EP4241301A2 - Hermetisch verbundene anordnung, umhäusung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Hermetisch verbundene anordnung, umhäusung und verfahren zu deren herstellung

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Publication number
EP4241301A2
EP4241301A2 EP21810304.2A EP21810304A EP4241301A2 EP 4241301 A2 EP4241301 A2 EP 4241301A2 EP 21810304 A EP21810304 A EP 21810304A EP 4241301 A2 EP4241301 A2 EP 4241301A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
zone
laser
contact surface
substrates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21810304.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Ulrich Thomas
Antti Määttänen
Clemens Kunisch
Stephan Corvers
Bernd Hoppe
Jens Herrmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Schott Primoceler Oy
Original Assignee
Schott AG
Schott Primoceler Oy
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102020129380.1A external-priority patent/DE102020129380A1/de
Application filed by Schott AG, Schott Primoceler Oy filed Critical Schott AG
Publication of EP4241301A2 publication Critical patent/EP4241301A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50—Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326, e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/206—Laser sealing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/10—Containers; Seals characterised by the material or arrangement of seals between parts, e.g. between cap and base of the container or between leads and walls of the container
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/16—Composite materials, e.g. fibre reinforced
    • B23K2103/166—Multilayered materials
    • B23K2103/172—Multilayered materials wherein at least one of the layers is non-metallic

Definitions

  • 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.
  • Sensitive electronics, circuits or sensors 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 production or in general in the field of wearables and devices that are waterproof, for example or are to be set up pressure-protected. Also 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, there are many areas of application.
  • 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.
  • 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.
  • a hermetically connected arrangement 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.
  • 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.
  • the distance between the first substrate and in the second substrate is smaller. It is thus 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/are before the substrates are arranged is polished against each other in order to further reduce the average distance between the substrates.
  • the first metallic substrate it can be advantageous if absolute elevations over a mean surface of the metallic substrate do not exceed 0.5 ⁇ m.
  • 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.
  • the spacer may be interposed or comprised between the first metallic substrate and the second substrate.
  • the first substrate can then have the ok
  • 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.
  • the alloy explained above can preferably form a eutectic.
  • the mixed-in material of the first covering or coating can also be used to strengthen the bond between the first and second substrate.
  • a second covering or coating can also be applied to the second substrate at least in the area of the laser joining line or the plurality of Tacking points can be arranged on a side facing the first substrate, in particular for the direct and immediate joining of the first metallic substrate to the second substrate.
  • the second substrate of the hermetically connected arrangement or hermetically sealed housing can also include or consist of a material into which at least near-surface compressive stresses can be introduced in a compressive stress zone Ds and the first covering or coating includes or consists of a material by means of which, compressive stresses can be introduced into the material of the second substrate, in particular by ion exchange,
  • the invention also includes 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, wherein the at least two substrates are arranged next to one another or on top of one another, so that a contact surface is formed between the at least two substrates, at which the first substrate is in contact with the second substrate, and 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.
  • the arrangement of a first covering or coating on the first substrate can take place before the areal arrangement of the at least one first metallic substrate on the second substrate,
  • Arranging a second occupancy or coating on the second substrate is also advantageously possible before the planar arrangement of the at least one first metallic substrate on the second substrate.
  • first occupancy or coating and second occupancy or coating is not restricted to two occupancies or coatings limited.
  • the respective embodiments can also comprise either only a first occupancy or coating or a second occupancy or coating.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • two substrates are first arranged next to one another, that is, for example, stacked one on top of the other, with gravity pulling the top typically first Substrate presses 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.
  • 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. In this way, touch contact areas are formed where the substrates touch or where the distance between the substrates is smaller than a certain amount (e.g. defined as “good area”, as will be explained below).
  • a certain amount e.g. defined as “good area”, as will be explained below.
  • the joining zone or laser bonding line produced by the laser preferably provides a height HL of between 4 - 25 m, 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.
  • 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, what can possibly be more favorable in terms of production technology if, for example, a plurality of housings is 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.
  • the method can also include the step of checking the hermetic connection of 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.
  • 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 ⁇ m, preferably less than 1 ⁇ m and more preferably less than 0.5 ⁇ m, most preferably finally less than 0.2pm.
  • 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.
  • the contact surface can have a useful area N, and the useful area can be used to calculate the first bond quality index Q1.
  • 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.
  • the substrate stack is irradiated or illuminated, so that reflection from the irradiation is generated on the surfaces of the substrates.
  • the return radiation can be the reflected radiation, which is reflected to a certain extent on one of the surfaces.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • a first bond quality index Qi 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.
  • the first bond quality index Q1 is determined before the first and second substrates are joined to one another.
  • 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. Furthermore, in particular, Q2/Q1 is greater than 1.001.
  • 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 Detects or detects interference patterns and can use this to calculate or derive the distance between the two substrates.
  • the pattern from the retroreflection may have an arrangement in which the pattern extends around one or more defects.
  • 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 are not in physical contact.
  • a defect can be characterized in that the distance between the substrates at these defects is greater than 5 ⁇ m, preferably greater than 2 ⁇ m and more preferably greater than 1 ⁇ m, greater than 0.5 ⁇ m, or also preferably greater than 0.2pm.
  • 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.
  • 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.
  • the scope of the invention also includes the housing produced using the method presented above.
  • An arrangement connected according to the invention or a housing closed according to the invention can be used in such a way that it is used in contact or physical contact with biological material, in particular plant, human or animal cells.
  • the housing can grow together with the biological material.
  • the hermetically connected arrangement can advantageously be designed in such a way that it does not contain any toxic and/or allergy-causing substances, it does not release them either.
  • the hermetically connected arrangement or housing is therefore preferably prepared and designed in such a way that it does not have any harmful effect on biological material.
  • the arrangement according to the invention advantageously has a reduced allergy potential when it comes into contact with the human or animal body or plant material, for example when it is introduced into it and/or attached to it.
  • the arrangement according to the invention is used, for example, as a medical implant, in particular as a medical intracorporeal sensor and/or as a wearable, which is attached or arranged in the operating state on or in the human or animal body or plant material.
  • Typical wearables are fitness trackers and smartwatches, i.e. electronic devices that can measure or monitor the body condition or physiological (body) parameters in particular.
  • Other applications are of course possible and also covered by the invention, such as those wearables that can influence physiological (body) parameters, or other applications.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a hermetic composite
  • FIG. 3 Side sectional view of a hermetic compound with a functional area as a cavity
  • Fig. 4 Side sectional view of a detail of the joining zone in one embodiment
  • Fig. 4a Side sectional view of a detail of the joining zone in a further embodiment
  • Fig. 5 Side sectional view of a Details of a further joining zone
  • Fig. 6 side sectional view of a hermetic compound with joining zone
  • Fig. 7 side sectional view of a substrate stack with spacers
  • 8 side sectional view of a hermetic composite with spacer
  • FIG. 9 digital photograph of a joined hermetic composite
  • FIG. 10 side sectional view of a hermetic composite with a plurality of laser spots, FIG laser spots and spacers,
  • FIG. 13 to 17 Microscopic images of each joined substrate stack
  • Fig. 18 Photographic representation of a sample for evaluating the achievable hermeticity
  • Fig. 19 Schematic illustration of the measurement of the quality factor
  • Fig. 20 Flowchart for measuring the quality factor
  • Fig. 21 Flowchart for individual steps in the Determination of the figure of merit.
  • a first embodiment of a hermetic composite 1 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.
  • the contact surface can make up the entire respective 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.
  • 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. Fig. 7) .
  • three laser joining lines 6a, 6b, 6c or tacking points 6a, 6b, 6c are introduced in order to join the two substrates 3, 4 to one another.
  • the joining points/lines 6a, 6b, 6c are set along the sides of the substrates 3, 4, with the joining points being injected from above (in relation to the drawing) by means of a laser (cf. FIG. 12).
  • 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 already lies in the metallic substrate 3, for example 10 to 20 m is offset into the metallic substrate 3, ie 10 to 20 pm below the inner surface 12 of the metallic substrate 3.
  • This width can also be achieved by appropriate beam shaping in front of the lens.
  • the laser joining lines 6a, 6b, 6c which are interlaced so that the laser joining lines 6a, 6b, 6c also interact with one another.
  • Various effects can be provoked or achieved depending on the objective.
  • 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.
  • 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.
  • the joining with the first laser joining line 6a may possibly be inadequate.
  • 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.
  • FIG. 2 shows a plan view of a hermetic composite 1, with the laser joining lines 6a, 6b, 6c running around a functional area 2.
  • 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 completely guided around the functional area 2 around the To seal functional area 2 hermetically.
  • the melted zone around the laser joining lines has a width w.
  • An accommodation object 5 such as electronic circuits can be arranged in the functional area 2, for example (cf. FIG. 3).
  • FIG. 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 symbols designate the same parts as in FIG.
  • FIG. 4 shows a detailed section 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.
  • 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.
  • the widely differing CTE values of the different materials, but also the different brittleness, among other things, must be taken into account.
  • the laser joining point 6 shown in the side section in FIG. 4 has an intermixing zone 62 which extends into the metallic substrate 3 and the dielectric 4 and in the process also bridges the air gap 26 outlined.
  • the air gap 26 in the area of the laser joining point 6 should be less than or equal to 5 m in order to ensure that the laser joining point 6 is generated sufficiently.
  • the plasma ignition is a prerequisite for the laser to be able to apply a significant punctiform amount of heat to the laser joining point 6 .
  • the width W of the laser joining line corresponds approximately to the beam width 2wi.aser on the contact surface (15), which is generated by the laser generator (see FIG. 12).
  • 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 2wlaser at the contact surface (15), since, for example, an overlapping of the laser effective range 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 Hr. However, this is clearly not the case in the example in FIG. 4 in order to show the relationships clearly.
  • This occupancy or coating 70 can be applied by various methods, which include, for example, physical and/or chemical deposition methods, such as physical vapor deposition (pVD), chemical vapor deposition methods or an ALD method (atomic layer deposition ), and can in particular also alternatively be applied by printing techniques, such as screen printing or 3D printing, preferably locally structured. Another form of application can be done while the substrate is floating on liquid metal.
  • physical and/or chemical deposition methods such as physical vapor deposition (pVD), chemical vapor deposition methods or an ALD method (atomic layer deposition )
  • pVD physical vapor deposition
  • ALD method atomic layer deposition
  • an alloy can be formed at least in regions in the intermixing zone, which alloy comprises at least material of the metallic first substrate 3 and the first occupancy or coating.
  • This alloy can form a eutectic in a particularly advantageous manner if the coating or covering is provided in an appropriate quantity for the joining process. This amount can be done by choosing the thickness Di of the first covering or coating. This thickness Di can be between 0.1 and 5 m, for example.
  • an increase in the forces that are required to separate the joined substrates 3, 4 from one another after joining is referred to as hardening.
  • These forces can be introduced perpendicularly to the respective surface of the substrates 3, 4 on which they touch, in which case the pull-out strength can then be determined and indicated, or transversely to this surface, in which case the strength against proportional shear forces is then additionally determined and can be specified.
  • strengthening is defined as the increase in these above-mentioned forces in a joint using this first and/or second occupancy or coating compared to a joint in which no first and/or second occupancy or coating is used was used, understood.
  • a second covering or coating 71 can be applied to the second substrate 4 at least in the area of the laser joining line 6, 6a, 6b , 6c, 6d or the plurality of tacking points on a side facing the first substrate 3, in particular for the direct and immediate joining of the first metallic substrate 3 to the second substrate 4.
  • the occupancy or coating 71 on the second substrate 4 can comprise or consist of a composition by means of which a compressive stress in a compressive stress zone is generated in a zone close to the surface of the second substrate 4, which extends at least to a depth DoL perpendicular to the surface of the second substrate Ds extends within the second substrate 4, can be formed.
  • material of the second substrate 3 and material of the second occupancy or coating 71 are mixed or introduced in the intermixing zone 62 and/or at least in a region of the second substrate 4 close to the surface, whereby a correspondingly localized compressive stress zone can be formed.
  • the second substrate 4 comprises or consists of a material into which at least near-surface compressive stresses can be introduced in a compressive stress zone Ds
  • the first covering or coating comprises a material or consists of this by means of in which compressive stresses can be introduced into the material of the second substrate 4, in particular by ion exchange /0166478 A1, US 9.908.811 B2, US 2016/012240 A1, US 2016/012239 A1, US 2017/0295657 A1, US 8,312,739 B2, US 9.359.727 B2, US 2012/005271 A1, US 2015/00308 A1 or also DE 10 2010 009 584 B4 and CN 102690059 A.
  • the material of the second substrate can generally comprise or consist of a glass, in particular a soda-lime or borosilicate glass
  • the material of the second covering or coating 71 can be a compound which is suitable for emitting exchangeable ions, in particular a potassium and/or lithium compound, in particular potassium nitrate and/or lithium nitrate.
  • the thickness of the second layer or coating 71 can preferably be from 0.1 to 5 m, and the mixed or introduced material of the second layer or coating 71 can also be used to strengthen the bond between the first and second substrate.
  • FIG. 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.
  • 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 .
  • 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.
  • the dendrite 4b shown in FIG. 5 can be of particular interest because with such formations a significantly improved adhesion of the two substrates 3, 4 to one another can be achieved.
  • a dendrite 4b possibly functions as an anchor or nail, if it interlocks with the material of the other substrate or is injected 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.
  • a composite 1 is shown with a laser bond line 6 on one side.
  • 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 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 .
  • the surfaces 11, 12 are smooth, for example with a mean roughness value of 0.1 ⁇ m or better.
  • FIG. 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.
  • 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 ⁇ m, better less than 2 ⁇ m, preferably less than 0. 5 p.m.
  • FIG. 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.
  • 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.
  • FIG. 8 shows the exemplary embodiment of FIG. 7, with 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.
  • the mixing zone 62 is material of the first Substrate 3 mixed with material of the spacer 35 and material of the second substrate 4 together.
  • the intermixing zone 62 extends both into the first substrate 3 and into the second substrate 4 .
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 9 shows a photographic representation of a hermetic composite 1 corresponding to FIG. 6. Unevenness such as scratches 31 or burrs 32, which may impair the hermeticity of the composite 1, are resolved.
  • FIG. 10 another aspect of the present invention is to be explained in further 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.
  • a further improvement in the mixing in the mixing zone 62 and thus in the adhesion can be achieved.
  • a similar effect is achieved if the laser spots shown in FIG. 10 are not intended to belong to a specific laser joining line 6, but rather to 5 different laser joining lines 6, 6a, 6b, 6c, 6d that 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.
  • FIG. 11 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.
  • the spacer(s) 35 are small enough, for example, i.e. thinner than 5 m (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.
  • the air gap is no longer an obstacle, since the air gap is partially already bridged or closed.
  • a spacer 35 can serve as the "starting point" of the laser joining process and this can be fused (as shown in FIG. 6).
  • 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 ⁇ m from the substrate, for example also greater than 10 ⁇ m from the substrate or even up to 20 ⁇ m from the substrate and more.
  • the height of the laser spot can be adjusted by 50 pm, up to 100 pm, for example.
  • the distance d from one laser spot to the next can be set to d ⁇ 10 pm, preferably d ⁇ 6 pm, more preferably d ⁇ 4 pm.
  • FIG. 13 shows a microscopic image of a hermetic composite 1 that has been produced, aluminum being used as the first substrate 3 and sapphire 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 can occur 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.

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.

Description

Hermetisch verbundene Anordnung, Umhäusung und Verfahren zu deren Herstellung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
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.
Hintergrund und allgemeine Beschreibung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
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.
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.
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.
Beispielsweise kann eine Berührkontaktfläche definiert werden, wenn das erste Substrat zum zweiten Substrat einen mittleren Abstand von kleiner oder gleich 1 pm aufweist, bevorzugt kleiner oder gleich 0,5 pm und weiter bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 pm.
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 pm nicht übersteigen.
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.
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 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.
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 pm aufweisen kann, weiter bevorzugt 2 pm oder mehr, weiter bevorzugt 5 pm oder mehr.
Die Durchmischungszone reicht bevorzugt mehr oder gleich 1 pm in das zweite Substrat hinein. Bevorzugt reicht die Durchmischungszone 5 pm 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 GTE des ersten Substrats um 3 bis 10 mal höher ist als der GTE 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.
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.
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.
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 pm betragen, bevorzugt kleiner oder gleich 10 pm und weiter bevorzugt kleiner oder gleich 5 pm.
Die wiedererstarrte Zone kann auch weniger oder gleich 20 pm in eine Tiefe des zweiten Substrats hineinreichen, bevorzugt weniger oder gleich 10 pm und noch weiter bevorzugt weniger oder gleich 5 pm.
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 pm aufweisen, beispielsweise +/- 5 pm. Bevorzugt kann diese Breite 20 pm +/- 10 pm betragen, weiter bevorzugt 30 pm +/- 10 pm.
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.
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.
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 ! 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 pm die Höhe der wiedererstarrten Zone über der Durchmischungszone 25 pm, wenn die Höhe der Durchmischungszone 1/5 der Höhe der wiedererstarrten Zone beträgt. Wenn die Höhe der Durchmischungszone 10 pm beträgt, und darüber die Höhe der wiedererstarrten Zone des zweiten Substrats ebenfalls 10 pm, 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 pm aufweisen, bevorzugt kleiner oder gleich 0,5 pm und weiter bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 pm. 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. 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.
Das erste Substrat kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Kontaktseite flach ausgebildet ist, also insbesondere planar. Die Kontaktseite des ersten Substrats kann poliert sein.
Die Kontaktseite des ersten Substrats kann dabei einen Mittenrauwert Ra von kleiner oder gleich 0,5 pm aufweisen, bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 pm, weiter bevorzugt kleiner oder gleich 0,1 pm, noch weiter bevorzugt kleiner oder gleich 50 nm und schließlich bevorzugt kleiner oder gleich 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 pm aufweist.
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.
Der Fügelaser weist einen Strahlfokus auf. Der Strahlfokus kann eine Strahltaillenbreite 2w0 aufweisen. Ferner weist der Fügelaser eine Strahlbreite 2Wi.aser 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 2Wi.aser 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 pm +/- 10 pm distal in das erste Substrat verschoben, weiter bevorzugt 20 pm +/- 10 pm. Die Strahlbreite 2WLaser beträgt an der Fügeebene bevorzugt 4pm ± 1 pm, weiter bevorzugt 4pm ± 2pm, weiter bevorzugt 4pm ± 3pm. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn die die Fokalebene im ersten Substrat beim Einbringen der Laserfügelinie liegt, also beispielsweise 10 pm +/- 10 pm oder 20 pm +/- 10 pm 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 2Wi.aser auf die gewünschte Breite einzustellen.
Das erste Substrat besteht bevorzugt vollständig aus Metallmaterial. Das erste Substrat umfasst dabei Metall im Sinne der Definition des Periodensystems.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Abstandshalter kann zwischen dem ersten metallischen Substrat und dem zweiten Substrat eingesetzt oder umfasst sein. Beispielsweise kann das erste Substrat dann über den io
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.
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.
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.
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.
Der Abstandshalter kann als dünne Folie beispielsweise aus Aluminium hergestellt sein, welche an dem ersten oder zweiten Substrat angeheftet sein kann. Der Abstandshalter kann aufgesp uttert 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.
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. 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.
Der Abstandshalter kann eine Dicke von zumindest 5 pm aufweisen, weiter bevorzugt eine Dicke von zumindest 10 pm und noch weiter bevorzugt eine Dicke von zumindest 20 pm. Dies ist besonders dann interessant, wen der Abstandshalter im Bereich der Laserfügelinie eingesetzt wird.
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 pm nicht übersteigt. Beispielsweise kann der Abstandshalter eine Dicke von bevorzugt größer 1 pm aufweisen, bevorzugt 2 bis 3 pm oder mehr.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 pm, bevorzugt kleiner sein als 0,5 pm und weiter bevorzugt kleiner sein als 0,2 pm. Der Funktionsbereich der Umhäusung kann eine hermetisch verschlossene Beherbergungskavität zur Aufnahme eines Beherbergungsobjekts aufweisen, wie eines elektronischen Schaltkreises, eines Sensors oder MEMS.
Die hermetisch verbundene Anordnung oder hermetisch verschlossene Umhäusung kann ferner eine erste Belegung oder Beschichtung auf dem metallischen ersten Substrat zumindest im Bereich der Laserfügelinie oder der Mehrzahl von Heftungspunkten auf einer dem zweiten Substrat zugewandten Seite aufweisen. Die Laserfügelinie bzw. die Mehrzahl von Heftungspunkten ist insbesondere zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats mit dem zweiten Substrat vorgesehen. Die erste Belegung oder Beschichtung auf dem metallischen ersten Substrat kann dabei bevorzugt vor dem hermetisch dichten Verbinden der zumindest zwei Substrate miteinander durch direktes Fügen der zumindest zwei Substrate aufgebracht werden.
Bei der hermetisch verbundenen Anordnung bzw. hermetisch verschlossenen Umhäusung kann ferner in der Durchmischungszone und / oder zumindest in einem oberflächennahen Bereich des ersten Substrats Material des ersten Substrats und Material der ersten Belegung oder Beschichtung eingemischt sein.
Bei der hermetisch verbundenen Anordnung oder hermetisch verschlossenen Umhäusung kann des Weiteren insbesondere die Morphologie des Gefüges in der Durchmischungszone durch das Material der ersten Belegung oder Beschichtung geändert sein. In der Durchmischungszone kann zumindest bereichsweise eine Legierung ausgebildet sein, welche zumindest Material des metallischen ersten Substrats und der ersten Belegung oder Beschichtung umfasst.
Die vorstehend erläuterte Legierung kann bevorzugt ein Eutektikum ausbilden.
Das metallische erste Substrat der hermetisch verbundenen Anordnung bzw.der hermetisch verschlossenen Umhäusung kann ferner Eisen, Stahl oder einer Eisen-haltige Legierung umfassen oder aus dieser bestehen. Die erste Belegung oder Beschichtung kann ferner Kohlenstoff umfassen oder aus Kohlenstoff bestehen.
Bei der hermetisch verbundenen Anordnung oder hermetisch verschlossenen Umhäusung kann ferner mittels des eingemischten Materials der ersten Belegung oder Beschichtung eine Verfestigung des Verbunds zwischen erstem und zweitem Substrat bewirkt sein. Bei der hermetisch verbundenen Anordnung bzw. hermetisch verschlossenen Umhäusung kann, insbesondere vor dem hermetisch dichten Verbinden der zumindest zwei Substrate miteinander durch direktes Fügen der zumindest zwei Substrate, auch eine zweite Belegung oder Beschichtung auf dem zweiten Substrat zumindest im Bereich der Laserfügelinie oder der Mehrzahl von Heftungspunkten auf einer dem ersten Substrat zugewandten Seite insbesondere zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats mit dem zweiten Substrat, angeordnet sein.
Die wie vorstehend beschriebene erste oder zweite Belegung oder Beschichtung auf dem zweiten Substrat kann eine Zusammensetzung umfassen oder aus dieser bestehen, mittels welcher in einer oberflächennahen Zone des zweiten Substrats, welche sich zumindest bis zu einer Tiefe DoL, senkrecht zur Oberfläche des zweiten Substrats eine Druckspannung innerhalb des zweiten Substrats erstreckt, ausbildbar ist.
In der Durchmischungszone und / oder zumindest in einem oberflächennahen Bereich des zweiten Substrats kann Material des zweiten Substrats und Material der zweiten Belegung oder Beschichtung eingemischt oder eingebracht sein.
Das zweite Substrat der hermetisch verbundenen Anordnung oder hermetisch verschlossenen Umhäusung kann des Weiteren ein Material umfassen oder aus diesem bestehen, in welches zumindest oberflächennahe Druckspannungen in einer Druckspannungszone Ds einbringbar sind und die erste Belegung oder Beschichtung ein Material umfasst oder aus diesem besteht, mittels welchem, insbesondere durch lonenaustausch Druckspannungen in das Material des zweiten Substrats einbringbar sind,
Das Material des zweiten Substrats kann dabei ein Glas, insbesondere ein Kalk-Natron- oder Borosilikatglas umfassen oder aus diesem bestehen. Ferner kann das Material der zweiten Belegung oder Beschichtung eine Verbindung, welche geeignet ist, austauschbare Ionen abzugeben, insbesondere, eine Kalium- und/ oder Lithiumverbindung, insbesondere Kaliumnitrat und/oder Lithiumnitrat umfassen.
Mittels des eingemischten oder eingebrachten Materials der zweiten Belegung oder Beschichtung kann eine Verfestigung des Verbunds zwischen erstem und zweitem Substrat bewirkt sein.
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.
Bei diesem Verfahren kann das Anordnen einer ersten Belegung oder Beschichtung auf dem ersten Substrat vor dem flächigen Anordnen des zumindest einen ersten metallischen Substrats an dem zweiten Substrat erfolgen,
Auch das Anordnen einer zweiten Belegung oder Beschichtung auf dem zweiten Substrat ist vor dem flächigen Anordnen des zumindest einen ersten metallischen Substrats an dem zweiten Substrat vorteilhaft möglich, Hierbei ist die Bezeichnung erste Belegung oder Beschichtung sowie zweite Belegung oder Beschichtung nicht einschränkend auf zwei Belegungen oder Beschichtungen beschränkt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung können die jeweiligen Ausführungsformen auch entweder nur eine erste Belegung oder Beschichtung oder eine zweite Belegung oder Beschichtung umfassen.
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.
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.
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. Dabei bilden sich Berührkontaktflächen aus, an welchen sich die Substrate berühren bzw. an welchen der Abstand zwischen den Substraten kleiner ist als ein bestimmtes Maß (z.B. als „Gutfläche“ definiert, wie im Weiteren erläutert werden wird).
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 m bereitstellt, kann mittels der Laserbondlinie eine hermetische Versiegelung sichergestellt werden, da der möglicherweise auftretende Abstand zwischen den beiden Substraten überbrückt werden kann.
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.
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.
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 pm, bevorzugt kleiner als 1 pm und weiter bevorzugt kleiner als 0,5 pm, am bevorzugtesten schließlich kleiner als 0,2 pm. 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.
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.
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. 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 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.
Aus der Rückstrahlung, die aus dem Substratstapel in eine Mess- bzw. Beobachtungseinrichtung fällt, wird ein erster Bond-Quality-I ndex Qi der Kontaktfläche des Substratstapels ermittelt.
Beispielsweise wird der erste Bond Quality Index Q1 vor dem Fügen des ersten und des zweiten Substrats miteinander ermittelt.
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 .
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.
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 pm, bevorzugt größer ist als 2 pm und weiter bevorzugt größer ist als 1 pm, größer als 0,5 pm, oder auch bevorzugt größer als 0,2 pm. 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.
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 A/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* A 12 = 750 nm beträgt.
In dem Verfahren kann ferner der Schritt umfasst sein: Zünden einer Plasmaentladung in der Durchmischungszone mittels eines Lasers zur Vorbereitung des Laserfügevorgangs.
Im Rahmen der Erfindung ist auch die Umhäusung umfasst, hergestellt mit dem zuvor vorgestellten Verfahren. Eine erfindungsgemäß verbundene Anordnung bzw. eine erfindungsgemäß verschlossene Umhäusung kann derart eingesetzt sein, dass sie in Kontakt bzw. Berührkontakt mit biologischem Material, insbes. pflanzlichen, menschlichen oder tierischen Zellen, eingesetzt ist. Beispielsweise kann die Umhäusung mit dem biologischen Material verwachsen sein. Weil die hermetisch verbundene Anordnung vorteilhaft so ausgestaltet werden kann, dass sie keine toxischen und/oder Allergie auslösenden Substanzen beinhaltet, setzt sie diese auch nicht frei. Die hermetisch verbundene Anordnung bzw. Umhäusung ist daher bevorzugt so hergerichtet und ausgestaltet, dass von dieser keine schädliche Wirkung auf biologisches Material ausgeübt wird. Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Anordnung ein verringertes Allergiepotential auf, wenn es in Kontakt mit dem menschlichen oder tierischen Körper bzw. pflanzlichem Material kommt, beispielsweise wenn sie in diesen eingebracht wird und/oder an diesem angebracht wird.
Beispielsweise Anwendungen findet die erfindungsgemäße Anordnung als medizinisches Implantat, insbesondere als medizinischer intrakorporaler Sensor und/oder als Wearable, welches im Betriebszustand am bzw. im menschlichen oder tierischen Körper oder auch pflanzlichem Material angebracht bzw. angeordnet wird. Typische Wearables sind Fitnesstracker und Smartwatches, also elektronische Geräte, die insbesondere den Körperzustand bzw. physiologische (Körper-)Parameter messen bzw. überwachen können. Weitere Anwendungen sind natürlich möglich und von der Erfindung ebenfalls umfasst, wie beispielsweise solche Wearables, die Einfluss nehmen können auf physiologische (Körper-)Parameter, oder andere Anwendungen.
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.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines hermetischen Verbunds,
Fig. 2 Draufsicht auf einen hermetischen Verbund, hier ausgeführt als Umhäusung mit Funktionsbereich,
Fig. 3 Seiten-Schnittansicht eines hermetischen Verbunds mit Funktionsbereich als Kavität, Fig. 4 Seiten-Schnittansicht eines Details der Fügezone in einer Ausführungsform, Fig. 4a Seiten-Schnittansicht eines Details der Fügezone in einer weiteren Ausführungsform, Fig. 5 Seiten-Schnittansicht eines Details einer weiteren Fügezone, Fig. 6 Seiten-Schnittansicht eines hermetischen Verbunds mit Fügezone, Fig. 7 Seiten-Schnittansicht eines Substratstapels mit Abstandshaltern, Fig. 8 Seiten-Sch nittansicht eines hermetischen Verbunds mit Abstandshalter, Fig. 9 Digitalfotografie eines gefügten hermetischen Verbunds, Fig. 10 Seiten-Schnittansicht eines hermetischen Verbunds mit einer Mehrzahl von Laserspots, Fig. 11 Seiten-Schnittansicht eines hermetischen Verbunds mit einer Mehrzahl von Laserspots und Abstandshaltern,
Fig. 12 Laseranordnung zur Erzeugung der Laserfügung,
Figs. 13 bis 17 mikroskopische Aufnahmen je eines gefügten Substratstapels, Fig. 18 photografische Darstellung einer Probe zur Bewertung der erzielbaren Hermetizität, Fig. 19 Schematische Verdeutlichung der Messung des Gütefaktors, Fig. 20 Ablaufdiagramm zur Messung des Gütefaktors, Fig. 21 Ablaufdiagramm zu Einzelschritten bei der Bestimmung des Gütefaktors.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bezug nehmend auf Fig. 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. Fig. 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. Fig. 7).
Im Beispiel der Fig. 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. Fig. 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 m in das metallische Substrat 3 hinein versetzt ist, also 10 bis 20 pm 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 4pm +/-1 pm, weiter bevorzugt 4pm +/- 2pm, weiter bevorzugt 4pm +/- 3pm erreicht. Diese Breite kann auch durch ein entsprechende Strahlformung vor dem Objektiv erreicht werden.
Wenn im Fall wie in Fig. 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 Fig. 1 gezeigt.
In Fig. 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 pm 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.
Fig.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. Fig. 3).
Fig.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 Figur 1 .
Fig. 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.
Der in Fig. 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 m 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 Fig. 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.
In dem Beispiel der Fig. 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 Fig. 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.
Das erste Substrat 3 kann beispielsweise Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Aluminium, Titan oder auch Legierungen wie Stahl umfassen, als nicht-abschließende Aufzählung.
Der möglicherweise vorhandene Luftspalt 26 ist im Bereich der (späteren) Laserfügezone 6 kleiner oder gleich 0,5 pm. Wenn der Abstand in der Kontaktfläche 15 kleiner oder gleich 0,5 pm ist wird beispielsweise die Kontaktfläche 15 auch als Gutfläche G markiert.
Bei nur einer Laserfügeline 6, 6a, 6b, 6c bzw. Heftpunkt entspricht die Breite W der Laserfügelinie etwa der Strahlbreite 2wi.aser an der Kontaktfläche (15), die durch den Lasergenerator (vgl. Fig. 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 2wLaser an der Kontaktfläche (15), da beispielsweise eine Überlappung des Laserwirkbereiches angestrebt wird. Hm beschreibt die Höhe der Durchmischungszone 62, Hr die Höhe des wiedererstarrten Bereichs 64. Idealerweise ist Hm größer oder gleich Hr. dies ist allerdings in dem Beispiel der Fig. 4 klar nicht erfüllt, um die Zusammenhänge deutlich zu zeigen.
Fig. 4a zeigt die Seiten-Schnittansicht eines Details der Fügezone in einer weiteren Ausführungsform bei welcher, insbesondere vor dem hermetisch dichten Verbinden der zumindest zwei Substrate 3,4 miteinander durch direktes Fügen der zumindest zwei Substrate 3, 4, eine erste Belegung oder Beschichtung 70 auf dem metallischen ersten Substrat 3 zumindest im Bereich der Laserfügelinie 6, 6a, 6b, 6c, 6d oder der Mehrzahl von Heftungspunkten auf einer dem zweiten Substrat 4 zugewandten Seite, insbesondere zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats mit dem zweiten Substrat, angeordnet ist.
Diese Belegung oder Beschichtung 70 kann durch verschiedene Verfahren aufgetragen werden, welche beispielsweise physikalische und/oder chemische Abscheidungsverfahren, wie physical-Vapor-Deposition (pVD), chemical-Vapor-Deposition-Verfahren oder auch ein ALD- Verfahren (Atomic-Layer-Deposition), umfassen und kann insbesondere auch alternativ durch Drucktechniken, wie beispielsweise Siebdruck oder 3D-Druck vorzugsweise lokal strukturiert aufgetragen werden. Eine weitere Form des Auftragens kann während des Floatens des Substrats auf flüssigem Metall erfolgen.
Durch das vorliegend beschriebene Fügeverfahren kann in der Durchmischungszone 62 und / oder zumindest in einem oberflächennahen Bereich des ersten Substrats 3 Material des ersten Substrats 3 und Material der ersten Belegung oder Beschichtung eingemischt werden.
Hierbei kann vorteilhaft insbesondere die Morphologie des Gefüges in der Durchmischungszone durch das Material der ersten Belegung oder Beschichtung geändert werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann in der Durchmischungszone zumindest bereichsweise eine Legierung ausgebildet werden, welche zumindest Material des metallischen ersten Substrats 3 und der ersten Belegung oder Beschichtung umfasst.
Besonders vorteilhaft kann diese Legierung ein Eutektikum ausbilden, wenn die Beschichtung oder Belegung in entsprechender Menge für den Fügevorgang zur Verfügung gestellt wird. Diese Menge kann durch Wahl der Dicke Di der ersten Belegung oder Beschichtung erfolgen. Diese Dicke Di kann beispielsweise zwischen 0,1 und 5 m liegen.
Bevorzugt kann das metallische erste Substrat 3 Eisen, Stahl oder einer Eisen-haltige Legierung umfasst oder aus dieser bestehen und die erste Belegung oder Beschichtung Kohlenstoff umfassen oder aus Kohlenstoff bestehen. Bei dieser Materialwahl können lokal höher Kohlenstoff-haltige Bereiche in oder an der Durchmischungszone 62 bereitgestellt werden.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit und ohne Beschränkung durch das vorstehend offenbarte Beispiel können mittels des eingemischten Materials der ersten Belegung oder Beschichtung eine Verfestigung des Verbunds zwischen erstem und zweitem Substrat bewirkt werden.
Hierbei sowie im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird als Verfestigung eine Erhöhung der Kräfte bezeichnet, welche benötigt werden, um die gefügten Substrate 3, 4 nach dem Fügen von einander zu trennen. Diese Kräfte können senkrecht zur jeweiligen Oberfläche der Substrate 3, 4, an welchen sich diese berühren eingeleitet werden, wobei dann hierdurch die Auszugsfestigkeit bestimmt und angegeben werden kann, oder auch quer zu dieser Oberfläche eingeleitet werden, wobei dann zusätzlich die Festigkeit gegenüber anteiligen Scherkräfte bestimmt und angegeben werden kann.
Als Verfestigung wird im Zusammenhang mit der vorliegend offenbarten ersten und zweiten Belegung oder Beschichtung die Erhöhung dieser vorstehend erwähnten Kräfte bei einer Fügeverbindung mit Verwendung dieser ersten und / oder zweiten Belegung oder Beschichtung gegenüber einer Fügeverbindung, bei welcher keine erste und/oder zweite Belegung oder Beschichtung verwendet wurde, verstanden.
Alternativ oder zusätzlich kann insbesondere vor dem hermetisch dichten Verbinden der zumindest zwei Substrate 3, 4 miteinander durch direktes Fügen der zumindest zwei Substrate 3,4 , eine zweite Belegung oder Beschichtung 71 auf dem zweiten Substrat 4 zumindest im Bereich der Laserfügelinie 6, 6a, 6b, 6c, 6d oder der Mehrzahl von Heftungspunkten auf einer dem ersten Substrat 3 zugewandten Seite insbesondere zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats 3 mit dem zweiten Substrat 4, angeordnet werden.
Die Belegung oder Beschichtung 71 auf dem zweiten Substrat 4 kann eine Zusammensetzung umfassen oder aus dieser bestehen, mittels welcher in einer oberflächennahen Zone des zweiten Substrats 4, welche sich zumindest bis zu einer Tiefe DoL, senkrecht zur Oberfläche des zweiten Substrats eine Druckspannung in einer Druckspannungszone Ds innerhalb des zweiten Substrats 4 erstreckt, ausbildbar ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird in der Durchmischungszone 62 und / oder zumindest in einem oberflächennahen Bereich des zweiten Substrats 4 Material des zweiten Substrats 3 und Material der zweiten Belegung oder Beschichtung 71 eingemischt oder eingebracht wodurch eine entsprechend lokalisierte Druckspannungszone ausbildbar ist. Hierbei umfasst das zweite Substrat 4 ein Material oder besteht aus diesem, in welches zumindest oberflächennahe Druckspannungen in einer Druckspannungszone Ds einbringbar sind und umfasst die erste Belegung oder Beschichtung ein Material oder besteht aus diesem, mittels welchem, insbesondere durch lonenaustausch Druckspannungen in das Material des zweiten Substrats 4 einbringbar sind, Derartige Gläser und/oder Glasartikel sowie Materialien zur Einbringung von Druckspannungen innerhalb einer Druckspannungszone Ds sind beispielsweise beschrieben in US 2018/0057401 A1 , US 2018/0029932 A1 , US 2017/0166478 A1 , US 9,908,811 B2 , US 2016/0122240 A1 , US 2016/0122239 A1 , US 2017/0295657 A1 , US 8,312,739 B2, US 9,359,251 B2, US 9,718,727 B2, US 2012/0052271 A1 , US 2015/0030840 A1 oder auch DE 10 2010 009 584 B4 und CN 102690059 A.
Beispielhaft kann das Material des zweiten Substrats generell ein Glas, insbesondere ein Kalk-Natron- oder Borosilikatglas umfassen oder aus diesem bestehen und kann das Material der zweiten Belegung oder Beschichtung 71 eine Verbindung, welche geeignet ist, austauschbare Ionen abzugeben, insbesondere, eine Kalium- und/ oder Lithiumverbindung, insbesondere Kaliumnitrat und/oder Lithiumnitrat umfasst.
Auch hierbei kann die Dicke der zweiten Belegung oder Beschichtung 71 vorzugsweise von 0.1 bis 5 m betragen und auch hierbei kann mittels des eingemischten oder eingebrachten Materials der zweiten Belegung oder Beschichtung 71 eine Verfestigung des Verbunds zwischen erstem und zweitem Substrat bewirkt werden.
Fig. 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.
Von besonderem Interesse kann der in Fig. 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.
Bezug nehmend auf Fig. 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 pm 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.
Fig. 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 pm, besser unter 2 pm, bevorzugt unter 0,5 pm. Im Beispiel der Figur 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.
Fig. 8 zeigt das Ausführungsbeispiel der Fig. 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.
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.
Fig. 9 zeigt eine fotografische Darstellung eines hermetischen Verbunds 1 entsprechend der Abbildung 6. Es sind Unebenheiten wie Kratzer 31 oder Grate 32 aufgelöst, die ggf. die Hermetizität des Verbunds 1 beeinträchtigen können.
Bezug nehmend auf Fig. 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.
Ein ähnlicher Effekt wird im Übrigen erzielt, wenn die in Fig. 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.
Fig. 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 m 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 Fig. 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 pm Substrat-Abstand, beispielsweise auch größer sind als 10 pm Substrat- Abstand oder sogar bis 20 pm Substrat-Abstand und mehr. Die Höhe des Laserspots kann dabei um 50 pm eingestellt werden, bis zu beispielsweise 100 pm. Beispielsweise kann der Abstand d von einem zum nächsten Laserspot eingestellt werden auf d < 10 pm, bevorzugt d < 6 pm, weiter bevorzugt d < 4 pm.
Im Beispiel der Figur 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 pm ± 0,8 pm 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.
Fig. 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 Fig. 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.
Fig. 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.
Fig. 14 zeigt eine weitere mikroskopische Aufnahme, wobei der in Fig. 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.
Fig. 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.
Fig. 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.
Fig. 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.
Im Rahmen der Erfindungslegung wurde auch eine Reihe von Messungen zur Ermittlung der Hermetizität durchgeführt. Hierbei wurde bei 61 Proben 1 a eine Leckrate (mbar x Liter/sek.) für eine jeweilige Probe 1 a ermittelt. Fig. 18 zeigt beispielhaft eine Kupferprobe 1 a zur Ermittlung der Leckrate, wobei eine Saphirscheibe 4 mit einem Metallbauteil 3 lasergefügt ist.
Die Leckrate wurde mittels Ansprühtechnik ermittelt. Beispielsweise eignet sich in einer Standarddruck oder auch Niederdruckumgebung (Vakuum) ein Heliumgas, um die Probe mit dem Gas anzusprühen und eine mögliche Diffusion in das Innere der Probe 1 zu messen. Eine Druckdifferenz zwischen Außenseite und Innenseite der Probe 1 a von 1 Bar erweist sich als vorteilhaft. Es wurden verschiedene Metallproben 1 a vermessen, wobei ein insbesondere hermetischer Verbund 1 dadurch realisiert wurde, dass auf einem Metallbauteil 3 eine Saphirscheibe 4 angeordnet und lasergefügt wurde. Als Metallbauteil 3 wurden Aluminiumproben, Titanproben, Stahlproben und Kupferproben vermessen, welche jeweils an ein Saphirsubstrat 4 lasergefügt wurden. Die untere Messgrenze der eingesetzten Apparatur zur Überprüfung der Hermetizität lag bei einer Leckrate von 1 x 109 mbar l/s. Es kann angenommen werden, dass eine vollständige Hermetizität erreicht wird bei Anwendung des Ansprühtests und Erreichen einer Leckrate von 1 x 107 mbar x Is 1 oder weniger, bevorzugt 1 x 108 mbar x Is 1 oder weniger, weiter bevorzugt 1 x 109 x Is 1 oder weniger. In der folgenden Tabelle finden sich beispielhaft 12 Proben 1 a, wobei das verwendete Metallbauteil 3 zur Herstellung des hermetischen Verbunds 1 bei den drei mit „AI“ bezeichneten Proben (im Wesentlichen) aus Aluminium besteht, bei den mit „Ti“ bezeichneten Proben (im Wesentlichen) aus Titan, bei den mit „St“ bezeichneten Proben (im Wesentlichen) aus Eisen und bei den mit „Cu“ bezeichneten Proben (im Wesentlichen) aus Kupfer. Alle hier wiedergegebenen Proben 1 a sind daher als hermetisch dicht im Sinne der vorigen Definition zu bezeichnen. Besonders war dabei hervorzuheben, dass die Proben mit Aluminium und Stahl eine so geringe Leckrate aufwiesen, dass diese mit der verwendeten Apparatur bei einer unteren Messbereichsgrenze von 1 x 109 x Is 1 nicht mehr weiter aufgelöst werden konnte. Die tatsächlich erzielte Hermetizität ist daher besser als die untere Messbereichsgrenze, und somit kleiner als 1 x 109 x Is 1.
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. Fig. 19 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.
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.
Fig. 20 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 Qi ermittelt. In einem Entscheidungsschritt 130 wird bestimmt, sofern der Bond-Quality-I ndex Qi, der in Schritt 120 ermittelt wurde, größer ist als ein festgelegter erlaubter Schwellwert Q-ithr, dass der Substratstapel dann für die Weiterverarbeitung, also insbesondere das Laserfügen mittels Laserfügelinien 6, freigegeben werden kann. Sollte Qi jedoch kleiner sein als das erzielte bzw. gewünschte Q-ithr, 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.
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 Ctethr. Beispielsweise ist Ctethr kleiner oder gleich Q-ithr. Vorzugsweise wird in Schritt 170 ebenfalls ermittelt oder überprüft, ob Q2 jedenfalls gleich groß oder größer ist als Qi. 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.
Fig. 21 beschreibt einige Schritte, die durchgeführt werden können, um den Bond- Quality-Index Qi 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 Qi bzw. Q2 aus den wie zuvor beschriebenen verbesserten bzw. korrigierten Bilddaten.
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.
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. Bezuqszeichenliste
1 Verbund bzw. Substratstapel
1 a Probe
2 Funktionsbereich bzw. Kavität
2a, 2b Kavitäten im Bereich einer Fehlstelle 17
3 erstes Substrat (metallhaltig)
3a Droplet
4 zweites Substrat (Dielektrikum, z.B. Glas)
4a Abschmelzung bzw. Droplet des zweiten Substrats
4b Dentrit des zweiten Substrats
5 Beherbergungsobjekt
6, 6a, 6b, 6c Fügezone bzw. Laserbondlinie
8 Trennlinie
9 Umhäusung
11 Kontaktfläche oder Innenseite des ersten Substrats
12 Kontaktfläche oder Innenseite des zweiten Substrats
15 Kontaktfläche
17 Fehlerbereich oder Fehlstelle F
18 Berührkontaktfläche B
19 Gutfläche G
20 Strahlungsquelle
21 maximaler Abstand zwischen den zwei Substraten
22 Einstrahlung
24, 24a Rückstrahlung
26 Eventueller Luftspalt
30 Detektor
31 Vertiefung
32 Erhebung
35 Abstandshalter
37 Verzahnugsstruktur
40 Ausweichzone Schmelzzone bzw. Durchmischungszone wiedererstarrte Zone
Rand der wiedererstarrten Zone
Cracks, Risse
Poren wiedererstarrte Zone erste Belegung oder Beschichtung zweite Belegung oder Beschichtung
Lasergenerator
Intensitätsprofil
Anordnungsschritt
Ermittlungsschritt des Höhenprofils
Berechnungsschritt für den ersten Bond-Quality-Index Qi
Datenbereitstellung
Konvertierungsschritt
Erkennungsschritt
Korrekturschritt
Kontrastverbesserung
Berechnungsschritt für das Höhenprofil
Markierungsschritt
Berechnungsschritt für den Q-Faktor Qi bzw. Q2
Bewertungsschritt für Qi
Rückführungsschritt
Weiterbehandlungsschritt, insbesondere Laserfügen
Ermittlung des zweiten Höhenprofils
Berechnungsschritt für Q2
Bewertungsschritt für Q2
Markierungsschritt im Fehlerfall abschließende Behandlung, insbesondere Vereinzelung der Anordnung 1 bzw. Umhäusungen 9
Bearbeitungskopf des Lasergenerators
Umlenkspiegel 803 Laserobjektiv
804 Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfs
805 Bewegungsrichtung des Substrates
806 Laserstrahl der Laserstrahlquelle d Abstand zwischen zwei Laserfügelinien bzw. zwei Heftungspunkten
N Schutzbereich
W Breite der Laserfügelinie 6
Di Dicke der ersten Belegung oder Beschichtung 70
D2 Dicke der zweiten Belegung oder Beschichtung 71
Ds Druckspannungszone
DoL Tiefe der Druckspannungszone

Claims

Patentansprüche:
1 . Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) umfassend: ein erstes metallisches Substrat (3), ein zweites Substrat (4), welches zumindest bereichsweise und/oder zumindest teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist, wobei das erste Substrat mit einer Kontaktfläche (11) benachbart zu einer Kontaktfläche (12) des zweiten Substrats angeordnet ist, zumindest eine Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) oder eine Mehrzahl von Heftungspunkten zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats mit dem zweiten Substrat, an oder in den Kontaktflächen (11 , 12, 15), 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.
2. Hermetisch verbundene Anordnung (1) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei in der Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) bzw. der Mehrzahl von Heftungspunkten eine Durchmischungszone (62) vorhanden ist, in welcher Material des zweiten Substrats (4) und Material des ersten Substrats (3) eingemischt ist.
3. Hermetisch verbundene Anordnung (1) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei in der Durchmischungszone (62) Metallmaterial des ersten metallischen Substrats (3) in das zweite Substrat (4) eingetreten ist, und/oder wobei in der Durchmischungszone (62) Material des zweiten Substrats (4) in das erste Substrat (3) eingetreten ist.
4. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Durchmischungszone (62) eine Dicke gemessen in einer Richtung senkrecht auf die Kontaktflächen (11 , 12, 15) aufweist, und wobei die Durchmischungszone eine Dicke von bevorzugt mindestens 1 pm aufweist, bevorzugt 2 pm oder mehr, weiter bevorzugt 5 pm oder mehr, und/oder wobei die Durchmischungszone (62) mehr oder gleich 1 pm in das zweite Substrat hineinreicht.
5. Hermetisch verbundene Anordnung (1) nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei die Durchmischungszone (62) eine Breite aufweist, und die Breite der Durchmischungszone größer ist als die Dicke der Durchmischungszone im zweiten Substrat (4), und/oder die Breite der Durchmischungszone (62) um 50% oder mehr größer ist als die Dicke der Durchmischungszone, weiter bevorzugt 100% oder mehr größer ist als die Dicke der Durchmischungszone, wobei die Breite der Durchmischungszone (62) insbesondere an der Kontaktfläche (15) zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (3, 4) und in einer Richtung parallel zu der Kontaktfläche und senkrecht zur Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) gemessen ist.
6. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die zumindest eine Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) bzw. die Mehrzahl von Heftungspunkten ferner aufweisend eine wiedererstarrte Zone (64, 69), wobei die wiedererstarrte Zone eine Dicke gemessen in der Richtung senkrecht auf die Kontaktflächen (11 , 12, 15) aufweist, und wobei die Dicke der wiedererstarrten Zone bevorzugt kleiner oder gleich 20 pm beträgt, bevorzugt kleiner oder gleich 10 pm, weiter bevorzugt kleiner oder gleich 5pm, und/oder wobei sich die wiedererstarrte Zone (64, 69) weniger oder gleich 20 pm in eine Tiefe des zweiten Substrats hinein erstreckt, bevorzugt weniger oder gleich 10 pm, weiter bevorzugt weniger oder gleich 5 pm.
7. Hermetisch verbundene Anordnung (1) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei sich die wiedererstarrte Zone (64, 69) entlang der Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) erstreckt, und/oder wobei die wiedererstarrte Zone (64, 69) an der Kontaktfläche (11 , 12, 15) zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (3, 4) und in einer Richtung parallel zu der Kontaktfläche eine Breite von 10 pm ± 5 pm aufweist, bevorzugt 20 pm ± 10 pm, weiter bevorzugt 30 pm ± 10 pm und/oder wobei die wiedererstarrte Zone (64, 69) an der Kontaktfläche (11 , 12, 15) zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (3, 4) und in einer Richtung parallel zu der Kontaktfläche und senkrecht zur Laserfügelinie eine Breite aufweist, die größer ist als die Dicke der wiedererstarrten Zone.
8. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Durchmischungszone (62) Material des ersten Substrats (3) und Material des zweiten Substrats (4) derart angeordnet ist, dass eine formschlüssige Verzahnung zwischen dem Material des ersten Substrats mit dem Material des zweiten Substrats hervorgerufen ist, und/oder aufweisend eine miteinander verschmolzene Verzahnungsstruktur (37) zwischen dem ersten metallischen (3) und dem zweiten Substrat (4).
9. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Durchmischungszone (62) und/oder den Wiedererstarrungszonen (64, 69)
Metallmaterial des metallischen Substrats (3) in Form von Droplets (3a) und/oder Dentriten vorliegt und/oder Material des zweiten Substrats (4) in Form von Abschmelzungen (4a) und/oder Dentriten (4b) vorliegt, wobei die Anordnung als Droplets und/oder Dentriten eine Verfestigung des Verbunds zwischen erstem und zweitem Substrat bewirkt.
10. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in zumindest eine der Wiedererstarrungszonen (64, 69) Metallmaterial des metallischen Substrats (3) und/oder Material des zweiten Substrats (4) eingedrungen ist, insbesondere in Form von Droplets (3a), Abschmelzungen (4a) und/oder Dentriten (4b), und eine Verfestigung des Verbunds zwischen erstem und zweitem Substrat bewirkt.
11 . Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kontaktfläche (11) des ersten Substrats (3) zumindest einen
Berührkontaktbereich aufweist, in welchem das erste Substrat in flächigem Berührkontakt mit dem zweiten Substrat (4) steht, wobei die Berührkontaktfläche insbesondere einen mittleren Abstand zwischen erstem und zweitem Substrat von kleiner oder gleich 1 pm aufweist, bevorzugt kleiner oder gleich 0,5 pm, weiter bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 pm, und/oder wobei die Berührkontaktfläche insbesondere der Kontaktfläche (15) entspricht.
12. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) das erste (3) mit dem zweiten Substrat (4) miteinander verbindet, so dass die beiden Substrate nur unter Aufbringung einer Haltekraft voneinander getrennt werden können, oder nur unter Zerstörung des zweiten Substrats, wenn die Haltekraft größer ist als die zur Zerstörung des zweiten Substrats nötige Kraft, und/oder wobei eine Haltekraft des zweiten Substrats am ersten Substrat größer ist als 10 N/mm2, bevorzugt größer ist als 25 N/mm2, weiter bevorzugt größer ist als 50 N/mm2, noch weiter bevorzugt größer ist als 75 N/mm2 und noch weiter bevorzugt größer ist als 100 N/mm2.
13. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (3) dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kontaktfläche (11) flach ausgebildet ist, insbesondere planar, und/oder wobei die Kontaktfläche (11) des ersten Substrats (3) poliert ist, und/oder wobei die Kontaktfläche (11) des ersten Substrats (3) einen Mittenrauwert Ra von kleiner oder gleich 0,5 pm aufweist, bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 pm, weiter bevorzugt kleiner oder gleich 0,1 pm, noch weiter bevorzugt kleiner oder gleich 50 nm und schließlich bevorzugt kleiner oder gleich 20 nm und/oder wobei das zweite Substrat (4) dadurch gekennzeichnet ist, dass es an der Kontaktfläche (12) flach ausgebildet ist, insbesondere planar, weiter insbesondere einen Mittenrauwert Ra von kleiner oder gleich 0,5 pm aufweist.
14. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der Fügelaser einen Strahlfokus aufweist, und wobei die Fokalebene für das
Einbringen der Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) distal verschoben ist, insbesondere im ersten Substrat (3) liegt, und wobei die Fokalebene bevorzugt 10 pm ± 10 pm distal in das erste Substrat (3) verschoben ist, weiter bevorzugt 20 pm ± 10 pm.
15. Hermetisch verbundene Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlbreite (2WLaser) an der Kontaktebene (11 , 12, 15) 4pm ± 1 pm beträgt, bevorzugt 4 m ± 2 m, weiter bevorzugt 4 m ± 3pm.
16. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (3) aus Metallmaterial besteht, und/oder wobei das erste Substrat (3) Metall umfasst im Sinne der Definition des
Periodensystems.
17. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (3) zumindest eines aus Molybdän, Wolfram, Silizium, Platin,
Silber oder Gold umfasst oder daraus besteht, und/oder wobei das erste Substrat (3) eine Legierung umfasst, insbesondere zumindest eines aus Kohlenstoff, Kupfer, Mangan, Chrom, Magnesium, Kobalt, Nickel, Zinn, Zink, Niob, Palladium, Rhenium, Indium, Tantal, Titan oder Iridium umfasst oder daraus besteht.
18. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Substrat (4) ein transparentes Substrat ist, und/oder wobei das zweite Substrat (4) Glas, Glaskeramik, Silizium, Saphir oder eine Kombination der vorgenannten Materialien umfasst oder daraus besteht, und/oder wobei das zweite Substrat (4) keramisches Material umfasst oder daraus besteht, insbesondere oxidkeramisches Material.
19. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das zweite Substrat (4) zumindest eines aus Quarzglas, Borosilikatglas,
Alumnosilikatglas, eine Glaskeramik wie Zerodur, Ceran oder Robax, eine Optokeramik wie AluminiumOxid, Spinell, Pyrochlor oder AluminiumOxyNitrit, Calcium-Fluorid-Kristall oder Chalcogenid-Glas umfasst oder daraus besteht.
20. Hermetisch verbundene Anordnung (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein erstes metallisches Substrat (3), ein zweites Substrat (4), welches zumindest bereichsweise und/oder zumindest teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist, wobei das erste Substrat mit einer Kontaktfläche (11) benachbart zu einer Kontaktfläche
(12) des zweiten Substrats angeordnet ist, zumindest einen Abstandshalter (35) zum Festlegen eines Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat.
21 . Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach dem vorstehenden Anspruch, ferner umfassend zumindest eine Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) oder eine Mehrzahl von Heftungspunkten zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats (3) mit dem zweiten Substrat (4), 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.
22. Hermetisch verbundene Anordnung (1) nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (3) über den Abstandshalter (35) mit dem zweiten Substrat (4) in Kontakt steht, und/oder wobei der Abstandshalter (35) zwischen dem ersten Substrat (3) und dem zweiten Substrat (4) angeordnet ist.
23. Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, wobei der Abstandshalter (35) sich zumindest entlang der Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c,
6d) oder im Bereich der Heftungspunkte erstreckt, oder wobei der Abstandshalter (35) sich außerhalb der Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) bzw. außerhalb der Bereiche der Haftungspunkte erstreckt, oder wobei der Abstandshalter (35) vollflächig ausgebildet ist, und/oder wobei der Abstandshalter (35) eine Dicke von zumindest 5 pm aufweist, weiter bevorzugt eine Dicke von zumindest 10 pm, weiter bevorzugt eine Dicke von zumindest 20 pm.
24. Hermetisch verbundene Anordnung (1) nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, wobei der Abstandshalter (35) aus Metallmaterial besteht, und/oder wobei der Abstandshalter (35) als Beschichtung auf dem ersten (3) oder dem zweiten Substrat (4) ausgebildet ist, und/oder wobei der Abstandshalter (35) einstückig mit dem ersten Substrat (3) und/oder dem zweiten Substrat (4) ausgebildet ist.
25. Hermetisch verbundene Anordnung (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein erstes metallisches Substrat (3), ein zweites Substrat (4), welches zumindest bereichsweise und/oder zumindest teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist, wobei das erste Substrat mit einer Kontaktfläche (11) benachbart zu einer Kontaktfläche (12) des zweiten Substrats angeordnet ist, sowie zumindest eine Ausweichzone (40) zum Aufnehmen von schmelzflüssigem Material aus einer Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) 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.
26. Hermetisch verbundene Anordnung (1) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die zumindest eine Ausweichzone (40) benachbart zu der Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) oder der Mehrzahl von Heftungspunkten angeordnet ist, und/oder wobei die zumindest eine Ausweichzone (40) zwischen dem ersten (3) und dem zweiten Substrat (4) angeordnet ist, und/oder wobei die zumindest eine Ausweichzone (40) beim Anordnen des zweiten Substrats (4) an dem ersten Substrat (3) an der Kontaktfläche (11 , 12, 15) gebildet wird.
27. Hermetisch verbundene Anordnung (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein erstes metallisches Substrat (3), ein zweites Substrat (4), welches zumindest bereichsweise und/oder zumindest teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist, wobei das erste Substrat mit einer Kontaktfläche (11) benachbart zu einer Kontaktfläche (12) des zweiten Substrats angeordnet ist, eine erste Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) oder eine erste Menge von Heftungspunkten zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats mit dem zweiten Substrat, an oder in den Kontaktflächen (11 , 12, 15), 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, eine zweite Laserfügelinie (6a, 6b, 6c, 6d) 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.
28. Hermetisch verschlossene Umhäusung (9), insbesondere mit einer hermetisch verbundenen Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein metallisches erstes Substrat (3), ein zweites Substrat (4), welches zumindest bereichsweise und/oder zumindest teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist, wobei das erste Substrat mit einer Kontaktfläche (11) benachbart zu einer Kontaktfläche (12) des zweiten Substrats angeordnet ist, zumindest ein zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat angeordneter Funktionsbereich (2), insbesondere eine Kavität, zumindest eine Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) 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, 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.
29. Hermetisch verschlossene Umhäusung (9) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Laserbondlinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) der Umhäusung vollständig um den
Funktionsbereich (2) herum geschlossen ausgeführt ist und/oder wobei eine Beabstandung des ersten Substrats (3) von dem zweiten Substrat (4) in der Laserbondlinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) durchgehend kleiner ist als 0,75 pm, bevorzugt kleiner ist als 0,5 pm, weiter bevorzugt kleiner ist als 0,2 pm.
30. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Funktionsbereich (2) eine hermetisch verschlossene Beherbergungskavität zur Aufnahme eines Beherbergungsobjekts (5), wie eines elektronischen Schaltkreises, eines Sensors oder MEMS, umfasst.
31 . Hermetisch verbundene Anordnung (1 ) oder hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) insbesondere nach einem der Ansprüche von 1 bis 30, bei welcher, insbesondere vor dem hermetisch dichten Verbinden der zumindest zwei Substrate miteinander durch direktes Fügen der zumindest zwei Substrate, eine erste Belegung oder Beschichtung auf dem metallischen ersten Substrat (3) zumindest im Bereich der Laserfügelinie (6, 6a, 6b, 6c, 6d) oder der Mehrzahl von Heftungspunkten auf einer dem zweiten Substrat zugewandten Seite, insbesondere zum direkten und unmittelbaren Fügen des ersten metallischen Substrats mit dem zweiten Substrat, angeordnet ist.
32. Verfahren zur Herstellung eines hermetisch verschlossenen Verbunds (1) aus zumindest zwei Teilen, mit den Schritten: flächiges Anordnen zumindest eines ersten metallischen Substrats (3) an einem zweiten Substrat (4), wobei die zumindest zwei Substrate aneinander oder aufeinander angeordnet sind, so dass zwischen den zumindest zwei Substraten eine Kontaktfläche (11 , 12, 15) gebildet wird, an welcher das erste Substrat mit dem zweiten Substrat in Kontakt steht, und wobei das zweite Substrat ein transparentes Material umfasst, hermetisch dichtes 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 (62) herausbildet, die einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hineinreicht und die zumindest zwei Substrate direkt schmelzend miteinander fügt.
33. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, bei welchem das Anordnen einer ersten Belegung oder Beschichtung auf dem ersten Substrat (3) vor dem flächigen Anordnen des 50 zumindest einen ersten metallischen Substrats (3) an dem zweiten Substrat (4) erfolgt,
34. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 32 oder 33, ferner mit dem Schritt
Überprüfen des hermetischen Verbunds der zumindest zwei Substrate (3, 4) mittels Ermittlung eines Abstandsprofils zwischen den zumindest zwei Substraten, und/oder
Ermittlung eines ersten Bond-Quality-Index Qi zur Überprüfung der mechanischen Festigkeit und/oder der Hermetizität des Verbunds (1).
35. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der erste Bond-Quality-Index Qi zu Qi = 1 - (A - G) / A ermittelt wird, wobei
A die Fläche der Kontaktfläche (11 , 12, 15) und G eine Gutfläche darstellt, wobei die Gutfläche G insbesondere der Berührkontaktfläche entspricht, und/oder wobei die Gutfläche G einen Teil der Kontaktfläche (11 , 12, 15) beschreibt, bei der der Abstand zwischen den Substraten (3, 4) kleiner ist als 5 pm, bevorzugt kleiner als 1 pm, weiter bevorzugt kleiner als 0,5 pm, weiter bevorzugt kleiner als 0,2 pm ist, und/oder wobei der Bond-Quality-Index Qi größer oder gleich 0,8 ist, bevorzugt größer oder gleich 0,9, weiter bevorzugt größer oder gleich 0,95.
36. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 32 bis 35, wobei die Kontaktfläche (11 , 12, 15) einen Nutzbereich N aufweist und zur Berechnung des ersten Bond-Quality-Index Qi der Nutzbereich N herangezogen wird, und/oder
Qi ermittelt wird zu Qi = 1 - (N - G) / N.
37. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der erste Bond-Quality-Index Qi vor dem Fügen des ersten und des zweiten Substrats (3, 4) miteinander ermittelt wird, und/oder mit dem Schritt Ermittlung eines zweiten Bond-Quality-Index Q2 der Kontaktfläche (11, 12, 15) des hermetisch dicht gefügten Verbunds (1), wobei insbesondere Q2 größer ist als Qi, weiter insbesondere gilt Q2/Q1 > 1 ,001 .
38. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 32 bis 37, mit dem Schritt
Zünden einer Plasmaentladung in der Durchmischungszone (62) mittels eines Lasers zur 51
Vorbereitung des Laserfügevorgangs.
39. Umhäusung (9) bzw. hermetisch verbundene Anordnung (1) hergestellt mit dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 32 bis 38.
40. Verwendung einer hermetisch verbundenen Anordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 27 oder einer hermetisch verschlossenen Umhäusung (9) nach einem der Ansprüche 28 bis 31 im Kontakt mit menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Zellen, insbesondere als medizinisches Implantat, insbesondere als medizinischer intrakorporaler Sensor, oder als Wearable.
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