气密性密封的封装件及其生产方法与流程

本发明涉及一种气密性密封的封装件、基板组件以及用于提供气密性密封的封装件的方法。

背景技术：

1、例如，气密性密封的封装件旨在保护封装件内的一个或多个部件免受不利环境条件的影响。例如，封装件内容纳的敏感电子器件、电路或传感器可以通过这种方式得到保护。这样就可以在例如心脏区域中、在视网膜中或对于生物处理器实施和应用传感器或医学植入物。例如，它们还可以被用作mems(微机电系统)、气压计、血气传感器、葡萄糖传感器等。已知使用的生物处理器由钛制成。

2、根据本发明的封装件，其应用领域还包括电子应用，例如用于智能手机外壳、虚拟现实眼镜及类似装置的领域。根据本发明的封装件也可以用于生产液流电池，例如在电动车的背景下。然而，根据本发明的封装件也可用于航空航天工业、高温应用及微光学器件领域。

3、由于上述对于保护封装件内容纳的电子器件的要求是强加在封装件上的，所以迄今为止根据本发明的封装件的使用已将某些应用领域排除在外，包括对于一些需要特别薄的封装件、或至少封装件的一面很薄的要求。这些包括，例如，指纹传感器、可变焦的隐形眼镜、体内使用(如用于测量颅内压)的神经压力传感器或图像传感器的超薄封装件。对于这些应用领域，适当地保护电子器件免受不利环境的影响也是有利的。尤其是，在此可以有利地确保与封装件内部的光通信。为此，封装件可以设计成是至少部分透明的，即至少在某些区域和/或至少对于一定范围的波长是透明的。此外，这种透明性还提供了通信过程，例如，用于数据或功率传输，以及用于通过或利用布置在腔中的电子器件或传感器进行的测量。具体地，可以实现光通信过程或光数据或功率传输。

4、然而，采用薄基板本身并将其放置在封装件上的是复杂的，甚至是不可能的。薄基板在与另外的基板层结合时趋于凸起。这也可以改变薄基板的物理性质，例如热导率。此外，薄基板可表现出高内应力，这使得它们并不适于制造封装件。例如，涉及激光的连接工艺不能应用于薄基板，因为如果激光太靠近薄基板的表面，则材料将被燃烧或去除。因此，很难甚至不可能使用薄基板来生产气密性密封特别好同时和/或无需使用额外的结合材料即可进行连接的封装件。

5、原则上，已知的是将多个零件进行连接和布置以便在中间空间内形成容纳区域，该容纳区域可以容纳部件。例如，欧洲专利文献ep3012059b1公开了一种用于生产保护光学部件的透明片的方法。为此，使用了一种新型的激光工艺。

技术实现思路

1、本发明可以被认为是改进了现有技术的封装件，特别是增强了与封装件内部的交换。更具体地，本发明旨在改善与封装件内部的光交换或改善对封装件外部环境的灵敏度，例如压力灵敏度。可选地，本发明的封装件允许使用更便宜的部件和/或更灵敏的环境数据测量。同时，本发明的封装件与现有技术的封装件一样可靠和耐用。

2、根据本发明的气密性密封的封装件包括至少一个片状覆盖基板，该覆盖基板具有平坦外表面和周向窄侧。换句话说，覆盖基板具有面向环境的外表面，该外表面基本上是平面的或平坦的。周向窄侧邻近平坦外表面延伸，且通常定向成与平坦外表面成直角，例如，以便绕平坦外表面的边缘延伸。在一个示例中，覆盖基板可以被描述成具有两个大面积的侧或面以及四个较小的侧的面板或立方体，四个较小的侧在大面积的面之间延伸，具体为垂直于两个大面积的面并与大面积的面邻接。因此，四个较小的侧共同限定了周向窄侧，而上表面则限定了覆盖基板的平坦外表面。通常，上表面的表面面积大于周向窄侧的较小侧的表面面积之和。

3、该气密性密封的封装件进一步包括第二基板，第二基板被设置成邻接覆盖基板并且与片状覆盖基板直接接触。第二基板和覆盖基板共同限定了所述封装件的至少一部分。优选地，所述两个基板设置在彼此的上部，即它们被叠放在一起。例如，所述基板共同形成了基板叠层。类似于上文或下文的术语“取向”仅仅是描述性的，因为基板可以在空间中呈现任何取向，当然，甚至是彼此相邻的布置也不脱离保护范围。通常，两个基板以其主侧或面彼此邻接的方式放置。

4、所述封装件还包括功能区域，该功能区域由所述封装件封闭，具体设置在覆盖基板与第二基板之间。例如，该功能区域是腔或有源层。

5、此外，所述封装件包括激光结合线，该激光结合线将覆盖基板与邻接覆盖基板的第二基板直接以气密方式连接。激光结合线通常具有垂直于其结合平面的高度hl。激光结合线优选在高度hl上延伸到设置在激光结合线上方的基板的材料中。在相对侧，激光结合线延伸到位于激光结合线下方的基板的材料中。覆盖基板直接连接到第二基板(例如通过熔合的方式)，而不必使用例如助粘剂或粘合剂。激光结合线还可以物理瞄准待连接的两个基板中的一个，即，激光的目标点可以位于两个基板中的一个中，而激光结合线将总是延伸到待连接的两个基板中。在连接或焊接步骤中或在激光结合线中，来自一个基板的材料和来自另一基板的材料熔化并混合，从而在一个基板和另一基板之间形成牢不可分的气密性结合。

6、如果封装件仅由覆盖基板与第二基板形成而作为整体形成封装件，则覆盖基板直接连接到第二基板，且封装件将包括一条激光结合线。在这种情况下，封装件具有结合平面或连接区域，在此基板彼此连接。在又一示例中，封装件可由堆叠在彼此上部的三个基板限定，在这种情况下，覆盖基板将直接连接到第二基板，而第二基板将连接到底部基板，该底部基板还限定了封装件的底部。在该示例中，封装件具有两个接触区域或两个连接区域，封装件沿着这两个接触区域或两个连接区域进行连接。

7、所述封装件包括透明薄膜基板形式的覆盖基板，该覆盖基板具有小于200μm的厚度。这种薄膜基板提供了传统封装件也能提供的所有优点，具体是封装件的内部被气密性密封而不受环境影响，以及封装件具有化学惰性，这对于体内使用特别有利。此外，根据本发明的封装件的使用还开辟了一些以往不能使用传统封装件的应用领域。例如，压力传感器可以设计得更灵敏，并且可以实现(例如指纹传感器所需的)特别精确的光学数据传输。

8、封装件通常在其内部限定腔，即中空空间。例如，腔具有横向周向边缘、底部和上侧，其中腔被封装件封闭。换言之，如果在封装件中恰好设置了一个腔，则腔在四周被封装件封闭，使得封装件的内表面同时限定了腔的边界。在封装件中有两个或两个以上的腔的情况下，所述两个或两个以上的腔共同被封装件封闭。

9、出于本技术的目的，底部和上侧是几何构造的，其也可以是与封装件的最终取向有关的任何其他侧。或者，上侧可以被描述为第一侧，底侧可以被描述为与第一侧相对的第二侧，边缘可以被描述为第一侧与第二侧之间的中间区域，通常，边缘基本垂直于第一侧和/或第二侧延伸。通常，横向周向边缘将第一侧连接到第二侧。

10、例如，如果腔是容纳腔的形式，则它将包含设置在其中的被容纳部件。这可以包括电子电路、传感器或mems(微机电系统)或moems(微光机电系统)。

11、基板设置在彼此的旁边或在彼此的上面。这意味着所述至少两个基板以这样一种方式布置或彼此附接，使得所述至少两个基板表面接触，而不在它们之间提供或引入任何其他材料或层。由于技术原因，基板层之间可能存在微小的气体夹杂物或杂质，例如灰尘颗粒，这是无法避免的。这可能是由基板层之间或基板层表面上可能存在的不平整性产生的结果，尽管是在微观范围内。优选地，基板之间可存在的这种间距或间隙小于或等于5μm、优选小于或等于1μm。在另一优选实施例中，由激光产生的连接区域或激光结合线，其厚度在10μm与50μm之间。因此，激光结合线确保了气密性密封，因为它安全地桥接了两个基板之间可能存在的任何间隙。

12、激光结合线中的一条或一条激光结合线可以在距功能区域的距离df处周向封闭功能区域。距离df可围绕功能区域周向保持一致，使得激光结合线布置在功能区域周围，与功能区域的距离大致相同。距离df也可以根据应用而发生变化，这在生产技术方面可能更为有利，视情况而定，例如，如果在一般处理步骤中连接多个封装件，或者如果功能区域具有圆形或任意形状，而激光结合线被绘制成直线。在腔具有光学特性的情况下，例如，如果它采用透镜形式，如会聚透镜，则激光结合线也可以形成在腔周围并且可选地与腔相距不同的距离。封装件还可包括多个腔。

13、在所述至少两个基板之间的接触区域处，封装件或接触区域可以是光学透明的，或者在可见波长范围内可以是不透明的。只有被用于连接工艺的激光穿过而形成激光结合线的基板才具有至少一个光谱窗口，使得至少所使用的激光的波长可以至少部分地穿过该基板或至少在其部分上穿过该基板。因此，接触区域被适配成可以通过使用激光焊接工艺在此引入能量沉积。因此，激光在那里至少部分被吸收。这可以通过以下方式局部地实现，即激光焊接工艺可称为冷连接工艺，这意味着为连接提供的热能集中地被引入激光结合线的区域内，并且仅相对缓慢地扩散到封装件的剩余材料中，使得特别是在功能区域中不会出现显著的温度升高。

14、由此，激光至少部分地在结合线的区域内局部地熔化两个基板的材料，使得所述至少两个基板局部地结合。为此，本领域技术人员可以参考例如ep3012059b1，其通过引用并入本文。

15、覆盖基板可具有小于170μm的厚度。覆盖基板的厚度优选为150μm或小于150μm、更优选为125μm或小于125μm。此外，覆盖基板的厚度可以为10μm或大于10μm、优选为20μm或大于20μm。换言之，覆盖基板的厚度优选为10μm至170μm，例如优选为20μm至150μm。

16、如果封装件被用作压力传感器，则覆盖基板3的有利厚度可以在100μm至150μm的范围内。原则上，基板厚度较薄的覆盖基板3可以实现更高的灵敏度，特别是对于光学测量或压力测量(例如，还对于基于覆盖基板3的光学特性的变化的压力测量)。然而，覆盖基板3的厚度下限、特别是跨越腔2的部分3a的厚度下限，可基于自发材料失效或随材料厚度的减小而降低的抗冲击或压力负载的能力来确定。由此推出100μm至150μm的范围对于当前应用是非常有用的。

17、此外，覆盖基板3的厚度也可取决于待覆盖的腔2的面积或尺寸。例如，腔具有被覆盖基板跨越的面积。腔或功能区域的这个面积可以，例如，在1×10-4至1×10-8m2的范围内、优选在1×10-5至1×10-7的范围内，并且可以更优选为1×10-6±一个数量级。换言之，腔或功能区域的面积为1×10-4m2或更小、优选1×10-5或更小、更优选约1×10-6或更小。此外，腔或功能区域的面积为1×10-8或更大、优选1×10-7或更大、更优选约1×10-6或更大。

18、用于封装件的覆盖基板可以，例如，定义覆盖基板3的厚度与功能区域18或腔2的面积的比率，并且该比率的范围为0.5至20000、优选为1至10000、更优选为5至1000、甚至更优选为10至100。如果功能区域可以以支撑的方式被覆盖，即如果部分3a不是自支撑的，则覆盖基板3的厚度与功能区域18的面积的比率可以特别小，因为预计不会发生下垂。

19、激光结合线在平行于覆盖基板的平面延伸方向的方向上具有宽度b。宽度w具体是在覆盖基板的表面(即平坦外表面)处测得的。

20、在与基板结合的状态下，覆盖基板的抗剪强度具有惊人的、不可预见的增加。优选地，由于覆盖基板通过根据本发明所适应的激光结合线结合到第二基板上，因此具体提高了覆盖基板的剪切强度。换言之，由于覆盖基板最初是以较厚的形式提供的，且使用激光以这种较厚的形式连接到邻接的基板，因此具体实现了剪切强度的提高。由此形成的激光结合线不同于在已经以薄膜基板的形式提供覆盖基板并且使用激光将其结合的情况下获得的激光结合线。事实上，在这种情况下，将激光结合线引入到覆盖基板的材料中(即，也是激光的目标点)将非常贴近平坦外表面，以至于平坦外表面将被激光损坏或改变，而覆盖基板的增强将不能实现。

21、具体地，由于以较厚基板的形式提供并连接覆盖基板，然后对其厚度进行消除，例如通过研磨工艺，激光结合线形成了覆盖基板的外表面的一部分。如果激光结合线形成覆盖基板的外表面的一部分，或者换句话说，如果激光结合线延伸到覆盖基板的外表面，则这使得覆盖基板内的材料应力可以以特别有利的方式得到降低或减轻。例如，应力的降低可以通过材料去除过程中的有利组合来实现，即，例如表面的抛光。例如，材料的激光焊接和消除(也可能是这两个步骤的组合)可以将覆盖基板材料中存在的应力降低至少15％、有利地降低至少25％、更优选地降低至少50％、甚至可能达到65％或更多。换言之，变薄的覆盖基板比以不同方式(例如通过粘合)而结合的薄膜基板表现出更小的应力。因此，覆盖基板可以表现出更好的尺寸稳定性，和/或它可以承受更大程度的偏转而不破裂，且必要时它还可以更耐冲击。

22、优选地，封装件在平坦外表面上具有涂层。换言之，平坦外表面被涂覆，例如以便改善光学特性。

23、平坦外表面可以设置有纳米印刷或纳米压花。此外，可以在平坦外表面上设置外功能区域。例如，ar涂层、保护涂层、生物活性膜、滤光器、诸如由ito或金制成的导电层可以用作涂层。由于涂层可以在连接步骤之后有利地进行涂敷，因此不必考虑需要将涂层设计成激光可以从中穿过的情况。

24、平坦内表面，即第一基板的面向第二基板的一侧，也可以具有涂层。如果该内涂层设置或涂敷在整个表面区域上，则它可以成为激光结合线的区域中的激光结合线的一部分。涂层也可以以部分覆盖的形式设置，即仅覆盖平坦内表面的一部分。在两侧涂敷涂层的一个示例是抗反射涂层，其至少部分地或分段地涂敷在第一基板的两侧上。

25、覆盖基板和/或第二基板或其他基板可以是晶片或可以由晶片切割而成，例如由玻璃、玻璃陶瓷、硅、蓝宝石或上述材料的组合制成。第二基板的材质可以不同于覆盖基板的材质。如果封装件的材料是化学惰性的，则特别有利的是，例如，硼硅酸盐玻璃就是其中的佼佼者。这些基板或其中一个基板也可以包括al2o3、蓝宝石、si3n4或aln或由al2o3、蓝宝石、si3n4或aln制成。

26、覆盖基板的平坦外表面优选设计成平坦的、特别是平面的。这意味着，平坦外表面尤其没有凸起，而且尤其表现出与平坦平面的最大偏差小于5μm。更具体地，平坦外表面具有小于或等于20nm的平均粗糙度值ra。

27、覆盖基板在其整个范围内优选薄于200μm。此外，覆盖基板优选具有总体平面形状，且在其范围内一致地具有周向窄侧的厚度。

28、该气密性密封的封装件优选地限定了覆盖基板与第二基板的接触平面或接触区域，覆盖基板于该接触平面或接触区域处与第二基板接触。接触平面优选不含外来材料，即不含结合材料，例如，具体为粘合剂或玻璃料。换言之，覆盖基板直接接触邻接的第二基板，两者之间没有任何外来物质。

29、邻接的第二基板可以是底部基板的形式，在这种情况下，底部基板通过相同的激光结合线与覆盖基板气密性连接。

30、第二基板也可以是介于覆盖基板与底部基板之间的中间基板的形式，在这种情况下，底部基板将在第一结合平面中与中间基板连接，且覆盖基板将在第二结合平面中与中间基板连接。

31、所述至少一条激光结合线在垂直于覆盖基板的平面延伸方向的方向上具有厚度。垂直于覆盖基板的平面延伸方向的激光结合线的厚度限定了封装件的连接区。在此，激光结合线一直延伸到平坦外表面，更具体地，激光结合线形成了平坦外表面的一部分。换言之，激光结合线部分地延伸穿过平坦外表面。

32、在激光结合线的区域中，优选存在覆盖基板和/或邻接的第二基板的材料改性。这种材料改性可以包括折射率的变化和/或改性的化学成分。这种改性优选地形成了平坦外表面的一部分。

33、激光结合线的宽度w与覆盖基板的厚度d的比率w:d可以大于或等于1，具体地，w:d大于或等于0.5。此外，该厚度比也可以指定为w:d大于或等于0.1，或者w:d大于或等于0.05。

34、在优选实施例中，功能区域优选包括气密性密封的容纳腔，用于容纳诸如电子电路、传感器或mems或moems的容纳物。

35、覆盖基板优选对于一定范围的波长是透明的，至少部分地或至少在其部分上是透明的。

36、此外，本发明的范围还包括气密性连接的基板组件，具体是用于如上所述的封装件。该气密性连接的基板组件包括至少一个具有平坦外表面和周向窄侧的片状基板，以及设置成与第一基板邻接并与片状的第一基板直接接触的第二基板。因此，第二基板与第一基板物理接触，并且该物理接触存在于激光结合线将第一基板与第二基板结合的位置。如果计划或提供腔，则基板不必在腔区域中进行物理接触。

37、基板组件的第一基板是透明薄膜基板的形式，第一基板具有小于200μm的厚度。

38、基板组件还包括激光结合线，该激光结合线将第一基板与邻接第一基板的第二基板直接以气密方式连接。激光结合线一直延伸到平坦外表面，更具体地，激光结合线形成了平坦外表面的一部分。

39、同样在本发明的范围内的是一种用于提供气密性密封的封装件的方法，具体为上述封装件。该封装件包括功能区域，该功能区域具体为用于容纳至少一个容纳物的容纳腔的形式。该方法包括：提供至少一个覆盖基板和第二基板的步骤，其中覆盖基板包括透明材料。所述至少两个基板直接设置在彼此的旁边或在彼此的上面，从而在所述至少两个基板之间限定了接触区或接触区域。覆盖基板具有平坦外表面和周向窄侧。

40、通过沿着封装件的至少一个接触区域将所述至少两个基板彼此直接连接的方式，将所述至少两个基板以气密方式密封。更具体地，容纳腔或功能区域以这种方式被气密性密封，更优选地通过围绕功能区域或容纳腔的激光结合线。

41、此外，该方法包括：从覆盖基板消除材料，具体是为了减小覆盖基板的厚度。具体地是从覆盖基板研磨去除材料，例如通过打磨或喷砂，由此将覆盖基板制成薄膜基板，其具有厚度小于200μm的周向窄侧。

42、换言之，本技术方法首先可以实现覆盖基板的研磨减薄或消除，且在该过程中覆盖基板不会被剪断或分离甚至是被破坏。这使得制造过程得到显著改进，并实现了显着改进的封装件的制造。

43、在此，与激光目标点的距离，即输入封装件的非线性能量的位置，显得尤为重要。该距离t要选得足够大，以便使激光引入的材料改性保持在平坦外表面的内部，即不会到达覆盖基板的表面。这样，沉积的激光能量可以完全被连接过程中涉及的邻接的基板的材料所吸收，即，例如覆盖基板和第二基板，并且可以产生有利的焊缝或激光结合线，从而提高了覆盖基板的剪切强度。

44、通过仔细选择t可实现进一步改进，即非线性吸收区域(nla；即具体为激光的目标点)不会延伸到覆盖基板中。已经发现，激光可能在目标点处产生外来颗粒，这一点会通过例如nla的变黑和/或折射率的变化而变得明显。

45、令人惊讶的是，通过这种方式可以在材料消除之后在平坦外表面处产生宽度特别大的激光结合线。

46、封装件的气密性密封可以使用激光焊接工艺实现。腔或封装件的气密性密封可在低于或高于封装件后续使用期间的温度的温度下完成。

47、在该方法中，所述至少两个基板优选地以晶片叠层的形式提供，以便例如在同一工作流过程中由晶片叠层联合生产多个气密性密封的封装件。

48、该方法还可以包括将封装件与晶片叠层分离，该步骤具体通过激光切割或激光分离步骤来执行。具体地，可以使用连接步骤所使用的相同激光进行分离。

49、上述方法可以生产出其中封闭有气密性密封的容纳腔的封装件。

50、根据上述方法生产的封装件也可用作医疗植入物或作为传感器。

51、本发明还包括传感器单元和/或医疗植入物，其包括上述封装件或包括上述基板组件。

52、激光结合线的高度hl优选在大于10μm、更优选地大于50μm、大于100μm、甚至大于200μm的范围内。