DE102020129380A1

DE102020129380A1 - Hermetically bonded assembly

Info

Publication number: DE102020129380A1
Application number: DE102020129380.1A
Authority: DE
Inventors: Jens Ulrich Thomas; Antti Määttänen; Clemens Kunisch; Stephan Corvers; Bernd Hoppe; Jens Herrmann
Original assignee: Schott AG
Current assignee: SCHOTT PRIMOCELER OY, FI; Schott AG
Priority date: 2020-11-08
Filing date: 2020-11-08
Publication date: 2022-05-12

Abstract

Es wird eine hermetisch verbundene Anordnung gezeigt, umfassend ein erstes metallisches Substrat, ein zweites Substrat, welches zumindest bereichsweise und/oder zumindest teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist wobei das erste Substrat mit einer Kontaktfläche benachbart zu einer Kontaktfläche des zweiten Substrats angeordnet ist, und ferner mit zumindest eine Laserfügelinie oder eine Mehrzahl von Heftungspunkten zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats mit dem zweiten Substrat, an oder in den Kontaktflächen, wobei die Laserfügelinie bzw. die Mehrzahl von Heftungspunkten einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hineinreicht und die zumindest zwei Substrate direkt schmelzend miteinander fügt.A hermetically connected arrangement is shown, comprising a first metallic substrate, a second substrate which is transparent at least in certain areas and/or at least partially for at least one wavelength range, the first substrate being arranged with a contact surface adjacent to a contact surface of the second substrate, and also with at least one laser joining line or a plurality of tacking points for direct and immediate joining of the first metallic substrate to the second substrate, on or in the contact surfaces, the laser joining line or the plurality of tacking points on the one hand in the first substrate and on the other hand in the second Substrate extends and the at least two substrates directly melting together joins.

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hermetisch verbundene Anordnung, eine Umhäusung, ein Verfahren zur Herstellung eines hermetisch verschlossenen Verbunds sowie die mit dem Verfahren hergestellte hermetisch verbundene Anordnung.The present invention relates to a hermetically bonded assembly, a housing, a method of making a hermetically sealed assembly, and the hermetically bonded assembly made with the method.

Hintergrund und allgemeine Beschreibung der ErfindungBackground and general description of the invention

Grundsätzlich ist es bekannt, mehrere Teile zusammenzufügen mittels unterschiedlicher Laserverfahren. Beispielsweise sind hermetisch verbundene Glas-Glasübergänge aus der Europäischen Patentschrift EP 3 012 059 B1 der Anmelderin bekannt. Dort wird ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Teils zum Schützen eines optischen Bauteils gezeigt. Es wird dabei ein neuartiges Laserverfahren vorgestellt.In principle, it is known to join several parts together using different laser processes. For example, hermetically bonded glass-to-glass junctions are disclosed in European Patent Specification EP 3 012 059 B1 known to the applicant. There, a method for producing a transparent part for protecting an optical component is shown. A novel laser process is presented.

Zunehmend in den Fokus rücken Verbindungen, bei welchen unterschiedliche Materialien miteinander verbunden werden. Unter diesen ist besonders der Metall-Glas-Übergang interessant, da gerade die Kombination von Metall und Glas eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten hat. So sind Verbesserungen und neue Anwendungen im Bereich der Biophysik bzw. technischen Medizin, insbesondere im Hinblick auf Bioprozessoren wie auch Anwendungen in der Raumfahrt konkret realisierbar.Connections in which different materials are connected to one another are increasingly coming into focus. Among these, the metal-glass transition is particularly interesting, since the combination of metal and glass has a wide range of possible applications. Improvements and new applications in the field of biophysics and technical medicine, in particular with regard to bioprocessors and applications in space travel, can thus be implemented.

Wenn eine hermetisch verschlossene Umhäusung aufgebaut wird, kann dort ein Bauteil oder Bauteile im Inneren der Umhäusung vor widrigen Umweltbedingungen geschützt werden. So können in einer hermetisch verschlossenen Umhäusung sensible Elektronik, Schaltkreise oder beispielsweise Sensoren angeordnet werden, um beispielsweise medizinische Implantate, beispielsweise im Bereich des Herzens, in der Retina oder allgemein für Bioprozessoren aufzubauen und einzusetzen. Anwendungsbereiche können auch für MEMS (mikroelektromechanische Systeme), in der Sensorik, wie für ein Barometer, einen Blutgassensor oder einen Glukosesensor usw., wie auch für Elektronikanwendungen, wie insbesondere im Bereich der Uhrenherstellung oder generell im Bereich von Wearables und Geräten, die beispielsweise wassergeschützt oder druckgeschützt aufgebaut werden sollen, zu finden sein. Auch in der Luftfahrt, in Hochtemperaturanwendungen, im Rahmen der Elektromobilität, beispielsweise zur Herstellung von Flusszellen, wie auch im Bereich der Mikrooptik sind vielfältige Einsatzgebiete zu finden.When a hermetically sealed enclosure is constructed, a component or components inside the enclosure can be protected from adverse environmental conditions. Sensitive electronics, circuits or sensors, for example, can be arranged in a hermetically sealed housing in order to construct and use medical implants, for example in the area of the heart, in the retina or generally for bioprocessors. Areas of application can also be for MEMS (microelectromechanical systems), in sensor technology, such as for a barometer, a blood gas sensor or a glucose sensor, etc., as well as for electronics applications, such as in particular in the field of watch manufacture or in general in the field of wearables and devices that are, for example, water-protected or are to be set up pressure-protected. Various areas of application can also be found in aviation, in high-temperature applications, in the context of electromobility, for example for the production of flow cells, as well as in the field of micro-optics.

Im Unterschied zu einer Verbindung von zwei gleichartigen Komponenten miteinander stellt sich beim Einsatz von unterschiedlichen Materialien das Problem, dass die beiden Fügepartner schlecht aneinanderhaften bzw. überhaupt zu einem Verbund gebracht werden müssen.In contrast to the connection of two components of the same type, the use of different materials poses the problem that the two parts to be joined do not adhere well to one another or have to be brought together at all.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine hermetisch verbundene Anordnung bereitzustellen zwischen zwei Komponenten aus unterschiedlichem Material, wobei dies insbesondere mit Metall bislang nicht erfolgreich realisiert werden konnte. Es hat sich ferner die Aufgabe gestellt, auch Umhäusungen bereitzustellen, wobei zwei Teile unterschiedlichen Materials miteinander verbunden werden sollen. Insbesondere ergibt sich ein Teilaspekt der vorliegenden Aufgabe darin, dass die hermetisch verbundene Anordnung oder die Umhäusung ausreichend widerstandsfähig hergestellt werden kann, um besonders dafür zu sorgen, dass sich die beiden Teile nicht voneinander lösen bzw. unter geringer Krafteinwirkung bereits voneinander gelöst werden. Ein weiterer Teilaspekt der vorliegenden Erfindung findet sich darin, dass mögliche Materialschädigungen durch Anwendung eines Fügeverfahrens untersucht werden können und einer Überprüfung zugänglich gemacht werden können, wie auch ein Vermeiden bzw. Verringern solcher möglichen Schädigungen erreicht werden soll. Mögliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist somit, zuverlässigere und langlebigere hermetisch verbundene Anordnungen bzw. um Umhäusungen bereitzustellen.The present invention has therefore set itself the task of providing a hermetically connected arrangement between two components made of different materials, although this has hitherto not been able to be successfully implemented, in particular with metal. The object has also been set to also provide housings, in which case two parts made of different materials are to be connected to one another. In particular, a partial aspect of the present task results from the fact that the hermetically connected arrangement or the housing can be made sufficiently resistant to particularly ensure that the two parts do not become detached from one another or are already detached from one another under the application of little force. A further partial aspect of the present invention is that possible damage to the material can be examined by using a joining method and can be made accessible for checking how such possible damage is to be avoided or reduced. A possible aim of the present invention is thus to provide more reliable and durable hermetically connected assemblies or housings.

Eine hermetisch verbundene Anordnung gemäß der Erfindung umfasst ein erstes metallisches Substrat und ein zweites Substrat, welches zumindest bereichsweise und/oder zumindest teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist. Das erste Substrat ist mit einer Kontaktfläche benachbart zu einer Kontaktfläche des zweiten Substrats angeordnet.A hermetically connected arrangement according to the invention comprises a first metallic substrate and a second substrate, which is transparent at least in regions and/or at least partially for at least one wavelength range. The first substrate is arranged with a contact surface adjacent to a contact surface of the second substrate.

Kontaktfläche im Sinne dieser Anmeldung ist ein Bereich oder ein Teil einer Oberfläche, oder auch eine ganze Seite des jeweiligen Substrats, mit welcher das jeweilige Substrat benachbart zum jeweiligen anderen Substrat zu liegen kommt bzw. angeordnet ist. Typischerweise sind die Substrate nebeneinander oder aufeinander angeordnet. Wenn sich die beiden Substrate direkt und unmittelbar berühren, so wird eine Berührkontaktfläche gebildet. Die Berührkontaktfläche ist also beispielsweise eine Teilfläche der Kontaktfläche, bei der der Abstand der beiden Substrate zueinander so gering ist, dass er optisch nicht mehr messbar ist.Contact surface within the meaning of this application is an area or a part of a surface, or also an entire side of the respective substrate, with which the respective substrate comes to lie or is arranged adjacent to the respective other substrate. Typically, the substrates are arranged side by side or one on top of the other. When the two substrates touch each other directly and immediately, a touch pad is formed. The touch contact area is therefore, for example, a partial area of the contact area in which the distance between the two substrates is so small that it can no longer be measured optically.

Die zumindest zwei Substrate werden typischerweise zu deren Verbindung zunächst aneinander angeordnet, also zum Beispiel aufeinandergestapelt. Die Schwerkraft kann dann das obenliegende typischerweise zweite Substrat an das untenliegende typischerweise erste metallische Substrat andrücken. Die Orientierung oberhalb bzw. unterhalb ist dabei lediglich beschreibend, da die Anordnung der Substrate selbstverständlich jede Orientierung im Raum annehmen kann und auch eine Nebeneinanderanordnung nicht den Schutzbereich verlässt. Die beiden Substrate sind typischerweise mit einer größeren Seite ihrer Ausdehnung aneinander anliegend angeordnet.The at least two substrates are typically initially arranged next to one another for their connection, that is to say stacked on top of one another, for example. Gravity can then typically second substrate on top of the lie below typically press on the first metallic substrate. The orientation above or below is merely descriptive, since the arrangement of the substrates can of course assume any orientation in space and even an arrangement next to one another does not leave the scope of protection. The two substrates are typically placed abutting one another on a major side of their extent.

Beispielsweise sind die beiden Substrate scheibenförmig bzw. flach ausgebildet und weisen daher jeweils zumindest eine größere Flachseite auf, welche bevorzugt in Richtung des jeweils anderen Substrats ausgerichtet ist.For example, the two substrates are disc-shaped or flat and therefore each have at least one larger flat side, which is preferably aligned in the direction of the other substrate.

Die hermetisch verbundene Anordnung umfasst ferner zumindest eine Laserfügelinie oder eine Mehrzahl von Heftungspunkten zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats mit dem zweiten Substrat an oder in den Kontaktflächen. Die Laserfügelinie bzw. die Mehrzahl von Heftungspunkten reicht einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hinein und fügt die zumindest zwei Substrate direkt schmelzend miteinander. Mit anderen Worten sind die beiden Substrate in der Laserfügelinie miteinander gefügt.The hermetically connected arrangement also includes at least one laser joining line or a plurality of tacking points for direct and immediate joining of the first metallic substrate to the second substrate at or in the contact areas. The laser joining line or the plurality of bonding points extends into the first substrate on the one hand and into the second substrate on the other hand and joins the at least two substrates directly to one another by melting them. In other words, the two substrates are joined to one another in the laser joining line.

An den Kontaktflächen ist das jeweilige Substrat plan ausgebildet. Dabei ist eine absolut plane Oberfläche nur theoretisch erreichbar, da in Abhängigkeit des Betrachtungsmaßstabs auch bei polierten Oberflächen noch Vertiefungen, Erhöhungen oder Krümmungen oder alles gemeinsam gefunden werden kann. Ein vollflächiger Berührkontakt ist daher schwierig zu realisieren. Vielmehr sind Substrate, wenn auch nur in sehr kleinem Maße, gewölbt, geneigt, gekrümmt, mit Vertiefungen oder Erhöhungen versehen.The respective substrate is flat on the contact surfaces. An absolutely flat surface can only be achieved theoretically, since, depending on the viewing scale, depressions, elevations or curvatures or everything together can also be found on polished surfaces. A full-area touch contact is therefore difficult to implement. Rather, substrates are curved, inclined, curved, provided with depressions or elevations, even if only to a very small extent.

Beispielsweise kann eine Berührkontaktfläche definiert werden, wenn das erste Substrat zum zweiten Substrat einen mittleren Abstand von kleiner oder gleich 1 µm aufweist, bevorzugt kleiner oder gleich 0,5 µm und weiter bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 µm.For example, a touch contact area can be defined if the first substrate has an average distance from the second substrate of less than or equal to 1 μm, preferably less than or equal to 0.5 μm and more preferably less than or equal to 0.2 μm.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich dabei vorteilhaft herausgestellt, wenn der Abstand zwischen dem ersten Substrat und im zweiten Substrat kleiner ist. So ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche an der Kontaktfläche des ersten Substrats und/oder die Oberfläche an der Kontaktfläche des zweiten Substrats vor dem Anordnen der Substrate aneinander poliert wird, um den mittleren Abstand der Substrate zueinander weiter zu verringern. Bei dem ersten metallischen Substrat kann es vorteilhaft sein, wenn absolute Erhebungen über einer mittleren Oberfläche des metallischen Substrats 0,5 µm nicht übersteigen.In the context of the present invention, it has turned out to be advantageous if the distance between the first substrate and in the second substrate is smaller. It is advantageous if the surface on the contact area of the first substrate and/or the surface on the contact area of the second substrate is polished before the substrates are arranged on one another in order to further reduce the mean distance between the substrates. In the case of the first metal substrate, it can be advantageous if absolute elevations over a mean surface of the metal substrate do not exceed 0.5 μm.

Dies ist überraschend deswegen, weil eine polierte Oberfläche des metallischen Substrats grundsätzlich für ein Laserfügeverfahren nachteilig ist, da an einer polierten Oberfläche eine erhöhte Menge an Reflexion auftritt und deswegen die genaue Positionierung und Leistungsdeposition für den Fügevorgang erschwert ist bzw. der Fügevorgang möglicherweise so nicht durchgeführt werden kann. Dennoch konnten gerade mit polierten Kontaktflächen der metallischen ersten Substrate gute verbundene Anordnungen realisiert werden, die stark aneinanderhaften.This is surprising because a polished surface of the metallic substrate is fundamentally disadvantageous for a laser joining process, since an increased amount of reflection occurs on a polished surface and therefore precise positioning and power deposition for the joining process is made more difficult or the joining process may not be carried out in this way can be. Nevertheless, it was possible to realize good connected arrangements that strongly adhere to one another, especially with polished contact surfaces of the metallic first substrates.

In der Laserfügelinie bzw. in der Mehrzahl von Heftungspunkten ist eine Durchmischungszone, in welcher Material des zweiten Substrats und Material des ersten Substrats eingemischt ist.In the laser joining line or in the plurality of tacking points there is a mixing zone, in which material of the second substrate and material of the first substrate are mixed.

In der Durchmischungszone kann Metallmaterial des ersten Substrats in das zweite Substrat eingetreten sein. In der Durchmischungszone kann auch Material des zweiten Substrats in das erste metallische Substrat eingetreten sein. Besonders bevorzugt ist in der Durchmischungszone sowohl Metallmaterial des ersten Substrats in das zweite Substrat als auch Material des zweiten Substrats in das metallische Substrat eingetreten.In the intermixing zone, metal material of the first substrate can have entered the second substrate. Material of the second substrate can also have entered the first metallic substrate in the intermixing zone. Particularly preferably, both metal material of the first substrate has entered the second substrate and material of the second substrate has entered the metallic substrate in the intermixing zone.

Die Durchmischungszone kann eine Dicke gemessen in einer Richtung senkrecht auf die Kontaktflächen aufweisen, wobei die Dicke der Durchmischungszone eine Dicke von bevorzugt mindestens 1 µm aufweisen kann, weiter bevorzugt 2 µm oder mehr, weiter bevorzugt 5 µm oder mehr.The intermixing zone can have a thickness measured in a direction perpendicular to the contact surfaces, where the thickness of the intermixing zone can have a thickness of preferably at least 1 μm, more preferably 2 μm or more, more preferably 5 μm or more.

Die Durchmischungszone reicht bevorzugt mehr oder gleich 1 µm in das zweite Substrat hinein. Bevorzugt reicht die Durchmischungszone 5 µm in das zweite Substrat hinein. Weiter bevorzugt reicht die Durchmischungszone soweit in das zweite Substrat hinein wie die wiedererstarrte Zone, so dass die Durchmischungszone die wiedererstarrte Zone überlagert. Beispielsweise reicht die Durchmischungszone in etwa so weit in das zweite Substrat hinein wie in das erste Substrat. Dies ist auf den ersten Blick überraschend, da beispielsweise im Falle eines Metall-Glas-Verbunds der CTE des ersten Substrats um 3 bis 10 mal höher ist als der CTE eines Glases. Auch die Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Metalls ist typischerweise erheblich höher als diejenige des zweiten Substrats. Es hat sich allerdings gezeigt, dass es möglich ist, die Durchmischungszone so vorteilhaft in der Laserfügelinie bzw. den Heftungspunkten einzustellen, dass diese in etwa so weit in das erste Substrat hineinreicht wie in das zweite Substrat und somit die gefügte Verbindung zu verbessern.The intermixing zone preferably extends more than or equal to 1 μm into the second substrate. The intermixing zone preferably extends 5 μm into the second substrate. More preferably, the intermixing zone extends as far into the second substrate as the resolidified zone, so that the intermixing zone overlays the resolidified zone. For example, the intermixing zone extends approximately as far into the second substrate as into the first substrate. This is surprising at first sight since, for example in the case of a metal-glass composite, the CTE of the first substrate is 3 to 10 times higher than the CTE of a glass. Also, the heat capacity and thermal conductivity of the metal is typically significantly higher than that of the second substrate. However, it has been shown that it is possible to advantageously set the intermixing zone in the laser joining line or the tacking points so that it extends roughly as far into the first substrate as into the second substrate and thus to improve the joined connection.

Die Durchmischungszone weist eine Breite auf, wobei die Breite der Durchmischungszone bevorzugt größer ist als die Dicke der Durchmischungszone im zweiten Substrat. Die Breite der Durchmischungszone kann auch um 50 % oder mehr größer sein als die Dicke der Durchmischungszone, weiter bevorzugt 100 % oder mehr größer sein als die Dicke der Durchmischungszone.The intermixing zone has a width, the width of the intermixing zone preferably being greater than the thickness of the intermixing zone in the second substrate. The width of the mixing zone can also be 50% or more greater than the thickness of the mixing zone, more preferably 100% or more greater than the thickness of the mixing zone.

Die Breite kann dabei beispielsweise an der Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat und in einer Richtung parallel zu der Kontaktfläche und senkrecht zur Laserfügelinie gemessen sein.In this case, the width can be measured, for example, at the contact surface between the first and the second substrate and in a direction parallel to the contact surface and perpendicular to the laser joining line.

Die zumindest eine Laserfügelinie bzw. die Mehrzahl von Heftungspunkten kann ferner eine wiedererstarrte Zone umfassen, wobei die wiedererstarrte Zone eine Dicke gemessen in der Richtung senkrecht auf die Kontaktflächen aufweist. Die Dicke der wiedererstarrten Zone kann bevorzugt kleiner oder gleich 20 µm betragen, bevorzugt kleiner oder gleich 10 µm und weiter bevorzugt kleiner oder gleich 5 µm.The at least one laser joining line or the plurality of bonding points can also include a resolidified zone, the resolidified zone having a thickness measured in the direction perpendicular to the contact surfaces. The thickness of the resolidified zone can preferably be less than or equal to 20 μm, preferably less than or equal to 10 μm and more preferably less than or equal to 5 μm.

Die wiedererstarrte Zone kann auch weniger oder gleich 20 µm in eine Tiefe des zweiten Substrats hineinreichen, bevorzugt weniger oder gleich 10 µm und noch weiter bevorzugt weniger oder gleich 5 µm.The resolidified zone can also extend less than or equal to 20 μm into a depth of the second substrate, preferably less than or equal to 10 μm and even more preferably less than or equal to 5 μm.

Die wiedererstarrte Zone der zumindest einen Laserfügelinie bzw. der Mehrzahl von Heftungspunkten kann sich entlang der Laserfügelinie erstrecken bzw. in den jeweiligen Heftungspunkten angeordnet sein. Die wiedererstarrte Zone kann an der Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat und in einer Richtung parallel zu der Kontaktfläche eine Breite von 10 µm aufweisen, beispielsweise +/- 5 µm. Bevorzugt kann diese Breite 20 µm +/- 10 µm betragen, weiter bevorzugt 30 µm +/- 10 µm.The resolidified zone of the at least one laser joining line or the plurality of tacking points can extend along the laser joining line or be arranged in the respective tacking points. The resolidified zone may have a width of 10 µm, for example +/- 5 µm, at the interface between the first and second substrates and in a direction parallel to the interface. This width can preferably be 20 μm +/- 10 μm, more preferably 30 μm +/- 10 μm.

Die wiedererstarrte Zone kann in einer Richtung parallel zu der Kontaktfläche und senkrecht zur Laserfügelinie auch eine Breite aufweisen, die größer ist als die Dicke der wiedererstarrten Zone.The resolidified zone may also have a width greater than the thickness of the resolidified zone in a direction parallel to the contact surface and perpendicular to the laser bond line.

Die wiedererstarrte Zone ist besonders vorteilhaft möglichst klein, das heißt die Parameter der Bestrahlung mit dem Fügelaser können so ausgesucht werden, dass die wiedererstarrte Zone möglichst klein wird. Die wiedererstarrte Zone hat keinen Nutzen für den Fügevorgang, da sich dort kein Material so vermischt, dass eine Verzahnung oder eine Haftung zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat entsteht. Die wiedererstarrte Zone absorbiert also Laserenergie ohne das Ziel der Haftung zu verbessern. Zugleich entstehen in der wiedererstarrten Zone beim Erkalten derselben Risse und/oder Löcher bzw. Hohlräume, was ggf. dadurch erklärt werden kann, dass sich das Material des jeweiligen Substrats beim Aufheizen ausdehnt, dadurch Spannungen erzeugt, und beim Erkalten wieder zusammenzieht.The resolidified zone is particularly advantageously as small as possible, that is to say the parameters of the irradiation with the joining laser can be selected in such a way that the resolidified zone is as small as possible. The resolidified zone is of no use for the joining process, since no material mixes there in such a way that an interlocking or adhesion occurs between the first substrate and the second substrate. The resolidified zone thus absorbs laser energy without improving the adhesion objective. At the same time, cracks and/or holes or cavities appear in the resolidified zone as it cools, which can possibly be explained by the fact that the material of the respective substrate expands when heated, thereby generating stresses, and contracts again when it cools down.

Die Durchmischungszone ist also möglichst groß einzustellen, wohingegen die wiedererstarrte Zone möglichst klein einzustellen ist. Bevorzugt weist die Durchmischungszone eine Höhe von mindestens 1/5 der Höhe der wiedererstarrten Zone auf, weiter bevorzugt ½ der Höhe der wiedererstarrten Höhe, weiter bevorzugt ist die Durchmischungszone so hoch wie die wiedererstarrte Zone. Beispielsweise ist dabei bei einer Höhe der Durchmischungszone von 5 µm die Höhe der wiedererstarrten Zone über der Durchmischungszone 25 µm, wenn die Höhe der Durchmischungszone 1/5 der Höhe der wiedererstarrten Zone beträgt. Wenn die Höhe der Durchmischungszone 10 µm beträgt, und darüber die Höhe der wiedererstarrten Zone des zweiten Substrats ebenfalls 10 µm, dann entspricht die Höhe der wiedererstarrten Zone der Höhe der Durchmischungszone. Die Durchmischungszone kann auch eine größere Dicke aufweisen als die wiedererstarrte Zone, beispielsweise 1,5 mal so dick oder mehr, beispielsweise 5 mal so dick wie die wiedererstarrte Zone.The mixing zone should therefore be set as large as possible, whereas the resolidified zone should be set as small as possible. The mixing zone preferably has a height of at least 1/5 the height of the resolidified zone, more preferably ½ the height of the resolidified height, more preferably the mixing zone is as high as the resolidified zone. For example, with a height of the intermixing zone of 5 μm, the height of the resolidified zone above the intermixing zone is 25 μm if the height of the intermixing zone is 1/5 of the height of the resolidified zone. If the height of the intermixing zone is 10 μm, and above that the height of the resolidified zone of the second substrate is also 10 μm, then the height of the resolidified zone corresponds to the height of the intermixing zone. The mixing zone can also have a greater thickness than the resolidified zone, for example 1.5 times as thick or more, for example 5 times as thick as the resolidified zone.

Auch das erste metallische Substrat weist unterseits der Durchmischungszone typischerweise eine wiedererstarrte Zone auf. Bislang konnte nicht festgestellt werden, dass die Größe der wiedererstarrten Zone des ersten Substrats nachteilig für den Fügevorgang wäre, so wie es im Falle des zweiten Substrats ist. Im Gegenteil konnte gezeigt werden, dass Material des zweiten Substrats bis in die wiedererstarrte Zone des ersten Substrats eindringen kann und dort eine Dentritenbildung provoziert werden kann, also eine ankerhafte Verbindung des zweiten Substrats an dem ersten Substrats über einen oder mehrere Dentrite erfolgen kann, wobei die Dentrite bis in die wiedererstarrte Zone des ersten Substrats reichen können.The first metallic substrate also typically has a resolidified zone below the intermixing zone. So far it has not been found that the size of the resolidified zone of the first substrate would be detrimental to the joining process, as it is in the case of the second substrate. On the contrary, it could be shown that material of the second substrate can penetrate into the resolidified zone of the first substrate and dendrite formation can be provoked there, i.e. an anchoring connection of the second substrate to the first substrate can take place via one or more dendrites, whereby the Dendrites can reach into the resolidified zone of the first substrate.

In der Durchmischungszone kann Material des ersten Substrats und Material des zweiten Substrats derart angeordnet sein, dass eine formschlüssige Verzahnung zwischen dem Material des ersten Substrats mit dem Material des zweiten Substrats hervorgerufen ist. Die hermetisch verbundene Anordnung kann eine miteinander verschmolzene Verzahnungsstruktur zwischen dem ersten metallischen und dem zweiten Substrat umfassen. In der miteinander verschmolzenen Verzahnungsstruktur kann ein Ausstülpen, Einstülpen oder Hintergreifen von Material des jeweils anderen Substrats vorliegen, so dass hierdurch der Haftverbund der hermetisch verbundenen Anordnung erheblich gestärkt wird. Eine solche miteinander verschmolzene Verzahnungsstruktur stellt einen formschlüssigen Verbund bereit zwischen den beiden Substraten, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn der stoffschlüssige Verbund zwischen unterschiedlichen Materialien gegebenenfalls nur eine geringe Haftkraft oder eine geringe Stoffschlüssigkeit bereitzustellen vermag. Die Verzahnungsstruktur zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat fungiert wie ein mikroskopischer Reißverschluss.Material of the first substrate and material of the second substrate can be arranged in the intermixing zone in such a way that a form-fitting interlocking between the material of the first substrate and the material of the second substrate is brought about. The hermetically bonded assembly may include a fused interlocking structure between the first metallic and second substrates. Material of the respective other substrate can protrude, invert or reach behind in the interlocking structure that has been fused together, so that the adhesive bond of the hermetically connected arrangement is considerably strengthened as a result. Such a fused interlocking structure provides a form-fitting bond between the two substrates is particularly advantageous when the material connection between different materials is only able to provide a low adhesive force or a low material connection. The interlocking structure between the first and second substrate acts like a microscopic zipper.

In der Durchmischungszone kann Metallmaterial des metallischen Substrats in Form von Droplets und/oder Dentriten vorliegen, wobei die Anordnung als Droplets und/oder Dentriten eine Verfestigung des Verbunds zwischen erstem und zweitem Substrat bewirkt.Metal material of the metallic substrate can be present in the intermixing zone in the form of droplets and/or dendrites, the arrangement as droplets and/or dendrites causing a strengthening of the bond between the first and second substrate.

Noch bemerkenswerter ist, dass auch in zumindest einer der Wiedererstarrungszonen Metallmaterial des metallischen Substrats und/oder Material des zweiten Substrats eingedrungen sein kann, insbesondere in Form von Droplets, Abschmelzungen und/oder Dentriten, und eine Verfestigung des Verbunds zwischen erstem und zweitem Substrat bewirkt. Mit anderen Worten werden die Fügepartner, d.h. das Material des ersten Substrat und/oder das Material des zweiten Substrats, ausgewählt und/oder der Strahlerzeuger so eingestellt und/oder hergerichtet sein, den Fügeprozess derart einzustellen, dass Metallmaterial des metallischen Substrats und/oder Material des zweiten Substrats in die jeweils dem anderen Substrat zugeordnete Wiedererstarrungszone eindringt.It is even more remarkable that metal material of the metallic substrate and/or material of the second substrate can also have penetrated into at least one of the resolidification zones, in particular in the form of droplets, ablation and/or dendrites, and causes a strengthening of the bond between the first and second substrate. In other words, the joining partners, i.e. the material of the first substrate and/or the material of the second substrate, are selected and/or the beam generator is set and/or prepared in such a way that the joining process is set in such a way that metal material of the metal substrate and/or material of the second substrate penetrates into the resolidification zone associated with the other substrate.

Beispielsweise kann Material des ersten und/oder zweiten Substrats durch oder nach Einbringung der Laserfügelinie einen amorphen Bereich oder Zone aufweisen. Ein solcher amorpher Bereich, also beispielsweise amorphes Metallmaterial, kann die Verzahnung weiter verbessern.For example, the material of the first and/or second substrate can have an amorphous area or zone as a result of or after the introduction of the laser joining line. Such an amorphous area, ie, for example, amorphous metal material, can further improve the interlocking.

Die Kontaktfläche des ersten Substrats kann zumindest einen Berührkontaktbereich aufweisen, in welchem das erste Substrat in flächigem Berührkontakt mit dem zweiten Substrat steht. Die Berührkontaktfläche kann insbesondere einen mittleren Abstand zwischen erstem und zweitem Substrat von kleiner oder gleich 1 µm aufweisen, bevorzugt kleiner oder gleich 0,5 µm und weiter bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 µm. Möglicherweise sind dabei aus technischen Gründen oder anderen Gründen beispielsweise geringste Gaseinschlüsse oder Unreinheiten, wie Staubpartikel oder Unebenheiten aus einem Poliervorgang, zwischen den Substratschichten nicht zu vermeiden. Dies kann sich auch aus eventuellen Unebenheiten auch bis in den Mikrobereich zwischen den Substratschichten oder an den Oberflächen der Substratschichten ergeben. Die Berührkontaktfläche kann der Kontaktfläche entsprechen, wenn ein vollflächiger Kontakt zwischen den beiden Substraten hergestellt werden kann.The contact surface of the first substrate can have at least one touch contact region, in which the first substrate is in areal touch contact with the second substrate. The touch contact area can in particular have an average distance between the first and second substrate of less than or equal to 1 μm, preferably less than or equal to 0.5 μm and more preferably less than or equal to 0.2 μm. For technical reasons or other reasons, the smallest gas inclusions or impurities, such as dust particles or unevenness from a polishing process, between the substrate layers may possibly be unavoidable. This can also result from any unevenness down to the micro level between the substrate layers or on the surfaces of the substrate layers. The touch contact area can correspond to the contact area if full-area contact can be established between the two substrates.

Die Laserfügelinie kann das erste Substrat mit dem zweiten Substrat so miteinander verbinden, dass die beiden Substrate nur unter Aufbringung einer Haltekraft voneinander getrennt werden können. Die Fügung zwischen den beiden Substraten kann auch so stark erreicht werden, dass ein Trennen der beiden Substrate voneinander nur unter Zerstörung des zweiten Substrats erreicht werden kann, wenn die Haltekraft größer ist als die zur Zerstörung des zweiten Substrats nötige Kraft. Die Haltekraft des zweiten Substrats am ersten Substrat kann beispielsweise größer sein als 10 N/mm², bevorzugt größer sein als 25 N/mm², weiter bevorzugt größer sein als 50 N/mm², noch weiter bevorzugt größer sein als 75 N/mm² und schließlich am bevorzugtesten größer als 100 N/mm².The laser joining line can connect the first substrate to the second substrate in such a way that the two substrates can only be separated from one another by applying a holding force. The joint between the two substrates can also be achieved so strongly that the two substrates can only be separated from one another by destroying the second substrate if the holding force is greater than the force required to destroy the second substrate. The holding force of the second substrate on the first substrate can, for example, be greater than 10 N/mm ² , preferably greater than 25 N/mm ² , more preferably greater than 50 N/mm ² , even more preferably greater than 75 N/mm ² and finally most preferably greater than 100 N/mm ² .

Das erste Substrat kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Kontaktseite flach ausgebildet ist, also insbesondere planar. Die Kontaktseite des ersten Substrats kann poliert sein.The first substrate can be characterized in that the contact side is flat, ie in particular planar. The contact side of the first substrate can be polished.

Die Kontaktseite des ersten Substrats kann dabei einen Mittenrauwert Ra von kleiner oder gleich 0,5 µm aufweisen, bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 µm, weiter bevorzugt kleiner oder gleich 0,1 µm, noch weiter bevorzugt kleiner oder gleich 50 nm und schließlich bevorzugt kleiner oder gleich 20 nm.The contact side of the first substrate can have an average roughness value Ra of less than or equal to 0.5 μm, preferably less than or equal to 0.2 μm, more preferably less than or equal to 0.1 μm, even more preferably less than or equal to 50 nm and finally preferred less than or equal to 20 nm.

Das zweite Substrat kann dadurch gekennzeichnet sein, dass es an der Kontaktseite flach ausgebildet ist, insbesondere planar und weiter insbesondere einen Mittenrauwert Ra von kleiner oder gleich 0,5 µm aufweist.The second substrate can be characterized in that it is flat on the contact side, in particular planar, and more particularly has an average roughness value Ra of less than or equal to 0.5 μm.

Die Laserfügelinie wird mittels eines Fügelasers eingebracht. Beispielsweise hat der Fügelaser eine Wellenlänge von bevorzugt 1030 nm, wenn es sich um einen Infrarotlaser handelt. Ein Ultrakurzpulslaser mit Pulslängen im Bereich von 50 ps oder kleiner, bevorzugt 20 ps oder kleiner, weiter bevorzugt 10 ps oder weiter bevorzugt 1 ps oder kleiner kann beispielsweise eingesetzt werden.The laser joining line is introduced using a joining laser. For example, the joining laser has a wavelength of preferably 1030 nm if it is an infrared laser. An ultra-short pulse laser with pulse lengths in the range of 50 ps or less, preferably 20 ps or less, more preferably 10 ps or more preferably 1 ps or less can be used, for example.

Der Fügelaser weist einen Strahlfokus auf. Der Strahlfokus kann eine Strahltaillenbreite 2w0 aufweisen. Ferner weist der Fügelaser eine Strahlbreite 2W_Laser für den Fügeprozess auf, die größer oder gleich der Strahltaillenbreite 2w0 sein kann. Die Fokalebene für das Eindringen der Laserfügelinie kann relativ zur Fügeebene distal verschoben sein. Die Strahlbreite 2W_Laser ist insbesondere dann größer als die Strahltaillenbreite 2w0, wenn die Fokaleben für das Eindringen der Laserfügelinie distal verschoben ist. Insbesondere liegt die Fokalebene im ersten Substrat beim Einbringen der Laserfügelinie. Die Fokalebene ist bevorzugt 10 µm +/- 10 µm distal in das erste Substrat verschoben, weiter bevorzugt 20 µm +/- 10 µm.The joining laser has a beam focus. The beam focus can have a beam waist width 2w0. Furthermore, the joining laser has a beam width 2W _laser for the joining process, which can be greater than or equal to the beam waist width 2w0. The focal plane for the penetration of the laser joining line can be shifted distally relative to the joining plane. In particular, the beam width 2W _laser is larger than the beam waist width 2w0 when the focal plane for the penetration of the laser joining line is shifted distally. In particular, the focal plane lies in the first substrate when the laser joining line is introduced. The focal plane is preferably shifted 10 μm +/- 10 μm distally into the first substrate, more preferably 20 μm +/- 10 μm.

Die Strahlbreite 2W_Laser beträgt an der Fügeebene bevorzugt 4µm ± 1 µm, weiter bevorzugt 4µm ± 2µm, weiter bevorzugt 4µm ± 3µm. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn die die Fokalebene im ersten Substrat beim Einbringen der Laserfügelinie liegt, also beispielsweise 10 µm +/- 10 µm oder 20 µm +/- 10 µm distal in das erste Substrat verschoben ist. Alternativ oder kumulativ kann eine Aufweitung oder Verschmälerung des Laserstrahles vor dem Einschreibe-Objektiv erfolgen, beispielsweise durch eine Blende oder ein Teleskop, um die Strahlbreite 2W_Laser auf die gewünschte Breite einzustellen.The 2W _laser beam width at the joining plane is preferably 4 μm±1 μm, more preferably 4 μm±2 μm, more preferably 4 μm±3 μm. This can be achieved, for example, if the focal plane is in the first substrate when the laser joining line is introduced, ie it is shifted distally, for example, 10 μm +/- 10 μm or 20 μm +/- 10 μm into the first substrate. Alternatively or cumulatively, the laser beam can be widened or narrowed in front of the writing objective, for example by means of a diaphragm or a telescope, in order to set the beam width of the 2W _laser to the desired width.

Das erste Substrat besteht bevorzugt vollständig aus Metallmaterial. Das erste Substrat umfasst dabei Metall im Sinne der Definition des Periodensystems.The first substrate is preferably made entirely of metal material. In this case, the first substrate comprises metal in the sense of the definition of the periodic table.

Das erste Substrat kann zumindest eines aus Molybdän, Wolfram, Silizium, Platin, Silber oder Gold umfassen oder daraus bestehen. Das erste Substrat kann auch eine Legierung umfassen.The first substrate may include or consist of at least one of molybdenum, tungsten, silicon, platinum, silver, or gold. The first substrate may also include an alloy.

Insbesondere kann das erste Substrat zumindest eines aus Kohlenstoff, Kupfer, Mangan, Chrom, Magnesium, Kobalt, Nickel, Zinn, Zink, Niob, Palladium, Rhenium, Indium, Tantal, Titan oder Iridium umfassen oder daraus bestehen.In particular, the first substrate can comprise or consist of at least one of carbon, copper, manganese, chromium, magnesium, cobalt, nickel, tin, zinc, niobium, palladium, rhenium, indium, tantalum, titanium or iridium.

Das zweite Substrat ist bevorzugt ein transparentes Substrat. Das zweite Substrat kann Glas, Glaskeramik, Silizium, Saphir oder eine Kombination der vorgenannten Materialien umfassen oder daraus bestehen. Das zweite Substrat kann auch keramisches Material umfassen oder daraus bestehen, insbesondere oxidkeramisches Material.The second substrate is preferably a transparent substrate. The second substrate can comprise or consist of glass, glass ceramic, silicon, sapphire or a combination of the aforementioned materials. The second substrate can also include or consist of ceramic material, in particular oxide ceramic material.

Das zweite Substrat kann zumindest eines aus Quarzglas, Borosilikatglas, Aluminosilikatglas, eine Glaskeramik, wie Zerodur, Ceran oder Robax, eine Optokeramik, wie Aluminiumoxid, Spinell, Pyrochlor oder Aluminiumoxynitrit, Kalziumfluorridkristall oder Chalcogenidglas umfassen oder daraus bestehen.The second substrate may comprise or consist of at least one of quartz glass, borosilicate glass, aluminosilicate glass, a glass ceramic such as Zerodur, Ceran or Robax, an optoceramic such as alumina, spinel, pyrochlore or aluminum oxynitrite, calcium fluoride crystal or chalcogenide glass.

Die hermetisch verbundene Anordnung kann in Weiterbildung oder alternativer Ausbildung das erste metallische Substrat und das zweite Substrat umfassen, welches zumindest bereichsweise und/oder zumindest teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist. Das erste Substrat ist dabei mit der Kontaktfläche benachbart zu der Kontaktfläche des zweiten Substrats angeordnet. Die hermetisch verbundene Anordnung umfasst ferner zumindest einen Abstandshalter zum Festlegen eines Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat.In a further development or alternative embodiment, the hermetically connected arrangement can comprise the first metallic substrate and the second substrate, which is designed to be transparent at least in regions and/or at least partially for at least one wavelength range. In this case, the first substrate is arranged with the contact surface adjacent to the contact surface of the second substrate. The hermetically bonded assembly further includes at least one spacer for defining a distance between the first and second substrates.

Der Abstandshalter kann zwischen dem ersten metallischen Substrat und dem zweiten Substrat eingesetzt oder umfasst sein. Beispielsweise kann das erste Substrat dann über den Abstandshalter mit dem zweiten Substrat in Kontakt stehen. Mit anderen Worten kann der Abstandshalter beispielsweise bereichsweise auf einer der Kontaktflächen angeordnet sein, so dass das jeweils andere Substrat mit dem Abstandshalter in Kontakt bzw. in Berührkontakt kommt, aber zwischen der Kontaktfläche des ersten Substrats und der Kontaktfläche des zweiten Substrats außerhalb des Abstandshalters ein Abstand, beispielsweise in der Größe der Dicke des Abstandshalters, verbleibt.The spacer may be interposed or comprised between the first metallic substrate and the second substrate. For example, the first substrate can then be in contact with the second substrate via the spacer. In other words, the spacer can be arranged in areas on one of the contact surfaces, for example, so that the other substrate in each case comes into contact with the spacer or comes into physical contact, but between the contact surface of the first substrate and the contact surface of the second substrate outside of the spacer there is a distance , for example in the size of the thickness of the spacer, remains.

Das erste Substrat kann also über den Abstandshalter mit dem zweiten Substrat in Kontakt oder in Berührkontakt stehen. Der Abstandshalter kann demnach zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet sein.The first substrate can therefore be in contact or in physical contact with the second substrate via the spacer. The spacer can accordingly be arranged between the first substrate and the second substrate.

Der Abstandshalter kann aus Metallmaterial bestehen. Beispielsweise kann der Abstandshalter als Beschichtung auf dem ersten oder dem zweiten Substrat ausgebildet sein. Der Abstandshalter kann auch einstückig mit dem ersten Substrat ausgebildet sein.The spacer can be made of metal material. For example, the spacer can be formed as a coating on the first or the second substrate. The spacer can also be formed in one piece with the first substrate.

Der Abstandshalter kann einstückig mit der Oberfläche des ersten Substrats und/oder des zweiten Substrates ausgebildet sein, dort also beispielsweise einen Absatz oder eine Erhöhung bilden. Beispielsweise kann der Abstandshalter beim Polieren hergestellt werden, wenn Bereiche der Kontaktfläche des ersten Substrats bzw. des zweiten Substrats nicht poliert werden und somit Erhöhungen dort stehen bleiben. Gerade im Fall von Saphir als zweitem Substrat, wie insbesondere als Uhrenglas, bei welchem typischerweise bereits eine aufwändige Politur des Saphirglases erfolgt, kann eine zusätzliche bzw. geänderte Politur des Saphir-Glases im Polierschritt mit erfolgen, so dass kein zusätzlicher Arbeitsschritt bei der Herstellung benötigt wird.The spacer can be formed in one piece with the surface of the first substrate and/or the second substrate, ie it can form a shoulder or an elevation there, for example. For example, the spacer can be produced during polishing if areas of the contact surface of the first substrate or of the second substrate are not polished and elevations therefore remain there. Especially in the case of sapphire as the second substrate, such as in particular as a watch glass, in which the sapphire glass is typically already polished in a complex manner, an additional or modified polishing of the sapphire glass can also be carried out in the polishing step, so that no additional work step is required in the production will.

Der Abstandshalter kann als dünne Folie beispielsweise aus Aluminium hergestellt sein, welche an dem ersten oder zweiten Substrat angeheftet sein kann. Der Abstandshalter kann aufgesputtert werden. Der Abstandshalter kann eine direkt abgeschiedene Lithoglasschicht umfassen. Der Abstandshalter kann auch auf das erste oder zweite Substrat aufgedruckt sein beispielsweise im Tintenstrahldruckverfahren. Der Abstandshalter kann sich auch mittels 3D - Druck ergeben.The spacer can be made as a thin foil of aluminum, for example, which can be adhered to the first or second substrate. The spacer can be sputtered on. The spacer may comprise a directly deposited lithographic glass layer. The spacer can also be printed onto the first or second substrate, for example using an inkjet printing process. The spacer can also result from 3D printing.

Der Abstandshalter kann sich zumindest entlang der Laserfügelinie oder im Bereich der Heftungspunkte erstrecken. Der Abstandshalter kann sich außerhalb der Laserfügelinie bzw. außerhalb der Bereiche der Heftungspunkte erstrecken. Der Abstandshalter kann auch vollflächig ausgebildet sein.The spacer can extend at least along the laser joining line or in the area of the tacking points. The spacer can extend outside the laser joining line or outside the areas of the tacking points. Of the Spacer can also be formed over the entire surface.

In einem Beispiel ist der Abstandshalter gebildet dadurch, dass das erste metallische Substrat an seiner Kontaktfläche poliert ist, aber nicht vollflächig planar poliert ist, sondern ein beispielsweise stegförmiger Abstandshalter an der Kontaktfläche des ersten Substrats stehen bleibt. Dieser Abstandshalter ist also einstückig mit dem ersten Substrat ausgebildet als Erhebung aus der Kontaktfläche des ersten Substrats. Der Abstandshalter kann bevorzugt dort angeordnet sein, wo die Laserfügelinie(n) eingebracht wird/werden. Dies kann den verbliebenen Abstand zwischen den Substraten im Bereich der Laserfügelinie(n) weiter verringern und/oder das Fügeergebnis bzw. die Haftung der beiden Substrate aneinander verbessern.In one example, the spacer is formed by the fact that the first metallic substrate is polished on its contact surface, but is not polished planar over the entire surface, but instead a web-shaped spacer, for example, remains on the contact surface of the first substrate. This spacer is therefore formed in one piece with the first substrate as an elevation from the contact surface of the first substrate. The spacer can preferably be arranged where the laser joining line(s) is/are introduced. This can further reduce the remaining distance between the substrates in the area of the laser joining line(s) and/or improve the joining result or the adhesion of the two substrates to one another.

Der Abstandshalter kann eine Dicke von zumindest 5 µm aufweisen, weiter bevorzugt eine Dicke von zumindest 10 µm und noch weiter bevorzugt eine Dicke von zumindest 20 µm. Dies ist besonders dann interessant, wen der Abstandshalter im Bereich der Laserfügelinie eingesetzt wird.The spacer can have a thickness of at least 5 μm, more preferably a thickness of at least 10 μm and even more preferably a thickness of at least 20 μm. This is particularly interesting when the spacer is used in the area of the laser joining line.

Wenn der Abstandshalter nicht im Bereich der zu setzenden Laserfügelinie(n) eingesetzt wird, sondern beispielsweise benachbart dazu, ist es vorteilhaft, wenn der Abstandshalter eine Dicke von 5 µm nicht übersteigt. Beispielsweise kann der Abstandshalter eine Dicke von bevorzugt größer 1 µm aufweisen, bevorzugt 2 bis 3 µm oder mehr.If the spacer is not used in the area of the laser joining line(s) to be set, but for example adjacent to it, it is advantageous if the spacer does not exceed a thickness of 5 μm. For example, the spacer can have a thickness of preferably greater than 1 μm, preferably 2 to 3 μm or more.

Im Rahmen der Erfindung ist auch eine hermetisch verbundene Anordnung gezeigt, umfassend ein erstes metallisches Substrat, ein zweites Substrat, welches zumindest bereichsweise und/oder zumindest teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist, wobei das erste Substrat mit einer Kontaktfläche benachbart zu einer Kontaktfläche des zweiten Substrats angeordnet ist, sowie mit zumindest einer Ausweichzone zum Aufnehmen von schmelzflüssigem Material aus einer Laserfügelinie oder einem Heftungspunkt, wobei die Laserfügelinie oder eine Mehrzahl von Heftungspunkten zum direkten und unmittelbaren schmelzenden Fügen des ersten metallischen Substrats mit dem zweiten Substrat eingesetzt wird.Within the scope of the invention, a hermetically connected arrangement is also shown, comprising a first metallic substrate, a second substrate which is transparent at least in certain areas and/or at least partially for at least one wavelength range, the first substrate having a contact surface adjacent to a contact surface of the second substrate, and having at least one avoidance zone for receiving molten material from a laser joining line or a tacking point, the laser joining line or a plurality of tacking points being used for the direct and immediate melting joining of the first metallic substrate to the second substrate.

Die zumindest eine Ausweichzone ist dabei bevorzugt benachbart zu der Laserfügelinie oder der Mehrzahl von Heftungspunkten angeordnet. Mit anderen Worten ist die Ausweichzone so angeordnet, dass schmelzflüssiges Material, insbesondere im Moment der Erzeugung der Laserfügelinie, in die Ausweichzone ausweichen kann. Beispielsweise kann die Ausweichzone um die Laserfügelinie herum und damit kommunizierend angeordnet sein, so dass Material, welches in der Laserfügelinie schmelzflüssig erhitzt wird, geringfügig in die Ausweichzone ausweichen kann. Dabei kann das schmelzflüssige Material bei dem Ausweichvorgang einem Druckgradienten folgen.The at least one avoidance zone is preferably arranged adjacent to the laser joining line or the plurality of tacking points. In other words, the escape zone is arranged in such a way that molten material can escape into the escape zone, in particular at the moment when the laser joining line is produced. For example, the avoidance zone can be arranged around the laser joining line and communicate with it, so that material that is heated to become molten in the laser joining line can escape slightly into the avoidance zone. The molten material can follow a pressure gradient during the evasion process.

Beispielsweise kann beim Einbringen der Laserfügelinie des ersten Substrats und/oder des zweiten Substrats eine Expansion zeigen, beispielsweise thermische Expansion. Da der Laser nur lokal Material erhitzt, also um die Laserfügelinie herum Material im festen Zustand verbleibt, können ggf. enorme Spannungen zwischen dem Material der Laserfügelinie und dem die Laserfügelinie umgebenden Material entstehen, die ggf. Risse, wie Spannungsrisse, oder Hohlräume entstehen lassen. Unter Vorhalten der Ausweichzone kann schmelzflüssiges Material in die Ausweichzone ausweichen, so dass die Entstehung von Rissen oder Hohlräumen vermindert wird.For example, when introducing the laser joining line of the first substrate and/or the second substrate, an expansion can occur, for example thermal expansion. Since the laser only heats material locally, i.e. material remains in the solid state around the laser joining line, enormous stresses can arise between the material of the laser joining line and the material surrounding the laser joining line, which may cause cracks, such as stress cracks, or cavities. By providing the escape zone, molten material can escape into the escape zone, so that the formation of cracks or cavities is reduced.

Die zumindest eine Ausweichzone, oder auch Pufferzone oder Relaxationszone, ist ferner bevorzugt zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat angeordnet, beispielsweise dort an der Kontaktfläche.The at least one avoidance zone, or also buffer zone or relaxation zone, is also preferably arranged between the first and the second substrate, for example there on the contact surface.

Die zumindest eine Ausweichzone kann beispielsweise beim Anordnen des zweiten Substrats an dem ersten Substrat an der Kontaktfläche gebildet werden, wenn beispielsweise eines der beiden Substrate oder beide Substrate keine planare Oberfläche im Bereich der Kontaktfläche bzw. an der dem jeweils anderen Substrat zugewandten Seite aufweisen.The at least one avoidance zone can be formed, for example, when arranging the second substrate on the first substrate on the contact surface, for example if one of the two substrates or both substrates does not have a planar surface in the area of the contact surface or on the side facing the other substrate.

Besonders bevorzugt wird die Ausweichzone dadurch gebildet, dass ein Abstandshalter umfasst ist, welcher die beiden Kontaktflächen in einem definierten Abstand zueinander aneinander zu liegen kommen lässt, wenn das zweite Substrat an dem ersten Substrat angeordnet wird. Die sich dabei ausbildenden Hohlräume zwischen erstem und zweitem Substrat in den Bereichen, in denen kein Abstandshalter vorliegt, können so im Vorfeld gestaltet oder angeordnet werden, dass diese als Ausweichzone für beim Laserfügen ausweichendes Material genutzt werden können. Hierdurch wird die entstehende Laserfügelinie spannungsärmer und dadurch ggf. stärker bzw. eine höhere Haftkraft bereitstellend, wobei zugleich Spannungen aus dem zweiten Substrat herausgehalten werden können, sich also in dem zweiten Substrat weniger Spannungsrisse bzw. Hohlräume bilden.The avoidance zone is particularly preferably formed in that a spacer is included, which allows the two contact surfaces to come to rest against one another at a defined distance from one another when the second substrate is arranged on the first substrate. The cavities that form between the first and second substrates in the areas in which there is no spacer can be designed or arranged in advance in such a way that they can be used as an escape zone for material that escapes during laser joining. As a result, the resulting laser joining line becomes less stressed and thus possibly stronger or provides a higher adhesive force, while at the same time stresses can be kept out of the second substrate, ie fewer stress cracks or cavities form in the second substrate.

Wenn die Zone, in der schmelzflüssiges Material der beiden Substrate miteinander durchmischt wird, als Durchmischungszone bezeichnet wird, und die daran angrenzenden Zonen der Laserfügelinie als Wiedererstarrungszonen, dann sind gerade die Wiedererstarrungszonen problematisch in der Hinsicht, dass dort Risse bzw. Hohlräume durch den Eintrag der Laserfügelinie entstehen können. Dies ist besonders dann nachteilig, wenn das zweite Substrat beispielsweise ein Einkristall wie ein Saphir ist, in welchem Schäden durch das Einbringen einer Laserfügelinie nicht durch das nachträgliche Einbringen einer deckungsversetzten nachfolgenden Laserfügelinie geheilt werden können. Mit den vorliegenden Ideen, insbesondere der Ausweichzone und/oder dem Abstandshalter, ist es daher möglich, die Wiedererstarrungszone möglichst klein zu halten, gleichzeitig aber die Durchmischungszone möglichst groß bzw. möglichst weit in die beiden Substrate hineinragen zu lassen. Im Idealfall ist die Durchmischungszone so groß wie die Wiedererstarrungszone, dass also die Durchmischungszone die Wiedererstarrungszone vollständig überlagert und keine Wiedererstarrungszone als solche erkennbar bleibt. Dann ist die Haftung der beiden Substrate aneinander besonders gut, zugleich aber die Entstehung von Rissen bzw. Hohlräumen minimiert.If the zone in which the molten material of the two substrates is intermixed is referred to as the intermixing zone and the adjacent zones of the laser joining line as resolidification zones, then it is precisely the resolidification zones that are problematic in the sense that cracks or cavities can occur there due to the entry of the laser joining line. This is particularly disadvantageous when the second substrate is, for example, a single crystal such as a sapphire, in which damage caused by the introduction of a laser joining line cannot be healed by the subsequent introduction of a subsequent laser joining line with offset alignment. With the present ideas, in particular the avoidance zone and/or the spacer, it is therefore possible to keep the resolidification zone as small as possible, but at the same time to let the mixing zone protrude as large as possible or as far as possible into the two substrates. In the ideal case, the intermixing zone is as large as the resolidification zone, so that the intermixing zone completely overlaps the resolidification zone and no resolidification zone remains recognizable as such. The adhesion of the two substrates to one another is then particularly good, but at the same time the formation of cracks or cavities is minimized.

Eine hermetisch verbundene Anordnung umfasst ein erstes metallisches Substrat, ein zweites Substrat, welches zumindest bereichsweise und/oder zumindest teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist, wobei das erste Substrat mit einer Kontaktfläche benachbart zu einer Kontaktfläche des zweiten Substrats angeordnet ist, eine erste Laserfügelinie oder eine erste Menge von Heftungspunkten zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats mit dem zweiten Substrat, an oder in den Kontaktflächen, wobei die erste Laserfügelinie bzw. die erste Menge von Heftungspunkten einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hineinreicht und die zumindest zwei Substrate direkt schmelzend miteinander fügt, und eine zweite Laserfügelinie oder eine zweite Menge von Heftungspunkten zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats mit dem zweiten Substrat, an oder in den Kontaktflächen, wobei die zweite Laserfügelinie bzw. die zweite Menge von Heftungspunkten in die erste Laserfügelinie bzw. die erste Menge von Heftungspunkten hineinreicht und die mit der ersten Laserfügelinie bzw. der ersten Menge von Heftungspunkten erzielte Materialdurchmischung verändert bzw. verbessert.A hermetically connected arrangement comprises a first metallic substrate, a second substrate which is transparent at least in certain areas and/or at least partially for at least one wavelength range, the first substrate being arranged with a contact surface adjacent to a contact surface of the second substrate, a first laser joining line or a first set of tacking points for direct and immediate joining of the first metallic substrate to the second substrate, on or in the contact surfaces, with the first laser joining line or the first set of tacking points extending into the first substrate on the one hand and into the second substrate on the other hand and which joins at least two substrates directly to one another by melting, and a second laser joining line or a second set of tacking points for directly and immediately joining the first metallic substrate to the second substrate, on or in the contact surfaces, the second laser f Glue line or the second set of tacking points extends into the first laser joining line or the first set of tacking points and changes or improves the material mixing achieved with the first laser joining line or the first set of tacking points.

Eine solche zweite Laserfügelinie kann erreicht werden, indem derselbe Laser erneut auf eine vorherige oder dazu ähnliche Fügeposition eingestellt wird, also der neue Laserfokus mit einem bereits eingestellten bzw. bereits angefahrenen Fokuspunkt überlappt. Die Einbringung einer zweiten Laserfügelinie, insbesondere in die noch warme bzw. heiße erste Laserfügelinie, kann auch durch Einsatz eines Doppelfokus am Lasergenerator erzeugt werden. Beispielsweise kann hierfür ein Strahlteiler oder ein Beugungsgitter eingesetzt sein, oder auch zwei Lasergeneratoren eingesetzt sein. Die zweite Laserfügelinie wird dabei in noch warmes, insbesondere noch schmelzflüssiges Material des ersten und zweiten Substrats eingebracht.Such a second laser joining line can be achieved by setting the same laser again to a previous or similar joining position, ie overlapping the new laser focus with a focal point that has already been set or has already been approached. The introduction of a second laser joining line, in particular in the still warm or hot first laser joining line, can also be produced by using a double focus on the laser generator. For example, a beam splitter or a diffraction grating can be used for this, or two laser generators can also be used. The second laser joining line is introduced into material of the first and second substrate that is still warm, in particular still molten.

Ein solcher Effekt, also das Einbringen von Laserenergie in noch warmes bzw. sogar noch schmelzflüssiges Material, kann auch beispielsweise erzielt werden, wenn der Lasergenerator über eine Burst-Funktion verfügt, und auf diese Weise eine Mehrzahl von Laserpunkten überlappend und in kurzer Zeitfolge in die Anordnung eingebracht werden kann. Mit anderen Worten wird an einem Fokuspunkt der ersten Laserfügelinie in einem definierten zeitlichen Abstand und/oder einem definierten räumlichen Abstand ein weiterer Fokuspunkt angefahren bzw. eine zweite Laserfügelinie eingebracht.Such an effect, i.e. the introduction of laser energy into material that is still warm or even still molten, can also be achieved, for example, if the laser generator has a burst function, and in this way a plurality of laser points overlapping and in quick succession into the Arrangement can be introduced. In other words, at a focal point of the first laser joining line, a further focal point is approached or a second laser joining line is introduced at a defined time interval and/or a defined spatial interval.

Im Rahmen der Erfindung ist auch eine hermetisch verschlossene Umhäusung gezeigt, insbesondere aufweisend eine hermetisch verbundene Anordnung, wie sie zuvor bereits ausführlich beschrieben ist. Die hermetisch verschlossene Umhäusung umfasst ein metallisches erstes Substrat, ein zweites Substrat, welches zumindest bereichsweise und/oder zumindest teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist, wobei das erste Substrat mit einer Kontaktfläche benachbart zu einer Kontaktfläche des zweiten Substrats angeordnet ist.Within the scope of the invention, a hermetically sealed housing is also shown, in particular having a hermetically connected arrangement, as has already been described in detail above. The hermetically sealed housing comprises a metallic first substrate, a second substrate which is at least partially and/or at least partially transparent for at least one wavelength range, the first substrate being arranged with a contact surface adjacent to a contact surface of the second substrate.

Ferner umfasst die Umhäusung zumindest einen zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat angeordneten Funktionsbereich, insbesondere eine Kavität. Die Umhäusung umfasst ferner zumindest eine Laserfügelinie oder eine Mehrzahl von Heftungspunkten zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten Substrats mit dem zweiten Substrat an oder in den Kontaktflächen, insbesondere um den Funktionsbereich herum zum hermetischen Abdichten des Funktionsbereichs. Dabei reicht die Laserfügelinie bzw. die Mehrzahl von Heftungspunkten einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hinein und die zumindest zwei Substrate sind direkt schmelzend miteinander mittels der Laserfügelinie bzw. der Mehrzahl von Heftungspunkten miteinander gefügt.Furthermore, the housing comprises at least one functional area arranged between the first and the second substrate, in particular a cavity. The housing also includes at least one laser joining line or a plurality of tacking points for direct and immediate joining of the first substrate to the second substrate on or in the contact surfaces, in particular around the functional area for hermetically sealing the functional area. The laser joining line or the plurality of bonding points extends into the first substrate on the one hand and into the second substrate on the other hand and the at least two substrates are directly melted together by means of the laser joining line or the plurality of bonding points.

In der hermetisch verschlossenen Umhäusung kann die Laserbondlinie der Umhäusung vollständig um den Funktionsbereich herum geschlossen ausgeführt sein. Ferner oder alternativ kann eine Beabstandung des ersten Substrats von dem zweiten Substrat in der Laserbondlinie durchgehend kleiner sein als 0,75 µm, bevorzugt kleiner sein als 0,5 µm und weiter bevorzugt kleiner sein als 0,2 µm.In the hermetically sealed housing, the laser bonding line of the housing can be designed to be completely closed around the functional area. Furthermore or alternatively, a spacing of the first substrate from the second substrate in the laser bonding line can be consistently less than 0.75 μm, preferably less than 0.5 μm and more preferably less than 0.2 μm.

Der Funktionsbereich der Umhäusung kann eine hermetisch verschlossene Beherbergungskavität zur Aufnahme eines Beherbergungsobjekts aufweisen, wie eines elektronischen Schaltkreises, eines Sensors oder MEMS.The functional area of the housing can be a hermetically sealed accommodation cavity ity for accommodating an accommodation object, such as an electronic circuit, a sensor or MEMS.

Im Rahmen der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines hermetisch verschlossenen Verbunds aus zumindest zwei Teilen mit den Schritten: flächiges Anordnen zumindest eines ersten metallischen Substrats an einem zweiten Substrat, wobei die zumindest zwei Substrate aneinander oder aufeinander angeordnet sind, so dass zwischen den zumindest zwei Substraten eine Kontaktfläche gebildet wird, an welcher das erste Substrat mit dem zweiten Substrat in Kontakt steht und wobei das zweite Substrat ein transparentes Material umfasst. Das Verfahren umfasst ferner das hermetisch dichte Verbinden der zumindest zwei Substrate miteinander durch direktes Fügen der zumindest zwei Substrate miteinander im Bereich der zumindest einen Kontaktfläche, so dass sich eine Durchmischungszone herausbildet, die einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hineinreicht und die zumindest zwei Substrate direkt schmelzend miteinander fügt.Also within the scope of the invention is a method for producing a hermetically sealed composite of at least two parts with the steps: planar arrangement of at least one first metallic substrate on a second substrate, the at least two substrates being arranged on one another or on top of one another, so that between the at least two substrates a contact surface is formed, at which the first substrate is in contact with the second substrate and wherein the second substrate comprises a transparent material. The method also includes the hermetically sealed connection of the at least two substrates to one another by directly joining the at least two substrates to one another in the area of the at least one contact surface, so that an intermixing zone is formed which extends into the first substrate on the one hand and into the second substrate on the other hand and which at least two substrates are directly melted together.

Eine Kontaktfläche kann als Ebene aus den sich zugeneigten Flächen der beiden in Kontakt zu bringenden Substrate aufgefasst werden. Die Berührkontaktfläche meint eine Teilfläche der Kontaktfläche, bei der der Abstand der beiden Substrate zueinander so gering ist, dass er optisch nicht mehr messbar ist. Schließlich wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Gutfläche definiert, bei welcher der Abstand der Substrate zueinander ausreichend klein ist, wie im Weiteren ausführlich beschrieben werden wird, oder aber eine tatsächliche Berührung zwischen den beiden Substraten stattfindet. Im Allgemeinen ist dabei die Kontaktfläche größer oder gleich der Gutfläche und die Gutfläche wiederum größer oder gleich der Berührkontaktfläche. Sowohl das erste Substrat als auch das zweite Substrat können jeweils zumindest eine Kontaktfläche aufweisen. Die Kontaktfläche kann auch als die Ebene aufgefasst werden, in welcher der Kontakt zwischen erstem und zweitem Substrat stattfindet.A contact surface can be understood as a plane made up of the inclined surfaces of the two substrates to be brought into contact. The touch contact area means a partial area of the contact area in which the distance between the two substrates is so small that it can no longer be measured optically. Finally, within the meaning of the present invention, a good surface is defined in which the distance between the substrates is sufficiently small, as will be described in detail below, or in which the two substrates actually come into contact. In general, the contact surface is larger than or equal to the good surface and the good surface is in turn larger than or equal to the physical contact surface. Both the first substrate and the second substrate can each have at least one contact area. The contact area can also be understood as the plane in which the contact between the first and second substrate takes place.

Mit anderen Worten werden zunächst zwei Substrate aneinander angeordnet, also zum Beispiel aufeinandergestapelt, wobei die Schwerkraft das obenliegende typischerweise erste Substrat an das zweite Substrat andrückt. Die Orientierung oberhalb bzw. unterhalb ist dabei lediglich beschreibend gemeint, da selbstverständlich die Substrate jede Orientierung im Raum annehmen können und auch eine Nebeneinanderanordnung nicht den Schutzbereich verlassen soll. Die beiden Substrate sind typischerweise mit einer größeren Seite ihrer Ausdehnung aneinander anliegend angeordnet.In other words, two substrates are initially arranged next to one another, that is to say stacked on top of one another, for example, with gravity pressing the typically first substrate lying on top against the second substrate. The orientation above or below is only intended to be descriptive, since the substrates can, of course, assume any orientation in space and even an arrangement next to one another should not leave the scope of protection. The two substrates are typically placed abutting one another on a major side of their extent.

Wenn beide Substrate absolut plan ausgebildet sind, also überhaupt keine Vertiefungen, Erhöhungen oder Krümmungen aufweisen, was in dieser Absolutheit nur theoretisch erreichbar ist, wären erstes und zweites Substrat zueinander in vollflächigem Berührkontakt. Die beiden Substrate würden sich also an allen Punkten der zueinander ausgerichteten Oberflächen berühren. Dies ist im Allgemeinen und der konstruktionellen Realität so nicht erreichbar. Vielmehr sind Substrate, wenn auch nur in sehr kleinem Maße, aber dennoch gewölbt, geneigt, gekrümmt, mit Vertiefungen oder Erhöhungen versehen, so dass ein vollständiger Berührkontakt nur in absoluten Ausnahmefällen überhaupt erzielt wird.If both substrates are absolutely flat, ie have no indentations, elevations or curvatures at all, which can only be achieved theoretically, the first and second substrates would be in full-surface contact with one another. The two substrates would therefore touch at all points on the mutually aligned surfaces. This is not achievable in general and in structural reality. Rather, substrates are, even if only to a very small extent, arched, inclined, curved, provided with indentations or elevations, so that complete physical contact is only achieved at all in absolutely exceptional cases.

Wenn die Substrate direkt aneinander oder aufeinander angeordnet werden, bedeutet das, dass die zumindest zwei Substrate so aneinander angeordnet bzw. angebracht werden, dass sie flächig aneinander zu liegen kommen, insbesondere ohne dass andere Materialien oder Schichten zwischen den zumindest zwei Substraten vorhanden oder eingefügt sind. Möglicherweise sind aus technischen Gründen geringste Gaseinschlüsse oder Unreinheiten, wie Staubpartikel zwischen den Substratschichten, nicht zu vermeiden. Dies kann sich auch aus eventuellen Unebenheiten auch im Mikrobereich zwischen den Substratschichten oder an den Oberflächen der Substratschichten ergeben. Wenn die vom Laser erzeugte Fügezone bzw. Laserbondlinie in bevorzugter Weise beispielsweise eine Höhe HL zwischen 4 - 25 µm bereitstellt, kann mittels der Laserbondlinie eine hermetische Versiegelung sichergestellt werden, da der möglicherweise auftretende Abstand zwischen den beiden Substraten überbrückt werden kann.If the substrates are arranged directly next to one another or on top of one another, this means that the at least two substrates are arranged or attached to one another in such a way that they come to lie flat against one another, in particular without other materials or layers being present or inserted between the at least two substrates . For technical reasons, the slightest gas inclusions or impurities such as dust particles between the substrate layers may be unavoidable. This can also result from any unevenness, even in the micro range, between the substrate layers or on the surfaces of the substrate layers. If the joining zone or laser bonding line produced by the laser preferably provides a height HL of between 4-25 μm, for example, a hermetic seal can be ensured using the laser bonding line, since the distance that may occur between the two substrates can be bridged.

Eine der oder die Laserbondlinie kann den Funktionsbereich in einem Abstand DF umlaufend umschließen. Der Abstand DF umlaufend um den Funktionsbereich kann konstant sein, so dass die Laserbondlinie allseits im ungefähr gleichen Abstand um den Funktionsbereich herum angeordnet ist. Der Abstand DF kann je nach Anwendungsfall auch variieren, was gegebenenfalls produktionstechnisch günstiger sein kann, wenn beispielsweise eine Mehrzahl von Umhäusungen in einem gemeinsamen Arbeitsschritt gefügt wird, oder wenn der Funktionsbereich eine runde oder beliebige Form aufweist und die Laserbondlinie in gerader Linie gezogen wird. Auch in dem Fall, dass die Kavität optische Eigenschaften aufweist, beispielsweise in Form einer Linse, wie einer Sammellinse, ausgeformt ist, kann die Laserbondlinie um die Kavität herum ausgebildet sein und gegebenenfalls verschiedene Abstände zur Kavität aufweisen. Eine Umhäusung kann auch mehrere Kavitäten umfassen.One of the laser bonding lines can enclose the functional area circumferentially at a distance DF. The distance DF surrounding the functional area can be constant, so that the laser bonding line is arranged at approximately the same distance around the functional area on all sides. The distance DF can also vary depending on the application, which may be more favorable in terms of production technology, for example if a number of housings are joined in a common work step, or if the functional area has a round or any shape and the laser bonding line is drawn in a straight line. Even if the cavity has optical properties, for example in the form of a lens, such as a converging lens, the laser bonding line can be formed around the cavity and optionally have different distances from the cavity. A housing can also include several cavities.

Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen: Überprüfen des hermetischen Verbunds der zumindest zwei Substrate mittels Ermittlung eines Abstandsprofils zwischen den zumindest zwei Substraten. Es kann auch der Schritt umfasst sein: Ermittlung eines ersten Bond Quality Index Q1 zur Überprüfung der mechanischen Festigkeit bzw. der Hermetizität des Verbunds.The method can also include the step of checking the hermetic connection the at least two substrates by determining a distance profile between the at least two substrates. The step can also be included: determination of a first bond quality index Q1 for checking the mechanical strength or the hermeticity of the bond.

Der erste Bond Quality Index Q1 kann ermittelt werden zu Q1 = 1 - (A - G)/A. Dabei stellt A die Fläche der Kontaktfläche dar sowie G eine Gutfläche. Die Gutfläche G entspricht insbesondere der Berührkontaktfläche, die Gutfläche G kann einen Teil der Kontaktfläche beschreiben, bei der der Abstand zwischen den Substraten kleiner ist als 5 µm, bevorzugt kleiner als 1 µm und weiter bevorzugt kleiner als 0,5 µm, am bevorzugtesten schließlich kleiner als 0,2 µm. Der Bond Quality Index Q1 kann größer oder gleich 0,8 sein, bevorzugt größer oder gleich 0,9 und weiter bevorzugt größer oder gleich 0,95.The first Bond Quality Index Q1 can be determined as Q1=1-(A-G)/A. A represents the area of the contact surface and G represents a good surface. The good area G corresponds in particular to the touch contact area, the good area G can describe a part of the contact area in which the distance between the substrates is less than 5 μm, preferably less than 1 μm and more preferably less than 0.5 μm, most preferably finally less than 0.2 µm. The bond quality index Q1 can be greater than or equal to 0.8, preferably greater than or equal to 0.9 and more preferably greater than or equal to 0.95.

Die Kontaktfläche kann einen Nutzbereich N aufweisen, und zur Berechnung des ersten Bond Quality Index Q1 kann der Nutzbereich herangezogen werden. Q1 ermittelt sich dann zu Q1 = 1 - (N - G)/N.The contact surface can have a useful area N, and the useful area can be used to calculate the first bond quality index Q1. Q1 is then found to be Q1 = 1 - (N - G)/N.

Im Rahmen des Verfahrens kann hierfür eine Rückstrahlung erfasst werden, welche durch das Bestrahlen des Substratstapels mit einer Einstrahlung an zumindest einer Kontaktfläche des Substratstapels entsteht. Mit anderen Worten wird der Substratstapel bestrahlt bzw. beleuchtet, so dass an den Oberflächen der Substrate eine Rückstrahlung aus der Einstrahlung erzeugt wird. Hierbei kann es sich bei der Rückstrahlung um die reflektierte Einstrahlung handeln, welche zu einem gewissen Anteil an einer der Oberflächen reflektiert wird. Im Falle von zwei Substraten, wobei das erste Substrat metallisch ist, können hierzu drei Oberflächen infrage kommen, an welchen bereits eine solche Reflexion auftreten kann. Diese sind die Oberseite des ersten metallischen Substrats, die Innenseite des zweiten, insbesondere transparenten, Substrats sowie die Außenseite des zweiten Substrats.For this purpose, within the framework of the method, a return radiation can be detected, which arises as a result of the irradiation of the substrate stack with radiation on at least one contact surface of the substrate stack. In other words, the substrate stack is irradiated or illuminated, so that reflection from the irradiation is generated on the surfaces of the substrates. In this case, the return radiation can be the reflected radiation, which is reflected to a certain extent on one of the surfaces. In the case of two substrates, with the first substrate being metallic, three surfaces on which such a reflection can already occur can be considered for this purpose. These are the upper side of the first metallic substrate, the inside of the second, in particular transparent, substrate and the outside of the second substrate.

Mit anderen Worten weist das erste Substrat eine Außenseite oder auch äußere Flachseite auf, die zur Umgebung hin ausgerichtet ist und welche im Wesentlichen flächig bzw. flach ausgebildet ist. An die äußere Flachseite angrenzend und typischerweise in einem rechten Winkel zu der äußeren Flachseite orientiert, beispielsweise um den Rand der äußeren Flachseite umlaufend ausgestaltet, ist eine umlaufende Schmalseite. In einem Beispiel ist das erste Substrat als Platte oder Quader beschreibbar, aufweisend zwei großflächige Seiten (also die Außenseite und die Innenseite) sowie vier zwischen den großflächigen Seiten angeordnete kleinere Seiten, die insbesondere senkrecht auf die beiden großflächigen Seiten stehen und an die großflächigen Seiten angrenzen. Dann bilden die vier kleineren Seiten gemeinsam die umlaufende Schmalseite und die Oberseite die äußere Flachseite des ersten Substrats. Die Oberseite weist dabei typischerweise eine größere Oberfläche auf als die kleineren Seiten der umlaufenden Schmalseite zusammen. Diese Ausführungen zu Größen und Größenverhältnissen können analog auch für das zweite Substrat gelten.In other words, the first substrate has an outside or outer flat side which is oriented towards the environment and which is of essentially planar or flat design. Adjacent to the outer flat side and typically oriented at a right angle to the outer flat side, for example designed to run around the edge of the outer flat side, is a peripheral narrow side. In one example, the first substrate can be written on as a plate or cuboid, having two large sides (i.e. the outside and the inside) and four smaller sides arranged between the large sides, which are in particular perpendicular to the two large sides and adjoin the large sides . Then the four smaller sides together form the circumferential narrow side and the upper side forms the outer flat side of the first substrate. The upper side typically has a larger surface than the smaller sides of the peripheral narrow side together. These statements regarding sizes and size ratios can also apply analogously to the second substrate.

In einem Bereich, in dem die beiden Substrate in Berührkontakt stehen, findet an den Innenseiten beider Substrate keine oder keine nennenswerte Reflexion statt, so dass dieser Anteil vergleichsweise gering ist. Fallen beide Substrate jedoch auseinander, also ein Abstand zwischen den beiden Substraten vorliegt, die beiden Substrate in diesem Teilbereich also nicht in Berührkontakt stehen, wird die Einstrahlung an allen drei Oberflächen der zwei Substrate reflektiert jeweils zu einem gewissen Anteil. Im Falle von mehr Substraten, wie beispielsweise drei Substraten, können entsprechend mehr Oberflächen zu berücksichtigen sein.In an area in which the two substrates are in touching contact, there is no or no significant reflection on the insides of both substrates, so that this proportion is comparatively small. However, if the two substrates fall apart, i.e. there is a distance between the two substrates, i.e. the two substrates are not in physical contact in this partial area, the radiation is reflected on all three surfaces of the two substrates to a certain extent. In the case of more substrates, such as three substrates, correspondingly more surfaces may have to be considered.

Aus der Rückstrahlung, die aus dem Substratstapel in eine Mess- bzw. Beobachtungseinrichtung fällt, wird ein erster Bond-Quality-Index Q₁ der Kontaktfläche des Substratstapels ermittelt.A first bond quality index Q ₁ of the contact surface of the substrate stack is determined from the reflection that falls from the substrate stack into a measuring or observation device.

Beispielsweise wird der erste Bond Quality Index Q1 vor dem Fügen des ersten und des zweiten Substrats miteinander ermittelt.For example, the first bond quality index Q1 is determined before the first and second substrates are joined to one another.

Es kann ferner der Schritt: Ermittlung eines zweiten Bond Quality Index Q2 der Kontaktfläche des hermetisch dicht gefügten Verbunds in dem Verfahren umfasst sein, wobei insbesondere Q2 größer ist als Q1. Weiter insbesondere gilt Q2/Q1 größer 1,001.The method can also include the step of determining a second bond quality index Q2 of the contact surface of the hermetically tightly joined assembly, with Q2 in particular being greater than Q1. More particularly, Q2/Q1 is greater than 1.001.

Die Rückstrahlung erzeugt bevorzugt ein Muster, insbesondere ein Interferenzmuster, weiter insbesondere wird dieses Muster aus der Überlagerung der Einstrahlung mit der Rückstreuung an der zumindest einen Kontaktfläche der Umhäusung erzeugt. Dann ist es möglich, die Mess- bzw. Beobachtungseinrichtung so auszugestalten, dass diese das Interferenzmuster erkennt bzw. erfasst und daraus den Abstand zwischen den beiden Substraten berechnen bzw. herleiten kann.The reflection preferably generates a pattern, in particular an interference pattern; more particularly, this pattern is generated from the superimposition of the irradiation with the backscatter on the at least one contact surface of the housing. It is then possible to design the measuring or observation device in such a way that it recognizes or records the interference pattern and can calculate or derive the distance between the two substrates from this.

Das Muster aus der Rückstrahlung kann eine Anordnung aufweisen, bei welcher sich das Muster um eine oder mehrere Fehlstellen herum erstreckt. Mit anderen Worten kann das Muster besonders um solche Stellen herum angeordnet sein, bei welchen die zumindest zwei Substrate nicht in Berührkontakt stehen. Dann ist es besonders einfach, mit der Mess- bzw. Beobachtungseinrichtung die Stellen zu lokalisieren, bei welcher die zumindest zwei Substrate nicht in Berührkontakt stehen. Eine Fehlstelle kann dabei dadurch gekennzeichnet sein, dass der Abstand zwischen den Substraten an diesen Fehlstellen größer ist als 5 µm, bevorzugt größer ist als 2 µm und weiter bevorzugt größer ist als 1 µm, größer als 0,5 µm, oder auch bevorzugt größer als 0,2 µm. Mit anderen Worten liegt eine Fehlstelle besonders bevorzugt genau dort vor, wo gerade nicht die Kriterien einer Gutfläche G erfüllt sind. In diesem Fall kann die Kontaktfläche zwischen den zumindest zwei Substraten vollständig aufgeteilt werden in Gutfläche G und Fehlstelle F.The pattern from the retroreflection may have an arrangement in which the pattern extends around one or more defects. In other words, the pattern can be arranged particularly around such locations where the at least two substrates are not in physical contact. It is then particularly easy to use the measuring or observation device to localize the points at which the at least two substrates not in physical contact. A defect can be characterized in that the distance between the substrates at these defects is greater than 5 μm, preferably greater than 2 μm and more preferably greater than 1 μm, greater than 0.5 μm, or also preferably greater than 0.2 µm. In other words, a defect is particularly preferably present exactly where the criteria for a good surface G are not met. In this case, the contact area between the at least two substrates can be completely divided into a good area G and a defect F.

Die entsprechende Bereichszuordnung kann in einem Beispiel anhand eines Interferenzmusters in Form von Newtonschen Ringen identifizierbar werden. Wenn die Einstrahlung im Bereich des sichtbaren Lichts eingestellt ist, beispielsweise mit A = 500 nm zeigt jeder Newton-Ring einen Höhenunterschied von λ/2 = 250 nm. Wenn beispielsweise das Auftreten von drei Newton-Ringen als Grenzkriterium für die Feststellung, ob ein Gutbereich vorliegt, eingestellt wird, so kann in einer optischen Bildanalyse einer Rückstrahlung aus der Umhäusung derjenige Bereich als Gutbereich definiert werden, bei welchem der Abstand zwischen den Substraten kleiner oder gleich 3* λ/2 = 750 nm beträgt.In one example, the corresponding area assignment can be identified using an interference pattern in the form of Newton's rings. If the irradiation is set in the visible light range, for example with A = 500 nm, each Newton ring shows a height difference of λ/2 = 250 nm is present, then in an optical image analysis of a reflection from the housing that area can be defined as a good area in which the distance between the substrates is less than or equal to 3*λ/2=750 nm.

In dem Verfahren kann ferner der Schritt umfasst sein: Zünden einer Plasmaentladung in der Durchmischungszone mittels eines Lasers zur Vorbereitung des Laserfügevorgangs.The method can also include the step of igniting a plasma discharge in the mixing zone by means of a laser to prepare for the laser joining process.

Im Rahmen der Erfindung ist auch die Umhäusung umfasst, hergestellt mit dem zuvor vorgestellten Verfahren.The scope of the invention also includes the housing produced using the method presented above.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments and with reference to the figures, in which identical and similar elements are sometimes provided with the same reference symbols and the features of the various exemplary embodiments can be combined with one another.

Figurenlistecharacter list

Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform eines hermetischen Verbunds,
2 Draufsicht auf einen hermetischen Verbund, hier ausgeführt als Umhäusung mit Funktionsbereich,
3 Seiten-Schnittansicht eines hermetischen Verbunds mit Funktionsbereich als Kavität,
4 Seiten-Schnittansicht eines Details der Fügezone in einer Ausführungsform,
5 Seiten-Schnittansicht eines Details einer weiteren Fügezone,
6 Seiten-Schnittansicht eines hermetischen Verbunds mit Fügezone,
7 Seiten-Schnittansicht eines Substratstapels mit Abstandshaltern,
8 Seiten-Schnittansicht eines hermetischen Verbunds mit Abstandshalter,
9 Digitalfotografie eines gefügten hermetischen Verbunds,
10 Seiten-Schnittansicht eines hermetischen Verbunds mit einer Mehrzahl von Laserspots,
11 Seiten-Schnittansicht eines hermetischen Verbunds mit einer Mehrzahl von Laserspots und Abstandshaltern,
12 Laseranordnung zur Erzeugung der Laserfügung,
13 bis 17 mikroskopische Aufnahmen je eines gefügten Substratstapels,
18 Schematische Verdeutlichung der Messung des Gütefaktors,
19 Ablaufdiagramm zur Messung des Gütefaktors,
20 Ablaufdiagramm zu Einzelschritten bei der Bestimmung des Gütefaktors.

Show it:

1 a first embodiment of a hermetic composite,
2 Top view of a hermetic compound, designed here as a housing with a functional area,
3 Side sectional view of a hermetic compound with the functional area as a cavity,
4 Side sectional view of a detail of the joining zone in one embodiment,
5 Side sectional view of a detail of another joining zone,
6 Side sectional view of a hermetic compound with joining zone,
7 Side sectional view of a substrate stack with spacers,
8th Side sectional view of a hermetic bond with spacer,
9 Digital photography of a joined hermetic composite,
10 Side sectional view of a hermetic composite with a plurality of laser spots,
11 Side sectional view of a hermetic composite with a plurality of laser spots and spacers,
12 Laser arrangement for generating the laser joint,
13 until 17 microscopic images of each joined substrate stack,
18 Schematic illustration of the measurement of the figure of merit,
19 Flow chart for measuring the figure of merit,
20 Flowchart showing the steps involved in determining the figure of merit.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Bezug nehmend auf 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen hermetischen Verbunds 1 dargestellt, wobei ein metallisches erstes Substrat 3 unter einem Dielektrikum 4 angeordnet ist. Das Dielektrikum 4 bzw. zweite Substrat 4 ist auf das metallische Substrat 3 aufgelegt, so dass es mit seiner Innenseite 11 an der Innenseite 12 des ersten Substrats 3 zu liegen kommt. Die beiden Substrate 3, 4 stehen daher miteinander in Kontakt. Je nach konkreter Oberflächenbeschaffenheit (vgl. z.B. 6) kann die Kontaktfläche die ganze jeweilige Innenseite 11, 12 ausmachen, und/oder können die Substrate 3, 4 miteinander flächig in Berührkontakt stehen. Die Substrate 3, 4 können auch nur partiell bzw. bereichsweise in Berührkontakt stehen. Wenn die Substate 3, 4 aufeinander gestapelt liegen ist bereits durch die Gravitation bedingt ein Mindestmaß an Berührkontakt zwischen den beiden Substaten 3, 4 gegeben, es sei denn, sie werden auf Abstand gehalten, beispielsweise mittels Abstandhalter 35 (vgl. z.B. 7).Referring to 1 a first embodiment of a hermetic composite 1 according to the invention is shown, a metallic first substrate 3 being arranged under a dielectric 4 . The dielectric 4 or second substrate 4 is placed on the metallic substrate 3 so that its inside 11 comes to rest on the inside 12 of the first substrate 3 . The two substrates 3, 4 are therefore in contact with one another. Depending on the specific surface condition (cf. e.g 6 ) the contact surface can make up the entire inner side 11, 12, and/or the substrates 3, 4 can be in physical contact with one another. The substrates 3, 4 can also be in physical contact only partially or in certain areas. If the substrates 3, 4 are stacked on top of each other, there is already a minimum of physical contact between the two substrates 3, 4 due to the gravitation, unless they are kept at a distance, for example by means of spacers 35 (cf. e.g 7 ).

Im Beispiel der 1 sind drei Laserfügelinien 6a, 6b, 6c bzw. Heftungspunkte 6a, 6b, 6c eingebracht, um die beiden Substrate 3, 4 miteinander zu fügen. Die Fügepunkte / -linien 6a, 6b, 6c sind entlang der Seiten der Substrate 3, 4 gesetzt, wobei mittels eines Lasers (vgl. 12) die Fügepunkte von oberhalb (bezogen auf die Zeichnung) eingeschossen werden. Die Fokalebene ist dabei in den Bereich der Innenflächen 11, 12 eingestellt. Vorzugsweise ist die Fokaleben so eingestellt, dass sie bereits im metallischen Substrat 3 zu liegen kommt, beispielsweise 10 bis 20 µm in das metallische Substrat 3 hinein versetzt ist, also 10 bis 20 µm unterhalb der Innenfläche 12 des metallischen Substrats 3. Dies kann bewirken, dass der Laserstrahl 6a, 6b, 6c an der Kontaktebene 15 die gewünschte Breite von bevorzugt 4µm +/-1 µm, weiter bevorzugt 4µm +/-2µm, weiter bevorzugt 4µm +/- 3µm erreicht. Diese Breite kann auch durch ein entsprechende Strahlformung vor dem Objektiv erreicht werden.In the example of 1 are three laser joining lines 6a, 6b, 6c or tacking points 6a, 6b, 6c introduced to the two substrates 3, 4 together to add The joining points/lines 6a, 6b, 6c are set along the sides of the substrates 3, 4, using a laser (cf. 12 ) the joining points are injected from above (based on the drawing). The focal plane is set in the area of the inner surfaces 11, 12. The focal plane is preferably set in such a way that it is already in the metallic substrate 3, for example it is offset 10 to 20 μm into the metallic substrate 3, i.e. 10 to 20 μm below the inner surface 12 of the metallic substrate 3. This can have the effect that the laser beam 6a, 6b, 6c at the contact plane 15 reaches the desired width of preferably 4 μm +/-1 μm, more preferably 4 μm +/-2 μm, more preferably 4 μm +/-3 μm. This width can also be achieved by appropriate beam shaping in front of the lens.

Wenn im Fall wie in 1 gezeigt die beiden Substrate 3, 4 mit ihren Innenseiten 11, 12 unmittelbar benachbart aneinander zu liegen kommen, also insbesondere im flächigen Berührkontakt, dann ist auch die Kontaktebene 15 gleich mit den beiden Innenseiten 11, 12, wie in 1 gezeigt.If in case as in 1 shown, the two substrates 3, 4 come to lie directly adjacent to one another with their inner sides 11, 12, i.e. in particular in surface contact, then the contact plane 15 is also the same as the two inner sides 11, 12, as in FIG 1 shown.

In 1 sind bereits drei Laserfügelinien 6a, 6b, 6c dargestellt, die ineinander verschränkt gesetzt sind, so dass die Laserfügelinien 6a, 6b, 6c auch untereinander wechselwirken. Hierbei können verschiedene Effekte provoziert bzw. erreicht werden je nach Zielsetzung. Beispielsweise kann das Setzen der Laserfügelinien nicht warm-in-warm erfolgen, sondern die sukzessive Laserfügelinie 6b wird erst eingeschossen, wenn die vorherige Laserfügelinie 6a bereits erkaltet ist. Der Erkaltungsprozess der Laserfügelinie vollzieht sich dabei außerordentlich schnell, da nur äußerst geringe Gesamtmengen an thermischer Energie eingeschossen wird und das Metallmaterial des metallischen Substrats 3 überwiegend eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aufweist. Mit der ersten Laserfügelinie 6a wird Material der beiden Substrate 3, 4 bereits miteinander vermischt und mögliche Unebenheiten und Abstände (Luftspalten 26) werden schmelzend überbrückt. Je nach Oberflächengüte, beispielsweise bei großen Luftspalten 26 bis zu 5 µm im Bereich der zu fügenden Kontaktfläche 15 kann die Fügung dabei mit der ersten Laserfügelinie 6a möglicherweise nur unzureichend gestaltet sein. Da der Bereich der zu fügenden Kontaktfläche 15 aber mit dem Einbringen der ersten Laserfügelinie 6a geschlossen ist, die Luftspalten 26, sofern vorher vorhanden, geschlossen sind und das Material bereits zumindest „angemischt“ ist, kann nun mit dem Einbringen einer zweiten Laserfügelinie 6b und ggf. einer dritten Laserfügelinie 6c eine optimale weitere Durchmischung der beiden Materialien der Substrate 3, 4 erwirkt werden.In 1 three laser joining lines 6a, 6b, 6c are already shown, which are interlaced so that the laser joining lines 6a, 6b, 6c also interact with each other. Various effects can be provoked or achieved depending on the objective. For example, the laser joining lines cannot be set warm-in-warm, but the successive laser joining line 6b is only shot in when the previous laser joining line 6a has already cooled down. The cooling process of the laser joining line takes place extremely quickly, since only extremely small total amounts of thermal energy are injected and the metal material of the metal substrate 3 predominantly has excellent thermal conductivity. With the first laser joining line 6a, the material of the two substrates 3, 4 is already mixed with one another and possible unevenness and distances (air gaps 26) are bridged by melting. Depending on the surface quality, for example in the case of large air gaps 26 of up to 5 μm in the area of the contact surface 15 to be joined, the joining with the first laser joining line 6a may possibly be inadequate. However, since the area of the contact surface 15 to be joined is closed with the introduction of the first laser joining line 6a, the air gaps 26, if previously present, are closed and the material is already at least "mixed", a second laser joining line 6b and possibly In a third laser joining line 6c, an optimal further mixing of the two materials of the substrates 3, 4 can be achieved.

2 zeigt eine Draufsicht auf einen hermetischen Verbund 1, wobei die Laserfügelinien 6a, 6b, 6c umlaufend um einen Funktionsbereich 2 herumgeführt sind. In den Figuren werden der Einfachheit halber typischerweise drei Laserfügelinien 6a, 6b, 6c dargestellt, es können allerdings auch weniger oder mehr Laserfügelinien 6, 6a, 6b, 6c eingesetzt sein. Die Laserfügelinien 6a, 6b, 6c sind vollschließend um den Funktionsbereich 2 herumgeführt um den Funktionsbereich 2 hermetisch zu versiegeln. Dabei hat die aufgeschmolzene Zone um die Laserfügelinien eine Breite w. In dem Funktionsbereich 2 kann beispielsweise ein Beherbergungsobjekt 5 wie elektronische Schaltkreise angeordnet sein (vgl. 3). 2 shows a plan view of a hermetic composite 1, wherein the laser joining lines 6a, 6b, 6c are guided around a functional area 2. For the sake of simplicity, three laser joining lines 6a, 6b, 6c are typically shown in the figures, but fewer or more laser joining lines 6, 6a, 6b, 6c can also be used. The laser joining lines 6a, 6b, 6c are guided completely around the functional area 2 in order to hermetically seal the functional area 2. The melted zone around the laser joining lines has a width w. In the functional area 2, for example, an accommodation object 5 such as electronic circuits can be arranged (cf. 3 ).

3 zeigt eine hermetische Umhäusung 9 mit einem hermetischen Verbund 1, wobei eine Kavität 2 hermetisch verschlossen ist. Umlaufend um die Kavität 2 sind drei Laserfügelinien 6a, 6b, 6c eingebracht, die vollschließend hermetisch das zweite Substrat 4 mit dem ersten Substrat 3 fügen und einen untrennbaren Verbund herstellen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile im Vergleich zur 1. 3 shows a hermetic housing 9 with a hermetic composite 1, with a cavity 2 being hermetically sealed. Three laser joining lines 6a, 6b, 6c are introduced all around the cavity 2, which completely hermetically join the second substrate 4 to the first substrate 3 and produce an inseparable bond. The same reference numerals designate the same parts as compared to 1 .

4 zeigt einen Detailausschnitt eines Laserfügepunktes einer Laserfügelinie 6 bzw. eines Heftungspunktes 6 mit aussagekräftigen Details, die verschiedenste Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung erläutern können. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich vor dem Hintergrund des bekannten und im Hause der Anmelderin bereits tradierten Fügeverfahrens mit der konsequenten Weiterentwicklung und Optimierung verschiedener Fügeprozesse zwischen Substraten 3, 4. Der Fokus der vorliegenden Erfindung liegt dabei auf die Heftung bzw. Fügung von zwei unterschiedlichen Substraten 3, 4, insbesondere dabei ein metallisches Substrat 3 mit einem Dielektrikum 4, das heißt insbesondere einem Glas, Glaskeramik, Saphir oder dgl. Hierbei sind die stark unterschiedlichen CTE-Werte der sich unterscheidenden Materialien, aber auch die unterschiedlichen Sprödheiten unter anderem zu beachten. So kann es der Fall sein, dass beim Fügen der Materialien im Dielektrikum 4 unerwünschte Risse oder sogar Löcher bzw. Poren entstehen. Diese entstehen teilweise aufgrund der Wärmeausdehnung in der Laserfügelinie 6, die mit dem ultraschnellen Wärmeeintrag durch den Laser in das Dielektrikum 4 erfolgt. Diese können so deutlich beeinträchtigen, dass das zweite Substrat 4 von dem ersten Substrat 3 leicht abzubrechen ist, das Material des zweiten Substrats 4 also „neben der Fügelinie“ bricht. Neben dem mechanischen Eigenschaften können solche Risse aber zusätzlich auch die optischen Eigenschaften beeinträchtigen, und auch die hergestellte Hermetizität in Frage stellen. Diese Risse 67 und Poren 68 sind daher besonders vorteilhaft zu vermeiden. 4 shows a detail of a laser joining point of a laser joining line 6 or a stapling point 6 with meaningful details that can explain a wide variety of developments of the present invention. Against the background of the known joining method already traditional in the applicant's company, the present invention deals with the consistent further development and optimization of various joining processes between substrates 3, 4. The focus of the present invention is on the stapling or joining of two different substrates 3 , 4, in particular a metallic substrate 3 with a dielectric 4, ie in particular a glass, glass ceramic, sapphire or the like. Here, the widely differing CTE values of the different materials, but also the different brittleness, among other things, must be taken into account. Thus, it can be the case that undesirable cracks or even holes or pores occur in the dielectric 4 when the materials are joined. These arise partly as a result of the thermal expansion in the laser joining line 6, which occurs with the ultra-rapid introduction of heat into the dielectric 4 by the laser. These can have such a significant impact that the second substrate 4 can easily be broken off from the first substrate 3, ie the material of the second substrate 4 breaks “next to the joining line”. In addition to the mechanical properties, such cracks can also impair the optical properties and also call into question the hermeticity that has been produced. It is therefore particularly advantageous to avoid these cracks 67 and pores 68 .

Der in 4 im Seiten-Schnitt gezeigte Laserfügepunkt 6 weist eine Durchmischungszone 62 auf, die sich in das metallische Substrat 3 und das Dielektrikum 4 hinein erstreckt und dabei auch den skizzierten Luftspalt 26 überbrückt. Beispielsweise sollte der Luftspalt 26 im Bereich des Laserfügepunkts 6 kleiner oder gleich 5 µm groß sein, um eine ausreichende Erzeugung des Laserfügepunkts 6 zu gewährleisten. Hierfür ist beispielsweise von Bedeutung, dass zunächst mit Einschuss des Lasers ein Plasma im Laserfügepunkt 6 gezündet wird, welches ggf. größere Luftstrecken nicht zu überbrücken vermag. Die Plasmazündung wiederum ist Voraussetzung dafür, dass mittels des Lasers eine signifikante punktartige Wärmemenge an dem Laserfügepunkt 6 appliziert werden kann. In dem Beispiel der 4 ist eine wiedererstarrte Zone 64 im Dielektrikum 4 (zweites Substrat) dargestellt, die weit in das zweite Substrat 4 hineinreicht. Dies stellt daher einen ungünstigen Fall dar, der zahlreiche Risse 67 und Poren 68 hervorgerufen hat. Der Rand 66 der wiedererstarrten Zone ist dann als Rand der Materialveränderung im zweiten Substrat 4 auch im fertigen Produkt beispielsweise mikroskopisch zu verifizieren.the inside 4 Laser joining point 6 shown in side section has an intermixing zone 62, which extends into the metallic substrate 3 and the dielectric 4 and thereby also bridges the air gap 26 outlined. For example, the air gap 26 in the area of the laser joining point 6 should be less than or equal to 5 μm in order to ensure that the laser joining point 6 is produced sufficiently. For this purpose, it is important, for example, that a plasma is first ignited in the laser joining point 6 when the laser is injected, which plasma may not be able to bridge larger air gaps. The plasma ignition, in turn, is a prerequisite for the laser to be able to apply a significant punctiform amount of heat to the laser joining point 6 . In the example of 4 a resolidified zone 64 is shown in the dielectric 4 (second substrate), which extends far into the second substrate 4. Therefore, this represents an unfavorable case which has caused numerous cracks 67 and pinholes 68 . The edge 66 of the resolidified zone is then to be verified, for example microscopically, as the edge of the material change in the second substrate 4 in the finished product as well.

In dem Beispiel der 4 ist unterhalb der Durchmischungszone 62, also im ersten Substrat 3, keine wiedererstarrte Zone dargestellt, da zunächst der Einfluss im Dielektrikum 4 erläutert werden soll (vgl. hierfür aber 5). In der Durchmischungszone 62 wird Material des ersten Substrats 3 mit Material des zweiten Substrats 4 durchmischt, wenn beide gleichzeitig in einen schmelzflüssigen Zustand versetzt werden. In einem einfachen Fall sind die beiden Materialien der Substrate 3, 4 ausreichend affin zueinander, so dass bereits durch die Durchmischung in der Durchmischungszone 64 eine ausreichende Haftung und somit eine ausreichende Haltekraft des zweiten Substrats 4 an dem ersten Substrat 3 (und umgekehrt) hergestellt ist.In the example of 4 no resolidified zone is shown below the intermixing zone 62, i.e. in the first substrate 3, since the influence in the dielectric 4 is to be explained first (but cf 5 ). In the mixing zone 62, material of the first substrate 3 is mixed with material of the second substrate 4 when both are put into a molten state at the same time. In a simple case, the two materials of the substrates 3, 4 have sufficient affinity for one another, so that sufficient adhesion and thus sufficient holding power of the second substrate 4 to the first substrate 3 (and vice versa) is already produced by the mixing in the mixing zone 64 .

Das erste Substrat 3 kann beispielsweise Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Aluminium, Titan oder auch Legierungen wie Stahl umfassen, als nicht-abschließende Aufzählung.The first substrate 3 can include, for example, copper, silver, gold, iron, aluminum, titanium or also alloys such as steel, as a non-exhaustive list.

Der möglicherweise vorhandene Luftspalt 26 ist im Bereich der (späteren) Laserfügezone 6 kleiner oder gleich 0,5 µm. Wenn der Abstand in der Kontaktfläche 15 kleiner oder gleich 0,5 µm ist wird beispielsweise die Kontaktfläche 15 auch als Gutfläche G markiert.The air gap 26 that may be present in the area of the (later) laser joining zone 6 is less than or equal to 0.5 μm. If the distance in the contact surface 15 is less than or equal to 0.5 μm, the contact surface 15 is also marked as a good surface G, for example.

Bei nur einer Laserfügeline 6, 6a, 6b, 6c bzw. Heftpunkt entspricht die Breite W der Laserfügelinie etwa der Strahlbreite 2W_Laser an der Kontaktfläche (15), die durch den Lasergenerator (vgl. 12) erzeugt wird. Bei N parallel angeordneten Laserfügelinien 6, 6a, 6b, 6c ist die Breite W der erzielten Laserfügelinie üblicherweise kleiner oder gleich N mal der Strahlbreite 2W_Laser an der Kontaktfläche (15), da beispielsweise eine Überlappung des Laserwirkbereiches angestrebt wird. H_m beschreibt die Höhe der Durchmischungszone 62, H_r die Höhe des wiedererstarrten Bereichs 64. Idealerweise ist H_m größer oder gleich H_r. dies ist allerdings in dem Beispiel der 4 klar nicht erfüllt, um die Zusammenhänge deutlich zu zeigen.With only one laser joining line 6, 6a, 6b, 6c or tacking point, the width W of the laser joining line corresponds approximately to the beam width 2W _laser on the contact surface (15), which is produced by the laser generator (cf. 12 ) is produced. With N laser joining lines 6, 6a, 6b, 6c arranged in parallel, the width W of the laser joining line achieved is usually less than or equal to N times the beam width 2W _laser at the contact surface (15), since, for example, an overlapping of the laser effective area is sought. H _m describes the height of the mixing zone 62, H _r the height of the resolidified area 64. Ideally, H _m is greater than or equal to H _r . however, in the example, this is the 4 clearly not fulfilled in order to show the connections clearly.

5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Detailansicht einer Laserfügelinie 6, abermals sind gleiche Bezugszeichen, die in anderen Figuren verwendet sind, auch zu gleichen Merkmalen zugeordnet. Die Laserfügelinie 6 weist in dieser Ausführungsform zusätzlich auch einen wiedererstarrten Bereich 69 im ersten Substrat 3 auf, der sich unterhalb der Durchmischungszone 62 erstreckt. Es ist anzunehmen, dass die Durchmischungszone 62 direkt in die jeweilige wiedererstarrte Zone 64, 69 übergeht. Die Durchmischungszone 62 zeichnet sich dadurch aus, dass hier ein Materialmix vorliegt, also die Durchmischungszone 62 Material des ersten Substrats 3 umfasst und Material des zweiten Substrats 4 umfasst. Es ist allerdings auch möglich und konnte auch bereits beobachtet und eingestellt werden, dass Material eines Substrates 3, 4 in das jeweils andere Substrat eingebracht werden kann, beispielsweise in Form von Splittern 4a oder Dentriten 4b. Auch Metallmaterial des ersten Substrats 3 kann in das zweite Substrat 4 eingeschleust werden, beispielsweise in Form von Droplets 3a. Solche Droplets 3a können mehrere Mikrometer in das zweite Substrat 4 „hineingeschleudert“ werden. 5 shows a further embodiment of a detailed view of a laser joining line 6, again the same reference symbols used in other figures are also assigned to the same features. In this embodiment, the laser joining line 6 also has a resolidified region 69 in the first substrate 3 , which extends below the intermixing zone 62 . It can be assumed that the mixing zone 62 merges directly into the respective resolidified zone 64, 69. The intermixing zone 62 is characterized in that a material mix is present here, ie the intermixing zone 62 includes material of the first substrate 3 and includes material of the second substrate 4 . However, it is also possible and has also already been observed and adjusted that material from one substrate 3, 4 can be introduced into the respective other substrate, for example in the form of splinters 4a or dendrites 4b. Metal material of the first substrate 3 can also be introduced into the second substrate 4, for example in the form of droplets 3a. Such droplets 3a can be “thrown” into the second substrate 4 by several micrometers.

Von besonderem Interesse kann der in 5 dargestellte Dentrit 4b sein, denn mit solchen Ausformungen kann eine erheblich verbesserte Haftung der beiden Substrate 3, 4 aneinander erzielt werden. Ein Dentrit 4b fungiert dabei möglicherweise als Anker oder Nagel, wenn dieser sich mit dem Material des anderen Substrats verzahnt oder in einem Winkel zur Senkrechten eingeschossen wird. Die beiden Materialien der verschiedenartigen Substrate 3, 4 sind dabei beispielsweise wenig affin zueinander und rufen auch im schmelzflüssigen Zustand keine Klebwirkung aneinander hervor. Dann kann ein solcher Dentrit 4b oder eine Verzahnung in der Durchmischungszone 62 die beste Option sein, eine Haftwirkung oder Haltekraft zwischen den beiden Substraten 3, 4 einzustellen.Of particular interest may be the in 5 shown dendrite 4b, because with such formations a significantly improved adhesion of the two substrates 3, 4 to each other can be achieved. A dendrite 4b may function as an anchor or nail if it interlocks with the material of the other substrate or is shot in at an angle to the vertical. The two materials of the different types of substrates 3, 4 have little affinity for one another, for example, and do not cause any adhesive effect on one another even in the molten state. Such a dendrite 4b or a toothing in the mixing zone 62 can then be the best option for setting an adhesive effect or holding force between the two substrates 3, 4.

Bezug nehmend auf 6 ist ein Verbund 1 gezeigt mit einer Laserfügelinie 6 an einer Seite. Der Luftspalt 26 ist in diesem Beispiel im Kontaktbereich 15 der Laserfügelinie 6 gerade ausreichend gering zur Einbringung der Laserfügelinie 6, aber an anderen Bereichen der Innenseiten 11, 12 größer aufgrund von Unebenheiten 31, 32 der Oberfläche. Sowohl eine Vertiefung 31 als auch eine Erhebung 32 kann dabei nachteilig für das Einbringen der Laserfügelinie 6 sein. Grundsätzlich hat es sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Oberflächen 11, 12 glatt ausgeführt sind, beispielsweise mit einem Mittenrauwert von 0,1 µm oder besser. Dies ist zunächst einmal überraschend, da eine besonders glatte Oberfläche gut reflektiert und es daher Schwierigkeiten bedeutet, überhaupt mit einem Laser eine Energiedeposition in dem Verbund einbringen zu können.Referring to 6 a composite 1 is shown with a laser joining line 6 on one side. In this example, the air gap 26 in the contact area 15 of the laser joining line 6 is just small enough to introduce the laser joining line 6, but is larger in other areas of the inner sides 11, 12 due to unevenness 31, 32 of the surface. Both a depression 31 and an elevation 32 can be disadvantageous for the introduction of the laser joining line 6 . Basically, it has turned out that it is advantageous if the Ober surfaces 11, 12 are smooth, for example with a mean roughness value of 0.1 μm or better. First of all, this is surprising since a particularly smooth surface reflects well and it is therefore difficult to be able to introduce energy deposition into the composite at all using a laser.

7 zeigt eine Ausführungsform eines Substratstapels 1, der noch zu fügen ist, wobei zwischen den Substraten 3, 4 Abstandshalter 35 eingesetzt sind, um einen definierten Abstand zwischen den Substraten 3, 4 einzustellen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, dass Luftspalte 26 toleriert werden können, solange im Bereich des zu fügenden Kontaktbereichs 15 der Abstand zwischen den Substraten 3, 4 klein genug ist, beispielsweise unter 5 µm, besser unter 2 µm, bevorzugt unter 0,5 µm. Im Beispiel der 7 ist auch gezeigt, dass mit dem Einsatz von Abstandshaltern 35 sogar gröbere Unebenheiten der Substrate 3, 4 leicht ausgeglichen werden können, da der Substratabstand nicht mehr durch vollflächigen Kontakt der Innenseiten 11, 12 hergestellt werden muss. Des Weiteren kann der Luftspalt 26 eine weitere Aufgabe übernehmen, indem dort eine Ausweichzone 40 geschaffen ist, in welche Material der Substrate 3, 4, von besonderer Bedeutung ist dabei Material des Substrats 4, eindringen kann, wenn dieses schmelzflüssig ist. Auf diese Art können Risse und Löcher im zweiten Substrat 4 ggf. vermindert oder sogar komplett vermieden werden. 7 shows an embodiment of a substrate stack 1 that is still to be joined, with spacers 35 being inserted between the substrates 3, 4 in order to set a defined distance between the substrates 3, 4. In the context of the present invention, it has been shown that air gaps 26 can be tolerated as long as the distance between the substrates 3, 4 in the area of the contact area 15 to be joined is small enough, for example less than 5 μm, better less than 2 μm, preferably less than 0. 5 µm. In the example of 7 also shows that with the use of spacers 35, even coarser unevenness of the substrates 3, 4 can be easily compensated for, since the substrate spacing no longer has to be produced by full-area contact of the inner sides 11, 12. Furthermore, the air gap 26 can take on a further task by creating an alternative zone 40 there, into which material of the substrates 3, 4, material of the substrate 4 being of particular importance, can penetrate if this is molten. In this way, cracks and holes in the second substrate 4 can be reduced or even completely avoided.

8 zeigt das Ausführungsbeispiel der 7, wobei ein Laserspot 6 an der linken Seite eingebracht ist im Bereich des Kontaktbereichs 15. Hier ist nun Material des zweiten Substrats 4 in die Ausweichzone 40 eingelaufen. In der Durchmischungszone 62 ist Material des ersten Substrats 3 mit Material des Abstandshalters 35 und mit Material des zweiten Substrats 4 miteinander vermischt. Die Durchmischungszone 62 reicht sowohl in das erste Substrat 3 als auch in das zweite Substrat 4 hinein. Bei geeigneter Materialwahl für den Abstandshalter 35 kann hierbei die Haftungseigenschaft sogar weiter gesteigert werden, wenn beispielsweise Material ausgewählt wird, welches sowohl einigermaßen affin zu dem Material des ersten Substrats 3 als auch zu dem Material des zweiten Substrats 4 ist. 8th shows the embodiment of 7 , a laser spot 6 being introduced on the left-hand side in the area of the contact area 15. Material of the second substrate 4 has now entered the avoidance zone 40 here. Material of the first substrate 3 is mixed with material of the spacer 35 and with material of the second substrate 4 in the intermixing zone 62 . The intermixing zone 62 extends both into the first substrate 3 and into the second substrate 4 . With a suitable choice of material for the spacer 35, the adhesion property can be increased even further if, for example, material is selected which is somewhat affinity to the material of the first substrate 3 as well as to the material of the second substrate 4.

Eine Ausweichzone 40 kann auch als Ausnehmung in einem der Substrate 3, 4 vorgesehen sein (nicht dargestellt). Die Ausweichzone 40 erstreckt sich in vorteilhafter Weise entlang der vorgesehenen Laserfügezone, so dass beständig Material in die Ausweichzone 40 ausweichen kann, um Druckspitzen aufzufangen bzw. gar nicht erst entstehen zu lassen und somit die Entstehung von Rissen und Löchern 67, 68 zu verringern.An alternative zone 40 can also be provided as a recess in one of the substrates 3, 4 (not shown). The avoidance zone 40 extends advantageously along the laser joining zone provided, so that material can constantly escape into the avoidance zone 40 in order to absorb pressure peaks or prevent them from occurring in the first place and thus reduce the formation of cracks and holes 67, 68.

9 zeigt eine fotografische Darstellung eines hermetischen Verbunds 1 entsprechend der . Es sind Unebenheiten wie Kratzer 31 oder Grate 32 aufgelöst, die ggf. die Hermetizität des Verbunds 1 beeinträchtigen können. 9 shows a photographic representation of a hermetic composite 1 according to FIG . Unevenness, such as scratches 31 or burrs 32, which may impair the hermeticity of the composite 1, has been resolved.

Bezug nehmend auf 10 ist ein weitere Aspekt der vorliegenden Erfindung in weiteren Details zu erläutern. Es ist die Abfolge einer Mehrzahl von Laserspots zur konsekutiven Erzeugung einer Laserfügelinie 6 dargestellt, wobei die Spots 1, 2, 3, 4, 5 nacheinander eingeschossen werden. Die Spots werden dabei warm-in-warm geschossen und überlappen dabei teilweise, da die Breite w des Strahlfokus größer ist als der Abstand d zwischen den Zielpunkten bzw. den Laserspots. Hierdurch kann eine weitere Verbesserung der Durchmischung in der Durchmischungszone 62 und somit der Haftung erreicht werden.Referring to 10 is to explain another aspect of the present invention in more detail. The sequence of a plurality of laser spots for the consecutive production of a laser joining line 6 is shown, with the spots 1, 2, 3, 4, 5 being injected one after the other. The spots are shot warm-in-warm and partially overlap because the width w of the beam focus is greater than the distance d between the target points or the laser spots. As a result, a further improvement in the mixing in the mixing zone 62 and thus in the adhesion can be achieved.

Ein ähnlicher Effekt wird im Übrigen erzielt, wenn die in 10 dargestellten Laserspots nicht als zu einer bestimmten Laserfügelinie 6 zugehörig gedacht sind, sondern zu 5 unterschiedlichen Laserfügelinien 6, 6a, 6b, 6c, 6d die nebeneinander in das Material eingeschossen werden. In beiden Fällen kann die Hermetizität und/oder die Haltekraft der Substrate 3, 4 aneinander erhöht werden.Incidentally, a similar effect is achieved if the in 10 The laser spots shown are not intended to be associated with a specific laser joining line 6, but rather with 5 different laser joining lines 6, 6a, 6b, 6c, 6d which are injected into the material next to one another. In both cases, the hermeticity and/or the holding force of the substrates 3, 4 on one another can be increased.

11 zeigt nun eine weitere Ausführung, wobei ebenfalls eine Mehrzahl von Laserspots 6 in die Kontaktfläche 15 eingeschossen ist, die beiden Substrate 3, 4 dabei mit Abstandshaltern 35 voneinander beabstandet angeordnet sind. Wenn der oder die Abstandshalter 35 zum Beispiel klein genug ausgeführt sind, also z.B. dünner als 5 µm ausgeführt sind (beispielsweise als Folie, Metallfolie, oder aufgedampft, aufgesputtert, oder als Lithoglasschicht) dann kann der verbliebene Luftspalt 26 direkt mit dem Laser überbrückt werden. Bei den anschließenden Laserspots, die mit dem jeweils vorherigen Laserspot teilweise überlappen, ist dabei der Luftspalt kein Hindernis mehr, da teilweise der Luftspalt bereits überbrückt bzw. geschlossen ist. Wenn der Abstand größer eingestellt werden soll, so kann ein Abstandshalter 35 als „Startpunkt“ des Laserfügeprozesses dienen und dieser (wie in 6 gezeigt) verschmolzen werden. Die weiteren Laserspots überlappen teilweise mit dem ersten „Startspot“ und können daher auch in größeren Substrat-Abständen geschossen werden. Hierdurch können auch Abstände überbrückt werden, die größer sind als 5 µm Substrat-Abstand, beispielsweise auch größer sind als 10 µm Substrat-Abstand oder sogar bis 20 µm Substrat-Abstand und mehr. Die Höhe des Laserspots kann dabei um 50 µm eingestellt werden, bis zu beispielsweise 100 µm. Beispielsweise kann der Abstand d von einem zum nächsten Laserspot eingestellt werden auf d < 10 µm, bevorzugt d < 6 µm, weiter bevorzugt d < 4 µm. 11 12 now shows a further embodiment, a plurality of laser spots 6 also being shot into the contact surface 15, the two substrates 3, 4 being arranged at a distance from one another with spacers 35. If the spacer(s) 35 are small enough, for example, i.e. thinner than 5 µm (e.g. as foil, metal foil, or vapor-deposited, sputtered-on, or as a lithographic glass layer), then the remaining air gap 26 can be bridged directly with the laser. In the case of the subsequent laser spots, which partially overlap with the respective previous laser spot, the air gap is no longer an obstacle, since the air gap is already partially bridged or closed. If the distance is to be set larger, a spacer 35 can serve as the "starting point" of the laser joining process and this (as in 6 shown) are merged. The other laser spots partially overlap with the first "starting spot" and can therefore also be shot at larger substrate distances. In this way, distances can also be bridged which are greater than 5 μm substrate distance, for example also greater than 10 μm substrate distance or even up to 20 μm substrate distance and more. The height of the laser spot can be adjusted by 50 µm, up to 100 µm, for example. For example, the distance d from one laser spot to the next can be set to d<10 μm, preferably d<6 μm, more preferably d<4 μm.

Im Beispiel der 11 ist die Interaktionszone 62 dank des Abstandshalters 35 weiter aus dem zweiten Substrat 4 gehalten, die Durchmischungszone 62 reicht also nur gering in das zweite Substrat 4 hinein. Die Eindringung der Durchmischungszone 62 kann beispielsweise lediglich 1 µm ± 0,8 µm eingestellt sein. Dann kann die wiedererstarrte Zone 64 im zweiten Substrat 4 insbesondere vollständig oder zum größten Teil verschwinden und die Durchmischungszone 62 dennoch ausreichend tief in das zweite Substrat 4 hineinreichen, um einen Verbund zu gewährleisten.In the example of 11 the interaction zone 62 is kept further out of the second substrate 4 thanks to the spacer 35, so the intermixing zone 62 extends only slightly into the second substrate 4. The penetration of the intermixing zone 62 can be adjusted to only 1 μm±0.8 μm, for example. The resolidified zone 64 in the second substrate 4 can then in particular disappear completely or for the most part and the intermixing zone 62 can nevertheless reach sufficiently deep into the second substrate 4 to ensure a bond.

12 skizziert auf der linken Seite einen Lasergenerator 80 zur Erzeugung der Laserspots 6 in dem hermetischen Verbund 1. In dieser Ausführungsmöglichkeit beinhaltet der Bearbeitungskopf 801 einen 45° gekippten Spiegel 802 und das Einschreibeobjektiv 803. Hier wird der Bearbeitungskopf parallel zum Laserstrahl der Laserquelle 806 in der Richtung x, 804 bewegt. Relativ dazu wird die Anordnung 1 bzw. der Substratstapel auf einem separaten Bearbeitungstisch senkrecht dazu in Richtung y, 805 bewegt. Überdies ist in 12 auf der rechten Seite ein Intensitätsprofil 82 der Wärmeleistung skizziert für den Fall, dass drei Laserfügelinien 6a, 6b, 6c warm-in-warm in dem hermetischen Verbund 1 eingebracht werden. Die flankierenden Laserfügelinien 6a, 6c können somit in der mittleren Fügelinie 6b eine weiter intensivierte Durchmischung erwirken. 12 sketches a laser generator 80 on the left-hand side for generating the laser spots 6 in the hermetic compound 1. In this embodiment option, the processing head 801 includes a 45° tilted mirror 802 and the inscription lens 803. Here the processing head is parallel to the laser beam of the laser source 806 in the direction x, 804 moves. Relative thereto, the arrangement 1 or the substrate stack is moved perpendicularly thereto in direction y, 805 on a separate processing table. Moreover, is in 12 on the right-hand side an intensity profile 82 of the heat output is sketched for the case in which three laser joining lines 6a, 6b, 6c are introduced warm-in-warm into the hermetic composite 1. The flanking laser joining lines 6a, 6c can thus bring about a further intensified mixing in the middle joining line 6b.

13 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines hergestellten hermetischen Verbunds 1, wobei als erstes Substrat 3 Aluminium und als zweites Substrat 4 Saphir eingesetzt ist. Es konnte bereits erfolgreich umgesetzt werden, dass im zweiten Substrat 4 praktisch ausschließlich die Durchmischungszone 62 auftritt und Risse bzw. Löcher im zweiten Substrat 4 konnten weitgehend unterbunden werden. Deutlich ist ein Dentrit 4b zu sehen, wobei Saphir 4 in das Metall des ersten Substrats 3 und dort in die Wiedererstarrungszone 69 eingedrungen bzw. eingemischt ist. Dies kann signifikant die Haltekraft des Saphirs 4 an dem Aluminium 3 erhöhen. Auch ein Partikel 4a des Saphirs konnte in der Wiedererstarrungszone 69 des ersten Substrats 3 identifiziert werden. 13 shows a microscopic image of a hermetic composite 1 that has been produced, with aluminum being used as the first substrate 3 and sapphire being used as the second substrate 4 . It has already been successfully implemented that the intermixing zone 62 occurs practically exclusively in the second substrate 4 and cracks or holes in the second substrate 4 could be largely prevented. A dentrite 4b can be clearly seen, with sapphire 4 penetrating or mixing into the metal of the first substrate 3 and there into the resolidification zone 69 . This can significantly increase the holding power of the sapphire 4 to the aluminum 3. A particle 4a of the sapphire could also be identified in the resolidification zone 69 of the first substrate 3.

14 zeigt eine weitere mikroskopische Aufnahme, wobei der in 13 gezeigte Verbund in größerer Vergrößerung und nochmal in Falschfarbendarstellung gezeigt ist. Die Erzeugung des Dentrits 4b ist durchaus überraschend und kann möglicherweise als bahnbrechend beschrieben werden. Bereits aus diesem Grund soll diese erfreuliche neue Entwicklung im Hause der Anmelderin möglichst vollständig und mit verschiedenen Darstellungen präsentiert werden. Aber auch insgesamt die Güte der hergestellten Verbindung und die erhebliche Reduzierung der wiedererstarrten Zone 64 im zweiten Substrat 4 sind starke Indikatoren, dass die vorliegende Erfindung den Weg für eine breite Palette von Produkten ebnen kann. 14 shows another microscopic image, whereby the in 13 The composite shown is enlarged and shown again in a false color representation. The generation of dendrite 4b is quite surprising and can possibly be described as groundbreaking. For this reason alone, this pleasing new development should be presented as completely as possible and with different representations at the applicant's premises. However, the overall quality of the bond made and the significant reduction in the resolidified zone 64 in the second substrate 4 are strong indicators that the present invention can pave the way for a wide range of products.

15 zeigt eine weitere mikroskopische Aufnahme, wobei als erstes Substrat 3 Stahl gewählt ist und als zweites Substrat 4 Saphir. In diesem Beispiel ist eine deutliche wiedererstarrte Zone 64 oberhalb der Durchmischungszone 62 im Saphir 4 zu sehen, auch mit deutlichen Rissen 67. Im Stahl ist der Saphir in diesem Beispiel nicht eingedrungen. Dafür konnte mit den Strahleinstellungen eine so rauhe, zahnige Oberfläche mit dem Laserspot 6 auf dem ersten Substrat 3 erzeugt werden, dass eine Verzahnungsstruktur 37 geschaffen wurde, die ebenfalls die Haftung des hermetischen Verbunds 1 steigert. 15 shows another microscopic image, steel being selected as the first substrate 3 and sapphire as the second substrate 4 . In this example, a clear resolidified zone 64 can be seen above the mixing zone 62 in the sapphire 4, also with clear cracks 67. The sapphire has not penetrated the steel in this example. With the beam settings, it was possible to produce such a rough, toothed surface with the laser spot 6 on the first substrate 3 that a toothed structure 37 was created, which also increases the adhesion of the hermetic composite 1.

16 zeigt eine weitere mikroskopische Aufnahme, wobei als erstes Substrat 3 Titan und als zweites Substrat 4 Saphir gewählt ist. In diesem Beispiel konnte ebenfalls bereits erreicht werden, dass keine nennenswert ausgeprägte wiedererstarrte Zone 64 in dem zweiten Substrat 4 vorzufinden ist, so dass kaum Spannungen bzw. Risse 67 in das zweite Substrat 4 eingebracht sind. Das Material des ersten Substrats 3 wird in der Durchmischungszone 62 erstaunlich weit in das zweite Substrat 4 hineingeschleudert und bildet dort kammartige Strukturen aus, die ebenfalls eine außerordentliche Verzahnung des hermetischen Verbunds 1 bewirkt. 16 FIG. 12 shows a further microscopic image, with titanium being selected as the first substrate 3 and sapphire being selected as the second substrate 4 . In this example, it has also already been possible to ensure that there is no significantly pronounced resolidified zone 64 in the second substrate 4 , so that hardly any stresses or cracks 67 are introduced into the second substrate 4 . The material of the first substrate 3 is flung surprisingly far into the second substrate 4 in the mixing zone 62 and forms comb-like structures there, which also causes an extraordinary interlocking of the hermetic composite 1 .

17 zeigt schließlich noch eine weitere mikroskopische Aufnahme, wobei als erstes Substrat 3 Kupfer ausgewählt ist und als zweites Substrat 4 Saphir. Auch in diesem Beispiel konnte die wiedererstarrte Zone 64 im zweiten Substrat 4 praktisch eliminiert werden. In diesem Beispiel sind Droplets 3a zu erkennen, die einige Mikrometer in das zweite Substrat 4 eingedrungen sind, aber auch Dentriten 4b und Abschmelzungen 4a des zweiten Substrats 4, die in das erste Substrat 3 eingedrungen sind. Auch in diesem Beispiel konnte somit bereits die Haftung deutlich verbessert werden. 17 Finally, FIG. 12 shows another microscopic image, copper being selected as the first substrate 3 and sapphire as the second substrate 4 . In this example, too, the resolidified zone 64 in the second substrate 4 could be practically eliminated. In this example, droplets 3a can be seen, which have penetrated a few micrometers into the second substrate 4, but also dendrites 4b and ablations 4a of the second substrate 4, which have penetrated into the first substrate 3. In this example, too, the adhesion could already be significantly improved.

Ggf. soll die Güte der erzeugten hermetischen Verbünde 1 überprüfbar gemacht werden. Hierfür kann es sich anbieten, jedenfalls im Bereich der Laserfügeverbindung vor deren Einbringung ein Abstandsprofil zu erstellen. 18 zeigt hier zum Verständnis ein Detailausschnitt eines Substratstapels 9, wobei Fehlerbereich 17, Berührkontaktbereich 18 und Gutbereich 19 ersichtlich sind. Der Doppelpfeil 21 beschreibt die Stelle der größten Höhe der Fehlstelle 17.If necessary, the quality of the hermetic composites 1 produced should be made verifiable. For this it can be advisable to create a distance profile at least in the area of the laser joint before it is introduced. 18 shows a detailed section of a substrate stack 9 for better understanding, with the faulty area 17, touching contact area 18 and good area 19 being visible. The double arrow 21 describes the point of greatest height of the defect 17.

Auf den Substratstapel 9 wird die Einstrahlung 22 gerichtet, wobei im Bereich der Fehlerstelle 17 die Einstrahlung sowohl an der Innenseite 11 des ersten Substrats 3 wie auch an der Innenseite 12 des zweiten Substrats 4 reflektiert wird. Die Rückstrahlung 24, 24a kann mit dem Detektor 30 erfasst werden. Der Gangunterschied zwischen der Rückstrahlung 24 und der Rückstrahlung 24a führt dabei in diesem Fall zu einem Interferenzmuster, welches von den beiden Rückstrahlungen zueinander erzeugt wird. Dabei handelt es sich beim transparenten Substrat (4) um Fresnel-Effekte, also beispielsweise Reflektionen. Bei Glas ohne Antireflexcoating können diese Reflektionen beispielsweise jeweils etwa 4% pro Grenzfläche betragen. Beim metallischen Substrat (3) tritt die Reflexion durch die polierte Oberfläche auf. Die Einstrahlung 22 umfasst in diesem Fall monochromatisches Licht. Somit können Interferenzmuster abgelesen werden, insbesondere Newton-Ringe, und daraus ein Maß für den Abstand zwischen den Substraten erhalten werden.The irradiation 22 is directed onto the substrate stack 9 , with the irradiation being reflected both on the inside 11 of the first substrate 3 and on the inside 12 of the second substrate 4 in the region of the fault location 17 . The rear beam Lung 24, 24a can be detected with the detector 30. In this case, the path difference between the reflection 24 and the reflection 24a leads to an interference pattern which is generated by the two reflections relative to one another. The transparent substrate (4) involves Fresnel effects, ie reflections, for example. In the case of glass without an anti-reflective coating, these reflections can each amount to around 4% per interface, for example. In the case of the metallic substrate (3), the reflection occurs through the polished surface. In this case, the irradiation 22 comprises monochromatic light. Interference patterns can thus be read, in particular Newton rings, and from this a measure of the distance between the substrates can be obtained.

19 zeigt Schritte des Verfahrens zur Herstellung oder Überprüfung des hermetischen Verbunds eines Substratstapels. In einem ersten Schritt 100 wird ein erstes Substrat an einem zweiten Substrat flächig angeordnet. In einem zweiten Schritt 110 wird aus der Erfassung einer Rückstrahlung, welche durch das Bestrahlen des Substratstapels mit einer Einstrahlung 22 an zumindest einer Kontaktfläche des Substratstapels 9 entsteht, ein Höhenprofil der Lücke innerhalb des Substratstapels 9 ermittelt. In einem Schritt 120 wird von dem Höhenprofil der Bond-Quality-Index Q₁ ermittelt. In einem Entscheidungsschritt 130 wird bestimmt, sofern der Bond-Quality-Index Q₁, der in Schritt 120 ermittelt wurde, größer ist als ein festgelegter erlaubter Schwellwert Q_1thr, dass der Substratstapel dann für die Weiterverarbeitung, also insbesondere das Laserfügen mittels Laserfügelinien 6, freigegeben werden kann. Sollte Q₁ jedoch kleiner sein als das erzielte bzw. gewünschte Q_1thr, so wird in Schritt 135 der Substratstapel 9 beispielsweise neu aufgearbeitet, d. h. er wird voneinander gelöst, gegebenenfalls erneut gesäubert oder einer anderweitigen Wiederverwertung zugeführt. 19 shows steps of the method for manufacturing or checking the hermetic bond of a substrate stack. In a first step 100, a first substrate is arranged flat on a second substrate. In a second step 110, a height profile of the gap within the substrate stack 9 is determined from the detection of a return radiation, which arises as a result of the irradiation of the substrate stack with radiation 22 at at least one contact surface of the substrate stack 9. In a step 120, the bond quality index Q ₁ is determined from the height profile. In a decision step 130 it is determined, if the bond quality index Q ₁ , which was determined in step 120, is greater than a defined permissible threshold value Q _1thr , that the substrate stack is then suitable for further processing, i.e. in particular laser joining using laser joining lines 6 can be released. However, should Q ₁ be smaller than the achieved or desired Q _1thr , then in step 135 the substrate stack 9 is, for example, reprocessed, ie it is detached from one another, cleaned again if necessary, or recycled in some other way.

Im Schritt 140 findet sodann das Laserfügen des Substratstapels 1 zu der oder den Umhäusungen statt. Anschließend wird ein zweites Höhenprofil der Lücke innerhalb des Substratstapels des angefügten Substratstapels 1 im Schritt 150 ermittelt und daraus Q₂ im Schnitt 160 berechnet. Es wird im Schritt 170 ermittelt, ob Q₂ größer ist als ein für Q₂ festgelegter Schwellwert Q_2thr. Beispielsweise ist Q_2thr kleiner oder gleich Q_1thr. Vorzugsweise wird in Schritt 170 ebenfalls ermittelt oder überprüft, ob Q₂ jedenfalls gleich groß oder größer ist als Q₁. Wenn beide Bedingungen erfüllt sind, kann in einem Schritt 180 die Weiterverarbeitung der gefügten Umhäusung 1 oder Umhäusungen 1 erfolgen, beispielsweise das Abtrennen der Mehrzahl von Umhäusungen 1 aus dem Waferstapel 9 an der Trennlinie 8. Sollte hingegen eine der beiden oder beide Bedingungen, die in Schritt 170 festgelegt sind, nicht erfüllt sein, so kann in einem Schritt 175 eine alternative Weiterbehandlung des Substratstapels 9 eingeführt werden; hierbei kann beispielsweise ein Markieren von Fehlerbereichen F, 17 stattfinden oder der Waferstapel 9 kann der Verwertung zugeführt werden.In step 140 the laser joining of the substrate stack 1 to the housing or housings then takes place. A second height profile of the gap within the substrate stack of the attached substrate stack 1 is then determined in step 150 and Q ₂ is calculated therefrom in section 160 . It is determined in step 170 whether Q ₂ is greater than a threshold value Q _2thr set for Q ₂ . For example, Q _2thr is less than or equal to Q _1thr . Step 170 preferably also determines or checks whether Q ₂ is in any case equal to or greater than Q ₁ . If both conditions are met, the further processing of the joined housing 1 or housings 1 can take place in a step 180, for example the separation of the plurality of housings 1 from the wafer stack 9 at the dividing line 8. However, if one of the two or both conditions specified in step 170 are not fulfilled, an alternative further treatment of the substrate stack 9 can be introduced in a step 175; in this case, for example, defect areas F, 17 can be marked or the wafer stack 9 can be recycled.

20 beschreibt einige Schritte, die durchgeführt werden können, um den Bond-Quality-Index Q₁ und/oder Q₂ zu berechnen. In einem Schritt 121 werden zunächst Bilddaten des Detektors 30 erhalten, beispielsweise mittels eines dazu hergerichteten Arbeitsrechners. Die Bilddaten, die in Schritt 121 erhalten werden, werden in Schritt 122 in ein Grau-Skalenmuster konvertiert oder der Rotkanal aus den Bilddaten extrahiert. Dies kann mit einer Bildbearbeitungsfunktionalität bearbeitet werden, die beispielsweise auf demselben Computer abläuft, auf welchem auch die Bilddaten mit Schritt 121 erhalten werden. Mit Schritt 123 werden in dem aufgezeichneten Bild des Detektors 30 die physikalischen Ränder des Substratstapels 3, 4, 9 ermittelt, zum Beispiel in Form einer Eckenerkennung. In einem Schritt 124 kann eine Korrektur bzw. ein Entzerren der Perspektive erfolgen, wenn dies nötig sein sollte. In einem Schritt 125 kann eine Kontrastverbesserung durchgeführt werden, beispielsweise im Bereich des Substratstapels. Beispielsweise kann hierbei einfach der dunkelste graue Hintergrundwert abgezogen werden und ein Graustufenbild aus einem Schwarzweißbild erzeugt werden. In einem Schritt 126 erfolgt schließlich das Berechnen eines Höhenprofils aus dem mit dem Detektor 30 erhaltenen Bilddaten, beispielsweise anhand von festgestellten Newtonringen. In einem Schritt 127 kann daran anfolgend ein Markieren und Integrieren von Bereichen erfolgen, in welchen kritische Höhen oder Profile festgestellt wurden. Dies betrifft insbesondere Bereiche, welche als Fehlerbereich F, 17 festgestellt wurden. In einem Schritt 128 erfolgt schließlich das Berechnen des jeweiligen Q-Faktors Q₁ bzw. Q₂ aus den wie zuvor beschriebenen verbesserten bzw. korrigierten Bilddaten. 20 describes some steps that can be performed to calculate the Bond Quality Index Q ₁ and/or Q ₂ . In a step 121, image data of the detector 30 are first obtained, for example by means of a workstation designed for this purpose. The image data obtained in step 121 is converted to a gray scale pattern in step 122 or the red channel is extracted from the image data. This can be processed with an image processing functionality that runs, for example, on the same computer on which the image data are obtained with step 121 . In step 123, the physical edges of the substrate stack 3, 4, 9 are determined in the recorded image of the detector 30, for example in the form of corner detection. In a step 124, the perspective can be corrected or rectified if this should be necessary. In a step 125, a contrast improvement can be carried out, for example in the area of the substrate stack. For example, the darkest gray background value can simply be subtracted here and a grayscale image can be generated from a black and white image. Finally, in a step 126, a height profile is calculated from the image data obtained with the detector 30, for example using detected Newton rings. Subsequently, in a step 127, regions can be marked and integrated in which critical heights or profiles have been determined. This applies in particular to areas which have been identified as error areas F, 17. Finally, in a step 128, the respective Q factor Q ₁ or Q ₂ is calculated from the improved or corrected image data as described above.

Somit konnte mit der vorliegenden Beschreibung in vollständiger und verständlicher Weise ein Verfahren gezeigt werden, wie zwei unterschiedliche Substrate mittels Laserfügeverfahren aneinander gefügt werden können, insbesondere ein Metallsubstrat mit einem Dielektrikum wie einem Glassubstrat oder Kristall. Auch der entsprechende hermetisch gefügte Verbund konnte ausführlich dargestellt und nachvollziehbar erläutert werden. In der vorliegenden Beschreibung sind eine Vielzahl an Beschreibungen umfasst, die ggf. im Widerspruch zum „herkömmlichen“ Wissen stehen oder überraschend gefunden werden konnten. Ergebnisse wurden auch aus diesem Grund mit mikroskopischen Aufnahmen weiter belegt, um darzustellen, dass die vorgestellte Erfindung in tatsächliche Ergebnisse bereits überführt werden konnte.Thus, with the present description, a method could be shown in a complete and comprehensible manner as to how two different substrates can be joined together by means of laser joining methods, in particular a metal substrate with a dielectric such as a glass substrate or crystal. The corresponding hermetically joined composite could also be presented in detail and explained in a comprehensible manner. The present description includes a large number of descriptions that may conflict with "conventional" knowledge or that could be found surprisingly. For this reason, the results were further substantiated with microscopic images to show that the presented invention could already be converted into actual results.

Es ist im Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale, so dass Beschreibungen von Merkmalen, die gegebenenfalls nur in einer oder jedenfalls nicht hinsichtlich aller Figuren erwähnt sind, auch auf diese Figuren übertragen werden können, hinsichtlich welchen das Merkmal in der Beschreibung nicht beschrieben ist.It is apparent to those skilled in the art that the embodiments described above are to be understood as examples and that the invention is not limited to these, but can be varied in many ways without departing from the scope of protection of the claims. Furthermore, it is evident that the features, regardless of whether they are disclosed in the description, the claims, the figures or otherwise, also individually define essential components of the invention, even if they are described together with other features. In all figures, the same reference symbols designate the same features, so that descriptions of features that may only be mentioned in one or at least not with regard to all figures can also be transferred to these figures with regard to which the feature is not described in the description.

BezugszeichenlisteReference List

11: Verbund bzw. SubstratstapelComposite or substrate stack
22: Funktionsbereich bzw. KavitätFunctional area or cavity
2a, 2b2a, 2b: Kavitäten im Bereich einer Fehlstelle 17Cavities in the area of a defect 17
33: erstes Substrat (metallhaltig)first substrate (metallic)
3a3a: DropletDroplet
44: zweites Substrat (Dielektrikum, z.B. Glas)second substrate (dielectric, e.g. glass)
4a4a: Abschmelzung bzw. Droplet des zweiten SubstratsMelting or droplet of the second substrate
4b4b: Dentrit des zweiten SubstratsDendrite of the second substrate
55: Beherbergungsobjektaccommodation facility
6, 6a, 6b, 6c6, 6a, 6b, 6c: Fügezone bzw. LaserbondlinieJoining zone or laser bond line
88th: Trennlinieparting line
99: Umhäusungenclosure
1111: Kontaktfläche oder Innenseite des ersten SubstratsContact surface or inside of the first substrate
1212: Kontaktfläche oder Innenseite des zweiten SubstratsContact surface or inside of the second substrate
1515: Kontaktflächecontact surface
1717: Fehlerbereich oder Fehlstelle FError area or void F
1818: Berührkontaktfläche BTouch pad B
1919: Gutfläche GGood area G
2020: Strahlungsquelleradiation source
2121: maximaler Abstand zwischen den zwei Substratenmaximum distance between the two substrates
2222: Einstrahlunginsolation
24, 24a24, 24a: Rückstrahlungreflection
2626: Eventueller LuftspaltAny air gap
3030: Detektordetector
3131: Vertiefungdeepening
3232: Erhebungelevation
3535: Abstandshalterspacers
3737: Verzahnugsstrukturgear structure
4040: Ausweichzonefallback zone
6262: Schmelzzone bzw. DurchmischungszoneMelting zone or mixing zone
6464: wiedererstarrte Zonerefrozen zone
6666: Rand der wiedererstarrten ZoneEdge of the refrozen zone
6767: Cracks, Rissecracks, cracks
6868: Porenpores
6969: wiedererstarrte Zonerefrozen zone
8080: Lasergeneratorlaser generator
8282: Intensitätsprofilintensity profile
100100: Anordnungsschrittarrangement step
110110: Ermittlungsschritt des Höhenprofilsdetermination step of the height profile
120120: Berechnungsschritt für den ersten Bond-Quality-Index Q₁ Calculation step for the first bond quality index Q ₁
121121: Datenbereitstellungdata provision
122122: Konvertierungsschrittconversion step
123123: Erkennungsschrittdetection step
124124: Korrekturschrittcorrection step
125125: Kontrastverbesserungcontrast enhancement
126126: Berechnungsschritt für das HöhenprofilCalculation step for the height profile
127127: Markierungsschrittmarking step
128128: Berechnungsschritt für den Q-Faktor Q₁ bzw. Q₂ Calculation step for the Q-factor Q ₁ or Q ₂
130130: Bewertungsschritt für Q₁ Evaluation step for Q ₁
135135: Rückführungsschrittfeedback step
140140: Weiterbehandlungsschritt, insbesondere LaserfügenFurther processing step, in particular laser joining
150150: Ermittlung des zweiten HöhenprofilsDetermination of the second height profile
160160: Berechnungsschritt für Q₂ Calculation step for Q ₂
170170: Bewertungsschritt für Q₂ Evaluation step for Q ₂
175175: Markierungsschritt im FehlerfallMarking step in case of error
180180: abschließende Behandlung, insbesondere Vereinzelung der Anordnung 1 bzw. Umhäusungen 9final treatment, in particular separation of the arrangement 1 or housings 9
801801: Bearbeitungskopf des LasergeneratorsProcessing head of the laser generator
802802: Umlenkspiegeldeflection mirror
803803: Laserobjektivlaser lens
804804: Bewegungsrichtung des BearbeitungskopfsDirection of movement of the processing head
805805: Bewegungsrichtung des Substratesdirection of movement of the substrate
806806: Laserstrahl der LaserstrahlquelleLaser beam of the laser beam source
di.e: Abstand zwischen zwei Laserfügelinien bzw. zwei HeftungspunktenDistance between two laser joining lines or two tacking points
NN: Schutzbereichprotection area
WW: Breite der Laserfügelinie 6Width of the laser joining line 6

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 3012059 B1 [0002]

Claims

Hermetically bonded assembly (1) comprising: a first metallic substrate (3), a second substrate (4) which is at least partially and/or at least partially transparent for at least one wavelength range, wherein the first substrate is arranged with a contact surface (11) adjacent to a contact surface (12) of the second substrate, at least one laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) or a plurality of gluing points for direct and immediate joining of the first metallic substrate to the second substrate, on or in the contact areas (11, 12, 15), wherein the laser joining line or the plurality of bonding points extends into the first substrate on the one hand and into the second substrate on the other hand and joins the at least two substrates directly to one another by melting.

Hermetically bonded arrangement (1) according to the preceding claim, wherein in the laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) or the plurality of tacking points there is an intermixing zone (62), in which material of the second substrate (4) and Material of the first substrate (3) is mixed.

Hermetically connected arrangement (1) according to the preceding claim, wherein metal material of the first metallic substrate (3) has entered the second substrate (4) in the intermixing zone (62), and/or material of the second substrate (4) having entered the first substrate (3) in the intermixing zone (62).

Hermetically connected arrangement (1) according to any one of the preceding claims, wherein the intermixing zone (62) has a thickness measured in a direction perpendicular to the contact surfaces (11, 12, 15), and wherein the mixing zone has a thickness of preferably at least 1 μm, preferably 2 μm or more, more preferably 5 μm or more, and/or wherein the intermixing zone (62) extends more than or equal to 1 µm into the second substrate.

Hermetically connected arrangement (1) according to one of the two preceding claims, wherein the intermixing zone (62) has a width, and the width of the intermixing zone is greater than the thickness of the intermixing zone in the second substrate (4), and/or the width of the mixing zone (62) is 50% or more greater than the thickness of the mixing zone, more preferably 100% or more greater than the thickness of the mixing zone, wherein the width of the intermixing zone (62), in particular at the contact surface (15) between the first and the second substrate (3, 4) and in a direction parallel to the contact surface and perpendicular to the laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) is measured.

Hermetically connected arrangement (1) according to any one of the preceding claims, the at least one laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) or the plurality of bonding points also having a resolidified zone (64, 69), the resolidified zone having a thickness measured in the direction perpendicular to the contact surfaces (11, 12 , 15) and wherein the thickness of the resolidified zone is preferably less than or equal to 20 μm, preferably less than or equal to 10 μm, more preferably less than or equal to 5 μm, and/or wherein the resolidified zone (64, 69) extends into a depth of the second substrate less than or equal to 20 µm, preferably less than or equal to 10 µm, more preferably less than or equal to 5 µm.

Hermetically connected arrangement (1) according to the preceding claim, wherein the resolidified zone (64, 69) extends along the laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d), and/or the resolidified zone (64, 69) at the interface (11, 12, 15) between the first and second substrates (3, 4) and in a direction parallel to the interface having a width of 10 µm ± 5 µm, preferably 20 µm ± 10 µm, more preferably 30 µm ± 10 µm and/or the resolidified zone (64, 69) having a width that is greater at the interface (11, 12, 15) between the first and second substrates (3, 4) and in a direction parallel to the interface and perpendicular to the laser bond line than the thickness of the resolidified zone.

Hermetically connected arrangement (1) according to any one of the preceding claims, material of the first substrate (3) and material of the second substrate (4) being arranged in the intermixing zone (62) in such a way that positive interlocking is produced between the material of the first substrate and the material of the second substrate, and/or comprising a fused interlocking structure (37) between the first metallic (3) and the second substrate (4).

Hermetically connected arrangement (1) according to any one of the preceding claims, wherein in the Intermixing zone (62) and/or the resolidification zones (64, 69) metal material of the metal substrate (3) is present in the form of droplets (3a) and/or dendrites and/or material of the second substrate (4) in the form of ablations (4a) and/or dendrites (4b), the arrangement as droplets and/or dendrites causing a strengthening of the bond between the first and second substrate.

Hermetically connected arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein metal material of the metal substrate (3) and/or material of the second substrate (4) has penetrated into at least one of the resolidification zones (64, 69), in particular in the form of droplets (3a ), ablation (4a) and/or dendrites (4b), and causes a solidification of the bond between the first and second substrate.

Hermetically connected arrangement (1) according to any one of the preceding claims, wherein the contact surface (11) of the first substrate (3) has at least one touch contact area in which the first substrate is in surface touch contact with the second substrate (4), wherein the touch contact area has in particular an average distance between the first and second substrate of less than or equal to 1 µm, preferably less than or equal to 0.5 µm, more preferably less than or equal to 0.2 µm, and/or wherein the touch contact area is in particular the contact area (15th ) is equivalent to.

Hermetically connected arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) connects the first (3) to the second substrate (4) with one another, so that the two substrates can only be joined by applying a holding force can be separated from one another, or only with the destruction of the second substrate if the holding force is greater than the force required to destroy the second substrate, and/or where a holding force of the second substrate on the first substrate is greater than 10 N/mm ² , is preferably greater than 25 N/mm ² , more preferably greater than 50 N/mm ² , even more preferably greater than 75 N/mm ² and even more preferably greater than 100 N/mm ² .

Hermetically connected arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the first substrate (3) is characterized in that the contact surface (11) is flat, in particular planar, and/or wherein the contact surface (11) of the first substrate (3 ) is polished, and/or wherein the contact surface (11) of the first substrate (3) has an average roughness value Ra of less than or equal to 0.5 μm, preferably less than or equal to 0.2 μm, more preferably less than or equal to 0.1 μm , even more preferably less than or equal to 50 nm and finally preferably less than or equal to 20 nm and / or wherein the second substrate (4) is characterized in that it is flat on the contact surface (12), in particular planar, further in particular a mean roughness value Ra of less than or equal to 0.5 µm.

Hermetically connected arrangement (1) according to the preceding claim, wherein the joining laser has a beam focus, and wherein the focal plane for introducing the laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) is shifted distally, in particular in the first substrate (3), and wherein the focal plane is preferably shifted 10 µm ± 10 µm distally into the first substrate (3), more preferably 20 µm ± 10 µm.

Hermetically connected arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the beam width (2W _laser ) at the contact plane (11, 12, 15) is 4 µm ± 1 µm, preferably 4 µm ± 2 µm, more preferably 4 µm ± 3 µm.

Hermetically connected arrangement (1) according to any one of the preceding claims, wherein the first substrate (3) consists of metal material, and/or wherein the first substrate (3) comprises metal as defined in the periodic table.

Hermetically connected arrangement (1) according to any one of the preceding claims, wherein the first substrate (3) comprises or consists of at least one of molybdenum, tungsten, silicon, platinum, silver or gold, and/or wherein the first substrate (3) comprises an alloy, in particular comprises or consists of at least one of carbon, copper, manganese, chromium, magnesium, cobalt, nickel, tin, zinc, niobium, palladium, rhenium, indium, tantalum, titanium or iridium .

Hermetically connected arrangement (1) according to any one of the preceding claims, wherein the second substrate (4) is a transparent substrate, and/or wherein the second substrate (4) comprises or consists of glass, glass ceramic, silicon, sapphire or a combination of the aforementioned materials, and/or wherein the second substrate (4) comprises or consists of ceramic material, in particular oxide-ceramic material.

Hermetically bonded assembly (1) according to the preceding claim, wherein the second substrate (4) comprises at least one of quartz glass, boro silicate glass, alumnosilicate glass, a glass ceramic such as Zerodur, Ceran or Robax, an optoceramic such as aluminum oxide, spinel, pyrochlore or aluminum oxynitrite, calcium fluoride crystal or chalcogenide glass.

Hermetically connected arrangement (1), in particular according to one of the preceding claims, comprising a first metallic substrate (3), a second substrate (4) which is at least partially and/or at least partially transparent for at least one wavelength range, wherein the first substrate is arranged with a contact surface (11) adjacent to a contact surface (12) of the second substrate, at least one spacer (35) for defining a distance between the first and the second substrate.

Hermetically bonded assembly (1) according to the preceding claim, further comprising at least one laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) or a plurality of gluing points for direct and immediate joining of the first metal substrate (3) to the second substrate (4), wherein the laser joining line or the plurality of bonding points extends into the first substrate on the one hand and into the second substrate on the other hand and joins the at least two substrates directly to one another by melting.

Hermetically connected arrangement (1) according to one of the two preceding claims, wherein the first substrate (3) is in contact with the second substrate (4) via the spacer (35), and/or wherein the spacer (35) is arranged between the first substrate (3) and the second substrate (4).

Hermetically connected arrangement (1) according to one of the three preceding claims, wherein the spacer (35) extends at least along the laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) or in the area of the gluing points, or wherein the spacer (35) extends outside the laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) or outside the areas of the adhesion points, or wherein the spacer (35) is formed over the entire surface, and/or wherein the spacer (35) has a thickness of at least 5 µm, more preferably a thickness of at least 10 µm, more preferably a thickness of at least 20 µm.

Hermetically connected arrangement (1) according to one of the three preceding claims, wherein the spacer (35) consists of metal material, and/or wherein the spacer (35) is formed as a coating on the first (3) or the second substrate (4), and or wherein the spacer (35) is formed in one piece with the first substrate (3) and/or the second substrate (4).

Hermetically connected arrangement (1), in particular according to one of the preceding claims, comprising a first metallic substrate (3), a second substrate (4) which is at least partially and/or at least partially transparent for at least one wavelength range, wherein the first substrate is arranged with a contact surface (11) adjacent to a contact surface (12) of the second substrate, and at least one escape zone (40) for receiving molten material from a laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) or a tacking point, the laser joining line or a plurality of tacking points being used for direct and immediate fusion joining of the first metal substrate to the second substrate is used.

Hermetically connected arrangement (1) according to the preceding claim, wherein the at least one avoidance zone (40) is arranged adjacent to the laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) or the plurality of tacking points, and/or wherein the at least one avoidance zone (40) is arranged between the first (3) and the second substrate (4), and/or wherein the at least one avoidance zone (40) is formed on the contact surface (11, 12, 15) when the second substrate (4) is arranged on the first substrate (3).

Hermetically connected arrangement (1), in particular according to one of the preceding claims, comprising a first metallic substrate (3), a second substrate (4) which is at least partially and/or at least partially transparent for at least one wavelength range, the first substrate with a contact surface (11) adjacent to a contact surface (12) of the second substrate, a first laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) or a first set of tacking points for direct and immediate joining of the first metallic substrate to the second substrate, on or in the contact surfaces (11, 12, 15), wherein the first laser joining line or the first set of bonding points extends into the first substrate on the one hand and into the second substrate on the other hand and the at least two substrates directly melting together nander joins, a second laser joining line (6a, 6b, 6c, 6d) or a second set of tack points for direct and immediate joining of the first metallic substrate to the second substrate, on or in the contact surfaces, the second laser joining line or the second set of tacking points extends into the first laser joining line or the first set of tacking points and changes or improves the material mixing achieved with the first laser joining line or the first set of tacking points.

Hermetically sealed housing (9), in particular with a hermetically connected arrangement (1) according to one of the preceding claims, comprising a metallic first substrate (3), a second substrate (4) which is at least partially and/or at least partially transparent for at least one wavelength range, wherein the first substrate is arranged with a contact surface (11) adjacent to a contact surface (12) of the second substrate, at least one functional area (2) arranged between the first and the second substrate, in particular a cavity, at least one laser joining line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) or a plurality of bonding points for direct and immediate joining of the first substrate to the second substrate, on or in the contact surfaces, in particular around the functional area for hermetically sealing the functional area, wherein the laser joining line or the plurality of bonding points extends into the first substrate on the one hand and into the second substrate on the other hand and joins the at least two substrates directly to one another by melting.

Hermetically sealed housing (9) according to the preceding claim, wherein the laser bonding line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) of the housing is designed to be completely closed around the functional area (2) and/or wherein a spacing of the first substrate (3) from the second substrate (4) in the laser bonding line (6, 6a, 6b, 6c, 6d) is consistently less than 0.75 µm, preferably less than 0.5 µm, more preferably is less than 0.2 µm.

Hermetically sealed enclosure (1) according to any one of the preceding claims, wherein the functional area (2) comprises a hermetically sealed accommodation cavity for accommodating an accommodation object (5), such as an electronic circuit, a sensor or MEMS.

Method for producing a hermetically sealed assembly (1) from at least two parts, with the steps: Areal arrangement of at least one first metallic substrate (3) on a second substrate (4), the at least two substrates being arranged next to one another or on top of one another, so that a contact surface (11, 12, 15) is formed between the at least two substrates, on which the first substrate is in contact with the second substrate, and wherein the second substrate comprises a transparent material, Hermetically sealed connection of the at least two substrates to one another by directly joining the at least two substrates to one another in the area of the at least one contact surface, so that an intermixing zone (62) is formed, which extends into the first substrate on the one hand and into the second substrate on the other hand and the at least two Substrates directly melting together.

Method according to the preceding claim, further comprising the step of checking the hermetic bond of the at least two substrates (3, 4) by determining a distance profile between the at least two substrates, and/or determining a first bond quality index Q ₁ to check the mechanical Strength and / or the hermeticity of the composite (1).

Method according to the preceding claim, wherein the first bond quality index Q ₁ is determined as Q ₁ = 1 - (A - G) / A, where A represents the area of the contact surface (11, 12, 15) and G represents a good surface , wherein the good surface G corresponds in particular to the touch contact surface, and/or wherein the good surface G describes a part of the contact surface (11, 12, 15) in which the distance between the substrates (3, 4) is less than 5 µm, preferably less than 1 μm, more preferably less than 0.5 μm, more preferably less than 0.2 μm, and/or wherein the bond quality index Q ₁ is greater than or equal to 0.8, preferably greater than or equal to 0.9 , more preferably greater than or equal to 0.95.

Method according to one of the preceding claims, wherein the contact surface (11, 12, 15) has a useful area N and the useful area N is used to calculate the first bond quality index Q ₁ and/or Q ₁ is determined as Q ₁ = 1-(N-G)/N

Method according to the preceding claim, wherein the first bond quality index Q ₁ before the joining of the first and the second substrate (3, 4) is determined together, and/or with the step of determining a second bond quality index Q ₂ of the contact surface (11, 12, 15) of the hermetically sealed composite (1), with Q ₂ in particular being greater than Q ₁ , further in particular it holds that Q ₂ /Q ₁ >1.001.

Method according to one of the preceding claims, with the step of igniting a plasma discharge in the mixing zone (62) by means of a laser in preparation for the laser joining process.

Housing (9) or hermetically connected arrangement (1) produced with the method according to one of the preceding claims.