EP4551353A1 - HERMETISCH VERSCHLOSSENE UMHÄUSUNG UND VERFAHREN ZUR AUSLEGUNG DER SCHWEIßVERBINDUNG FÜR EINE SOLCHE UMHÄUSUNG - Google Patents

HERMETISCH VERSCHLOSSENE UMHÄUSUNG UND VERFAHREN ZUR AUSLEGUNG DER SCHWEIßVERBINDUNG FÜR EINE SOLCHE UMHÄUSUNG

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Publication number
EP4551353A1
EP4551353A1 EP23736276.9A EP23736276A EP4551353A1 EP 4551353 A1 EP4551353 A1 EP 4551353A1 EP 23736276 A EP23736276 A EP 23736276A EP 4551353 A1 EP4551353 A1 EP 4551353A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser bonding
substrate
base substrate
laser
enclosure
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
EP23736276.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Ulrich Thomas
Heidi Lundèn
Antti Määttänen
Jens Herrmann
Axel Ohlinger
Angelika Steckermeier
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
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG, Schott Primoceler Oy filed Critical Schott AG
Publication of EP4551353A1 publication Critical patent/EP4551353A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/244—Overlap seam welding
    • 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
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/324—Bonding taking account of the properties of the material involved involving non-metallic parts
    • 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
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/57—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece the laser beam entering a face of the workpiece from which it is transmitted through the workpiece material to work on a different workpiece face, e.g. for effecting removal, fusion splicing, modifying or reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K5/00—Casings, cabinets or drawers for electric apparatus
    • H05K5/06—Hermetically-sealed casings
    • H05K5/066—Hermetically-sealed casings sealed by fusion of the joining parts without bringing material; sealed by brazing
    • 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
    • B23K2103/50—Inorganic materials other than metals or composite materials
    • B23K2103/54—Glass

Definitions

  • the invention relates to a hermetically sealed enclosure comprising a base substrate, which has a functional area, and a cover substrate, which is in contact with the base substrate and covers the functional area, the base substrate and the cover substrate being directly hermetically connected to one another via at least one laser bonding line and wherein the functional area is hermetically enclosed inside the casing formed.
  • the invention further relates to a method for designing the laser welded connection between the substrates and the use of such an enclosure.
  • Hermetically sealed enclosures are intended, for example, to protect a component or components inside the enclosure from adverse environmental conditions. Fields of application for such a hermetically sealed enclosure can be found, for example, in electronics applications to protect sensitive electronic components, and can also be found in optics applications to encapsulate optical components. Further applications can be found particularly in the area of medical implants, microfluidic chips, augmented reality and sensors for mobility (e.g. pressure sensors).
  • Transparent materials for the enclosure are particularly desirable for optical applications. But glass materials are also advantageous over conventional metal housings, for example made of titanium, in electronic applications where wireless communication or wireless charging is desired, as they do not shield the radiation used.
  • An example of such a hermetically sealed enclosure is known from EP3812352 A1.
  • the housing comprises at least a base substrate and a cover substrate, which form the housing and thereby enclose a functional area inside.
  • the cover substrate and the base substrate, which are selected from a glass material, for example, are connected to each other by performing laser bonding lines.
  • a method for producing a transparent part for protecting an optical component using a laser method for producing laser bonding lines is also known from European patent specification EP 3 012 059 B1.
  • the casings formed must meet high mechanical requirements, particularly when used as an implant.
  • a measure of the mechanical strength of the connection between two housing parts is the resistance to shear forces. The higher the stability of the connection, the higher the shear forces the connection can withstand without coming apart.
  • the shear force resistance depends on the size of a contact surface over which the two substrates are in contact with one another.
  • the known hermetic enclosures have comparatively high wall thicknesses, which can be several mm.
  • wall thicknesses can be several mm.
  • this also requires a lot of installation space and is complex, especially with components made of glass and the like. This makes it difficult to make the hermetic enclosures particularly compact.
  • An object of the invention can therefore be seen in providing a hermetic enclosure which has particularly thin walls and at the same time meets the mechanical requirements.
  • a further object of the invention can be seen in providing a method for designing a laser weld between components of a casing, with which a particularly compact and at the same time sufficiently durable casing can be obtained based on a given mechanical requirement.
  • a method for designing a laser weld between a base substrate and a cover substrate of an enclosure is proposed.
  • the housing to be formed has at least the base substrate with a functional area and the cover substrate.
  • the cover substrate is in contact with the base substrate and covers the functional area.
  • the base substrate and the cover substrate are directly hermetically sealed to one another via at least one laser bonding line, so that the functional area is hermetically enclosed inside the casing formed.
  • a number N of closed paths of laser bonding lines with a width w and a distance H between the centers of two adjacent laser bonding lines of at least the width w is arranged around the functional area, the number N being determined as the smallest number N for which the total length L tot of all laser bonding lines is formed from the number N multiplied by the length of an outline line that limits the functional area and is greater than the minimum length Lmin.
  • a contact surface is the intersection of the inclined surfaces of the two substrates to be brought into contact.
  • the contact 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 distance between the surfaces of the adjacent substrates is less than 250 nm.
  • the contact area is greater than or equal to the touch contact area.
  • two substrates are first arranged next to one another, for example stacked on top of one another, with gravity pressing the typically first substrate on top onto the second substrate.
  • the orientation above or below is only meant to be descriptive, since of course the substrates can assume any orientation in space and a side-by-side arrangement should not leave the protected area.
  • the two substrates are typically arranged adjacent to one another with a larger side of their extension.
  • both substrates are absolutely flat, i.e. have no depressions, elevations or curvatures at all, which is only theoretically achievable in this absoluteness, the first and second substrates would be in full-surface contact with each other. The two substrates would therefore touch each other at all points on the mutually aligned surfaces. This is not possible in general and in structural reality. Rather, substrates are curved, inclined, curved, provided with depressions or elevations, even if only to a very small extent, so that complete contact is only achieved in absolutely exceptional cases.
  • the functional area enclosed by the housing can in particular be a cavity that is set up to accommodate a functional element.
  • the cavity has a bottom surface and side walls provided by the base substrate and a top surface provided by the cover substrate.
  • the strength or thickness of the side walls corresponds to the contact surface width in this embodiment.
  • the functional area may be a functionalized area of the base substrate.
  • Such functionalization can take place, for example, by applying a coating and/or by surface structuring.
  • the functional area is hermetically sealed by the welded connection.
  • Hermetically sealed is understood to mean in particular an enclosure that has a helium leak rate of less than 1 ⁇ 10 -8 mbar l/sec and is preferably in the range 1 ⁇ 10 -10 mbar l/sec to 1 ⁇ 10 -9 mbar l/sec .
  • the welded connection is carried out by introducing at least one laser bonding line or laser welding line.
  • the welded connection is preferably carried out using an ultra-short pulse laser. Typical pulse widths are in the range of 100 fs to 100 ps.
  • a method for carrying out such a welded connection with one or more laser welding lines is known, for example, from EP 3 012 059 B1.
  • the laser welding line has a height HL in a direction perpendicular to its connection plane.
  • the connection plane is the direction in which the adjacent or consecutive beam points are set.
  • laser welding is performed from a top view perspective, i.e. H. the substrate stack is z. B. on a surface - such as a table - and the laser is shot from above at least through the top substrate layer - or through several substrate layers - to the location of the beam focus.
  • the height HL is therefore measured in the direction of the laser beam, while the width w of the laser welding line is measured perpendicular to the direction of the laser beam.
  • the width w of the area changed by the laser beam varies along the depth T of the processed area, i.e. along the laser beam direction.
  • the information provided in this application regarding the width w of the laser welding line is based on the plane of the contact surface between the substrates connected to the laser welding line. In this plane defined in this way with the width w, the area within which material changes were caused by the laser treatment is understood.
  • Such material changes due to laser treatment result from heating above the glass transition temperature T g and/or the melting temperature of the materials involved and subsequent cooling again. Through this laser treatment, the two substrates in this processed area are cohesively connected to one another without the involvement of additional connecting materials.
  • the laser treatment can cause
  • the material change caused can be detected, for example, by measuring a deviation in the refractive index compared to the untreated material.
  • a cross section can be examined with a light microscope.
  • a change in the refractive index of more than 1x10' 5 can be used as a marker for the material change and accordingly for determining the width w.
  • a microscope image of such a cross-section can be seen in Figure 10 and is described in more detail below.
  • a large number of materials can be connected to one another using the laser welding process, whereby at least the substrate that points in the direction of the laser source should be at least partially transparent for the laser used.
  • the generated laser welding lines or laser bonding lines are arranged around the functional area in such a way that a closed area surrounding the functional area is formed by the laser bonding surface in a contact plane which corresponds to the end face of the base substrate facing the cover substrate.
  • one or more straight laser bonding lines can then be arranged on each of the four sides delimiting the functional area, whereby the laser bonding lines can overlap in the four corners.
  • the one or more laser bonding lines can in particular each run parallel to the side walls. It is also possible to arrange one or more closed laser bonding lines, for example parallel to an outline of the functional area.
  • laser bonding lines are introduced in the form of several such closed paths, with adjacent laser bonding lines, which run within the area defined by the respective contact surface width, preferably being arranged parallel to one another. Laser bonding lines that are separated from each other by the functional area are not viewed as adjacent.
  • a particularly compact design of the laser bonding surface is achieved due to the upper limit provided for the distance.
  • the contact surface width B can therefore be chosen to be particularly small and still provide sufficient space for the formation of the laser bonding lines.
  • the contact surface width B is preferably chosen in the range from 100 pm to 1000 pm. The exact choice of the contact surface width B depends on various criteria, such as the material of the base substrate, the material of the cover substrate, the dimensions of the housing and/or the type of functional area. If a cavity is provided as a functional area, the contact surface width B specifies the thickness of the side walls of the functional area. The contact surface width is preferably chosen to be at least so large that the mechanical stability of the side wall is sufficiently large.
  • the contact surface width B is preferably chosen to be greater than 200 pm, particularly preferably greater than 300 pm, more preferably greater than 400 pm and most preferably greater than 500 pm.
  • the minimum contact surface width is limited by the width w of a laser bonding line and is therefore preferably chosen to be greater than 30 pm, particularly preferably greater than 50 pm and most preferably greater than 100 pm.
  • the width w of the laser bonding lines is preferably chosen in the range from 20 pm to 75 pm, particularly preferably in the range from 30 pm to 60 pm. For example, a width w of 50 pm is chosen. This area is optimally chosen so that the laser can provide sufficient energy to weld the two substrates. It is particularly advantageous if the width w is essentially constant over the entirety of the laser bonding lines. Accordingly, it is preferred if the width w of all laser bonding lines varies by at most 30% over the total length Lges of the laser bonding lines, particularly preferably at most 20%, most preferably at most 10%.
  • the width w depends on the location of the focal point of the laser with respect to the contact plane
  • the use of a laser processing method with precise control of the distance of the laser focus from the contact plane is preferred.
  • a suitable method is known, for example, from EP3012059B1.
  • the total length of the laser bonding lines introduced and thus the laser bonding area Aw is chosen to be just large enough to ensure that the welded connection has a predetermined resistance to acting shear forces.
  • shear forces is understood here to mean, in particular, forces that act on the two substrates perpendicular to the connecting plane and would lead to a displacement of the substrates relative to one another without a connection between the substrates.
  • the shear resistance of the weld joint increases linearly with the total length of the non-overlapping laser bonding lines.
  • small overlaps for example at intersections of laser bonding lines that run at right angles to one another and are arranged around a rectangular functional area, can be ignored due to the small area of these intersections become.
  • the minimum shear force Fmin against which the welded connection should be resistant
  • P for the increase in force per unit length
  • the total length L tot of the laser bonding lines introduced can be determined as an integer multiple of the length of an outline line around the functional area, particularly in the case of laser bonding lines running parallel around the functional area.
  • the small increase in the actual length of the circumferential laser bonding lines due to the fact that the laser bonding lines are not designed to overlap can again be neglected due to the small width of the laser bonding lines.
  • the constant P is specific to the materials of the substrates to be connected and the selected width of the laser bonding line and can easily be determined empirically by producing several test specimens, for example 30 pieces, in which a first substrate made of a cover substrate material with a second substrate made of a Base substrate material can be connected with laser bonding lines, with the total length Lges of the laser bonding lines being chosen to be the same for the test specimens.
  • the shear force resistance of the test specimens is then determined by applying an increasing shear force to the connection of the first and second substrates, determining the force at which the connection is destroyed and evaluating a failure probability distribution.
  • the minimum shear force Fmin, against which the welded connection should be resistant is preferably not specified to be greater than necessary so that the welded connection itself and thereby the casing as a whole can be made as compact as possible.
  • the specification is preferably based on the mechanical requirements for the housing.
  • One criterion can in particular be that the minimum shear force is related to other force resistances of the substrates.
  • the minimum shear force Fmin is preferably specified in such a way that several test specimens are produced, in which a first substrate made of a cover substrate material is connected to a second substrate made of a base substrate material with laser bonding lines in such a way that these are designed for a minimum shear force Fmin and when this minimum is applied Shear force Fmin more than 50%, preferably more than 75%, particularly preferably more than 90%, most preferably 95% of test specimens do not break along the contact surface due to failure of the welded connection, but rather break at other points, in particular on an edge of one or more the substrates.
  • test specimens can be produced, for example 30 pieces, in which two substrates were welded together by introducing laser bonding lines. The total length of the laser bonding lines is selected according to the shear force Fmin to be tested. The test specimens are then increasingly subjected to a shear force. The location at which a test specimen fails mechanically can easily be determined by visually inspecting the test specimen. If the welded connection fails, the individual substrates are separated again, but essentially without any further damage. If the number of test specimens that do not break along the contact surface due to failure of the welded connection is in the intended range, for example more than 75%, then the tested shear force Fmin is correctly selected.
  • steps can be taken to produce the enclosure. These steps can in particular include preparing the substrates and, if necessary, cleaning the surfaces of the substrates, placing the substrates on top of each other, whereby a functional element is optionally introduced into a functional area, and the introduction of the laser bonding lines.
  • the proposed hermetically sealed enclosure comprises a base substrate, which has a functional area, and a cover substrate, which is in contact with the base substrate and covers the functional area, the base substrate and the cover substrate being directly hermetically sealed to one another via at least one laser bonding line and the functional area is hermetically enclosed inside the casing formed.
  • the proposed enclosure is particularly compact because the contact surface width B is designed such that the laser bonding surface Aw fills as large a portion as possible of the entire contact surface Ai.
  • the laser bonding surface Aw swept over by the at least one laser bonding line is preferably selected so that the connection between the cover substrate and base substrate has a failure shear force in the range of 10 N to 1000 N, preferably 50 N to 500 N, particularly preferably in the range of 100 N to 400 N.
  • the total length L tot of the laser bonding lines of the enclosure is determined according to one of the design methods described herein. It is particularly preferred if the specified minimum shear force Fmin, which the laser welding should withstand, corresponds to this failure shear force in the range from 10 N to 1000 N.
  • the welding is preferably carried out with several laser bonding lines, the laser bonding lines having a width w and a distance H between the centers of two adjacent laser bonding lines in the range from 1 w to 5 w, preferably in the range from 1.01 w to 2.5 w and especially is preferably chosen in the range from 1.05 w to 1.5 w.
  • the width w of the laser bonding lines is preferably in the range from 20 pm to 75 pm, particularly preferably 30 pm to 60 pm.
  • the laser bonding lines are 50 pm wide. It is particularly advantageous if the width w is essentially constant over the entirety of the laser bonding lines. Accordingly, it is preferred if the width w of all laser bonding lines varies by at most 30% over the total length Lges of the laser bonding lines, particularly preferably at most 20%, most preferably at most 10%.
  • the housing is preferably designed to be as compact as possible. This is achieved by keeping the part of the contact area not occupied by the laser bonding surface as small as possible and, as a result, also the Contact surface width B is made as small as possible.
  • the end face of the base substrate facing the cover substrate which corresponds to the contact surface Ai, is at least 20% covered with laser bonding lines and thus J is in the range from 1 to 5.
  • the contact surface A is covered with laser bonding lines, with J then being in the range from 1 to 2.
  • the cover substrate is preferably designed as a transparent thin-film substrate, the cover substrate having a thickness of less than 200 pm, preferably less than 170 pm, particularly preferably less than 125 pm and preferably having a thickness greater than 10 pm, particularly preferably greater than 20 pm .
  • the dimensions of the housing can also be made particularly compact in the stacking direction of the substrates.
  • the cover substrate can already be provided in the form of a thin-film substrate and welded to the base substrate.
  • a substrate of greater thickness can be thinned by material removal after bonding to the base substrate.
  • the cover substrate and the base substrate directly adjoin one another at the contact surface A, so that the connection in the laser bonding surface Aw covered by the at least one laser bonding line is free of foreign materials, in particular free of connecting materials such as adhesive, a glass frit or an absorbing layer. Since no foreign substances were used to close the casing, contamination of the functional area, for example by components of an adhesive, is avoided.
  • the functional area can be designed as a cavity.
  • a cavity is preferably set up to accommodate a functional element, so that one or more functional elements can be accommodated in the cavity of such a housing.
  • the cavity has a bottom surface and side walls, which are provided by the base substrate, and a cover surface which is provided by the cover substrate. The strength or thickness of the side walls corresponds to the contact surface width in this embodiment.
  • the base substrate can have a flat bottom substrate, which forms the bottom surface of a functional area designed as a cavity, and an intermediate substrate, which forms the side walls of the cavity with an end face facing the cover substrate.
  • the base substrate and the intermediate substrate are preferably connected to one another in a hermetically sealed manner via at least one laser bonding line.
  • the method described herein can be used analogously to design this welded connection and the welded connection can be designed analogously to the connection between the cover substrate and the base substrate described here.
  • the base substrate can be a functional area in the form of a recess with a bottom surface and side walls, which together with the cover substrate forms a cavity as a cover surface.
  • Such depressions can be formed, for example, by grinding or etching.
  • the functional area may be a functionalized area of the base substrate.
  • Such functionalization can take place, for example, by applying a coating and/or by surface structuring.
  • the cover substrate and/or the base substrate preferably consist of a glass, a glass ceramic, silicon, sapphire or a combination of the aforementioned materials. Borosilicate glasses are particularly suitable as glass materials.
  • the invention also relates to the use of the proposed casing as a casing for a sensor unit and/or a medical implant. In these applications, the hermetic seal and the compact dimensions of the housing that can be achieved are particularly advantageous. With small wall thicknesses and a contact surface width of, for example, 500 pm, the casing is only slightly larger than a functional element accommodated therein.
  • a sensor unit and/or medical implant correspondingly comprises one of the casings described herein.
  • the housing preferably has a cavity which encloses a functional element of the sensor unit and/or the medical implant.
  • An example of an enclosure includes a bottom substrate and an intermediate substrate, which together form a base substrate, and a cover substrate. All substrates are made of borosilicate glass, which is available, for example, under the name BOROFLOAT 33.
  • the bottom substrate and the intermediate substrate have a thickness of 1.1 mm and the cover substrate has a thickness of 500 ⁇ m.
  • the length and width of the substrates are each 5 mm.
  • one half of the bond line length was inscribed along a first direction and the other half of the bond line length was inscribed along a second, perpendicular direction, so that a “+” shape was formed.
  • the overlap of the laser bonding lines in the center of this cross shape can be neglected due to its small area.
  • connection fails, the sample no longer offers any resistance to the displacement, which is recognized by an abrupt drop in the measured force.
  • the shear force at which the connection failed is then the highest force determined during the displacement or shearing of the two plates.
  • the measurement is repeated for all samples, with the shear force at which the connection between the two substrates of a sample fails being recorded.
  • the measurement results for the cumulative probability KP are plotted in a double logarithmic representation in Figure 6.
  • a failure shear force Fv can then be determined at which the corresponding sample type fails.
  • the distribution function p(F) is given by where the parameter z indicates the width of the distribution function and can also be determined by adjusting the parameters.
  • Figure 1 is a perspective view of two substrates connected to a laser bonding line
  • Figure 2 is a top view of a hermetic enclosure
  • Figure 3 is a sectional view of the hermetic casing from the side
  • Figure 4 shows a section through laser bonding lines along the welding direction
  • Figure 5 shows a section through laser bonding lines perpendicular to the welding direction
  • Figure 6 is a diagram of the probability of failure of laser-welded test specimens in the shear test for three different total lengths of the laser bonding lines against the applied shear force
  • Figure 8 is a diagram of the overdetermined empirical constant for the bond strength per length
  • Figure 10 shows three examples of fracture patterns for the failure of the welded connection when the failure shear force is exceeded.
  • Figure 11 shows three examples of fracture patterns in which one or both substrates are broken by force without prior failure of the welded connection.
  • FIG. 1 shows a perspective view of two substrates 3, 4 connected to a laser bonding line 2.
  • a first substrate 3 is placed on a second substrate 4 so that the two substrates 3, 4 touch each other directly.
  • the surface on which the two substrates 3, 4 touch is referred to as the contact surface Ai.
  • the surfaces of the two substrates 3, 4 are smooth, the surfaces placed one on top of the other are at a distance from one another that can no longer be determined optically. This is usually at a distance of less than approximately 250 nm is the case. With such small distances, adhesion forces arise between the two substrates 3, 4 as soon as they are placed. These adhesion forces occur in an area that is referred to as the contact contact area Ac.
  • the contact contact area Ac is smaller than the entire contact area Ai.
  • laser welding is carried out by introducing a laser bonding line 2.
  • material is melted using an ultrashort pulse laser and cooled again, so that the two substrates 3, 4 connect to one another when they are very close to one another, as in the area of the contact contact surface Ac.
  • a laser bonding surface Aw produced by laser welding the two substrates 3, 4 are cohesively connected to one another, so that there is no longer any distance between the substrates 3, 4.
  • the width of the laser bonding lines 2 is thin at approximately 20 pm to 75 pm, so that in the full-surface connection of the substrates 3, 4 shown as an example in FIG. 1, only a very small part of the contact contact area Ac or the contact area A is additionally welded by laser treatment becomes.
  • the contribution to the shear force resistance of the connection of the two substrates 3, 4 by the laser bonding surface Aw is much larger than the contribution of the adhesion forces in the area of the contact contact area Ac.
  • the laser bonding surface Aw can accordingly not only be used to hermetically seal a gap existing between the two substrates, but also to increase the resistance of the connection to acting shear forces.
  • FIG 2 shows a top view of an exemplary embodiment of a hermetic enclosure 1.
  • the enclosure has a length a, a width b and a height c (see Figure 3).
  • a functional area 20 in Formed in the form of a cavity or a cavity 21, in which a functional element 22, such as a sensor or a transponder, is hermetically encapsulated.
  • a cover substrate 14 is placed on a base substrate 10 (see Figure 3) and touches the base substrate 10 at the contact surface A.
  • the contact surface Ai corresponds to an end face 16 of the base substrate 10, see Figure 3.
  • the cover substrate 14 is hermetically sealed to the base substrate 10 via several laser bonding lines 2.
  • the laser bonding lines 2 run parallel to the side walls of the cavity 21, with the cavity 21 being rectangular in the example shown and correspondingly having four side walls.
  • two bond lines 2 run parallel to one of the side walls of the cavity, the thickness of the side walls corresponding to a contact surface width B. Only those bond lines 2 that are not separated from one another by the functional area 20 or the cavity 21 are considered to be adjacent to one another.
  • the laser bonding lines 2 form two closed rectangular paths around the functional area 20.
  • the housing shown in Figure 2 was obtained from a wafer stack in which a wafer for the base substrate 10 and a wafer for the cover substrate 14 were placed on top of each other and connected to one another. This resulted in a wafer stack comprising a large number of casings 1 connected to one another.
  • the laser bonding lines 2 were each carried out over the entire width or length of the wafer stack.
  • Figure 3 shows a sectional view of the hermetic enclosure 1 of Figure 2 from the side along the section line marked AA in Figure 2.
  • the base substrate 10 in this exemplary embodiment consists of a base substrate 11 and an intermediate substrate 12.
  • a connection of the base substrate 11 and the intermediate substrate 12 was carried out in a hermetically sealed manner via several laser bonding lines 2, analogous to the connection between the cover substrate 14 and the base substrate 10 or the intermediate substrate 11.
  • the side walls of the cavity 21 formed are formed here by the intermediate substrate 12 and the bottom of the cavity 21 is formed by the bottom substrate 11.
  • the functional element 22 is arranged within the cavity 21 on the floor substrate 11.
  • FIG 4 shows a section through laser bonding lines 2 along the welding direction.
  • the welding direction is the direction along which the laser beam was guided over the substrates 11, 12, 14 to be connected, with the individual pulses locally overlapping several times so that a weld seam is created by heat accumulation above the focus points (32).
  • the cross section of the seam is pear-shaped and is referred to as welding bulb 30.
  • the welding bulb 30 represents the area of the substrates 11, 12, 14, which was processed by the respective laser pulse in such a way that the material was heated above the glass transition temperature TG or the melting temperature and the adjacent substrates 11, 12, 14 are cohesively bonded can connect.
  • the scanning speed is selected in conjunction with the pulse repetition rate of the ultrashort pulse laser so that a continuous laser bonding area is created in the area of the laser bonding line 2.
  • the laser beam is focused in such a way that a focus point 32 is placed at a distance T from the connection plane between the two respective substrates 11, 12, 14.
  • the welding bulb 30 with a height HL is then formed by the energy transferred from the laser pulse to the respective substrate 11, 12, 14.
  • Figure 5 shows a section through laser bonding lines 2 perpendicular to the welding direction.
  • the respective laser bonding lines 2 relate to the connection plane between the respective substrates 11, 12, 14 to be connected, here once between the bottom substrate 11 and the intermediate substrate 12 and again between the intermediate substrate 12 and the cover substrate 14, have a width w. Since the width of the welding bulbs 30 varies along the height HL of the welding bulbs 30, the width w of the laser bonding lines 2 can be adjusted accordingly by selecting the depth T of the focus point 32 in relation to the respective connection level.
  • a distance H between two adjacent laser bonding lines 2, measured from center to center, is preferably chosen so that the laser bonding lines 2 do not overlap. Accordingly, the distance H is greater than or equal to the width w.
  • the aim is to make the housing 1 as compact as possible and to choose the contact surface width B, which here corresponds to the width of the side wall of the cavity 21, see Figure 3, as small as possible. Accordingly, a distance between two laser bonding lines 2 is preferably chosen to be a maximum of five times the width w.
  • Figure 6 shows a double logarithmic representation of the cumulative probability of failure of laser-welded test specimens in the shear test for three different total lengths of the laser bonding lines against the applied shear force in N.
  • a first curve 101 shows the cumulative probability of failure for 30 test specimens with a laser bonding line length of a total of 20 mm
  • one second curve 102 shows the cumulative probability of failure for 30 test specimens with a laser bonding line length of 40 mm in total
  • a third curve 103 shows the cumulative probability of failure for 30 test specimens with a laser bonding line length of 60 mm in total.
  • Figure 7 shows a diagram of the characteristic failure force of the laser-welded test specimens versus the total length of the laser bonding lines.
  • a fitted affine function can be used to determine the empirical constant P.
  • the slope of the function corresponds to the constant P.
  • the y-axis intercept corresponds to the adhesion force provided by a contact contact surface A c , see FIG. 1.
  • Figure 8 shows a diagram of the specific empirical constant P for the bond strength per length for the three curves 101, 102, 103, compare Figure 6. It can be seen that within the scope of error tolerance, the values obtained for the constant p are independent of the Laser bonding line length of the respective test specimens.
  • Figure 9 shows a microscope image of a cross section of two substrates 10, 14 connected to one another by laser bonding lines 2, using the example of substrates 10, 14 made of borosilicate glass.
  • the laser bonding lines 2 can be easily recognized due to the refractive index changes that occur when heating and cooling again.
  • Figure 10 shows three examples a, b and c of fracture patterns for the failure of the welded connection between two substrates when the failure shear force is exceeded. It can be clearly seen that the two substrates have separated from each other along the weld seams or laser bonding lines essentially without any further damage.
  • Figure 11 shows three examples a, b, c for fracture patterns in which one or both substrates are broken by force without prior failure of the welded connection. It is clearly visible that the fracture lines do not run along the original surfaces of the substrates, but rather that the respective substrates themselves were destroyed. Parts of the respective substrates chipped off.
  • a Cutting line a Length of casing b Width of casing c Height of casing B contact surface width

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Auslegung einer Laserverschweißung zwischen einem Basissubstrat (10) und einem Abdecksubstrat (14) einer Umhäusung (1) vorgeschlagen, wobei das Basissubstrat (10) einen Funktionsbereich (20) aufweist, und das Abdecksubstrat (14), welches mit dem Basissubstrat (10) in Kontakt steht, den Funktionsbereich (20) überdeckt, wobei das Basissubstrat (10) und das Abdecksubstrat (14) über zumindest eine Laserbondlinie (2) direkt hermetisch dicht miteinander verbunden werden, so dass der Funktionsbereich (20) hermetisch im Inneren der gebildeten Umhäusung (1) eingeschlossen wird. Dabei ist vorgesehen, dass für die Verbindung zwischen Abdecksubstrat (14) und Basissubstrat (10) eine minimale Scherkraft Fmin vorgegeben wird, der die Laserverschweißung standhalten soll, durch eine empirisch bestimmte Kraft pro Laserbondlinienlänge P eine Mindestlänge Lmin für die Gesamtlänge aller Bondlinien (2) bestimmt wird und eine Kontaktflächenbreite B, so gewählt wird, dass ein Verhältnis Ai/Aw gebildet aus einer Kontaktfläche Ai, an der das Basissubstrat (10) und das Abdecksubstrat (14) sich berühren können, und einer von den Laserbondlinien (2) mit einer Breite w überstrichenen Laserbondfläche Aw im Bereich von 1 bis 10 liegt. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine solche Umhäusung (1) und eine Sensoreinheit und/oder medizinisches Implantat umfassend eine solche Umhäusung (1).

Description

Hermetisch verschlossene Umhäusung und Verfahren zur Auslegung der Schweißverbindung für eine solche Umhäusung
Die Erfindung betrifft eine hermetisch verschlossene Umhäusung umfassend ein Basissubstrat, welches einen Funktionsbereich aufweist, und ein Abdecksubstrat, welches mit dem Basissubstrat in Kontakt steht und den Funktionsbereich überdeckt, wobei das Basissubstrat und das Abdecksubstrat über zumindest eine Laserbondlinie direkt hermetisch dicht miteinander verbunden sind und wobei der Funktionsbereich hermetisch im Inneren der gebildeten Umhäusung eingeschlossen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslegen der Laserschweißverbindung zwischen den Substraten sowie die Verwendung einer solchen Umhäusung.
Hermetisch verschlossene Umhäusungen sind beispielsweise dafür vorgesehen, ein Bauteil oder Bauteile im Inneren der Umhäusung vor widrigen Umweltbedingungen zu schützen. Anwendungsfelder für eine solche hermetisch verschlossene Umhäusung können beispielsweise in Elektronikanwendungen gefunden werden, um empfindliche elektronische Komponenten zu schützen, und auch in Optikanwendungen gefunden werden, um optische Bauelemente einzukapseln. Weitere Anwendungen findet sich insbesondere im Bereich der medizinischen Implantate, Mikrofluidikchips, Augmented reality und Sensorik für Mobilität (z.B. Drucksensoren).
Insbesondere bei optischen Anwendungen sind dabei transparente Materialien für die Umhäusung wie Glas wünschenswert. Aber auch bei elektronischen Anwendungen, bei denen drahtlose Kommunikation oder ein drahtloses Aufladen gewünscht wird, sind Glasmaterialen gegenüber üblichen Metallgehäusen, beispielsweise aus Titan, von Vorteil, da diese die jeweils verwendete Strahlung nicht abschirmen. Ein Beispiel für eine derartige hermetisch verschlossene Umhäusung ist aus der EP3812352 A1 bekannt. Die Umhäusung umfasst zumindest ein Basissubstrat und ein Abdecksubstrat, welche das Gehäuse bilden und dabei einen Funktionsbereich im Inneren einschließen. Das Abdecksubstrat und das Basissubstrat, welche beispielsweise aus einem Glasmaterial ausgewählt sind, werden durch das Ausführen von Laserbondlinien miteinander verbunden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Teils zum Schützen eines optischen Bauteils unter Verwendung eines Laserverfahrens zur Erzeugung von Laserbondlinien ist auch aus der Europäischen Patentschrift EP 3 012 059 B1 bekannt.
Bei diesen bekannten Laserverfahren werden jeweils zwei Substrate aufeinandergelegt und ein dabei möglicherweise noch vorhandener Abstand bzw. Spalt zwischen den Substraten durch das Ausführen einer Laserverschweißung versiegelt, so dass die Verbindung zwischen den beiden Substraten hermetisch dicht ist.
Die gebildeten Umhäusungen müssen insbesondere bei Einsatz als Implantat hohen mechanischen Anforderungen genügen. Ein Maß für die mechanische Stärke der Verbindung zweier Gehäuseteile ist die Beständigkeit gegen Scherkräften. Je höher die Stabilität der Verbindung, desto höheren Scherkräften kann die Verbindung ohne sich zu lösen standhalten. Bei der Verbindung zweier Substrate ist die Scherkräftbeständigkeit von der Größe einer Kontaktfläche abhängig, über die die beiden Substrate miteinander in Kontakt stehen.
Um eine ausreichende Scherkraftbeständigkeit zu gewährleisten, weisen die bekannten hermetischen Umhäusungen somit vergleichsweise hohe Wandstärken auf, die mehrere mm betragen können. Neben einer Vergrößerung der Wandstärke ist es auch möglich, die zu verbindenden Teile so auszugestalten, dass diese einen Formschluss aufweisen. Dies erfordert jedoch ebenfalls viel Bauraum und ist insbesondere bei Komponenten aus Glas und dergleichen aufwändig. Eine besonders kompakte Ausführung der hermetischen Umhäusungen ist dadurch erschwert.
Eine Aufgabe der Erfindung kann somit darin gesehen werden, eine hermetische Umhäusung bereit zu stellen, welche besonders dünne Wände aufweist und gleichzeitig den mechanischen Anforderungen genügt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, ein Verfahren zur Auslegung einer Laserverschweißung zwischen Bestandteilen einer Umhäusung bereitzustellen, mit dem sich ausgehend von einer vorgegebenen mechanischen Anforderung eine besonders kompakte und gleichzeitig ausreichend beständige Umhäusung erhalten lässt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Auslegung einer Laserverschweißung zwischen einem Basissubstrat und einem Abdecksubstrat einer Umhäusung vorgeschlagen. Die zu bildende Umhäusung weist zumindest das Basissubstrat mit einem Funktionsbereich und das Abdecksubstrat auf. Das Abdecksubstrat steht mit dem Basissubstrat in Kontakt und überdeckt den Funktionsbereich. Das Basissubstrat und das Abdecksubstrat werden über zumindest eine Laserbondlinie direkt hermetisch dicht miteinander verbunden, so dass der Funktionsbereich hermetisch im Inneren der gebildeten Umhäusung eingeschlossen wird. Dabei ist vorgesehen, dass für die Verbindung zwischen Abdecksubstrat und Basissubstrat eine minimale Scherkraftbeständigkeit Fmin vorgegeben wird, der die Laserverschweißung standhalten soll, und dass die Summe der Längen Lges aller Laserbondlinien größer gewählt wird als eine erforderliche Mindestlänge Lmin der Länge aller Laserbondlinien, wobei Lmin=Fmin/P bestimmt wird durch Teilen der vorgegebenen minimalen Scherkraft Fmin durch eine empirisch bestimmte Kraft pro Laserbondlinienlänge P und wobei eine Kontaktflächenbreite B, gemessen in der Ebene der zum Abdecksubstrat weisenden Stirnfläche des Basissubstrats als kürzeste Strecke zwischen dem Funktionsbereich und dem äußeren der Umhäusung, so gewählt wird, dass ein Verhältnis J=A/AW gebildet aus einer Kontaktfläche A, an der das Basissubstrat und das Abdecksubstrat sich berühren können, und einer von den Laserbondlinien mit einer Breite w überstrichenen Laserbondfläche Aw an der zum Abdecksubstrat weisenden Stirnfläche des Basissubstrats im Bereich von 1 bis 10 liegt.
Bevorzugt wird eine Anzahl N von geschlossenen Pfaden von Laserbondlinien mit Breite w und einem Abstand H zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Laserbondlinien von mindestens der Breite w um den Funktionsbereich herum angeordnet, wobei die Anzahl N bestimmt wird als die kleinste Anzahl N, für die die Gesamtlänge Lges aller Laserbondlinien gebildet aus der Anzahl N multipliziert der Länge einer Umrisslinie, welche den Funktionsbereich begrenzt, größer ist als die Mindestlänge Lmin.
Im Sinne dieser Anmeldung ist eine Kontaktfläche die Schnittfläche aus den sich zugeneigten Flächen der beiden in Kontakt zu bringenden Substrate. 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. Insbesondere ist im Bereich der Berührkontaktfläche ein Abstand zwischen den Oberflächen der benachbarten Substrate kleiner als 250 nm. Im Allgemeinen ist dabei die Kontaktfläche größer oder gleich der Berührkontaktfläche.
Mit anderen Worten werden zunächst zwei Substrate aneinander angeordnet, also zum Beispiel aufeinandergestapelt, wobei die Schwerkraft das obenlie- gende 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.
Bei dem von der Umhäusung umschlossenen Funktionsbereich kann es sich insbesondere um eine Kavität handeln, die zur Aufnahme eines Funktionselements eingerichtet ist. Die Kavität weist eine Bodenfläche und Seitenwände auf, die von dem Basissubstrat bereitgestellt werden, und weist eine Deckelfläche auf, welche von dem Abdecksubstrat bereitgestellt wird. Die Stärke bzw. Dicke der Seitenwände entspricht in dieser Ausführungsform der Kontaktflächenbreite.
In anderen Beispielen der Umhäusung kann der Funktionsbereich ein funktionali- sierter Bereich des Basissubstrats sein. Eine solche Funktionalisierung kann beispielsweise durch das Aufbringen einer Beschichtung und/oder durch eine Oberflächenstrukturierung erfolgen.
Der Funktionsbereich ist durch die Schweißverbindung hermetisch dicht verschlossen. Als hermetisch dicht wird hierbei insbesondere eine Umhäusung verstanden, die eine Heliumleckrate von weniger als 1 ■ 10-8 mbar l/sec aufweist und bevorzugt im Bereich 1 ■ 10-10 mbar l/sec bis 1 ■ 10-9 mbar l/sec liegt. Die Schweißverbindung wird durch das Einbringen zumindest einer Laserbondlinie bzw. Laserschweißlinie ausgeführt. Die Schweißverbindung wird dabei bevorzugt unter Verwendung eines Ultrakurzpulslasers ausgeführt. Typische Pulsbreiten liegen im Bereich von 100 fs bis 100 ps. Ein Verfahren zum Ausführen einer solchen Schweißverbindung mit einer oder mehreren Laserschweißlinien ist beispielsweise aus EP 3 012 059 B1 bekannt.
Die Laserschweißlinie hat eine Höhe HL in einer Richtung senkrecht zu ihrer Verbindungsebene. Die Verbindungsebene ist die Richtung, in der die benachbarten oder aufeinanderfolgenden Strahlpunkte gesetzt werden. Typischerweise wird das Laserschweißen aus einer Draufsicht-Perspektive durchgeführt, d. h. der Substratstapel liegt z. B. auf einer Fläche - wie einem Tisch - und der Laser wird von oben zumindest durch die oberste Substratschicht - oder durch mehrere Substratschichten - zum Ort des Strahlfokus geschossen. Die Höhe HL wird also in Richtung des Laserstrahls gemessen, während die Breite w der Laserschweißlinie senkrecht zur Richtung des Laserstrahls gemessen wird.
Die Breite w des von dem Laserstrahl veränderten Bereichs variiert entlang der Tiefe T des bearbeiteten Bereichs, also entlang der Laserstrahlrichtung. Die im Rahmen dieser Anmeldung gemachten Angaben zu der Breite w der Laserschweißlinie sind bezogen auf die Ebene der Kontaktfläche zwischen den mit der Laserschweißlinie verbundenen Substraten. Dabei wird in dieser so definierten Ebene mit der Breite w der Bereich verstanden, innerhalb dem durch die Laserbehandlung Materialveränderungen hervorgerufen wurden. Derartige Materialveränderungen durch die Laserbehandlung ergeben sich aus dem Erhitzen über die Glasübergangstemperatur Tg und/oder die Schmelztemperatur der beteiligten Materialien und anschließendes wieder Erkalten. Durch diese Laserbehandlung werden die beiden Substrate in diesem bearbeiteten Bereich stoffschlüssig miteinander verbunden, ohne dass zusätzliche Verbindungsmatenalien beteiligt sind. Bei optisch transparenten Materialien kann die durch die Laserbehandlung her- vorgerufene Materialveränderung beispielsweise durch Messen von einer Brechzahlabweichung gegenüber dem nicht-behandelten Material nachgewiesen werden. Hierzu kann beispielsweise ein Querschliff mit einem Lichtmikroskop untersucht werden. Dabei kann insbesondere eine Veränderung der Brechzahl von mehr als 1x10’5 als Marker für die Matenalveränderung und entsprechend für die Bestimmung der Breite w herangezogen werden. Eine Mikroskopaufnahme eines solchen Querschliffes ist in Figur 10 zu sehen und wird nachfolgend näher beschrieben.
Mit dem Laserschweißverfahren kann eine Vielzahl von Materialien miteinander verbunden werden, wobei zumindest dasjenige Substrat, welches in Richtung der Laserquelle weist, für den verwendeten Laser zumindest teilweise transparent sein sollte.
Die erzeugten Laserschweißlinien bzw. Laserbondlinien werden so um den Funktionsbereich angeordnet, dass in einer Kontaktebene, welche der zum Abdecksubstrat weisenden Stirnfläche des Basissubstrats entspricht, durch die Laserbondfläche ein geschlossener, den Funktionsbereich umgebender Bereich ausgebildet wird. Bei einer quaderförmigen Umhäusung können dann an jeder der vier den Funktionsbereich begrenzenden Seiten jeweils eine oder mehrere gerade verlaufende Laserbondlinien angeordnet werden, wobei sich die Laserbondlinien in den vier Ecken überlappen können. Die eine oder mehreren Laserbondlinien können dabei insbesondere jeweils parallel zu den Seitenwänden verlaufen. Auch ist es möglich, eine oder mehrere geschlossene Laserbondlinie(n) beispielsweise parallel zu einer Umrisslinie des Funktionsbereichs anzuordnen.
Für das hermetische Einschließen des Funktionsbereichs muss zumindest eine Laserbondlinie lückenlos um den Funktionsbereich herumgeführt werden. Dieses Kriterium kann aber auch durch mehrere einzeln geschriebene Laserbondlinien erfüllt werden, welche an Kreuzungspunkten überlappen und dabei einen ge- schlossenen Pfad um den Funktionsbereich herum ausbilden. Jedem dieser geschlossenen Pfade entspricht dann im Sinne des Verfahrens eine um den Funktionsbereich herum angeordnete Laserbondlinie, wobei bei genau einem solchen Pfad die Anzahl N=1 ist und beispielsweise bei genau zwei geschlossenen Pfaden die Anzahl N=2 ist. Sofern für das Erfüllen der vorgegebenen minimalen Scherkraft Fmin eine einzige solche geschlossene Laserbondlinie ausreicht, um die bestimmte Mindestlänge Lmin zu übertreffen, kann die Anzahl N von Laserbondlinien, welche um den Funktionsbereich herumgeführt sind, als N=1 gewählt werden. In diesem Fall gibt es keine im Sinne des Verfahrens benachbart angeordneten Laserbondlinien.
Bevorzugt werden mehrere Laserbondlinien in Form mehrerer solcher geschlossener Pfade eingebracht, wobei benachbarte Laserbondlinien, welche innerhalb des durch die jeweilige Kontaktflächenbreite definierten Bereichs verlaufen, bevorzugt parallel zueinander angeordnet werden. Laserbondlinien, welche voneinander durch den Funktionsbereich getrennt sind, werden dabei nicht als benachbart angesehen.
Bevorzugt wird ein Abstand H zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Laserbondlinien mit der Breite w im Bereich von 1 w bis 5 w, bevorzugt im Bereich von 1 ,01 w bis 2,5 w und besonders bevorzugt im Bereich von 1 ,05 w bis 2 w gewählt. Hierdurch wird vermieden, dass sich abgesehen von ggf. vorhandenen Kreuzungen verschiedener Laserbondlinien, die Laserbondlinien überlappen.
Durch das Vorsehen eines Abstands zwischen zwei benachbarten, insbesondere zueinander parallel verlaufender, Laserbondlinien von mindestens der Breite der Laserbondlinien wird erreicht, dass das Material der Substrate, abgesehen von Kreuzungen von Laserbondlinien, beispielsweise an den vier Ecken um einen rechteckigen Funktionsbereich herum, nur ein einziges Mal bearbeitet wird. Durch die vorgesehene Obergrenze für den Abstand wird andererseits eine besonders kompakte Ausführung der Laserbondfläche erreicht. Die Kontaktflächenbreite B kann dadurch besonders klein gewählt werden und dennoch ausreichend Raum für das Ausbilden der Laserbondlinien bieten.
Bevorzugt wird die Kontaktflächenbreite B im Bereich von 100 pm bis 1000 pm gewählt. Die genaue Wahl der Kontaktflächenbreite B ist von verschieden Kriterien abhängig, wie dem Material des Basissubstrats, dem Material des Abdecksubstrats, den Abmessungen der Umhäusung und/oder der Art des Funktionsbereichs. Wird eine Kavität als Funktionsbereich bereitgestellt, so gibt die Kontaktflächenbreite B die Dicke der Seitenwände des Funktionsbereichs vor. Dabei wird die Kontaktflächenbreite bevorzugt mindestens so groß gewählt, dass die mechanische Stabilität der Seitenwand ausreichend groß ist.
Bevorzugt wird die Kontaktflächenbreite B größer als 200 pm, besonders bevorzugt größer als 300 pm, mehr bevorzugt größer als 400 pm und am meisten bevorzugt größer als 500 pm gewählt.
Je größer die Kontaktflächenbreite B gewählt wird, desto größer fällt aber die Umhäusung in Bezug auf den umschlossenen Funktionsbereich aus. Entsprechend ist es bevorzugt, die Kontaktflächenbreite B kleiner als 750 pm, besonders bevorzugt kleiner als 500 pm und ganz besonders kleiner als 400 pm zu wählen. Die minimale Kontaktflächenbreite ist durch die Breite w einer Laserbondlinie limitiert und wird daher bevorzugt größer als 30 pm, besonders bevorzugt grösser 50 pm und ganz besonders bevorzugt größer als 100 pm gewählt.
Die Breite w der Laserbondlinien wird bevorzugt im Bereich von 20 pm bis 75 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 30 pm bis 60 pm gewählt. Beispielsweise wird eine Breite w von 50 pm gewählt. Dieser Bereich ist optimal gewählt, um über den Laser ausreichend Energie für die Verschweißung der beiden Substrate einbringen zu können. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Breite w über die Gesamtheit der Laserbondlinien im Wesentlichen konstant ist. Entsprechend ist es bevorzugt, wenn die Breite w aller Laserbondlinien über die Gesamtlänge Lges der Laserbondlinien um höchstens 30% variiert, besonders bevorzugt höchstens 20%, am meisten bevorzugt höchstens 10%. Da die Breite w von der Lage des Fokuspunkts des Lasers in Bezug auf die Kontaktebene abhängig ist, ist die Verwendung eines Laserbearbeitungsverfahrens mit präzisier Kontrolle der Entfernung des Laserfokus von der Kontaktebene bevorzugt. Ein geeignetes Verfahren ist beispielsweise aus EP3012059B1 bekannt.
Für eine möglichst kompakte Umhäusung sollte der Füllfaktor J=Ai/Aw gebildet aus einer Kontaktfläche Ai, an der das Basissubstrat und das Abdecksubstrat sich berühren können, und einer von der zumindest einen Laserbondlinie mit einer Breite w überstrichenen Laserbondfläche Aw möglichst klein gewählt werden. Entsprechend ist es besonders bevorzugt, den Füllfaktor J im Bereich von 1 bis 5, am meisten bevorzugt im Bereich von 1 bis 2 zu wählen.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren ist vorgesehen, die Gesamtlänge der eingebrachten Laserbondlinien und damit die Laserbondfläche Aw gerade so groß zu wählen, dass eine vorgegebene Beständigkeit der Schweißverbindung gegenüber einwirkenden Scherkräften vorliegt. Unter dem Begriff Scherkräfte werden hierbei insbesondere Kräfte verstanden, die senkrecht zur Verbindungsebene der beiden Substrate auf diese einwirken und ohne eine Verbindung zwischen den Substraten zu einer Verschiebung der Substrate zueinander führen würden.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Scherkraftbeständigkeit der Schweißverbindung linear mit der Gesamtlänge der nicht-überlappenden Laserbondlinien anwächst. Für das Kriterium des Nicht-überlappens können dabei kleine Überlappungen beispielsweise an Kreuzungspunkten von zueinander im rechten Winkel verlaufender, um einen rechteckigen Funktionsbereich herum angeordneter Laserbondlinien aufgrund der geringen Fläche dieser Kreuzungen vernachlässigt werden. Entsprechend kann bei Vorgabe der minimalen Scherkraft Fmin, gegen die die Schweißverbindung beständig sein soll, und einer empirisch bestimmten Konstante P für den Kraftanstieg pro Längeneinheit die erforderliche Mindestlänge der Summe der Laserbondlinien über den Zusammenhang
Lmin=Fmin/P ermittelt werden. Die Gesamtlänge Lges der eingebrachten Laserbondlinien kann insbesondere in dem Fall von parallel um den Funktionsbereich herum verlaufender Laserbondlinien als ganzzahliges Vielfache der Länge einer Umrisslinie um den Funktionsbereich bestimmt werden. Der geringe Anstieg der tatsächlichen Länge der umlaufenden Laserbondlinien aufgrund der Tatsache, dass die Laserbondlinien nicht überlappend ausgeführt werden, kann dabei aufgrund der geringen Breite der Laserbondlinien wieder vernachlässigt werden. Auch geringe weitere Bondlinienstücke, welche bei Fertigung einer Vielzahl von Umhäusungen durch Bearbeiten eines Wafers und anschließendem Vereinzeln der Umhäusungen auftreten können, können aufgrund ihrer geringen Länge vernachlässigt werden.
Die Konstante P ist spezifisch für die Materialien der zu verbindenden Substrate und die gewählte Breite der Laserbondlinie und kann einfach empirisch bestimmt werden, indem mehrere Probekörper, beispielsweise 30 Stück, hergestellt werden, bei denen ein erstes Substrat aus einem Abdecksubstratmaterial mit einem zweiten Substrat aus einem Basissubstratmaterial mit Laserbondlinien verbunden werden, wobei die Gesamtlänge Lges der Laserbondlinien bei den Probekör- pern gleich gewählt ist. Anschließend wird die Scherkraftbeständigkeit der Probekörper bestimmt, indem eine ansteigende Scherkraft auf die Verbindung des ersten und zweiten Substrats aufgebracht wird, die Kraft bestimmt wird, bei der die Verbindung zerstört wird und eine Versagenswahrscheinlichkeitsverteilung ausgewertet wird. Die minimale Scherkraft Fmin, gegen die die Schweißverbindung beständig sein soll, wird bevorzugt nicht größer als erforderlich vorgegeben, damit die Schweißverbindung selbst und dadurch die Umhäusung insgesamt möglichst kompakt ausgeführt werden kann. Bevorzugt orientiert sich die Vorgabe an den mechanischen Anforderungen an die Umhäusung. Ein Kriterium kann insbesondere sein, dass die minimale Scherkraft auf andere Kraftbeständigkeiten der Substrate bezogen wird. Bevorzugt wird hierzu die minimale Scherkraft Fmin derart vorgeben, dass mehrere Probekörper hergestellt werden, bei denen ein erstes Substrat aus einem Abdecksubstratmatenal mit einem zweiten Substrat aus einem Basissubstratmatenal mit Laserbondlinien so verbunden werden dass diese für eine minimale Scherkraft Fmin ausgelegt sind und beim Aufbringen dieser minimalen Scherkraft Fmin mehr als 50%, bevorzugt mehr als 75%, besonders bevorzugt mehr als 90%, am meisten bevorzugt 95% von Probekörpern nicht entlang der Kontaktfläche durch Versagen der Schweißverbindung zerbrechen, sondern an anderen Stellen zerbrechen, insbesondere an einer Kante eines oder mehrerer der Substrate.
Für das Bestimmen der Versagensrate können ähnlich wie für das Ermitteln der empirischen Konstante P mehrere gleicharte Probekörper hergestellt werden, beispielsweise 30 Stück, bei denen zwei Substrate miteinander durch das Einbringen von Laserbondlinien verschweißt wurden. Die Gesamtlänge der Laserbondlinien wird dabei entsprechend der zu testenden Scherkraft Fmin gewählt. Die Probekörper werden dann zunehmend mit einer Scherkraft beaufschlagt. Der Ort, an dem ein Probekörper mechanisch versagt, kann leicht durch optische Begutachtung des Probekörpers ermittelt werden. Versagt die Schweißverbindung, liegen die einzelnen Substrate wieder getrennt, aber im wesentlich ohne weitere Beschädigungen vor. Liegt die Anzahl der Probekörper, die nicht entlang der Kontaktfläche durch Versagen der Schweißverbindung brechen in dem vorgesehenen Bereich, beispielsweise mehr als 75%, dann ist die getestete Scherkraft Fmin korrekt gewählt. Andernfalls wird entsprechend des Ergebnisses der Versuch für eine höhere bzw. niedrigere zu testende Scherkraft wiederholt. Nach Auslegung der Schweißverbindung können sich Schritte zur Herstellung der Umhäusung anschließen. Diese Schritte können insbesondere das Bereitstellen der Substrate und ggf. die Reinigung der Oberflächen der Substrate, das Aufeinanderlegen der Substrate, wobei ggf. ein Funktionselement in einen Funktionsbereich eingebracht wird und das Einbringen der Laserbondlinien umfassen.
Bei der Herstellung kann insbesondere vorgesehen sein, in einem Durchgang eine Vielzahl von Umhäusungen zu erzeugen. Dazu werden zunächst große Wafer anstelle bereits auf die Endgröße der Umhäusung zugeschnittener Substrate bereitgestellt, schichtweise aufeinandergelegt und durch das Laserschweißen miteinander verbunden. Anschließend werden die einzelnen Umhäusungen durch Zerschneiden des gebildeten Waferstapels vereinzelt. Bei einem derartigen Vorgehen kann vorgesehen sein, dass die eingebrachten Laserbondlinien entlang eines Gittermusters geschrieben werden, wobei jeweils ein Funktionsbereich von vier ein Rechteck bildenden Laserbondlinien eingeschlossen wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist das Bereitstellen einer hermetisch verschlossenen Umhäusung. Die vorgeschlagene hermetisch verschlossene Umhäusung umfasst ein Basissubstrat, welches einen Funktionsbereich aufweist, und ein Abdecksubstrat, welches mit dem Basissubstrat in Kontakt steht und den Funktionsbereich überdeckt, wobei das Basissubstrat und das Abdecksubstrat über zumindest eine Laserbondlinie direkt hermetisch dicht miteinander verbunden sind und wobei der Funktionsbereich hermetisch im Inneren der gebildeten Umhäusung eingeschlossen ist. Ferner ist vorgesehen, dass ein Verhältnis J=A/AW gebildet aus einer Kontaktfläche A, an der das Basissubstrat und das Abdecksubstrat sich berühren können, und einer von der zumindest einen Laserbondlinie mit einer Breite w überstrichenen Laserbondfläche Aw an der zum Abdecksubstrat weisenden Stirnfläche des Basissubstrats im Bereich von 1 bis 10 liegt, wobei eine Kontaktflächenbreite B, gemessen in der Ebene der zum Abdecksubstrat weisenden Stirnseite des Basissubstrats als kürzeste Strecke zwischen dem Funktionsbereich und dem Äußeren der Umhäusung, im Bereich von 100 pm bis 1000 pm liegt.
Die vorgeschlagene Umhäusung ist besonders kompakt, da die Kontaktflächenbreite B so ausgeführt ist, dass die Laserbondfläche Aw einen möglichst großen Teil der gesamten Kontaktfläche Ai ausfüllt.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten hermetischen, mit Laserverschweißen von Substraten erhaltener Umhäusungen wurde davon ausgegangen, dass ein wesentlicher Teil der mechanischen Stabilität durch eine möglichst große Kontaktfläche bereitgestellt wird und die Laserbondfläche im Wesentlichen zur Sicherstellung des hermetischen Einschlusses des Funktionsbereichs erforderlich ist. Aufgrund der im Vergleich zur gesamten Kontaktfläche Ai üblicherweise geringen Laserbondfläche Aw wurde bisher betreffend der Laserbondfläche Aw selbst nur von einem geringen Beitrag zur mechanischen Stabilität, insbesondere zur Beständigkeit gegenüber Scherkräften, ausgegangen.
Des Weiteren wurde überraschenderweise festgestellt, dass eine Maximierung der Scherkraftbeständigkeit der Schweißverbindung der beiden Substrate nicht vorteilhaft ist, da in diesem Fall die Umhäusung bei Einwirkung großer mechanischer Kräfte an anderen Stellen unkontrolliert bricht. . Eine weitere Schweißnahtverlängerung trägt also nicht zu einer Verbesserung der Gesamtfestigkeit der Einhäusung bei. Zudem benötigen die auf diese Weise „unnötigen“ Schweissnähte eine größere Kontaktfläche und vergrößern so den „Fußabdruck“ der Umhäusung. Entsprechend ist es bevorzugt, nicht nur eine Untergrenze, sondern auch eine Obergrenze für die Scherkraftbeständigkeit vorzugeben.
Bevorzugt ist dazu die von der zumindest einen Laserbondlinie überstrichene Laserbondfläche Aw so gewählt, dass die Verbindung zwischen Abdecksubstrat und Basissubstrat eine Versagensscherkraft im Bereich von 10 N bis 1000 N, bevorzugt 50 N bis 500 N, besonders bevorzugt im Bereich von 100 N bis 400 N aufweist.
Bevorzugt ist die Gesamtlänge Lges der Laserbondlinien der Umhäusung gemäß einem der hierin beschriebenen Auslegungsverfahren bestimmt. Dabei ist es be- soders bevorzugt, wenn die dabei vorgegebene minimale Scherkraft Fmin, der die Laserverschweißung standhalten soll, dieser Versagensscherkraft im Bereich von 10 N bis 1000 N entspricht.
Da die Umhäusung unter Verwendung eines der beschriebenen Verfahren erhalten werden kann, gelten im Rahmen eines der Verfahren beschriebene Merkmale auch für die Umhäusung und umgekehrt gelten im Rahmen der Umhäusung offenbart Merkmale auch für die Verfahren.
Bevorzugt ist die Verschweißung mit mehreren Laserbondlinien ausgeführt, wobei die Laserbondlinien eine Breite w aufweisen und ein Abstand H zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Laserbondlinien im Bereich von 1 w bis 5 w, bevorzugt im Bereich von 1 ,01 w bis 2,5 w und besonders bevorzugt im Bereich von 1 ,05 w bis 1 ,5 w gewählt ist.
Die Breite w der Laserbondlinien liegt bevorzugt im Bereich von 20pm bis 75pm, besonders bevorzugt 30 pm bis 60 pm. Beispielsweise sind die Laserbondlinien 50 pm breit. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Breite w über die Gesamtheit der Laserbondlinien im Wesentlichen konstant ist. Entsprechend ist es bevorzugt, wenn die Breite w aller Laserbondlinien über die Gesamtlänge Lges der Laserbondlinien um höchstens 30% variiert, besonders bevorzugt höchstens 20%, am meisten bevorzugt höchstens 10%.
Die Umhäusung ist bevorzugt so kompakt wie möglich ausgestaltet. Dies wird dadurch erreicht, dass die nicht von der Laserbondfläche eingenommene Teil der Kontaktfläche möglichst gering gehalten ist und als Folge davon auch die Kontaktflächenbreite B möglichst klein ausgeführt ist. Dazu ist bevorzugt vorgesehen, dass die zu dem Abdecksubstrat weisende Stirnfläche des Basissubstrats, die der Kontaktfläche Ai entspricht, zumindest zu 20% mit Laserbondlinien überdeckt ist und somit J im Bereich von 1 bis 5 liegt. Besonders bevorzugt ist zumindest die Hälfte der Kontaktfläche A mit Laserbondlinien überdeckt, wobei dann J im Bereich von 1 bis 2 liegt.
Das Abdecksubstrat ist bevorzugt als ein transparentes Dünnschichtsubstrat ausgebildet, wobei das Abdecksubstrat eine Dicke von weniger als 200 pm, bevorzugt von weniger als 170 pm, besonders bevorzugt weniger als 125 pm aufweist und bevorzugt eine Dicke größer als 10 pm besonders bevorzugt größer als 20 pm aufweist. Hierdurch kann auch in Stapelrichtung der Substrate die Abmessung der Umhäusung besonders kompakt ausgeführt werden.
Das Abdecksubstrat kann dabei bereits in Form eines Dünnschichtsubstrats bereitgestellt und mit dem Basissubstrat verschweißt werden. Alternativ dazu kann ein Substrat größerer Dicke nach dem Verbinden mit dem Basissubstrat durch Materialabtrag abgedünnt werden.
Das Abdecksubstrat und das Basissubstrat grenzen an der Kontaktfläche A direkt aneinander an, so dass die Verbindung in der mit der zumindest einen Laserbondlinie überstrichenen Laserbondfläche Aw frei von Fremdwerkstoffen ist, insbesondere frei ist von Verbindungsmaterialien wie Kleber, einer Glasfritte oder einer absorbierenden Schicht. Da keine Fremdstoffe bei dem Verschließen der Umhäusung eingesetzt wurden werden Kontaminierungen des Funktionsbereichs, beispielsweise durch Bestandteile eines Klebstoffs, vermieden.
Der Funktionsbereich kann als eine Kavität ausgebildet sein. Eine solche Kavität ist bevorzugt zur Aufnahme eines Funktionselements eingerichtet, so dass in der Kavität einer solchen Umhäusung ein oder mehrere Funktionselemente aufgenommen sein können. Die Kavität weist eine Bodenfläche und Seitenwände auf, die von dem Basissubstrat bereitgestellt werden, und eine Deckelfläche auf, welche von dem Abdecksubstrat bereitgestellt wird. Die Stärke bzw. Dicke der Seitenwände entspricht in dieser Ausführungsform der Kontaktflächenbreite.
Das Basissubstrat kann ein flächiges Bodensubstrat aufweisen, welches die Bodenfläche eines als Kavität ausgestalteten Funktionsbereichs ausbildet, und ein Zwischensubstrat aufweisen, welches die Seitenwände der Kavität mit einer zum Abdecksubstrat weisenden Stirnfläche ausbildet. Dabei sind das Bodensubstrat und das Zwischensubstrat bevorzugt über zumindest eine Laserbondlinie hermetisch dicht mit einander verbunden. Für das Auslegen dieser Schweißverbindung kann insbesondere das hierin beschriebene Verfahren analog angewendet werden und die Schweißverbindung kann analog zu der hierin beschrieben Verbindung zwischen Abdecksubstrat und Basissubstrat ausgeführt sein.
Alternativ dazu oder zusätzlich kann das Basissubstrat ein Funktionsbereich in Form einer Vertiefung mit einer Bodenfläche und Seitenwänden ausgebildet sein, die zusammen mit dem Abdecksubstrat als Deckelfläche eine Kavität bildet. Derartige Vertiefungen können beispielsweise durch Schleifen oder Ätzen ausgebildet werden.
In anderen Beispielen der Umhäusung kann der Funktionsbereich ein funktionali- sierter Bereich des Basissubstrats sein. Eine solche Funktionalisierung kann beispielsweise durch das Aufbringen einer Beschichtung und/oder durch eine Oberflächenstrukturierung erfolgen.
Das Abdecksubstrat und/oder das Basissubstrat bestehen bevorzugt aus einem Glas, einer Glaskeramik, Silizium, Saphir oder einer Kombination der vorgenannten Materialien. Als Glasmaterialien sind insbesondere Borosilikatgläser geeignet. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der vorgeschlagenen Umhäusung als Umhäusung einer Sensoreinheit und/oder eines medizinischen Implantats. Bei diesen Anwendungen sind die hermetische Dichtheit und die erreichbaren kompakten Abmessungen der Umhäusung besonders vorteilhaft. Bei geringen Wandstärken bei Wahl einer Kontaktflächenbreite von beispielsweise 500 pm ist die Umhäusung nur unwesentlich größer, als ein darin aufgenommenes Funktionselement.
Des Weiteren wird entsprechend eine Sensoreinheit und/oder medizinisches Implantat umfassend eine der hierin beschriebenen Umhäusungen. Bevorzugt weist die Umhäusung dabei eine Kavität auf, die ein Funktionselement der Sensoreinheit und/oder des medizinischen Implantats umschließt.
Ein Beispiel für eine Umhäusung umfasst ein Bodensubstrat und ein Zwischensubstrat, welche gemeinsam ein Basissubstrat ausbilden, sowie ein Abdecksubstrat. Alle Substrate bestehen aus einem Borosilikatglas, welches beispielsweise unter der Bezeichnung BOROFLOAT 33 erhältlich ist. Das Bodensubstrat und das Zwischensubstrat weisen eine Dicke von 1 ,1 mm auf und das Abdecksubstrat weist eine Dicke von 500 pm auf. Eine Länge und Breite der Substrate beträgt jeweils 5 mm. Durch Wahl der Kontaktflächenbreite B von 500 pm wird eine Kavität mit Seitenwänden und Deckelwand mit einer Dicke von 500 pm bereitgestellt.
Beispiel für das Bestimmen des empirischen Parameters P:
Es wurden Proben hergestellt, bei denen jeweils zwei Substrate aus einem unter der Bezeichnung BOROFLOAT® 33 erhältlichem gefloatetem Borosilicat-Flach- glas mit Länge und Breite von 5 mm und einer Dicke von 1 ,1 mm aufeinandergelegt wurden. Zum Verifizieren der Annahme, dass die Scherkraft linear von der Gesamtlänge der Laserbondlinien ist, wurden in einem ersten Typ 1 Laserbondlinien mit einer Gesamtlänge Lges von 20 mm eingeschrieben. Bei einem zweiten Typ 2 wurden Laserbondlinien mit einer Gesamtlänge Lges von 40 mm und bei einem dritten Typ 3 wurden Laserbondlinien mit einer Gesamtlänge Lges von 60 mm eingeschrieben. Die Laserbondlinien können dabei im Prinzip in jeder beliebigen Geometrie eingebracht werden. Im vorliegenden Beispiel wurde jeweils eine Hälfte der Bondlinienlänge entlang einer ersten Richtung und die andere Hälfte der Bondlinienlänge entlang einer zweiten, dazu senkrechten Richtung eingeschrieben, so dass eine „+“ Form ausgebildet wurde. Die Überlappung der Laserbondlinien im Zentrum dieser Kreuzform kann aufgrund deren geringer Fläche vernachlässigt werden.
Von jedem der drei Typen wurden 30 Proben hergestellt und jeweils diejenige Scherkraft bestimmt, bei der die Verbindung zwischen den beiden Substraten versagt hat. Dazu wurde eine Apparatur verwendet, bei der zwei aufeinanderliegende Platten mit definierter Kraft gegeneinander verschoben, also geschert werden können. In jeder der Platte ist eine Vertiefung angeordnet, deren Form und Tiefe bis auf eine geringe Toleranz den Abmessungen der Substrate entspricht. Entsprechend liegen die Seitenwände der Vertiefungen jeweils eng an den Seitenflächen der jeweiligen Substrate an. Für das Bestimmen der Scherkraft, bei der eine Verbindung zwischen den beiden Substraten einer der Proben versagt, wurde eine Probe zwischen die beiden Platten eingelegt und die beiden Platten wurden gegeneinander mit einer Rate von 1 ,5 mm/min verschoben, wobei die Kraft gemessen wurde. Bei Versagen der Verbindung leistet die Probe keinen Widerstand gegen die Verschiebung mehr, was über ein abruptes Abfallen der gemessenen Kraft erkannt wird. Die Scherkraft, bei der die Verbindung versagt hat, ist dann die höchste bei der Verschiebung bzw. der Scherung der beiden Platten ermittelte Kraft. Die Messung wird für alle Proben wiederholt, wobei jeweils die Scherkraft, bei der die Verbindung zwischen den beiden Substraten einer Probe versagt aufgezeichnet wird. Die Messergebnisse für die kumulierte Wahrscheinlichkeit KP sind in doppellogarithmischer Darstellung in Figur 6 aufgetragen.
Durch Anpassen der Parameter einer Verteilungsfunktion p(F) für die kumulierte Versagenswahrscheinlichkeit bei einer Scherkraft von F kann dann f eine Versagensscherkraft Fv bestimmt werden, bei der der entsprechende Probentyp versagt. Die Verteilungsfunktion p(F) ist gegeben durch wobei der Parameter z die Breite der Verteilungsfunktion angibt und ebenfalls durch das Parameteranpassen ermittelt werden kann.
Für einen Vertrauensbereich von 95% werden für die drei Probentypen folgende Ergebnisse für die Versagensscherkraft Fv erhalten, welche auch in Figur 7 als Funktion der Gesamtlänge Lges der Laserbondlinien dargestellt sind:
Typ 1 : Fv = 107,9 (101 ,8 ... 114,3) N
Typ 2: Fv = 144,1 (139,6 ... 148,8) N
Typ 3: Fv = 219,6 (206,6 ... 233,6) N
Durch Anpassen einer affinen Funktion ist leicht ersichtlich, dass die Proben ohne Laserverschweißen, also für eine Länge der Laserbondlinien von 0, bereits eine von Null verschiedene Versagensscherkraft von etwa 45 N aufweisen. Dieser Grundbeitrag zur Scherkraftbeständigkeit wird den Adhäsionskräften über die optische Interfacefläche Ac zugeschrieben. Des Weiteren ist ersichtlich, dass für jeden mm Laserbondlinie die Scherkraftbeständigkeit um ca. 2,8 N anwächst. Für die beiden Probentypen 1 bis 3 verwendete Materialpaarung wird entsprechend eine empirische Konstante P von 2,8 N/mm ermittelt.
Da es sich hierbei um einen linearen Zusammenhang handelt, ist es für eine empirische Bestimmung der Konstante P ausreichend, diese Messung an einem einzigen Probentyp für die zu untersuchende Materialpaarung durchzuführen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauelemente oder Elemente beziehen.
Dabei zeigen in schematischer Form
Figur 1 eine perspektivische Ansicht zweier mit einer Laserbondlinie verbundener Substrate,
Figur 2 eine Draufsicht auf eine hermetische Umhäusung,
Figur 3 eine Schnittansicht der hermetischen Umhäusung von der Seite,
Figur 4 einen Schnitt durch Laserbondlinien entlang der Schweißrichtung,
Figur 5 einen Schnitt durch Laserbondlinien senkrecht zur Schweißrichtung, Figur 6 ein Diagramm der Versagenswahrscheinlichkeit laserverschweißter Probekörper im Scherversuch für drei verschiedene Gesamtlängen der Laserbondlinien gegen ausgeübte Scherkraft,
Figur 7 ein Diagramm der charakteristischen Versagenskraft der laserverschweißten Probekörper gegen die Gesamtlänge der Laserbondlinien,
Figur 8 ein Diagramm der berstimmten empirischen Konstante für die Bondstärke pro Länge,
Figur 9 eine Mikroskopaufnahme eines Querschliffes zweier miteinander durch Laserbondlinien verbundener Substrate,
Figur 10 drei Beispiele für Bruchbilder für das Versagen der Schweißverbindung bei Überschreitung der Versagensscherkraft, und
Figur 11 drei Beispiele für Bruchbilder, bei denen eines oder beide Substrate durch Krafteinwirkung gebrochen sind ohne vorheriges Versagen der Schweißverbindung.
In Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht zweier mit einer Laserbondlinie 2 verbundener Substrate 3, 4 dargestellt. Ein erstes Substrat 3 ist dabei auf ein zweites Substrat 4 aufgelegt, so dass sich die beiden Substrate 3, 4 direkt berühren. Die Fläche, an der sich die beiden Substrate 3, 4 berühren, wird als Kontaktfläche Ai bezeichnet.
Sind die Oberflächen der beiden Substrate 3, 4 glatt, so weisen die aufeinandergelegten Oberflächen einen Abstand zueinander auf, der sich nicht mehr optisch bestimmen lässt. Das ist üblicherweise bei einem Abstand von weniger als etwa 250 nm der Fall. Bei derart geringen Abständen kommt es bereits bei dem Auflegen zu Adhäsionskräften zwischen den beiden Substraten 3, 4. Diese Adhäsionskräfte treten in einem Bereich auf, der als Berührkontaktfläche Ac bezeichnet wird. Die Berührkontaktfläche Ac ist kleiner als die gesamte Kontaktfläche Ai.
Zum hermetisch dichten Verbinden der beiden Substrate 3, 4 im Bereich Berührkontaktfläche Ac wird eine Laserverschweißung vorgenommen, indem eine Laserbondlinie 2 eingebracht wird. Entlang der Laserbondlinie 2 wird mit einem Ultrakurzpulslaser Material aufgeschmolzen und erkaltet wieder, so dass sich die beiden Substrate 3, 4 miteinander verbinden, wenn diese wie im Bereich der Berührkontaktfläche Ac sehr dicht aneinander angrenzen. In einer durch die Laserverschweißung erzeugten Laserbondfläche Aw sind die beiden Substrate 3, 4 stoffschlüssig miteinander verbunden, so dass kein Abstand zwischen den Substraten 3, 4 mehr vorliegt. Die Breite der Laserbondlinien 2 ist mit ca. 20 pm bis 75 pm dünn, so dass bei dem in Figur 1 als Beispiel dargestellten vollflächigen Verbindens der Substrate 3,4 nur ein sehr kleiner Teil der Berührkontaktfläche Ac bzw. der Kontaktfläche A zusätzlich durch Laserbehandlung verschweißt wird.
Überraschenderweise wurde herausgefunden, dass der Beitrag zur Scherkraftbeständigkeit der Verbindung der beiden Substrate 3, 4 durch die Laserbondfläche Aw, trotz der in dem in Figur 1 dargestellten Beispiel sehr geringen Fläche gegenüber der gesamten Kontaktfläche A und der Berührkontaktfläche Ac, sehr viel größer ist, als der Beitrag der Adhäsionskräfte im Bereich der Berührkontaktfläche Ac. Die Laserbondfläche Aw kann entsprechend nicht nur dazu verwendet werden, einen zwischen den beiden Substraten vorhanden Spalt hermetisch dicht zu versiegeln, sondern auch, um die Beständigkeit der Verbindung gegenüber einwirkenden Scherkräften zu steigern.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer hermetischen Umhäusung 1. Die Umhäusung weist eine Länge a, eine Breite b und eine Höhe c (vergleiche Figur 3) auf. In der Umhäusung 1 ist ein Funktionsbereich 20 in Form eines Hohlraums bzw. einer Kavität 21 ausgebildet, in die ein Funktionselement 22, wie beispielsweise ein Sensor oder ein Transponder hermetisch dicht eingekapselt ist.
Typische Maße einer Umhäusung sind a = 5 mm, b = 5mm, c = 2,5 mm, aber auch großflächigere und flachere (z.B. a = 10 mm, 10 = 5mm, c = 0,9 mm) oder kompaktere ( a = 3 mm, b = 4 mm, c = 2 mm) sind möglich.
Zum Ausbilden der Umhäusung 1 ist ein Abdecksubstrat 14 auf ein Basissubstrat 10 (vergleiche Figur 3) aufgelegt und berührt das Basissubstrat 10 an der Kontaktfläche A. Die Kontaktfläche Ai entspricht einer Stirnfläche 16 des Basissubstrats 10, vergleiche Figur 3.
Über mehrere Laserbondlinien 2 ist das Abdecksubstrat 14 hermetisch dicht mit dem Basissubstrat 10 verbunden. Die Laserbondlinien 2 verlaufen dabei parallel zu den Seitenwänden der Kavität 21 , wobei in dem dargestellten Beispiel die Kavität 21 rechteckig ist und entsprechend vier Seitenwände aufweist. In dem Beispiel verlaufen jeweils zwei Bondlinien 2 parallel zu einer der Seitenwände der Kavität, wobei die Dicke der Seitenwände einer Kontaktflächenbreite B entspricht. Dabei werden nur diejenigen Bondlinien 2 als zueinander benachbart angesehen, welche nicht durch den Funktionsbereich 20 bzw. die Kavität 21 voneinander getrennt sind. Die Laserbondlinien 2 bilden in diesem Beispiel zwei geschlossene rechteckige Pfade um den Funktionsbereich 20 aus.
Die in Figur 2 dargestellte Umhäusung wurde aus einem Waferstapel erhalten, bei dem ein Wafer für das Basissubstrat 10 und ein Wafer für das Abdecksubstrat 14 aufeinandergelegt und miteinander verbunden wurden. Dadurch wurde ein Waferstapel erhalten, der eine Vielzahl von miteinander verbunden Umhäu- sungen 1 umfasst. Die Laserbondlinien 2 wurden dabei jeweils über die gesamte Breite bzw. Länge des Waferstapels ausgeführt. Die einzelne Umhäusung 1 , wie sie in der Figur 2 dargestellt ist, wurde durch Vereinzeln der Vielzahl von llmhäu- sungen erhalten.
Figur 3 zeigt eine Schnittansicht der hermetischen Umhäusung 1 der Figur 2 von der Seite entlang der in Figur 2 mit A-A markierten Schnittlinie.
In der Schnittdarstellung der Figur 3 ist zu erkennen, dass das Basissubstrat 10 in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Bodensubstrat 11 und einem Zwischensubstrat 12 besteht. Ein Verbinden des Bodensubstrats 11 und des Zwischensubstrats 12 wurde analog zu der Verbindung zwischen dem Abdecksubstrat 14 und dem Basissubstrat 10 bzw. dem Zwischensubstrat 11 über mehrere Laserbondlinien 2 hermetisch dicht ausgeführt.
Die Seitenwände der gebildeten Kavität 21 werden hier von dem Zwischensubstrat 12 gebildet und der Boden der Kavität 21 wird durch das Bodensubstrat 11 ausgebildet. In dem dargestellten Beispiel ist das Funktionselement 22 innerhalb der Kavität 21 auf dem Bodensubstrat 11 angeordnet.
Figur 4 zeigt einen Schnitt durch Laserbondlinien 2 entlang der Schweißrichtung. Die Schweißrichtung ist dabei diejenige Richtung, entlang der der Laserstrahl über die zu verbindenden Substrate 11 , 12, 14 geführt wurde, wobei bei die Einzelpulse mehrfach örtlich überlappen, so dass durch Wärmeakkumulation oberhalb der Fokuspunkte (32) eine Schweißnaht entsteht. Der Querschnitt der Naht ist birnenförmig und wird als Schweißbirne 30 bezeichnet. Die Schweißbirne 30 stellt dabei den Bereich der Substrate 11 , 12, 14 dar, der durch den jeweiligen Laserpuls derart bearbeitet wurde, dass das Material über die Glasübergangstemperatur TG bzw. die Schmelztemperatur erwärmt wurde und sich die jeweils benachbarten Substrate 11 , 12, 14 stoffschlüssig verbinden können. Die Scangeschwindigkeit ist dabei in Verbindung mit der Pulswiederholrate des Ultrakurzpulslasers so gewählt, dass im Bereich der Laserbondlinie 2 ein kontinuierlicher Laserbondbereich entsteht. Der Laserstrahl wird dabei so fokussiert, dass ein Fokuspunkt 32 in einem Abstand T zur Verbindungsebene zwischen den beiden jeweiligen Substraten 11 , 12, 14 platziert wird. Ausgehend von dem Fokuspunkt 32 bildet sich dann durch die vom Laserpuls auf das jeweilige Substrat 11 , 12, 14 übertragenen Energie die Schweißbirne 30 mit einer Höhe HL aus.
Figur 5 zeigt einen Schnitt durch Laserbondlinien 2 senkrecht zur Schweißrichtung. In dieser Schnittdarstellung ist zu erkennen, dass die jeweiligen Laserbondlinien 2 bezogen auf die Verbindungsebene zwischen den jeweils zu verbindenden Substraten 11 , 12, 14, hier also einmal zwischen dem Bodensubstrat 11 und dem Zwischensubstrat 12 und ein weiteres Mal zwischen dem Zwischensubstrat 12 und dem Abdecksubstrat 14, eine Breite w aufweisen. Da die Breite der Schweißbirnen 30 entlang der Höhe HL der Schweißbirnen 30 variiert, kann entsprechend durch Wahl der Tiefe T des Fokuspunktes 32 in Bezug auf die jeweilige Verbindungsebene die Breite w der Laserbondlinien 2 eingestellt werden. Ein Abstand H zwischen jeweils zwei benachbarten Laserbondlinien 2, jeweils von Mittelpunkt zu Mittelpunkt gemessen, ist bevorzugt so gewählt, dass die Laserbondlinien 2 nicht überlappen. Entsprechend ist der Abstand H größer oder gleich der Breite w. Darüber hinaus wird angestrebt, die Umhäusung 1 möglichst kompakt auszuführen und entsprechend die Kontaktflächenbreite B, die hier der Breite der Seitenwand der Kavität 21 entspricht, vergleiche Figur 3, möglichst klein zu wählen. Entsprechend wird ein Abstand zwischen zwei Laserbondlinien 2 bevorzugt maximal als das fünffache der Breite w gewählt.
Figur 6 zeigt eine doppellogarithmische Darstellung der kumulierten Versagenswahrscheinlichkeit laserverschweißter Probekörper im Scherversuch für drei verschiedene Gesamtlängen der Laserbondlinien gegen die ausgeübte Scherkraft in N. Eine erste Kurve 101 zeigt die kumulierten Versagenswahrscheinlichkeit für 30 Probekörper mit einer Laserbondlinienlänge von insgesamt 20 mm, eine zweite Kurve 102 zeigt die kumulierten Versagenswahrscheinlichkeit für 30 Probekörper mit einer Laserbondlinienlänge von insgesamt 40 mm und eine dritte Kurve 103 zeigt die kumulierten Versagenswahrscheinlichkeit für 30 Probekörper mit einer Laserbondlinienlänge von insgesamt 60 mm.
Figur 7 zeigt ein Diagramm der charakteristischen Versagenskraft der laserverschweißten Probekörper gegen die Gesamtlänge der Laserbondlinien. Eine angepasste affine Funktion kann zur Bestimmung der empirischen Konstante P genutzt werden. Die Steigung der Funktion entspricht der Konstante P. Der y-Ach- senabschnitt entspricht der von einer Berührkontaktfläche Ac, vergleiche Figur 1 , bereitgestellten Adhäsionskraft.
Figur 8 zeigt ein Diagramm der bestimmten empirischen Konstante P für die Bondstärke pro Länge für die drei Kurven 101 , 102, 103, vergleiche Figur 6. Es ist zu erkennen, dass im Rahmen der Fehlertoleranz die erhaltenen Werte für die Konstante p unabhängig sind von der Laserbondlinienlänge der jeweiligen Probekörper.
Figur 9 zeigt eine Mikroskopaufnahme eines Querschliffes zweier miteinander durch Laserbondlinien 2 verbundener Substrate 10, 14 am Beispiel von Substraten 10, 14 aus einem Borosilikatglas. Durch die beim Erhitzen und wieder Erkalten auftretenden Brechungsindexveränderungen sind die Laserbondlinien 2 gut zu erkennen.
Figur 10 zeigt drei Beispiele a, b und c für Bruchbilder für das Versagen der Schweißverbindung zwischen zwei Substraten bei Überschreitung der Versagensscherkraft. Es ist gut zu erkennen, dass sich hierbei die beiden Substrate im Wesentlichen ohne weitere Schäden entlang der Schweißnähte bzw. Laserbondlinien voneinander getrennt haben. Figur 11 zeigt drei Beispiele a, b, c für Bruchbilder, bei denen eines oder beide Substrate durch Krafteinwirkung gebrochen sind ohne vorheriges Versagen der Schweißverbindung. Es ist jeweils gut zu erkennen, dass die Bruchlinien hier nicht entlang der ursprünglichen Oberflächen der Substrate verlaufen, sondern die jeweiligen Substrate selbst zerstört wurden. Dabei sind Teile der jeweiligen Substrate abgeplatzt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Bezugszeichenliste
Ai Kontaktfläche
Ac Berührkontaktfläche
Aw Laserbondfläche
1 Umhäusung
2 Laserbondlinie
3 erstes Substrat
4 zweites Substrat
10 Basissubstrat
11 Bodensubstrat
12 Zwischensubstrat
14 Abdecksubstrat
16 Stirnfläche
20 Funktionsbereich
21 Kavität
22 Funktionselement
30 Schweißbirne
32 Fokuspunkt
A Schnittlinie a Länge Umhäusung b Breite Umhäusung c Höhe Umhäusung B Kontaktflächenbreite
HL Höhe Laserbondlinie
T Tiefe Laserbondlinie w Breite Laserbondlinie
H Abstand zwischen zwei Laserbondlinien
101 erste Kurve
102 zweite Kurve
103 dritte Kurve
KW kumulierte Versagenswahrscheinlichkeit
S Scherkraft p empirische Konstante
Fv Versagensscherkraft
L Laserbondlinienlänge

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Auslegung einer Laserverschweißung zwischen einem Basissubstrat (10) und einem Abdecksubstrat (14) einer Umhäusung (1 ), wobei das Basissubstrat (10) einen Funktionsbereich (20) aufweist, und das Abdecksubstrat (14), welches mit dem Basissubstrat (10) in Kontakt steht, den Funktionsbereich (20) überdeckt, wobei das Basissubstrat (10) und das Abdecksubstrat (14) über zumindest eine Laserbondlinie (2) direkt hermetisch dicht miteinander verbunden werden, so dass der Funktionsbereich (20) hermetisch im Inneren der gebildeten Umhäusung (1 ) eingeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verbindung zwischen Abdecksubstrat (14) und Basissubstrat (10) eine minimale Scherkraft Fmin vorgegeben wird, der die Laserverschweißung standhalten soll, und dass die Summe der Längen Lges aller Laserbondlinien (2) größer gewählt wird als eine erforderliche Mindestlänge Lmin der Länge aller Laserbondlinien (2), wobei Lmin bestimmt wird durch Teilen der vorgegebenen minimalen Scherkraft Fmin durch eine empirisch bestimmte Kraft pro Laserbondlinienlänge P
Lmin=Fmin/P, und dass eine Kontaktflächenbreite B, gemessen in der Ebene einer zum Abdecksubstrat (14) weisenden Stirnfläche (16) des Basissubstrats (10) als kürzeste Strecke zwischen dem Funktionsbereich (20) und dem Äußeren der Umhäusung (1 ), so gewählt wird, dass ein Verhältnis J=A/AW gebildet aus einer Kontaktfläche A, an der das Basissubstrat (10) und das Abdecksubstrat (14) sich berühren können, und einer von den Laserbondlinien (2) mit einer Breite w überstrichenen Laserbondfläche Aw an der zum Abdecksubstrat (14) weisenden Stirnfläche (16) des Basissubstrats (10) im Bereich von 1 bis 10 liegt. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl N von geschlossenen Pfaden von Laserbondlinien (2) mit Breite w und einem Abstand H zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Laserbondlinien (2) von mindestens der Breite w um den Funktionsbereich (20) herum angeordnet wird, wobei die Anzahl N bestimmt wird als die kleinste Anzahl N, für die die Gesamtlänge Lges aller Laserbondlinien (2) gebildet aus der Anzahl N multipliziert der Länge einer Umrisslinie, welche den Funktionsbereich (20) begrenzt, größer ist als die Mindestlänge Lmin. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand H zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Laserbondlinien (2) mit der Breite w im Bereich von 1 w bis 5 w, bevorzugt im Bereich von 1 ,01 w bis 2,5 w und besonders bevorzugt im Bereich von 1 ,05 w bis 2 w gewählt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächenbreite B im Bereich von 100 bis 1000 pm gewählt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite w der Laserbondlinien (2) im Bereich von 20 pm bis 75 pm bevorzugt im Bereich von 30 pm bis 60 pm gewählt wird. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft pro Laserbondlinienlänge P empirisch bestimmt wird, indem mehrere Probekörper hergestellt werden, bei denen ein erstes Substrat (3) aus einem Abdecksubstratmaterial mit einem zweiten Substrat (4) aus einem Basissubstratmaterial mit Laserbondlinien (2) verbunden werden, wobei die Gesamtlänge Lges der Laserbondlinien bei den Probekörpern gleich gewählt ist, die Scherkraftbeständigkeit der Probekörper bestimmt wird indem eine ansteigende Scherkraft auf die Verbindung des ersten (3) und zweiten Substrats (4) aufgebracht wird, die Kraft bestimmt wird, bei der die Verbindung zerstört wird und eine Versagenswahrscheinlichkeitsverteilung ausgewertet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei, wobei die minimale Scherkraft Fmin derart vorgeben wird, dass bei Herstellung mehrerer Probekörper, bei denen ein erstes Substrat (3) aus einem Abdecksubstratmatenal mit einem zweiten Substrat (4) aus einem Basissubstratmatenal mit Laserbondlinien (2) so verbunden werden dass diese für eine minimale Scherkraft Fmin ausgelegt sind und beim Aufbringen dieser minimalen Scherkraft Fmin mehr als 50%, bevorzugt mehr als 75%, besonders bevorzugt mehr als 90%, am meisten bevorzugt 95% der Probekörper nicht entlang der Kontaktfläche durch Versagen der Schweißverbindung zerbrechen, sondern an anderen Stellen zerbrechen, insbesondere an einer Kante eines oder mehrerer der Substrate (3, 4). Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) umfassend ein Basissubstrat (10), welches einen Funktionsbereich (20) aufweist, und ein Abdecksubstrat (14), welches mit dem Basissubstrat (10) in Kontakt steht und den Funktionsbereich (20) überdeckt, wobei das Basissubstrat (10) und das Abdecksubstrat (14) über zumindest eine Laserbondlinie (2) direkt hermetisch dicht miteinander verbunden sind und wobei der Funktionsbereich (20) hermetisch im Inneren der gebildeten Umhäusung (1 ) eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis J=A/AW gebildet aus einer Kontaktfläche A, an der das Basissubstrat (10) und das Abdecksubstrat (14) sich berühren können, und einer von der zumindest einen Laserbondlinie (2) mit einer Breite w über- strichenen Laserbondfläche Aw an der Oberfläche des Interfaces zwischen Basissubstrat (10) und Abdecksubstrat (14) im Bereich von 1 bis 10 liegt, wobei eine Kontaktflächenbreite B, gemessen in der Ebene der zum Abdecksubstrat (14) weisenden Stirnseite (16) des Basissubstrats (10) als kürzeste Strecke zwischen dem Funktionsbereich (20) und dem äußeren der Um- häusung (1 ), im Bereich von 100 pm bis 1000 pm, liegt. Umhäusung (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von der zumindest einen Laserbondlinie (2) überstrichene Fläche Aw so gewählt ist, dass die Verbindung zwischen Abdecksubstrat (10) und Basissubstrat (14) eine Versagensscherkraft im Bereich von 10 N bis 1000 N, bevorzugt 50 N bis 500 N, besonders bevorzugt im Bereich von 100 N bis 400 N aufweist. Umhäusung (1 ) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtlänge Lges der Laserbondlinien (2) gemäß einem Auslegungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gewählt ist. Umhäusung (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als eine Laserbondlinie (2) vorhanden ist, wobei die Laserbondlinien (2) eine Breite w aufweisen und ein Abstand H zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Laserbondlinien (2) im Bereich von 1 w bis 5 w, bevorzugt im Bereich von 1 ,01 w bis 2,5 w und besonders bevorzugt im Bereich von 1 ,05 w bis 2 w gewählt ist. Umhäusung (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abdecksubstrat (14) als transparentes Dünnschichtsubstrat ausgebildet ist, wobei das Abdecksubstrat (14) eine Dicke von weniger als 200 pm, bevorzugt von weniger als 170 pm, besonders bevorzugt weniger als 125 pm aufweist und bevorzugt eine Dicke größer als 10 pm besonders bevorzugt größer als 20 pm aufweist. Umhäusung (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdecksubstrat (14) und das Basissubstrat (10) an der Kontaktfläche Ai direkt aneinandergrenzen, so dass die Verbindung in der mit der zumindest einen Laserbondlinie (2) überstrichenen Laserbondfläche Aw frei von Fremdwerkstoffen ist, insbesondere frei ist von Verbindungsmatenalien wie Kleber oder Glasfritte oder einer absorbierenden Schicht. Umhäusung (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Basissubstrat (10) ein flächiges Bodensubstrat (11 ) aufweist, welches die Bodenfläche eines als Kavität (21 ) ausgestalteten Funktionsbereichs (20) ausbildet, und ein Zwischensubstrat (12) aufweist, welches die Seitenwände der Kavität (21 ) mit einer zum Abdecksubstrat (14) weisenden Stirnfläche ausbildet, und dass das Bodensubstrat (11 ) und das Zwischensubstrat (12) über zumindest eine Laserbondlinie (2) hermetisch dicht mit einander verbunden sind oder dass in dem Basissubstrat (10) ein Funktionsbereich (20) in Form einer Vertiefung mit einer Bodenfläche und Seitenwänden ausgebildet ist, die zusammen mit dem Abdecksubstrat (14) als Deckelfläche eine Kavität (21 ) bildet. Umhäusung (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei das Abdecksubstrat (14) und/oder das Basissubstrat (10) aus Glas, Glaskeramik, Silizium, Saphir oder einer Kombination der vorgenannten Materialien besteht. Umhäusung (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite w der Laserbondlinien (2) im Bereich von 20pm bis 75pm bevorzugt 30 pm bis 60 pm liegt und/oder dass die Breite w aller Laserbondlinien (2) über die Gesamtlänge Lges der Laserbondlinien (2) um höchstens 30% variiert, bevorzugt höchstens 20%, besonders bevorzugt höchstens 10%. Sensoreinheit und/oder medizinisches Implantat umfassend eine Umhäusung (1 ) nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 16 oder erhalten nach Auslegung über ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
EP23736276.9A 2022-07-04 2023-06-28 HERMETISCH VERSCHLOSSENE UMHÄUSUNG UND VERFAHREN ZUR AUSLEGUNG DER SCHWEIßVERBINDUNG FÜR EINE SOLCHE UMHÄUSUNG Pending EP4551353A1 (de)

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