich von 2,5 bis 5, vorzugsweise im Bereich von 2,8 bis 4,5 höher ist als der Gehalt von B2O3 in Gewichtsprozent. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann auf diese Weise ein Glas erhalten werden, welches einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4,1•10-6K-1 aufweist.
  • In einer besonderen Ausführungsform ist somit ohne Beschränkung auf spezielle Ausführungsbeispiele eine verkapselte elektronische, insbesondere optoelektronische Komponente 1 vorgesehen, welche einen Träger 160 aus einer Nitridkeramik, vorzugsweise einer Alumiumnitridkeramik aufweist, auf welchem ein elektronisches Bauteil, insbesondere eine UV-LED 33 angeordnet ist, wobei auf dem Träger 160 eine Glasabdeckung 102 aufgeklötet ist, die eine Kavität 15 aufweist, so dass ein Hohlraum 30 gebildet wird, in dem das Bauteil 3 angeordnet ist, und wobei die Glasabdeckung 102 eine nach außen weisende konvexe Glasfläche 14 aufweist, die eine Linse 19 bildet, wobei die konvexe Glasfläche eine frei, beziehungsweise berührungsfrei geformte Fläche darstellt, und wobei mindestens eines der folgenden Merkmale verwirklicht ist:
    • - die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Glasabdeckung 102 und Träger 160 differieren um weniger als einen Betrag 5•10-7K-1,
    • - das Glas der Glasabdeckung ist ein Borosilikatglas, welches einen summierten Gehalt von B2O3 und SiO2 aufweist, der mindestens 79 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens 83 Gewichtsprozent beträgt,
    • - der Gehalt von SiO2 in Gewichtsprozent um einen Faktor im Bereich von 2,5 bis 5, vorzugsweise im Bereich von 2,8 bis 4,5 höher ist als der Gehalt von B2O3 in Gewichtsprozent. Dadurch, dass die Glasfläche berührungsfrei geformt wird, weist diese dementsprechend eine feuerpolierte Oberfläche auf.
  • Je nach Material des Trägers 160 kann anstelle von Borosilikatglas aber auch ein anderes Silikatglas oder auch, besonders für gering ausdehnenden Trägermaterialien Quarzglas verwendet werden.
  • Die 7 bis 9 zeigen eine Variante des Verfahrens, mit welchem ein strukturierter Glaswafer mit bikonvexen Linsen hergestellt wird. Das Verfahren basiert allgemein darauf, dass die Vorsprünge 5 in der ersten Formhälfte 7 hier mittige Vertiefungen 50 aufweisen, so dass die Vorsprünge eine ringförmige Gestalt haben. Beim Verformen, insbesondere beim Pressen bleibt in die Vertiefungen 50 fließendes Glas hier ebenfalls zumindest teilweise kontaktlos und bildet in den Vertiefungen konvex geformte Glasflächen 51 aus, welche in Kombination mit den in den Vertiefungen 4 der zweiten Formhälfte 8 konvex geformten Glasflächen 14 bikonvexe Linsen ergeben. Anders als dargestellt, müssen auch hier die Wandungen der Viertiefungen 50 nicht ausschließlich senkrecht zur Oberfläche der Glasplatte 9 oder der Formfläche der Formhälfte 7 verlaufen. Vielmehr können sich die Vertiefungen 4 auch verjüngen oder erweitern.
  • 7 zeigt dazu die Form 6 mit den beiden Formhälften 7, 8 gemäß dieser Ausführungsform, sowie die dazwischen angeordnete Glaspatte 9. 8 zeigt die Formhälften 7, 8 nach Abschluss des Pressvorgangs mit dem durch das Pressen aus der Glasplatte 9 hergestellten strukturierten Glaswafer. In den Vertiefungen 4 und 50 der Formhälften 7, 8 haben sich durch das Einfließen des Glases konvexe Glasflächen 14, beziehungsweise 51 ausgebildet. 9 zeigt den strukturierten Glaswafer 10 nach dem Entfernen der Formhälften 7, 8. Wie beim vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel haben die Vorsprünge 5 in den Glaswafer 10 Kavitäten 15 eingefügt. In die Kavitäten 15 ragen bei dieser Ausführungsform nun jedoch die konvexen Glasflächen 51 hinein. Der Scheitelpunkt der Glasflächen 51 ist aber vorzugweise hinreichend weit vom Rand der Kavitäten entfernt, um die Aufnahme eines elektronischen Bauteils 3 zu ermöglichen. Die beiden konvexen Glasflächen 14, 51 bilden zusammen bikonvexe Linsen 19, die eine entsprechend hohe Brechkraft zur Fokussierung von emittiertem oder in die Kavität 15 fallendem Licht aufweisen.
  • Die 10 und 11 zeigen eine Abwandlung des Verfahrens gemäß der 7 bis 9. Generell, ohne Beschränkung auf die Ausführungsform der 7 bis 9 besteht die Abwandlung des Verfahrens darin, den strukturierten Glaswafer 10 in einem mehrstufigen Prägeprozess zu formen. Dabei wird die Glasplatte 9 vor dem endgültigen Formen der konvexen Glasflächen 14 und Kavitäten 15 mit einer Vorprägung versehen. Die Vorprägung erfolgt zum Beispiel in einer Form 6 mit Formhälften, die anders als die Formhälften 7, 8 für den endgültigen Formungsprozess ausgebildet sind. 10 zeigt dazu eine Form mit Formhälften 7 und 80. Die Formhälfte 7 weist dabei wie bei dem Beispiel der 1 Vorsprünge 5 auf. Die andere Formhälfte 80 ist hingegen eben geformt. Mit dieser Form können in die Glasplatte 9 Vorprägungen 18 in Gestalt von Kavitäten eingefügt werden. Diese Kavitäten sind vorzugsweise aber nicht so tief wie die Kavitäten 15, die im nachfolgenden Formprozess in den strukturierten Glaswafer 10 eingefügt werden. 11 zeigt dazu die mit der Form gemäß 10 vorgeprägte Glasplatte 9 in der Form 6 mit der wie im Beispiel der 7 bikonvexe Linsen 19 im Glaswafer 10 erzeugt werden.
  • 12 zeigt eine fotografische Aufnahme eines strukturierten Glaswafers 10. Wie anhand der Aufnahme ersichtlich, kann der Glaswafer 10 für die parallele Fertigung einer großen Anzahl von optoelektronischen Komponenten im Waferverbund ausgebildet sein. Das dargestellte Beispiel weist mehr als 850 konvexe Glasflächen 14, beziehungsweise Linsen 19 auf.
  • 13 zeigt ein Schnittbild einer Glasabdeckung 102, die aus einem strukturierten Glaswafer 10 durch Sägen herausgetrennt wurde. Die konvexe Glasfläche 14 ist in überraschender Weise fast perfekt sphärisch, obwohl die Fläche in der Vertiefung der Formhälfte 8 frei, also ohne eine anliegende Formfläche geformt wird.
  • Die Seitenwandung 150 der Kavität verläuft schräg, entsprechend der schräg geformten Flanken 52 der Vorsprünge 5 der Formhälfte 7. Die Kavität 15 wird durch eine der konvexen Glasfläche 14 gegenüberliegende Lichtdurchtrittsfläche 151 abgeschlossen. Diese Lichtdurchtrittsfläche 151 kann wie im dargestellten Beispiel eben ausgebildet sein. Damit weist die Glasabdeckung die optische Wirkung einer plankonvexen Linse auf.
  • Auf den Flächen 150 und 151 sind durch das Formwerkzeug gegebenenfalls eine Welligkeit und/oder Rauigkeit und/oder Spuren eines Beizprozesses vorhanden. Derartigen Merkmale fehlen typischerweise auf der frei, formlos geformten konvexen Glasfläche 14.
  • Aus dem Schnittbild und den darin sichtbaren Konturen können die Volumina von Kavität 15 und Linse 19 errechnet werden. Gemäß einer Ausführungsform ist dabei das Volumen der Linse 19 kleiner oder gleich dem Volumen der gegenüberliegenden Kavität 15. Sofern das Glas beim Eindrücken des Vorsprungs 5 der Formhälfte 7 nur in die gegenüberliegende Vertiefung der Formhälfte 8 ausweichen kann, werden bedingt durch das hier beschriebene Verfahren die Volumina sehr ähnlich oder sogar gleich. Gemäß einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform unterscheiden sich daher die Volumina von Linse und Kavität um weniger als 10%, vorzugsweise um weniger als 5%. 14 zeigt dazu die Verläufe der Konturen der beiden Seiten des Glaselements 102 mit die Linse 19 bildende konvexe Linsenfläche 14 und der Kavität. Errechnet man aus beiden Kurven die Volumina durch Integration, wobei von der Kurve mit der Linsenfläche 14 ein Offset von 30 abgezogen wird, um die gleiche Nulllinie für beide Kurven zu erhalten, so ergibt sich ein Verhältnis des Volumens von Linse, V(Linse) zum Volumen der Kavität, V(Kavität) von V(Linse)/ V(Kavität) = 0,96. Die Abweichung der Volumina beträgt damit weniger als 5%, wobei das Volumen der Kavität etwas größer ist als das Volumen der Linse.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    optoelektronische Komponente
    3
    Elektronisches Bauteil
    4
    Vertiefung
    5
    Vorsprung auf 7
    6
    Form
    7,8
    Formhälfte
    9
    Glasplatte
    10
    strukturierter Glaswafer
    14,51
    konvexe Glasfläche
    15
    Kavität in 10
    16
    Trägerwafer
    17
    Waferverbund
    18
    Vorprägung
    19
    Linse
    21
    Lot
    23
    Metallisierung
    30
    Hohlraum
    33
    LED
    50
    Vertiefungen in 5
    52
    Flanke von 5
    80
    ebene Formhälfte
    100,101
    Seiten von 10
    102
    Glasabdeckung
    150
    Seitenwand von 15
    151
    Lichtdurchtrittsfläche von 15
    160
    Träger für Bauteil 3
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 10347806 B2 [0003]
    • WO 2015/082477 A1 [0004]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Glaswafers (10) für die Verpackung von elektronischen Bauteilen (3) im Waferverbund, bei welchem eine Glasplatte (9) zwischen zwei Formhälften (7, 8) einer Form (6) gebracht und erwärmt wird, bis die Glasplatte (9) erweicht, wobei die Formhälften (7, 8) gegeneinander gedrückt werden, so dass die Glasplatte verformt wird und einen strukturierten Glaswafer (10) bildet, wobei eine erste Formhälfte (7) eine Anordnung von Vorsprüngen (5) und eine zweite Formhälfte (8) eine Anordnung von Vertiefungen (4) aufweist, wobei die Formhälften (7, 8) der Form (6) zum Verformen der Glasplatte (9) so angeordnet und geformt sind, dass die Vertiefungen (4) und Vorsprünge (5) gegenüberliegen, und wobei die Vorsprünge (5) beim Verformen Kavitäten (15) in die Glasplatte (9) einfügen und wobei das Glas der Glasplatte (9) gegenüberliegend zu den Kavitäten (15) beim Verformen in die Vertiefungen (4) der zweiten Formhälfte (8) fließt, wobei die Vertiefungen (4) so tief sind, dass das Glas zumindest teilweise kontaktlos bleibt und in der Vertiefung (4) jeweils eine konvex geformte Glasfläche (14) ausbildet.
  2. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (5) in der ersten Formhälfte (7) mittige Vertiefungen (50) aufweisen, so dass die Vorsprünge eine ringförmige Gestalt haben, und wobei das beim Verformen in die Vertiefungen (50) fließende Glas zumindest teilweise kontaktlos bleibt und in den Vertiefungen konvex geformte Glasflächen (51) ausbildet, welche in Kombination mit den in den Vertiefungen (4) der zweiten Formhälfte (8) konvex geformten Glasflächen (14) binkonvexe Linsen (19) ergeben.
  3. Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Glaswafer (10) in einem mehrstufigen Prägeprozess geformt wird, wobei die Glasplatte (9) vor dem endgültigen Formen der konvexen Glasflächen (14) und Kavitäten (15) mit einer Vorprägung (18) versehen wird.
  4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Glaswafer (10) aus einem Quarzglas oder Silikatglas hergestellt wird.
  5. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei der strukturierte Glaswafer aus einem Borosilikatglas hergestellt wird, welches zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist: - der summierten Gehalt von B2O3 und SiO2 beträgt mindestens 79 Gewichtsprozent, - der Gehalt von SiO2 in Gewichtsprozent ist um einen Faktor im Bereich von 2,5 bis 5 höher als der Gehalt von B2O3 in Gewichtsprozent.
  6. Verfahren zur Herstellung von verkapselten elektronischen, insbesondere optoelektronischen Komponenten (1), bei welchem ein Trägerwafer (16) mit einer Vielzahl von elektronischen Bauteilen (3) bestückt wird, und wobei der mit den elektronischen Bauteilen (3) bestückte Trägerwafer (16) mit der Seite (101) des strukturierten Glaswafers (10), welche die Kavitäten (15) aufweist, verbunden wird, so dass die elektronischen Bauteile (3) in den Kavitäten (15) hermetisch eingeschlossen werden, und wobei der so hergestellte Waferverbund (17) zerteilt wird, so dass einzelne elektronische Komponenten (1) erhalten werden, welche einen aus dem Trägerwafer (16) abgetrennten Träger (160) mit dem elektronischen Bauteil (3) und eine das Bauteil (3) in einer Kavität (15) hermetisch einschließende, vom strukturierten Glaswafer (10) abgetrennte Glasabdeckung (102) aufweisen.
  7. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerwafer (16) mit dem strukturierten Glaswafer (10) mit einem Lot (21), insbesondere einem Glaslot oder einem Metalllot, vorzugsweise Gold-Zinn-Lot verbunden wird.
  8. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der beiden Wafer (10, 16) mit einer strukturierten Metallbeschichtung (23) als Haftschicht für das Lot (21), vorzugsweise mit einer Gesamtschichtdicke im Bereich von 0,1 Mikrometer bis 20 Mikrometer versehen ist.
  9. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrschichtige strukturierte Metallbeschichtung (23) aufgebracht wird.
  10. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zumindest eines der Merkmale: - die Metallbeschichtung (23) umfasst eine untere Lage aus Wolfram oder Chrom oder einer Legierung mit Wolfram oder Chrom, - die Metallbeschichtung (23) umfasst eine galvanische aufgewachsene Lage, insbesondere eine Nickel-Lage, - die Metallbeschichtung (23) umfasst eine abschließende Gold-Lage.
  11. Verfahren gemäß einem der vier vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der Merkmale: - wenigstens einer der Teile Glaswafer (10) und Trägerwafer (16) sind mit einer Lotbeschichtung versehen, - eine Lotpreform wird zwischen Glaswafer (10) und Trägerwafer (16) gelegt und unter Temperatureinwirkung verlötet - zur Verlötung wird der gesamte Stapel mit Trägerwafer (16) und Glaswafer (10) erhitzt. - zur Verlötung wird das Lot (21) über einen Laserprozess lokal erhitzt.
  12. Verfahren gemäß einem der vier vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - es wird ein Nitridkeramik-Wafer, insbesondere ein Aluminiumnitrid-Wafer als Trägerwafer (16) verwendet, - es wird ein Trägerwafer (16) verwendet, der eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/(m-K) aufweist, bevorzugt von mindestens 100 W/(m-K). - der Trägerwafer (16) wird mit ultraviolett leuchtenden Leuchtdioden (33) bestückt, - der Trägerwafer (16) wird an zu verlötenden Bereichen durch Aufdampfen oder Sputtern mit einer Metallbeschichtung (23) versehen.
  13. Verkapselte elektronische, insbesondere optoelektronische Komponente (1), welche einen Träger (160) aus einer Nitridkeramik, vorzugsweise einer Alumiumnitridkeramik aufweist, auf welchem ein elektronisches Bauteil (3), vorzugsweise eine UV-LED (33) angeordnet ist, wobei auf dem Träger (160) eine Glasabdeckung (102) aufgelötet ist, die eine Kavität (15) aufweist, so dass ein Hohlraum (30) gebildet wird, in dem das Bauteil (3) angeordnet ist, und wobei die Glasabdeckung (102) eine nach außen weisende konvexe Glasfläche (14) aufweist, die eine Linse (19) bildet, wobei die konvexe Glasfläche eine feuerpolierte Fläche darstellt, und wobei mindestens eines der folgenden Merkmale gegeben ist: -das Volumen der Linse (19) ist kleiner oder gleich dem Volumen der Kavität (15), - die Volumina von Linse und Kavität unterscheiden sich um weniger als 10%, vorzugsweise um weniger als 5%, - die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Glasabdeckung (102) und Träger (160) differieren um weniger als einen Betrag 5•10-7K-1, - das Glas der Glasabdeckung (102) ist ein Borosilikatglas, welches einen summierten Gehalt von B2O3 und SiO2 aufweist, der mindestens 79 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens 83 Gewichtsprozent beträgt, - der Gehalt von SiO2 in Gewichtsprozent im Glas der Glasabdeckung (102) ist um einen Faktor im Bereich von 2,5 bis 5, vorzugsweise im Bereich von 2,8 bis 4,5 höher als der Gehalt von B2O3 in Gewichtsprozent.
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