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 L _ges 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/A _W 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 L _ges 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 T _g 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/A _w 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 L _ges 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/A _W 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 L _ges 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 L _ges 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 L _ges 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 A _c 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 A _c , 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