DE102018130578A1

DE102018130578A1 - Laservorrichtung und verfahren zur herstellung einer laservorrichtung

Info

Publication number: DE102018130578A1
Application number: DE102018130578.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Sorg
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-04

Abstract

Eine Laservorrichtung (10) umfasst ein hermetisches Gehäuse (11), das einen Innenraum (12) aufweist und zumindest teilweise aus Leiterplattenmaterial gefertigt ist, ein Laserelement (13), das in dem Innenraum (12) angeordnet ist, und mindestens eine anorganische Schicht (35), die den Innenraum (12) von dem Leiterplattenmaterial hermetisch abschirmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung.
Laser, insbesondere Leistungslaser (englisch: power laser), die kurzwelliges Licht wie etwa grünes oder blaues Licht emittieren, müssen derzeit kostenintensiv gekapselt werden. Um langfristig einen stabilen Betrieb gewährleisten zu können, müssen die Laserelemente in einer sauberen Atmosphäre betrieben werden. Der Grund hierfür ist, dass insbesondere bei kurzwellige Strahlung emittierenden Halbleiterlasern an der Facette hohe Feldstärken in Verbindung mit einer großen Strahldivergenz auftreten. Dadurch werden Partikel und auch Moleküle aus der Umgebung zur Facette transportiert. Durch die hohen Energiedichten im Bereich der Laserfacette kann es an der Facette zur Zersetzung und Ablagerung bzw. Anlagerung von Partikeln und Zersetzungsprodukten kommen. Sofern die Reaktionsprodukte nicht perfekt transparent sind, kommt es zu einer Wechselwirkung mit der emittierten Strahlung, die wiederum zu einer zusätzlichen Erwärmung im Bereich der Facette führt. Durch den oben beschriebenen Zusammenhang kann es zu selbstverstärkenden Effekten kommen, die letztendlich zu einer Zerstörung des Lasers führen können (COD, catastrophic optical damage).
Selbst wenn die Ablagerungen perfekt transparent sind, können diese die Charakteristik der Facettenverspiegelung verändern, was wiederum eine unerwünschte Verstimmung des Resonators zur Folge hat.
Um die oben beschriebenen Effekte zu umgehen, werden kurzwellige Strahlung emittierende Halbeiterlaser in hermetische Gehäuse, auch Packages genannt, eingebaut. Hermetisch bedeutet, dass die Gehäuse so dicht verschlossen sind, dass keine Partikel oder Moleküle, die eine Beeinträchtigung oder Zerstörung des Lasers verursachen könnten, von außen in das Gehäuse eindringen können.
Herkömmliche Lasergehäuse erfüllen die Anforderungen an Hermetizität, jedoch sind die verfügbaren Lösungen aufwendig in der Herstellung und wenig geeignet für die weitere Miniaturisierung und Integration.
Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Laservorrichtung mit einem hermetischen Gehäuse und einem in das Gehäuse integrierten Laserelement zu schaffen, wobei sich die Laservorrichtung insbesondere kostengünstig herstellen lässt und für die weitere Miniaturisierung und Integration geeignet ist. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung angegeben werden.
Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Laservorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterhin wird eine Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Laservorrichtung gemäß einer Ausgestaltung umfasst ein hermetisches bzw. hermetisch gekapseltes bzw. hermetisch abgeschlossenes Gehäuse, das einen Innenraum bzw. eine Kavität aufweist und zumindest teilweise aus Leiterplattenmaterial gefertigt ist. In dem Innenraum des Gehäuses ist mindestens ein Laserelement angeordnet. Ferner umfasst die Laservorrichtung mindestens eine anorganische Schicht, die den Innenraum von dem Leiterplattenmaterial hermetisch abschirmt.
Eine Leiterplatte, auch PCB (englisch: printed circuit board), Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung genannt, ist ein Träger für elektronische Bauteile. Sie dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung. Leiterplatten bestehen aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden, elektrisch leitenden Verbindungen, sogenannten Leiterbahnen. Als elektrisch isolierendes Material wird häufig faserverstärkter Kunststoff verwendet. Beispielsweise kann das elektrisch isolierende Material aus Glasfasern, die in ein Epoxid- oder Silikonharz eingebettet sind, bestehen. Die Leiterbahnen einer Leiterplatte werden zumeist aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt.
Die wesentlichen Nachteile herkömmlicher Leiterplattentechnik sind die organischen Ausgasungen aus dem Leiterplattenmaterial und die fehlende Hermizität. Um diese Nachteile zu beheben, schlägt die Erfindung vor, den Innenraum des Gehäuses, in dem sich das Laserelement befindet, von dem Leiterplattenmaterial durch die mindestens eine anorganische Schicht hermetisch abzuschirmen.
Die mindestens eine anorganische Schicht kann Oberflächen des Leiterplattenmaterials und gegebenenfalls Oberflächen anderer Komponenten der Laservorrichtung derart bedecken, dass kein Leiterplattenmaterial mit dem Innenraum bzw. der Atmosphäre in dem Innenraum in Kontakt steht und außerdem gewährleistet ist, dass kein organisches oder teilorganisches Material aus dem Leiterplattenmaterial in den Innenraum gelangen kann oder höchstens so viel organisches oder teilorganisches Material aus dem Leiterplattenmaterial in den Innenraum gelangen kann, dass dadurch die Funktionalität oder die Integrität des Laserelements nicht beeinträchtigt wird. In anderen Worten wird das Leiterplattenmaterial durch die mindestens eine anorganische Schicht bezogen auf den Innenraum des Gehäuses hermetisch gekapselt.
Die hermetische Abschirmung (bzw. Kapselung) des Leiterplattenmaterials von dem Innenraum des Gehäuses durch die mindestens eine anorganische Schicht sollte derart ausgebildet sein, dass maximal so viel gasförmige organische oder teilorganische Stoffe aus dem Leiterplattenmaterial in den Innenraum gelangen, dass das Laserelement nicht beschädigt oder beeinträchtigt wird. Beispielsweise kann die Leckrate (englisch: leak rate) der gasförmigen organischen oder teilorganischen Stoffe aus dem Leiterplattenmaterial durch die mindestens eine anorganische Schicht in den Innenraum des Gehäuses höchstens 10^-4 mbar * l/s oder höchstens 10^-5 mbar * l/s oder höchstens 10^-6 mbar * l/s oder höchstens 10^-7 mbar * l/s oder höchstens 10^-8 mbar * l/s oder höchstens 10^-9 mbar * l/s betragen. Der Grenzwert hängt beispielsweise von den in der Leiterplatte enthaltenen organischen bzw. teilorganischen Stoffen sowie dem verwendeten Lasertyp ab und kann experimentell bestimmt werden.
Die Leiterplattentechnik bietet vergleichsweise geringe Materialkosten und außerdem attraktive Herstellungskosten durch die Möglichkeit, Prozesse zu parallelisieren (englisch: batch processing). Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, durch 3D-Verschaltung und Embedding von Komponenten ein hohes Maß an Integration und Miniaturisierung zu erreichen.
Weiterhin kann mittels der mindestens einen anorganischen Schicht das Laserelement zum Schutz der Facette hermetisch gekapselt und verhindert werden, dass gasförmige organische oder teilorganische Stoffe aus dem Leiterplattenmaterial freigesetzt werden und in den Innenraum gelangen, wo sich die Stoffe potentiell an der Laserfacette ablagern könnten.
Ferner ermöglicht es die Laservorrichtung, die Atmosphäre in dem Innenraum des Gehäuses, in dem das Laserelement betrieben wird, gezielt einzustellen. Beispielsweise kann der Innenraum mit Trockenluft gefüllt und/oder der Sauerstoff-Partialdruck kann gezielt eingestellt werden. Optional ist auch der Einsatz von Gettern möglich.
Die Laservorrichtung kann beispielsweise in AR (englisch: augmented reality, erweiterte Realität)-Datenbrillen, intelligenten Datenbrillen (englisch: smart glass), die Informationen in das Brillenglas oder direkt auf die Retina projizieren, Blitzlichtern insbesondere von Mobilfunkgeräten, Scheinwerfern oder anderen in Fahrzeugen eingesetzten Beleuchtungsmitteln oder kompakten Projektionsgeräten eingesetzt werden.
Das Laserelement kann als Halbleiterlaser bzw. Laserdiode ausgebildet sein. Weiterhin kann das Laserelement als Halbleiterchip realisiert sein.
Insbesondere kann mindestens ein in das Gehäuse integriertes Laserelement kurzwellige Laserstrahlung emittieren, wobei die Wellenlänge der Laserstrahlung nicht mehr als 570 nm beträgt. Beispielsweise kann das mindestens eine Laserelement dazu ausgelegt sein, grünes, blaues oder violettes Licht oder Ultraviolett (UV)-Strahlung zu emittieren. Es kann aber durchaus vorgesehen sein, dass mehrere Laserelemente in das Gehäuse integriert sind und eines oder mehrere dieser Laserelemente Licht mit einer Wellenlänge größer als 570 nm emittieren. Beispielsweise kann die Laservorrichtung als sogenanntes RGB-Package mit drei Laserelementen, die rotes, grünes und blaues Licht emittieren, ausgeführt sein. In diesem Fall weist die Laserstrahlung des rotes Licht emittierenden Laserelements eine Wellenlänge von über 570 nm auf.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Gehäuse eine Leiterplatte als Bodenplatte auf. Die Leiterplatte kann als Montage- und/oder Anschlussebene genutzt werden, um die Laservorrichtung zu montieren und mit einer anderen Vorrichtung oder einem System elektrisch zu koppeln. Durch die Verwendung der Leiterplatte als Bodenplatte kann die Laservorrichtung in einfacher Weise in eine Applikation, beispielsweise als SMT (englisch: surfacemount technology, Oberflächenmontage)-Bauteil, integriert werden. Die Leiterplatte sollte zum Innenraum des Gehäuses hin durch die mindestens eine anorganische Schicht gekapselt sein, so dass keine gasförmigen organischen oder teilorganischen Stoffe aus dem Leiterplattenmaterial freigesetzt und in den Innenraum gelangen können.
In die Leiterplatte kann ein Einsatzteil bzw. Insert integriert bzw. eingefügt sein, auf dem das Laserelement angeordnet ist. Das Laserelement muss jedoch nicht direkt auf dem Einsatzteil platziert sein, es können sich durchaus eine oder mehrere Komponente(n) zwischen dem Einsatzteil und dem Laserelement befinden.
Das Einsatzteil ist aus einem anorganischen Material gefertigt und insbesondere derart ausgeführt, dass keine gasförmigen organischen oder teilorganischen Stoffe aus dem Einsatzteil freigesetzt werden und in den Innenraum gelangen können. Das Einsatzteil erfüllt die Anforderungen bezüglich Hermizität, so dass keine Partikel oder Moleküle, die eine Beeinträchtigung oder Zerstörung des Lasers verursachen könnten, von außen durch das Einsatzteil in den Innenraum des Gehäuses eindringen können. Insbesondere besteht das Einsatzteil vollständig aus einem oder mehreren anorganischen Material(ien). Beispielsweise kann das Einsatzteil aus Silizium, AlN, Al₂O₃, SiC oder anderen geeigneten Stoffen gefertigt sein. Weiterhin kann das Einsatzteil als Wärmesenke dienen, um von dem Laserelement während des Betriebs erzeugte Wärme nach außen abführen zu können. In diesem Fall sollte das Einsatzteil aus einem Stoff mit einer ausreichenden Wärmeleitfähigkeit gefertigt sein. Ferner können weitere Wärmesenken, beispielsweise in Form von Karbonfolien, in das Gehäuse integriert sein.
Um das im Innenraum angeordnete Laserelement und gegebenenfalls weitere Bauelemente von außerhalb des Gehäuses elektrisch kontaktieren zu können, kann das Einsatzteil über mindestens eine elektrische und hermetische Durchkontaktierung verfügen. Die mindestens eine elektrische Durchkontaktierung kann sich von einer ersten Hauptoberfläche des Einsatzteils bis zu einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche des Einsatzteils erstrecken. Die mindestens eine elektrische Durchkontaktierung erlaubt eine elektrische Signal- und/oder Leistungsübertragung vom Äußeren des Gehäuses zu dem Innenraum und in umgekehrter Richtung. Die mindestens eine elektrische Durchkontaktierung kann mit einer oder mehreren Leiterbahnen auf der Leiterplatte, insbesondere auf der Leiterplattenunterseite, die als Montage- und/oder Anschlussfläche dient, verbunden sein.
Durch die Nutzung der Leiterplatte als Bodenplatte kann eine Integration weiterer Komponenten in das Gehäuse erfolgen. Beispielsweise können mindestens ein aktives Bauelement und/oder mindestens ein passives Bauelement in die Leiterplatte integriert bzw. embedded sein. Aktive Bauelemente können beispielsweise Schaltelemente sein, wie zum Beispiel ein MOSFET (englisch: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ein GaNFET (englisch: gallium nitride field-effect transistor, Galliumnitrid-Feldeffekttransistor) oder ein anders ausgestalteter Transistor. Passive Bauelemente können beispielsweise Kondensatoren sein.
Durch die Integration von aktiven und/oder passiven Bauelementen in die Leiterplatte ist es möglich, Schaltelemente und Kapazitäten in unmittelbarer Umgebung des Laserelements zu platzieren, um ein induktionsarmes Design für sehr schnelle Schaltzeiten realisieren zu können. Dies erlaubt die Anwendung von Hochfrequenztechnik für die Datenübertragung und den Einsatz der Laservorrichtung in beispielsweise LiDAR (englisch: light detection and ranging)-Anwendungen und intelligenten Datenbrillen (englisch: smart glass).
Neben der Bodenplatte können die aktiven und/oder passiven Bauelemente auch in das übrige in das Gehäuse verbaute Leiterplattenmaterial integriert werden. Beispielsweise können die Bauelemente in die Seitenwände und/oder die Abdeckplatte des Gehäuses eingebaut werden, sofern diese Komponenten zumindest teilweise aus Leiterplattenmaterial hergestellt werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass mindestens eine Seitenwand des Gehäuses zumindest teilweise aus einem Leiterplattenmaterial gefertigt ist. Beispielsweise kann eine weitere Platte, die zumindest teilweise aus einem organischen Material gefertigt ist und eine Aussparung aufweist, auf der Leiterplatte angeordnet sein. Die Aussparung in der Platte kann zumindest teilweise den Innenraum des Gehäuses bilden. Das organische Material, aus dem die weitere Platte gefertigt ist, kann das gleiche Material sein, aus dem der elektrisch isolierende Teil der Leiterplatte gefertigt ist. Genauso wie bei der Leiterplatte kann die mindestens eine anorganische Schicht auf die weitere Platte aufgebracht sein, um diese gegenüber dem Innenraum des Gehäuses hermetisch zu kapseln und zu verhindern, dass gasförmige organische oder teilorganische Stoffe, die für das Laserelement schädlich sein können, aus dem organischen Material freigesetzt werden und in den Innenraum gelangen.
Das Gehäuse kann eine Abdeckplatte aufweisen, die zumindest teilweise aus einem für die von dem Laserelement emittierte Laserstrahlung durchlässigen Material gefertigt ist. Dies ermöglicht es, die Laserstrahlung aus dem Gehäuse herauszuführen und für eine gewünschte Anwendung zur Verfügung zu stellen. Gegebenenfalls können in dem Innenraum ein oder mehrere optische Elemente angeordnet sein, die die Laserstrahlung in die gewünschte Richtung lenken. Die Abdeckplatte kann auf die Seitenwände des Gehäuses montiert sein. Die Fügestellen zwischen der Abdeckplatte und den Seitenwänden können hermetisch abgedichtet sein.
Als Materialien für die Abdeckplatte kommen beispielsweise Glas, Saphir (Al₂O₃) oder Silizium infrage. Diese Materialien sind für die Laserstrahlung transparent und ausreichend alterungsstabil.
Die Abdeckplatte kann vollständig aus einem oder mehreren der vorstehend genannten Materialien oder auch nur teilweise aus diesen Materialien hergestellt sein. Beispielsweise kann die Abdeckplatte zumindest teilweise aus einem organischen Material gefertigt sein, in das ein Einsatzteil aus einem für die von dem Laserelement emittierte Laserstrahlung durchlässigen Material integriert ist.
Das organische Material der Abdeckplatte kann das gleiche Material sein, aus dem der elektrisch isolierende Teil der Leiterplatte gefertigt ist. Dies kann vorteilhaft sein, da in diesem Fall die Grundplatte und die Abdeckplatte ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Genauso wie bei der Leiterplatte kann die mindestens eine anorganische Schicht auf die weitere Platte aufgebracht sein, um diese gegenüber dem Innenraum des Gehäuses hermetisch zu kapseln und zu verhindern, dass gasförmige organische oder teilorganische Stoffe, die für das Laserelement schädlich sein können, aus dem organischen Material freigesetzt werden und in den Innenraum gelangen.
Das Einsatzteil in der Abdeckplatte kann beispielsweise aus Glas, Saphir (Al₂O₃) oder Silizium bestehen.
Die mindestens eine anorganische Schicht kann mindestens eine Metallschicht sein, die galvanisch, d. h. elektrochemisch, auf dem Leiterplattenmaterial, d. h. insbesondere der Bodenplatte, den Seitenwänden und/oder gegebenenfalls der Abdeckplatte, abgeschieden ist. Beispielsweise kann Kupfer, insbesondere sogenanntes ED-Cu (englisch: eletrically deposited copper), als Metallschicht verwendet werden. Ferner können mehrere Metallschichten übereinander gestapelt sein. Alternativ kann die mindestens eine anorganische Schicht aus anorganischen, nichtmetallischen Schichten oder Schichtstapel bestehen, die beispielsweise mit Hilfe von Sputter-, Bedampfungs-, PVD (englisch: physical vapour deposition, physikalische Gasphasenabscheidung)- oder CVD (englisch: chemical vapour deposition, chemische Gasphasenabscheidung)-Verfahren aufgetragen werden. Die für die mindestens eine anorganische Schicht verwendeten Materialien und Schichtdicken sollen eine hermetische Kapselung der organischen Bestandteile des Gehäuses gewährleisten.
Weiterhin kann die Abschirmung verbessert werden, indem entsprechende Abschirmungen in dem Gehäuse vorgesehen werden, beispielsweise durch das Einlaminieren von Metallfolien oder metallbeschichteten Folien. Diese Ausführungsform hat nicht nur den Vorteil der Gasdichtheit, sondern kann auch hochfrequente elektromagnetische Strahlung abschirmen.
Ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung dient zur Herstellung einer Laservorrichtung. Das Verfahren sieht vor, dass ein Gehäuse zumindest teilweise aus einem Leiterplattenmaterial gefertigt wird, mindestens ein Laserelement in einem Innenraum des Gehäuses angeordnet wird, der Innenraum mit mindestens einer anorganischen Schicht von dem Leiterplattenmaterial abgeschirmt wird, und das Gehäuse hermetisch verschlossen wird.
Das Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung kann die oben beschriebenen Ausgestaltungen der Laservorrichtung aufweisen.
Eine Leiterplatte, in die ein Einsatzteil aus einem anorganischen Material eingefügt ist, kann als Bodenplatte des Gehäuses bereitgestellt werden und das Laserelement kann auf dem Einsatzteil angeordnet werden.
Gemäß einer Ausgestaltung kann eine weitere Platte, die zumindest teilweise aus einem organischen Material gefertigt ist und eine Aussparung aufweist, auf der Leiterplatte angeordnet werden. Die Aussparung kann zumindest teilweise den Innenraum des Gehäuses bilden.
Ferner kann die mindestens eine anorganische Schicht auf die Leiterplatte und die weitere Platte aufgebracht werden und danach kann eine Abdeckplatte, die zumindest teilweise aus einem für die von dem Laserelement emittierte Laserstrahlung durchlässigen Material gefertigt ist, auf die weitere Platte aufgebracht werden.
Die Abdeckplatte kann an der weiteren Platte mittels eines Fügematerials befestigt werden, das ein metallisches Material, ein Niedertemperaturglas und/oder ein anorganisches Klebematerial aufweist oder vollständig aus einem derartigen Material besteht. Weiterhin sollte das Fügematerial die Hermizität des Gehäuses gewährleisten. Das metallische Material kann beispielsweise eine AuSn-Lötverbindung mit einer Prozesstemperatur im Bereich von ungefähr 280 bis 320 °C, eine AuIn-Lötverbindung mit einer Prozesstemperatur im Bereich von ungefähr 180 bis 220 °C oder eine AuAu-Kompressionsbondschicht mit einer Prozesstemperatur im Bereich von ungefähr 200 bis 250 °C sein. Als Niedertemperaturglas können beispielsweise Tellur basierte Gläser mit einer Prozesstemperatur im Bereich von ungefähr 350 bis 500 °C eingesetzt werden. Sofern ein anorganisches Klebematerial als Fügematerial verwendet wird, muss dieses ausreichend hermetisch dicht sein, so dass keine gasförmigen organischen oder teilorganischen Stoffe durch das Klebematerial in den Innenraum gelangen können, die das Laserelement beschädigen oder beeinträchtigen könnten.
In einer alternativen Ausgestaltung wird eine Abdeckplatte, die zumindest teilweise aus einem für die von dem Laserelement emittierte Laserstrahlung durchlässigen Material gefertigt ist, bereitgestellt und eine weitere Platte, die zumindest teilweise aus einem organischen Material gefertigt ist und eine zumindest teilweise den Innenraum des Gehäuses bildende Aussparung aufweist, wird auf der Abdeckplatte befestigt.
Die mindestens eine anorganische Schicht kann auf die Leiterplatte aufgebracht werden und nach dem Befestigen der weiteren Platte an der Abdeckplatte kann mindestens eine weitere anorganische Schicht auf der weiteren Platte aufgebracht werden, um den Innenraum von der weiteren Platte abzuschirmen. Danach kann die Abdeckplatte zusammen mit der weiteren Platte auf die Leiterplatte aufgebracht werden.
Die Abdeckplatte bzw. die weitere Platte können an der Leiterplatte mittels eines Fügematerials befestigt werden, das wie bei der oben beschriebenen Ausgestaltung ein metallisches Material, ein Niedertemperaturglas und/oder ein anorganisches Klebematerial aufweisen kann oder vollständig aus einem derartigen Material bestehen kann und das die Hermizität des Gehäuses gewährleisten kann.
Ferner kann die mindestens eine anorganische Schicht mindestens eine Metallschicht sein, die galvanisch auf dem Leiterplattenmaterial abgeschieden wird.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen schematisch:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Laservorrichtung;
2 eine Variante des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels;
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Laservorrichtung; und
4 eine Variante des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
1 zeigt schematisch eine Laservorrichtung 10 mit einem hermetischen Gehäuse 11, das einen Innenraum 12 aufweist. In dem Innenraum 12 des Gehäuses 11 ist ein Laserelement 13 angeordnet, das insbesondere dazu ausgebildet ist, grüne oder blaue Laserstrahlung 14 zu erzeugen.
Das Gehäuse 11 enthält eine Leiterplatte 20 als Bodenplatte, deren Körper zumindest teilweise organisches Material enthält. In die Leiterplatte 20 ist ein Einsatzteil 21 integriert, das aus einem anorganischen Material, zum Beispiel Silizium, AlN, Al₂O₃ oder SiC, gefertigt ist. Das Einsatzteil 21 umfasst elektrische Durchkontaktierungen 22, die sich von einer ersten Hauptoberfläche 23 des Einsatzteils 21 bis zu einer der ersten Hauptoberfläche 23 gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche 24 des Einsatzteils 21 erstrecken und aus einem Metall, zum Beispiel Kupfer, gefertigt sind.
Auf der ersten und der zweiten Hauptoberfläche 23, 24 sind jeweilige Metallisierungsschichten 25 bzw. 26 abgeschieden, die zu Leiterbahnen ausgebildet sind und an gewünschten Stellen mit den Durchkontaktierungen 22 verbunden sind. Die Metallisierungsschicht 26 auf der zweiten Hauptoberfläche 24 des Einsatzteils 21 erstreckt sich auch auf die Unterseite der Leiterplatte 20. Die erste Hauptoberfläche 23 des Einsatzteils 21 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bündig mit der Oberseite des zumindest teilweise aus einem organischen Material gefertigten Körpers der Leiterplatte 20 ausgestaltet. Ferner ist die zweite Hauptoberfläche 24 des Einsatzteils 21 bündig mit der Unterseite des Körpers der Leiterplatte 20 ausgestaltet.
Die Unterseite der Leiterplatte 20 dient zusammen mit der zweiten Hauptoberfläche 24 des Einsatzteils 21 und der Metallisierungsschicht 26 als Montage- und/oder Anschlussfläche der Laservorrichtung 10. Die Laservorrichtung 10 kann mit der Unterseite der Leiterplatte 20 auf eine externe Komponente montiert, insbesondere gelötet, werden.
Die Metallisierungsschicht 25 kann elektrisch mit dem Laserelement 13 verbunden sein, was es erlaubt, das Laserelement 13 von außerhalb der Laservorrichtung 10 über die Metallisierungsschichten 26 elektrisch anzusteuern.
In die Leiterplatte 20 können weitere aktive oder passive Bauelemente integriert sein, die in 1 nicht dargestellt sind.
Auf das Einsatzteil 21 ist ein Subträger 30 montiert, auf den wiederum das Laserelement 13 montiert ist. Ferner ist ein optisches Element 31 auf dem Einsatzteil 21 angeordnet, das dazu dient, die von dem Laserelement 13 erzeugte Laserstrahlung 14 in die gewünschte Richtung zu lenken und gegebenenfalls zu formen.
Eine weitere Platte 32 ist auf die Leiterplatte 20 montiert. Zusammen mit der Leiterplatte 20 kann die Platte 32 eine mehrschichtige Leiterplatte (englisch: multi-layer PCB) bilden. Die Platte 32 formt die Seitenwände des Gehäuses 11 und weist eine Aussparung auf, durch die der Innenraum 12 des Gehäuses 11 gebildet wird. Die Platte 32 ist ebenfalls aus einem Leiterplattenmaterial gefertigt und enthält genauso wie die Leiterplatte 20 organisches Material.
Aus der Leiterplatte 20 und der Platte 32 können grundsätzlich gasförmige organische oder teilorganische Stoffe entweichen. Damit diese Stoffe nicht in den Innenraum 12 des Gehäuses 11 gelangen und dort die Facette des Laserelements 13 beschädigen, sind die Leiterplatte 20 und die Platte 32 zum Innenraum des Gehäuses 11 hin mittels einer als Diffusionsbarriere 35 ausgebildeten Schicht aus einem anorganischen Material hermetisch gekapselt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Diffusionsbarriere 35 aus galvanisch abgeschiedenem Kupfer gebildet. Die Diffusionsbarriere 35 bedeckt sämtliche Oberflächen der Leiterplatte 20 und der Platte 32, die ansonsten in Kontakt mit der Atmosphäre des Innenraums 12 stehen würden. Ferner bedeckt die Diffusionsbarriere 35 vollständig die Oberseite der Platte 32 sowie die Fügestellen zwischen der Leiterplatte 20 und dem Einsatzteil 21, um eine hermetische Kapselung zu bewirken.
An seiner Oberseite wird das Gehäuse 11 durch eine Abdeckplatte 40 abgeschlossen, durch welche die Laserstrahlung 14 austritt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Abdeckplatte 40 vollständig aus Glas gefertigt. Die Abdeckplatte 40 weist an ihren Rändern Metallisierungen 41 auf, mit denen die Abdeckplatte 40 an der auf die Oberseite der Platte 32 aufgebrachten Diffusionsbarriere 35 befestigt ist. Mittels eines Fügematerials 42 ist die Fügestelle zwischen der Abdeckplatte 40 und der Diffusionsbarriere 35 hermetisch verschlossen. Das Fügematerial 42 kann beispielsweise wie oben beschrieben ein metallisches Material, ein Niedertemperaturglas oder ein anorganisches Klebematerial sein. Alternativ kann die Abdeckplatte 40 durch Laserschweißen hermetisch mit der Diffusionsbarriere 35 verbunden sein.
Zur Herstellung der in 1 dargestellten Laservorrichtung 10 werden zunächst die Leiterplatte 20, die Platte 32, das Laserelement 13, die Diffusionsbarriere 35 sowie die Komponenten im Innenraum 12 des Gehäuses 11 montiert bzw. zusammengefügt. Erst danach wird die Abdeckplatte 40 aufgesetzt und hermetisch verschlossen.
2 zeigt schematisch eine Laservorrichtung 50, die in weiten Teilen identisch mit der in 1 dargestellten Laservorrichtung 10 ist.
Im Unterschied zur Laservorrichtung 10 ist die Abdeckplatte 40 der Laservorrichtung 50 nicht vollständig aus Glas gefertigt, sondern besteht aus einer Platte 51 aus einem organischem Material, in die ein Einsatzteil 52 aus Glas integriert ist. Die Platte 51 kann aus dem gleichen Material wie der Körper der Leiterplatte 20 gefertigt sein. Das Einsatzteil 52 ist in der Platte 51 derart angeordnet, dass die Laserstrahlung 14 durch das Einsatzteil 52 austreten kann.
Um zu verhindern, dass gasförmige organische oder teilorganische Stoffe aus der Platte 51 in den Innenraum 12 freigesetzt werden, ist die Platte 51 zum Innenraum 12 hin hermetisch durch eine Schicht 53 aus einem anorganischen Material gekapselt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schicht 53 eine galvanisch abgeschiedene Kupferschicht.
3 zeigt schematisch eine Laservorrichtung 60, die weitgehend mit der in 1 dargestellten Laservorrichtung 10 übereinstimmt. Die Unterschiede zwischen den Laservorrichtungen 10 und 60 liegen in den unterschiedlichen Herstellungsverfahren begründet.
Zur Herstellung der in 3 dargestellten Laservorrichtung 60 werden auf das in die Leiterplatte 20 integrierte Einsatzteil 21 das Laserelement 13 und das optische Element 31 montiert. Ferner wird die Diffusionsbarriere 35 auf die Leiterplatte 20 aufgebracht.
Die die Seitenwände des Gehäuses 11 formende Platte 32 wird jedoch nicht direkt an der Leiterplatte 20, sondern mittels eines Klebstoffs 61 an der Abdeckplatte 40 befestigt. Anschließend wird die Platte 32 zum Innenraum 12 hin hermetisch durch eine als Diffusionsbarriere 62 ausgebildete Schicht aus einem anorganischen Material gekapselt, um zu verhindern, dass gasförmige organische oder teilorganische Stoffe aus der Platte 32 in den Innenraum 12 diffundieren. Auch die Unterseite der Platte 32 ist von der Diffusionsbarriere 62 bedeckt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Diffusionsbarriere 62 eine galvanisch abgeschiedene Kupferschicht.
Anschließend werden die beiden vorstehend beschriebenen Komponenten zusammengefügt und die Fügestelle wird mittels Laserschweißen oder mit Hilfe des Fügematerials 42 oder eines anderen geeigneten Materials hermetisch verschlossen.
4 zeigt schematisch eine Laservorrichtung 70, die in weiten Teilen identisch mit der in 3 dargestellten Laservorrichtung 60 ist.
Im Unterschied zur Laservorrichtung 60 ist die Abdeckplatte 40 der Laservorrichtung 70 nicht vollständig aus Glas gefertigt, sondern wie bei der in 2 dargestellten Laservorrichtung 50 besteht die Abdeckplatte 40 aus der Platte 51 aus einem organischem Material, in die das Einsatzteil 52 aus Glas integriert ist. Die Diffusionsbarriere 62 erstreckt sich bei der Laservorrichtung 70 über die zum Innenraum 11 weisende Oberfläche der Platte 51, damit keine gasförmigen organischen oder teilorganischen Stoffe aus der Platte 51 in den Innenraum 12 freigesetzt werden können.
Bezugszeichenliste

10: Laservorrichtung
11: Gehäuse
12: Innenraum
13: Laserelement
14: Laserstrahlung
20: Leiterplatte
21: Einsatzteil
22: Durchkontaktierung
23: erste Hauptoberfläche
24: zweite Hauptoberfläche
25: Metallisierungsschicht
26: Metallisierungsschicht
30: Subträger
31: optisches Element
32: Platte
35: Diffusionsbarriere
40: Abdeckplatte
41: Metallisierung
42: Fügematerial
50: Laservorrichtung
51: Platte
52: Einsatzteil
53: Schicht
60: Laservorrichtung
61: Klebstoff
62: Diffusionsbarriere
70: Laservorrichtung

Claims

Laservorrichtung (10, 50, 60, 70), mit: einem hermetischen Gehäuse (11), das einen Innenraum (12) aufweist und zumindest teilweise aus Leiterplattenmaterial gefertigt ist, einem Laserelement (13), das in dem Innenraum (12) angeordnet ist, und mindestens einer anorganischen Schicht (35, 53, 62), die den Innenraum (12) von dem Leiterplattenmaterial hermetisch abschirmt.
Laservorrichtung (10, 50, 60, 70) nach Anspruch 1, wobei das Laserelement (13) dazu ausgelegt ist, Laserstrahlung (14) mit einer Wellenlänge zu emittieren, die höchstens 570 nm beträgt.
Laservorrichtung (10, 50, 60, 70) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (11) eine Leiterplatte (20), in die ein Einsatzteil (21) aus einem anorganischen Material integriert ist, als Bodenplatte aufweist und das Laserelement (13) auf dem Einsatzteil (21) angeordnet ist.
Laservorrichtung (10, 50, 60, 70) nach Anspruch 3, wobei das Einsatzteil (21) mindestens eine elektrische Durchkontaktierung (22) aufweist.
Laservorrichtung (10, 50, 60, 70) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein aktives Bauelement und/oder mindestens ein passives Bauelement in das Leiterplattenmaterial (20, 32, 51) integriert sind.
Laservorrichtung (10, 50, 60, 70) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine weitere Platte (32), die zumindest teilweise aus einem organischen Material gefertigt ist und die eine Aussparung aufweist, auf der Leiterplatte (20) angeordnet ist, und die Aussparung zumindest teilweise den Innenraum (12) des Gehäuses (11) bildet.
Laservorrichtung (10, 50, 60, 70) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (11) eine Abdeckplatte (40) aufweist, die zumindest teilweise aus einem für die von dem Laserelement (13) emittierte Laserstrahlung (14) durchlässigen Material gefertigt ist.
Laservorrichtung (50, 70) nach Anspruch 7, wobei die Abdeckplatte (40) zumindest teilweise aus einem organischen Material gefertigt ist, in das ein Einsatzteil (52) aus einem für die von dem Laserelement (13) emittierte Laserstrahlung (14) durchlässigen Material integriert ist.
Laservorrichtung (10, 50, 60, 70) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine anorganische Schicht (35, 53, 62) mindestens eine Metallschicht ist, die galvanisch auf dem Leiterplattenmaterial abgeschieden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung (10, 50, 60, 70), wobei ein Gehäuse (11) zumindest teilweise aus einem Leiterplattenmaterial gefertigt wird, ein Laserelement (13) in einem Innenraum (12) des Gehäuses (11) angeordnet wird, der Innenraum (12) mit mindestens einer anorganischen Schicht (35, 53, 62) von dem Leiterplattenmaterial hermetisch abgeschirmt wird, und das Gehäuse (11) hermetisch verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Leiterplatte (20), in die ein Einsatzteil (21) aus einem anorganischen Material eingefügt ist, als Bodenplatte des Gehäuses (11) bereitgestellt wird und das Laserelement (13) auf dem Einsatzteil (21) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine weitere Platte (32), die zumindest teilweise aus einem organischen Material gefertigt ist und die eine Aussparung aufweist, auf der Leiterplatte (20) angeordnet wird und die Aussparung zumindest teilweise den Innenraum (12) des Gehäuses (11) bildet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine anorganische Schicht (35) auf die Leiterplatte (20) und die weitere Platte (32) aufgebracht wird und danach eine Abdeckplatte (40), die zumindest teilweise aus einem für die von dem Laserelement (13) emittierte Laserstrahlung (14) durchlässigen Material gefertigt ist, auf die weitere Platte (32) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Abdeckplatte (40) an der weiteren Platte (32) mittels eines Fügematerials (42) befestigt wird, das ein metallisches Material, ein Niedertemperaturglas und/oder ein anorganisches Klebematerial aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Abdeckplatte (40), die zumindest teilweise aus einem für die von dem Laserelement (13) emittierte Laserstrahlung (14) durchlässigen Material gefertigt ist, bereitgestellt wird und eine weitere Platte (32), die zumindest teilweise aus einem organischen Material gefertigt ist und eine Aussparung aufweist, auf der Abdeckplatte (40) befestigt wird und die Aussparung zumindest teilweise den Innenraum (12) des Gehäuses (11) bildet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die mindestens eine anorganische Schicht (35) auf die Leiterplatte (20) aufgebracht wird und nach dem Befestigen der weiteren Platte (32) an der Abdeckplatte (40) mindestens eine weitere anorganische Schicht (62) auf der weiteren Platte (32) aufgebracht wird, um den Innenraum (12) von der weiteren Platte (32) abzuschirmen, und danach die Abdeckplatte (40) zusammen mit der weiteren Platte (32) auf die Leiterplatte (20) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Abdeckplatte (40) zusammen mit der weiteren Platte (32) an der Leiterplatte (20) mittels eines Fügematerials (42) befestigt wird, das ein metallisches Material, ein Niedertemperaturglas und/oder ein anorganisches Klebematerial aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei die mindestens eine anorganische Schicht (35, 53, 62) mindestens eine Metallschicht ist, die galvanisch auf dem Leiterplattenmaterial abgeschieden wird.