DE102018111898A1 - Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement sowie Verfahren zu dessen Herstellung und Deckel für ein Gehäuse - Google Patents

Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement sowie Verfahren zu dessen Herstellung und Deckel für ein Gehäuse Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Zur Herstellung eines Deckels für das Gehäuse wird ein Infrarotstrahlung-durchlässiges Material verwendet, in welches zumindest ein Glasfenster eingebracht wird.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Gehäuse sowie einen Deckel für ein Gehäuse für elektronische Bauelemente, insbesondere für optoelektronische Bauelemente.
  • Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für elektronische Bauelemente.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Gehäuse für optische Bauelemente, insbesondere für optoelektronische Bauelemente, sind bekannt. Es handelt sich dabei insbesondere um hermetisch abgedichtete Gehäuse, welche Fenster aufweisen, durch die elektromagnetische Strahlung in das Gehäuse eintreten oder aus dem Gehäuse austreten kann.
  • Insbesondere im Bereich der optischen Sensorik sind derartige Gehäuse bekannt. Es gibt dabei Fenster, die im UV-Bereich, die im sichtbaren Wellenlängenbereich sowie die im Infrarotbereich transparent sind.
  • Als vielseitig einsetzbares Material für ein derartiges Fenster bietet sich Quarzglas an. Quarzglas hat allerdings eine sehr niedrige thermische Längenausdehnung und lässt sich daher schlecht mit den meisten anderen, für derartige Gehäuse verwendeten Materialien wie Silizium verbinden.
  • Das Dokument US 9,564,569 B1 zeigt ein hermetisch verschlossenes Gehäuse, bei welchem mehrere Fenster separat auf einen Grundkörper aufgebracht sind. So lässt sich ein Gehäuse bereitstellen, welches sowohl ein Infrarotstrahlung-durchlässiges Fenster als auch ein Fenster aufweist, das in einem anderen Wellenlängenbereich durchlässig ist.
  • Nachteilig an der Konstruktion dieses Gehäuses ist allerdings die aufwendige Herstellung. So sind zum Einbringen der verschiedenen Fenster mehrere Handlings-Schritte erforderlich. Weiter muss der Gehäusegrundkörper einen durchgehenden Mittelsteg aufweisen, um für beide Fenster eine umlaufende und geschlossene Abdichtkante zu bilden.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse für ein elektronisches Bauelement bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, bei welchem sich auf einfache Weise ein Gehäusedeckel mit sowohl einem Infrarotstrahlung-durchlässigen Bereich als auch mit einem Bereich, welcher für eine andere Wellenlänge durchlässig ist, bereitstellen lässt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch ein Gehäuse für zumindest ein elektronisches Bauelement, durch einen Deckel für ein Gehäuse sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses für ein elektronisches Bauelement nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind dem Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen.
  • Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für zumindest ein elektronisches Bauelement. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Gehäuse für ein optoelektronisches Bauelement.
  • Das Gehäuse kann insbesondere mit einem oder mehreren optoelektronischen Bauelementen, wie Sensoren, insbesondere UV-, IR- oder Fotodetektoren und/oder Leuchtdioden, ausgestattet sein.
  • Weiter betrifft die Erfindung auch ein Gehäuse, das einen Deckel umfasst, der mit einem Wafer verbunden ist, welcher in einem weiteren Schritt erst noch vereinzelt werden muss, also in einzelne Gehäuse mit elektronischen Bauelementen zerteilt werden muss.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gehäuse einen Deckel aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material.
  • Unter einem Infrarotstrahlung-durchlässigen Material wird vorzugsweise ein Material verstanden, welches zumindest in einem Wellenlängenbereich von 1,5 bis 5 µm eine mittlere Transmission von mehr als 20 %, vorzugsweise mehr als 40 %, aufweist.
  • Der Deckel besteht bei einer Ausführungsform der Erfindung aus Silizium. Silizium ist oberhalb einer Wellenlänge von 1 µm transparent und kann gut mit anderen Halbleiterbauelementen, insbesondere mit einem Wafer, der ebenfalls aus Silizium besteht, verbunden werden.
  • Weiter ist gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in dem Deckel aus Infrarotstrahlung-durchlässigem Material zumindest ein Glasfenster angeordnet.
  • Die Erfindung sieht insbesondere vor, dass der Deckel zum hermetischen Verschließen des Gehäuses gleichzeitig der Träger, insbesondere der Rahmen, für ein Glasfenster ist, welches in einem anderen Wellenlängenbereich als das Material des Deckels durchlässig ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein Gehäuse für zumindest ein elektronisches Bauelement, umfassend ein Basisteil mit einem Montagebereich für das elektronische Bauelement, vorgesehenen, wobei das Gehäuse einen Deckel aus Glas aufweist, wobei in dem Deckel aus Glas zumindest ein Fenster aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material angeordnet ist.
  • Diese Ausführungsform der Erfindung geht also den umgekehrten Weg wie die erste Ausführungsform der Erfindung und sieht einen Deckel aus Glas vor, in welchen ein Fenster aus einem Infrarotstrahlung durchlässigen Material eingesetzt ist.
  • Unter dem Glasfenster bzw. einem Abschnitt des Deckels aus Glas kann der Montagebereich für ein optoelektronisches Bauelement angeordnet sein, auf welches elektromagnetische Strahlung, die durch das Fenster eintritt, trifft und/oder welches elektromagnetische Strahlung durch das Glasfenster aussendet.
  • Ein Montagebereich für ein weiteres optoelektronisches Bauelement befindet sich dagegen unter dem Bereich des Deckels, welcher in diesem Bereich gleichzeitig als Fenster für Infrarotstrahlung dient, bzw. bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung unter dem Fenster aus einem Infrarotstrahlung durchlässigen Material.
  • So lässt sich in wenigen Verfahrensschritten und auf einfache Weise ein hermetisch verschlossenes Gehäuse, unter dessen Deckel sowohl ein Montagebereich für ein Infrarotstrahlung-empfindliches optoelektronisches Bauelement als auch ein Montagebereich für ein optoelektronisches Bauelement, welches für einen anderen Wellenlängenbereich vorgesehen ist, bereitstellen.
  • Die Montagebereiche können durch einen Steg, üben den sich der Deckel erstreckt, räumlich getrennt sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die beiden Montagebereiche aber in einem einzigen Raum des Gehäuses angeordnet sein. So kann z.B. auch ein einziger Sensor mit zwei verschiedenen Erfassungsbereichen für unterschiedliche Wellenlängen sich über die beiden Montagebereiche erstrecken.
  • Der Deckel ist vorzugsweise unmittelbar mit einem Basisteil bzw. Unterteil des Gehäuses verbunden.
  • Insbesondere ist das Glasfenster bzw. der Deckel aus Glas für UV-Strahlung und/oder sichtbares Licht durchlässig. Unter einer Durchlässigkeit für UV-Strahlung bzw. sichtbares Licht wird vorzugsweise eine mittlere Transmission im Bereich der UV-Strahlung bzw. im Bereich des sichtbaren Lichtes von im Mittel über 20 %, vorzugsweise über 40 %, verstanden.
  • Neben einer Verwendung von Silizium für das Material des Deckels bzw. des Infrarotstrahlung durchlässigen Fensters ist gemäß einer anderen Ausführungsform vorgesehen, Aluminiumoxid, insbesondere Saphir oder Germanium, zu verwenden.
  • Das Glasfenster bzw. der Deckel aus Glas besteht bei Verwendung von Silizium als Material für den Deckel vorzugsweise aus einem Glas mit einem mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α bei 20 bis 300 °C von 2 bis 5 ppm/K.
  • Vorzugsweise beträgt der thermische Längenausdehnungskoeffizient weniger als 4 ppm/K, besonders bevorzugt liegt der thermische Längenausdehnungskoeffizient unter 4 ppm/K.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht der Deckel aus Glas bzw. das Glasfenster aus einem Borosilikatglas. Dies ist insbesondere bei der Ausführungsform mit einem Deckel aus Glas vorteilhaft. Der Deckel kann dann auf sehr einfache Weise durch anionisches Bonden mit dem Basisteil und dem Fenster aus Infrarotstrahlung durchlässigem Material verbunden werden.
  • Der Deckel ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Deckel zur Ausbildung eines Gehäuses hermetisch dicht mit einem Unterteil verbunden. Das Unterteil umfasst vorzugsweise Ausnehmungen, die jeweils einen Montagebereich für zumindest ein elektronisches Bauelement bereitstellen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Glasfenster in den Deckel eingeschmolzen. Es ist insbesondere vorgesehen, dass zur Bereitstellung des Glasfensters ein Glaseinsatz auf eine Temperatur zumindest oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg erwärmt wird und so sich das Glas mit dem Material des Deckels verbindet.
  • Da das Glas in aller Regel einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Deckels hat, ergibt sich beim Abkühlen eine Spannung im Glas.
  • Diese Spannung hängt von der für das Einschmelzen erforderlichen Temperatur, vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des verwendeten Glasmaterials sowie des Materials des Deckels und von der Größe des Glasfensters ab.
  • Hierdurch ergibt sich beim Abkühlvorgang eine Längendifferenz zwischen dem Glasfenster und dem angrenzenden Bereich des Deckels, die in einer Druck- oder Zugspannung resultiert.
  • Näherungsweise wird davon ausgegangen, dass die Materialien in etwa bei 20 °C unterhalb der Glasübergangstemperatur fest miteinander verbunden sind, das Glas also nicht mehr weich ist. Die sich aufgrund der Abkühlung ergebende Längendifferenz von Glas und angrenzendem Deckelsubstrat lässt sich somit wie folgt bestimmen: Δ L L = ( T g − 20 ) ∗ ( C T E S i − C T E G l a s ) ,
    Figure DE102018111898A1_0001
    wobei L die Länge des Glasfensters in dessen Haupterstreckungsrichtung und ΔL die Differenzlänge bei Erwärmung beim Einschmelzen des Glasfensters ist. In diesem Beispiel bezieht sich CTESi auf den mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von Silizium und CTEGlas auf den mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Glases.
  • Für die Spannung Ϭg im Glas gilt näherungsweise σ g = − E ∗ ( Δ L L )
    Figure DE102018111898A1_0002
    wobei E das Elastizitätsmodul des verwendeten Glases ist.
  • Vorzugsweise wird Glas und Material des Deckels derart aufeinander abgestimmt, dass das Glasfenster bei 20 °C unter einer Spannung steht, die zwischen -100 MPa Druck- und +30 MPa Zugspannung, besonders bevorzugt zwischen -20 MPa Druck- und +10 MPa, Zugspannung liegt.
  • Dies lässt sich insbesondere durch Gläser erreichen, deren Ausdehnungskoeffizienten dem des verwendeten Deckelmaterials angepasst ist.
  • Es versteht sich, dass bei Gläsern mit einer niedrigen Glasübergangstemperatur Tg ein größerer Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zum Material des Deckels möglich ist, um den Bereich der genannten Zug- oder Druckspannung einzuhalten.
  • Insbesondere können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung Gläser mit einer Glasübergangstemperatur Tg von unter 600 °C verwendet werden.
  • Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Glas mit einem mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α bei 20 bis 300 °C von 3 bis 4 ppm/K und einer Glasübergangstemperatur Tg von 500 bis 600 °C verwendet werden.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein niedrigerschmelzendes Glas mit einer Glasübergangstemperatur Tg von 300 bis 500 °C verwendet, welches einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α bei 20 bis 300 °C von 4 bis 5 ppm/K aufweist.
  • Es können insbesondere die folgenden kommerziell erhältlichen Gläser verwendet werden:
    • Schott 8689, Schott 8347, Schott 8330, Schott 8487, Schott, 8341, Schott 8337, Schott G017-388, Schott G017-002 und Schott G017-339.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Deckel für ein Gehäuse für ein elektronisches Bauelement. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Deckel für ein vorstehend beschriebenes Gehäuse.
  • Der Deckel besteht aus einem Infrarotstrahlung-durchlässigen Material und weist ein Glasfenster auf, welches zumindest auch in einem anderen Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung transparent ist bzw. gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht der Deckel aus Glas und umfasst ein Fenster aus einem Infrarotstrahlung durchlässigem Material.
  • Der Deckel bzw. das Fenster aus Infrarotstrahlung durchlässigem Material besteht insbesondere aus Silizium und umfasst ein eingeschmolzenes, gebondetes oder verschweißtes Glas.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses für ein elektronisches Bauelement, insbesondere eines Gehäuses, wie es zuvor beschrieben wurde.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Deckel aus einem Infrarotstrahlung-durchlässigen Material, insbesondere aus Silizium, bereitgestellt und der Deckel wird mit einem Glasfenster versehen bzw. ein Deckel aus Glas mit einem Infrarotstrahlung durchlässigem Fenster versehen und sodann mit einem Basisteil, insbesondere mit einem Wafer, verbunden, um ein hermetisch verschlossenes Gehäuse bereitzustellen. Dabei befindet sich zumindest ein Montagebereich für ein elektronisches Bauelement unter dem Glasfenster bzw. einem Abschnitt des Deckels aus Glas und ein weiterer Montagebereich für ein elektronisches Bauelement unter einem nicht mit einem Glasfenster versehenen Bereich des Deckels bzw. unter dem Fenster aus Infrarotstrahlung durchlässigem Material. Das Material des Deckels selbst, welches seinerseits vorzugsweise unmittelbar mit dem Basisteil verbunden ist, bildet gemäß einer ersten Ausführungsform ein Infrarotstrahlung-durchlässiges Fenster über dem weiteren Montagebereich.
  • Es ist insbesondere vorgesehen, dass für den Deckel ein Substrat verwendet wird, in welches zumindest eine Öffnung zum Einsetzen des Glasfensters bzw. Fensters aus Infrarotstrahlung durchlässigem Material eingebracht wird.
  • Die Öffnung kann beispielsweise durch Ätzen, insbesondere Nassätzen oder reaktives Ionenätzen, durch mechanische Bearbeitung, wie Bohren, Schleifen, Läppen oder Sandstrahlen, eingebracht werden.
  • Je nach verwendetem Verfahren kann es sich dabei ergeben, dass die Seitenwände der Öffnung schräg sind.
  • Dies kann aber insbesondere beim Einschmelzen eines Glasfensters die mechanische Verbindung der Bauteile sogar verbessern.
  • Sodann, also nach dem Einbringen der Öffnung, wird das zumindest eine Glasfenster bzw. Fenster aus Infrarotstrahlung durchlässigem Material eingebracht.
  • Hierfür sind verschiedene Ausführungsvarianten vorgesehen.
  • Zum einen kann das Glas direkt eingeschmolzen werden.
  • Hierfür wird ein Glaseinsatz verwendet, welcher in die zuvor eingebrachte Öffnung des Substrats eingebracht wird.
  • Sodann wird das Substrat mit dem Glaseinsatz auf eine Temperatur oberhalb Tg des Glases erwärmt und das Glas verbindet sich dabei mit dem Substrat und bildet ein Fenster aus.
  • Aufgrund der Oberflächenspannung des Glases kann es dabei, wie es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, zur Bildung einer Linse, insbesondere einer Konvexlinse, kommen.
  • Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass so auf einfache Weise eine sehr stabile mechanische sowie auch hermetisch dichte Verbindung möglich ist.
  • Auf der anderen Seite ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung die Auswahl der verwendeten Gläser in Abhängigkeit von der Geometrie des Gehäuses dadurch eingeschränkt, dass die verwendeten Gläser zum einen einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats angepassten Ausdehnungskoeffizienten haben sollten und zum anderen eine hinreichend niedrige Glasübergangstemperatur haben müssen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass ein Lot verwendet wird, welcher bereits bei einer niedrigeren Temperatur als das Glasfenster weich wird oder schmilzt.
  • Hierdurch lässt sich das für das Glasfenster verwendete Material freier auswählen.
    Insbesondere können, wie es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, auch bereits vorgeformte optische Elemente, z.B. Linsen, Filter, diffraktive optische Elemente etc., als Fenster in den Deckel eingesetzt sein. Deren Form wird nicht durch das Aufschmelzen beim Verbinden definiert. Die vorgeformten optischen Elemente werden vorzugsweise eingelötet, gebondet oder verschweißt.
  • Weiter können niedrigschmelzende Lote, insbesondere Lote mit einer Glasübergangstemperatur von unter 350 °C, verwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Glaslot verwendet. Zum Löten dient also ein Glas, welches eine niedrigere Glasübergangstemperatur als das Material des Fensters hat.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Metalllot verwendet. Das Fenster wird, vorzugsweise zumindest abschnittsweise, metallisiert, insbesondere durch ein Abscheideverfahren, wird sodann in die Öffnung des Substrats eingesetzt und durch Schmelzen des Metalllots mit dem Substrat verbunden.
  • Vorstehend genannten Ausführungsformen ist gemeinsam, dass vorzugsweise die Glasfenster zumindest abschnittsweise in der Öffnung des Substrats angeordnet sind, also mit den Seitenwänden des Substrats verbunden sind.
  • Hierdurch lässt sich eine besonders flache Bauweise bereitstellen.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das zumindest eine Glasfenster bzw. Fenster aus Infrarotstrahlung durchlässigem Material gebondet, insbesondere anodisch gebondet oder verschweißt.
  • Vorzugsweise wird hierfür ein strukturierter Glaswafer verwendet.
  • Dieser kann beispielsweise mittels Laserstrahlung mit dem Substrat des Deckels verschweißt werden.
  • Hierzu wird vorzugsweise das Glas, insbesondere das Glasfenster, insbesondere der strukturierte Glaswafer, auf das Substrat derart aufgelegt, dass die Öffnungen des Substrats durch Glas überdeckt werden.
  • Sodann folgt eine Verbindung durch Verschweißen oder anodisches Bonden, wobei das Glas, insbesondere die Glasfenster mit einer Unterseite mit der Oberseite des Substrats verbunden werden. Die Verbindung erfolgt bei diesen Ausführungsformen der Erfindung also bevorzugt nicht an den Seitenwänden der Öffnungen, sondern an der Oberseite des Deckels.
  • Bei der Ausführungsform, bei welcher ein Deckel aus Glas verwendet wird, der mit einem Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster versehen wird, erfolgt vorzugsweise das Verbinden des Deckels aus Glas mit dem Basisteil und/oder mit dem Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster durch anionisches Bonden.
  • Vorzugsweise wird hierfür ein Deckel aus einem Borosilikatglas verwendet. Da dieses einen an den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Basisteils und des Infrarotstrahlung durchlässigen Fensters angepassten Ausdehnungskoeffizienten hat, lässt sich ein derartiges Gehäuse auf einfache Weise bereitstellen. Insbesondere weicht der thermische Längenausdehnungskoeffizient des Borosilikatglases maximal um +/- 0,5 ppm/K vom thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Materials des Basisteils und/oder des Infrarotstrahlung durchlässigen Fensters ab.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung soll im Folgenden bezugnehmend auf die Zeichnungen 1a bis 7c anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert werden.
    • Bezugnehmend auf die schematischen Schnittansichten gemäß 1a und 1b soll die Ausgestaltung eines gattungsbildeten Gehäuses für optoelektronische Bauelemente erläutert werden, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
    • Bezugnehmend auf 2a bis 2d soll ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden, bei welchem die Glasfenster in den Deckel eingeschmolzen werden.
    • 3a bis 3d zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Glasfenster mittels eines Lots mit dem Substrat des Deckels verbunden werden.
    • 4a bis 4d zeigt ein Verfahren, bei welchem ein strukturierter Glaswafer auf das Substrat aufgebracht wird und durch Schweißen oder anionisches Bonden verbunden wird.
    • 5a und 5b ist eine schematische Schnittansicht der Bestandteile eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Gehäuses mit optoelektronischen Bauelementen.
    • 6a und 6b zeigen eine weitere schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform eines Gehäuses mit optoelektronischen Bauelementen.
    • Bezugnehmend auf 7a bis 7c soll anhand einer schematischen Schnittansicht erläutert werden, wie eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauelementen im Waferverbund mit einem Deckel versehen und sodann vereinzelt werden.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • 1a und 1b zeigen anhand einer Schnittansicht, wie ein Gehäuse 11 für optoelektronische Bauelemente 16a, 16b nach dem Stand der Technik hergestellt wird.
  • Wie in 1a in einer Schnittansicht dargestellt ist, besteht das Gehäuse 11 aus einem Unterteil 12, auf welches zumindest ein Deckel 1 aufgebracht wird.
  • Das Unterteil 12 umfasst Ausnehmungen, die jeweils einen Montagebereich 15a, 15b für ein optoelektronisches Bauelement 16a, 16b bilden.
  • Um die Montagebereiche 15a, 15b mit einem hermetisch dichten Deckel 1 zu versehen, werden zwei Fenster 14a, 14b unmittelbar auf das Unterteil 12 aufgebracht, welches einen Rahmen für die Fenster 14a und 14b bildet. Der Deckel 1 wird also durch die Fenster 14a und 14b gebildet.
  • Wie in 1b dargestellt, werden die Fenster 14a, 14b mit dem Unterteil 12 verbunden, beispielsweise indem diese mittels eines Lots hermetisch dicht auf das Unterteil 12 aufgebracht werden.
  • Das Fenster 14a kann beispielsweise durchlässig für Infrarotstrahlung sein, so dass dementsprechend das optoelektronische Bauelement 16a beispielsweise ein Infrarotsensor ist. Der Sensor 14b kann dagegen beispielsweise für UV-Strahlung oder sichtbares Licht durchlässig sein, so dass das optoelektronische Bauelement 16b beispielsweise als LED oder als Fotozelle ausgebildet ist.
  • Das Aufbringen der Fenster 14a und 14b ist aufwendig, da diese als Einzelfenster auf einen Rahmen aufgebracht werden müssen, der in diesem Ausführungsbeispiel als Teil des Unterteils 12 des Gehäuses 11 ausgebildet ist.
  • Die Erfindung sieht daher vor, einen einzigen Deckel bereitzustellen, bei welchem das Material des Deckels selbst das Infrarotstrahlung-durchlässige Fenster bildet, wobei der Deckel ein Glasfenster aufweist, welches in einem anderen Wellenlängenbereich durchlässig ist.
  • 2a bis 2d zeigen die Verfahrensschritte des Einbringens der Glasfenster in einen solchen Deckel 1 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
  • Zunächst wird bei Bereitstellung eines Deckels 1 ein Substrat 2, insbesondere in Form eines Siliziumwafers, bereitgestellt (siehe 2a).
  • Sodann werden, wie in 2b dargestellt, Öffnungen 3, beispielsweise durch Ätzen oder mechanische Bearbeitung, in das Substrat 2 eingebracht.
  • Sodann werden, wie in 2c dargestellt, Glaseinsätze 4a, 4b in die Öffnungen 3 eingebracht.
  • Wie in 2d dargestellt, wird der Deckel 1 anschließend auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg erwärmt.
  • Das Glas der Glaseinsätze 4a und 4b wird weich und verbindet sich mit der Seitenwand der Öffnung 3 des Substrats 2, so dass eine hermetische Abdichtung entsteht. Es entstehen aus den Glaseinsätzen 4a, 4b eingeschmolzene Fenster 5a, 5b.
  • In Abhängigkeit von dem verwendeten Glas, dessen Volumen und dessen Oberflächenspannung sowie in Abhängigkeit von der Atmosphäre, in welcher die Erwärmung durchgeführt wird, kann sich, wie beim Fenster 5b dargestellt, eine Linse ausbilden.
  • Nunmehr ist unterhalb eines Bereichs 6 des Deckels 1 ein IR-durchlässiges Fenster vorhanden, welches durch den Deckel 6 gebildet ist. In dem Bereich 7 ist dagegen ein UV- und/oder für sichtbares Licht durchlässiges Fenster 5a vorhanden.
  • Unterhalb der Bereiche 6 und 7 können also Montagebereiche für unterschiedliche optoelektronische Bauelemente angeordnet sein.
  • Der Deckel 1 wird vorzugsweise nach dem Einbringen der Glasfenster 5a, 5b mit einem Basisteil, insbesondere mit einem Wafer, verbunden, auf welchem die elektronischen Bauelemente angeordnet sind.
  • Sodann kann der Wafer in einzelne Chips vereinzelt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Vereinzelung, also ein Durchtrennen des Wafers, innerhalb eines Bereichs des Deckels 1 erfolgt.
  • Es ist insbesondere gemäß der Erfindung auch vorgesehen, dass vereinzelte Bauelemente bereitgestellt werden, welche kein Glasfenster, sondern lediglich einen Deckel aufweisen, der für Infrarotstrahlung durchlässig ist.
  • Im Waferverbund bietet die Erfindung auch für derartige Ausführungsformen deutliche Kostenvorteile.
  • Bezugnehmend auf 3a bis 3d soll eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden.
  • Wie in 3a und 3b dargestellt, werden zunächst, wie bei vorstehend bezugnehmend auf 2a bis 2d beschriebenem Verfahren, Öffnungen 3 in das Substrat 2 des Deckels 1 eingebracht.
  • Im Unterschied zu dem bezugnehmend auf 2a bis 2d beschriebenen Verfahren werden, wie in 3c dargestellt, sodann Glasfenster 5a, 5b bereitgestellt werden, welche nicht durch Erweichen des Glases der Glasfenster 5a, 5b selbst, sondern durch Verwendung eines Lots, insbesondere eines Lotglases 10a, 10b, mit dem Substrat 2 verbunden werden.
  • Bei den Fenstern 5a, 5b kann es sich sowohl um plattenförmige Fenster als auch um optische Bauelemente handeln, welche beispielsweise als Linse ausgeführt sind, wie dies beim Glasfenster 5b durch die runde Form symbolisiert ist.
  • Mittels Erwärmen des Glaslots 10a, 10b werden die Glasfenster 5a, 5b mit dem Substrat 2 verbunden, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Fenster 5a, 5b aus dem Substrat herausragen und das Glaslot 10a, 10b um den herausragenden Bereich herum angeordnet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann beispielsweise das Glaslot 10a, 10b aber auch als Hülse in die Öffnung 3 eingesetzt werden und so die Seitenwände der Glasfenster 5a, 5a mit den Seitenwänden der Öffnung 3 verbinden (nicht dargestellt).
  • 4a bis 4b zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Substrat 2, insbesondere in Form eines Siliziumwafers, bereitgestellt wird, in welches wiederum Öffnungen 3 eingebracht werden.
  • Weiter wird ein Glassubstrat 8, insbesondere ein Glaswafer, bereitgestellt, welcher, wie in 4b dargestellt, strukturiert wird, wobei offene Bereiche 9 und geschlossene Bereiche, die die späteren Glasfenster 5a, 5b bilden, entstehen.
  • Wie in 4c dargestellt, wird das Glassubstrat 8 derart auf das Substrat 2 des Deckels 1 aufgesetzt, dass die Glasfenster 5a, 5b die Öffnungen 3 überdecken.
  • Sodann werden die Glasfenster 5a, 5b mit dem Substrat 2 verbunden.
  • Dies kann durch Verschweißen, insbesondere mittels Laserstrahlung, erfolgen. Insbesondere können Glassubstrat 8 und Substrat 2 des Deckels aufeinandergepresst werden und mit einem fokussierten Laser kann das Material sowohl des Substrats 2 als auch der Glasfenster 5 randseitig zu den Öffnungen 3 erwärmt werden, dass es zu einer Verschweißung kommt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann in dem in 4d dargestellten Schritt eine Verbindung mittels anionischem Bonden erfolgen. Dabei wird bei einer hohen Temperatur, typischerweise von über 350°C, eine Spannung zwischen den beiden Hälften eines Werkzeugs angelegt werden, welches den Verbund aus Glassubstrat 8 und Substrat 2 des Deckels einspannt. Es kann dabei insbesondere ein alkalihaltiges Glas verwendet werden. Durch Ladungszonen aufgrund einer Ionenwanderung an den Grenzflächen bilden sich Siliziumsauerstoffbrücken, die zu einer Verbindung von Glassubstrat 8 und Substrat 2 führen.
  • Wie bei den anderen Ausführungsformen auch bildet ein Bereich des Substrats 2 für den Deckel 1 selbst einen Infrarotstrahlung-durchlässigen Bereich 6, wohingegen durch ein Glasfenster 5a ein Montagebereich gebildet wird, über welchem der Deckel 1 in einem anderen Wellenlängenbereich durchlässig ist.
  • Bezugnehmend auf die schematischen Schnittansichten gemäß 5a und 5b wird erläutert, wie ein erfindungsgemäßes Gehäuse 11 mit einem Deckel 1 ausgebildet ist.
  • Wie in 5a dargestellt, besteht bei diesem Ausführungsbeispiel das Gehäuse 11 aus einem Basisteil bzw. Unterteil 12 und dem Deckel 1.
  • Der Deckel 1 ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet und umfasst, wie vorstehend beschrieben, ein Substrat aus einem Infrarotstrahlung-durchlässigen Material.
  • Weiter umfasst der Deckel 1 ein vorzugsweise eingeschmolzenes Fenster 5a, welches in einem anderen Wellenlängenbereich durchlässig ist.
  • Das Unterteil 12 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel Ausnehmungen 15a, 15b, welche jeweils einen Montagebereich 13a, 13b für zumindest ein optoelektronisches Bauelement 16a, 16b bilden.
  • Das Unterteil 12 kann Durchführungen und/oder Leiterbahnen (nicht dargestellt) für die optoelektronischen Bauelemente 16a, 16b umfassen.
  • Das Unterteil 12 kann beispielsweise aus Silizium oder aus Keramik ausgebildet sein.
  • In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Unterteil 12 zumindest einen Steg 17, welcher die Montagebereiche 13a und 13b voneinander trennt.
  • Der Steg 17 dient gleichzeitig als Auflagefläche für den Deckel 1.
  • Die Montagebereiche 13a, 13b haben vorzugsweise in der Draufsicht eine Fläche von 4 mm2 bis 10 cm2.
  • Wie in 5b dargestellt, wird der Deckel 1 mit dem Unterteil 12 verbunden, um so einen hermetischen dichten Montagebereich 13a, 13b zu bilden.
  • Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines Glas- oder Metalllots erfolgen.
  • Das Fenster 5a wird vorzugsweise vor dem Verbinden des Deckels 1 mit dem Unterteil 12 in das Substrat des Deckels 1 eingebracht.
  • Das Material des Deckels selbst ist durchlässig für Infrarotstrahlung, so dass der Bereich 6 ein Fenster für das Hineintreten oder Hinaustreten von Infrarotstrahlung für das optoelektronische Bauelement 16a bildet.
  • Das Fenster 5a bildet dagegen einen Bereich 7, welcher als Fenster beispielsweise für UV-Strahlung oder sichtbares Licht bildet. Dementsprechend empfängt das optoelektronische Bauelement 16b entweder UV-Strahlung und/oder Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich und/oder sendet diese aus.
  • 6a und 6b zeigen eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei welcher im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 5a und 5b das Fenster 5b, welches einen Bereich 7 bildet, der für UV-Strahlung oder sichtbares Licht durchlässig ist, als Linse ausgebildet ist.
  • Die Bereitstellung eines derartigen Fensters 5b, welches als Linse ausgebildet ist, kann, wie bezugnehmend auf 2a bis 2d bereits beschrieben wurde, durch Einschmelzen eines Glaseinsatzes erfolgen, welcher aufgrund seiner Oberflächenspannung eine Linse ausbildet.
  • Bezugnehmend auf 7a bis 7c wird die Herstellung einer Mehrzahl von Gehäusen 11 beschrieben, welche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Waferverbund erfolgt.
  • Wie in 7a dargestellt, wird hierfür ein Wafer 18, insbesondere ein Silizium- oder Keramikwafer, verwendet, welcher eine Vielzahl von Ausnehmungen aufweist, die jeweils einen Montagebereich 13a und 13b bilden.
  • In diese Ausnehmungen wird vor Aufbringen des Deckels 1 jeweils ein optoelektronisches Bauelement 16a, 16b eingebracht, welches beispielsweise über hier nicht dargestellte Durchführungen des Wafers 18 kontaktiert ist.
  • Der Deckel 1 umfasst eine Mehrzahl von Fenstern 5a, welche, wie vorstehend beschrieben, für einen anderen Wellenlängenbereich durchlässig sind, als das Material des Deckels 1 selbst.
  • Der Deckel 1 ist derart groß, dass er die Fläche mehrerer Gehäuse 11 einnimmt. Vorzugsweise wird für einen einzigen Wafer 18 ein einziger Deckel 1 verwendet.
  • Wie in 7b dargestellt, wird der Wafer 18, welcher gleichzeitig das Unterteil der Gehäuse 11 bildet, mit dem Deckel 1 verbunden.
  • Sodann wird, wie in 7c dargestellt, der Wafer 18 in eine Mehrzahl von Gehäusen 11 vereinzelt, indem dieser entlang der Wände 19 durchtrennt wird.
  • In diesem Ausführungsbeispiel hat sodann jedes Gehäuse 11 einen Deckel 1, welcher einen für Infrarotstrahlung durchlässigen Bereich 6 aufweist, sowie einen weiteren Bereich 7, welcher durch das Fenster 5a gebildet wird und welcher für eine andere Wellenlänge durchlässig ist.
  • Durch die Herstellung im Waferverbund, wie sie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, können auf einfache Weise Gehäuse mit optoelektronischen Bauelementen bereitgestellt werden, welche einen Montagebereich für ein UV-selektives optoelektronisches Bauelement und/oder ein in einem anderen Wellenlängenbereich selektives optoelektronisches Bauelement aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren, zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht der Deckel 1 aus Glas, wobei das Fenster 5a/5b aus einem Infrarotstrahlung durchlässigem Material besteht. Mit Ausnahme der Ausgestaltung der Fenster als eingeschmolzene Linsen kann das Gehäuse 11, insbesondere der Deckel 1, ansonsten wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein und/oder hergestellt werden.
  • Bei dieser Ausführungsform der Erfindung besteht der Deckel 1 vorzugsweise aus einem Borosilikatglas und ist durch anionisches Bonden mit dem Basisteil/Unterteil 12 sowie mit dem Fenster 5a/5b verbunden.
  • Durch die Erfindung konnte ferner auf vereinfachte Weise ein hermetisch verschlossenes Gehäuse mit einem sowohl Infrarotstrahlung-durchlässigen Bereich als auch mit einem Glasfenster, das elektromagnetische Strahlung in einem anderen Wellenlängenbereich durchlässt, bereitgestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Deckel
    2
    Substrat
    3
    Öffnung
    4a, 4b
    Glaseinsatz
    5a, 5b
    Fenster
    6
    Infrarotstrahlung-durchlässiges Fenster
    7
    Fenster für UV-Strahlung und/oder sichtbares Licht
    8
    Glassubstrat
    9
    offener Bereich
    10a, 10b
    Lotglas
    11
    Gehäuse
    12
    Basisteil/Unterteil
    13a, 13b
    Montagebereich
    14a, 14b
    Fenster
    15a, 15b
    Ausnehmung
    16a, 16b
    optoelektronisches Bauelement
    17
    Steg
    18
    Wafer
    19
    Wand
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 9564569 B1 [0006]

Claims (15)

  1. Gehäuse für zumindest ein elektronisches Bauelement, umfassend ein Basisteil mit einem Montagebereich für das elektronische Bauelement, wobei das Gehäuse einen Deckel aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material aufweist, wobei in dem Deckel aus Infrarotstrahlung durchlässigem Material zumindest ein Glasfenster angeordnet ist.
  2. Gehäuse für zumindest ein elektronisches Bauelement, umfassend ein Basisteil mit einem Montagebereich für das elektronische Bauelement, wobei das Gehäuse einen Deckel aus Glas aufweist, wobei in dem Deckel aus Glas zumindest ein Fenster aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material angeordnet ist.
  3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfenster oder der Deckel aus Glas für UV-Strahlung und/oder sichtbares Licht durchlässig ist.
  4. Gehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel oder das Fenster aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material aus Silizium, Aluminiumoxid, insbesondere Saphir, oder aus Germanium besteht.
  5. Gehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfenster oder der Deckel aus Glas aus einem Glas mit einem mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α bei 20 bis 300 °C von 2 bis 5 ppm/K, bevorzugt von 3 bis 5 ppm/K, besonders bevorzugt von unter 4 ppm/K besteht.
  6. Gehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glasfenster (bei 20 °C) unter einer Spannung steht, die zwischen -100 MPa Druck- und +30 MPa Zugspannung, vorzugsweise zwischen -20 MPa Druck- und +10 MPa Zugspannung liegt.
  7. Gehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfenster oder der Deckel aus Glas aus einem Glas mit einer Glasübergangstemperatur Tg von unter 600 °C, insbesondere aus einem Glas mit einem mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α bei 20 bis 300 °C von 3 bis 4 und einer Glasübergangstemperatur Tg von 500 bis 600 °C oder einem Glas mit einem mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α bei 20 bis 300 °C von 4 bis 5 und einer Glasübergangstemperatur Tg von 300 bis 500 °C besteht.
  8. Gehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glasfenster in den Deckel eingeschmolzen ist.
  9. Gehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen ersten Montagebereich, welcher unter einem Abschnitt des Deckels aus Infrarotstrahlung durchlässigem Material oder unter dem Fenster aus Infrarotstrahlung durchlässigem Material angeordnet ist, sowie einen zweiten Montagebereich aufweist, welcher unter dem Glasfenster oder dem Abschnitts des Deckels aus Glas angeordnet ist.
  10. Gehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfenster oder der Deckel aus Glas aus Borosilikatglas besteht.
  11. Deckel für ein Gehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Deckel auf einem Infrarotstrahlung durchlässigen Material besteht und ein Glasfenster aufweist oder dass der Deckel aus Glas besteht und ein Fenster aus Infrarotstrahlung durchlässigem Material aufweist.
  12. Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses für ein elektronisches Bauelement, insbesondere eines Gehäuses nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Deckel aus einem Infrarotstrahlung durchlässigen Material mit einem Glasfenster versehen wird und mit einem Basisteil verbunden wird oder wobei ein Deckel aus Glas mit einem Fenster aus einem Infrarotstrahlung durchlässigem Material versehen und mit einem Basisteil verbunden wird.
  13. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Basisteil ein Wafer verwendet wird, wobei der Wafer nach dem Verbinden des Deckels mit dem Basisteil vereinzelt wird, wobei eine Trennlinie beim Vereinzeln das Gehäuse in ein erstes Gehäuse mit einem Infrarot Strahlung durchlässigen Fenster und ein zweites Gehäuse mit einem Glasfenster oder ein erstes Gehäuse mit einem Deckel aus Glas und ein zweites Gehäuse mit einem Deckel aus Glas mit einem Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster unterteilt.
  14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glasfenster in den Deckel eingeschmolzen, mit einem Lotglas eingelötet, anodisch gebondet oder eingeschweißt wird.
  15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckel aus Glas durch anionisches Bonden mit dem Basisteil und/oder mit einem Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster verbunden wird.
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