DE19726489C1 - Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen einem dünnen metallischen Draht und einem Glaskörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verbindungstechnik bzw ein Verfahren zum Herstellen einer mechanischen Verbindung zwischen einem dünnen metallischen Draht mit einem Glaskörper, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Das Feld der Erfindung ist im wesentlichen in der Mikroelektronik und in der Mikromechanik zu suchen. Bei der Verbindung von metallischen Elementen mit Glas oder Glaskeramikkörpern werden oftmals Klebeverbindungen verwendet. Ebenfalls bekannt ist es, auf Glas oder Keramiken zunächst einen Metallfilm abzuscheiden, und danach mit dem metallischen Element, beispielweise einem Draht durch Bonden oder Löten zu verbinden. Weist das Substrat auch noch eine hinreichende Leitfähigkeit auf, wie dies bei Halbleitern der Fall ist, dann werden sogenannte anodische Bondverfahren angewendet. Bei Verfahren dieser Art muß die Kontaktstelle zwischen Substrat und metallischem Element frei zugänglich sein.

Die genannten Verfahren sind entweder nicht dazu geeignet metallische Elemente direkt mit Glaskörpern zu verbinden, oder ein direktes Bonden mit Glas ist grundsätzlich nicht möglich.

Außerdem ist durch die US 4 782 209 bekannt mit Hilfe eines Laserstrahles eine mechanische Verbindung zwischen einem elektrischen Element und einem Glaskörper herzustellen, indem der Laserstrahl durch den Glaskörper hindurch auf eine metallische, mit dem Glaskörper verbundene Hilfsschicht gerichtet wird, die den Laserstrahl absorbiert und mit dem metallsichen Element verschweißt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine direkte Verbindung eines Drahtes mit Glas oder glasähnlichen Stoffen auch an unzugänglichen Stellen möglich ist. Eine solche Verbindung soll dabei eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß das Substrat aus einem Glas besteht, das in demjenigen Wellenlängenbereich transparent ist, in welchem der Laser seine wesentliche bzw die zum Bonden verwendete Energie emittiert. Unter dieser Voraussetzung wird das Bonden durch den Substratkörper Glas hindurch vorgenommen.

In Anwendung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit Hilfe eines Lasers ein Draht in einem Loch eines Glassubstrates direkt angebondet, der mit seinem Endabschnitt völlig im Loch des Substrates versteckt ist. Als Substratmaterial wird Glas verwendet, welches im Wellenlängenbereich maximaler Energie des Laserstrahles transparent ist. Dieses weist dabei ebenfalls die mechanischen Eigenschaften auf, die an die jeweilige Einsatzaufgabe gestellt sind.

In das Glas ist ein Loch hineingeätzt, in welchem ein Draht zu befestigen ist. Dies ist eine in der Mikromechanik oft wiederkehrende Aufgabe, weil so Bauteile geschaffen werden, die z. B. eine Drehaufhängung benötigen.

Nach Einschieben des metallischen Drahtes in das oben genannte Loch im Glaskörper wird der Laser seitlich an den Glaskörper angesetzt, derart daß der Laserschuß weitestgehend senkrecht zum Draht durch den Glaskörper hindurch den Draht erreicht. Der Laserstrahl erhitzt diesen bis zumindest ein kleiner Teil des Drahtes verdampft. Der Niederschlag dieses Metalldampfes im Loch des Glaskörpers führt zu einer sich zusätzlich einstellenden Absorption des Laserstrahls an der Grenzfläche bzw an der Innenoberfläche des Loches. Dies wiederum führt zu einer lokal erzeugten Erhitzung des Glases in diesem Bereich, also einer lokalen Glasschmelze. Demzufolge verschmelzen sodann Draht und Glas miteinander.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Der Glaskörper 1 weist zentral ein Durchgangsloch 3 auf. Durch dieses Durchgangsloch ist ein Draht, vorzugsweise ein Platindraht, hindurchgesteckt. Der hier nicht dargestellte Laser wird seitlich so angesetzt, daß der Laserschuß bzw der Laserstrahl 4 den Glaskörper seitlich durchläuft und senkrecht zur Längsachse des Drahtes auf den Drahtendabschnitt trifft. Diese Laserposition wird deshalb so gewählt, damit der Laserstrahl einen möglichst kurzen Weg durch den Glaskörper hat, und demzufolge die Verluste durch materialbedingte Streuung des Laserstrahles vermindert werden.

Der Laserstrahl 4 durchläuft den Glaskörper 1 weitgehend ungehindert, und trifft dann auf den eingesteckten Drahtendabschnitt 2, der durch Absorption der Laserstrahlung erhitzt wird. Dadurch wird ein Teil des Drahtes zumindest oberflächlich verdampft. Der Metalldampf schlägt sich sodann auf der Innenwandung des Durchgangsloches 3 nieder. Dieser Niederschlag absorbiert einen Teil der Laserstrahlung im Bereich der Innenwandung des Durchgangsloches und erhitzt diesen Bereich. Das Glas schmilzt lokal und verschmilzt mit dem Drahtendabschnitt 2.

Vorzugsweise werden die Dimensionen von Draht und Durchgangsloch so aufeinander abgestimmt, daß der Durchmesser des Durchgangsloches 20%-­ 50% größer ist als der des Drahtes. Bei diesen Parametern wird erreicht, daß der Drahtendabschnitt 2 von der ihn umgebenden Glasschmelze perfekt eingeschlossen wird, und so eine dauerhafte Verbindung geschaffen wird.

Die erfindungsgemäße Art der Metall/Glas-Verschmelzung ist schnell herzustellen, sehr zuverlässig und dauerhaft. Außerdem arbeitet dieses Verfahren völlig berührungslos.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen einem Draht und einem Glaskörper, insbesondere zur Herstellung eines mit Drehaufhängung versehenen Glaskörpers, dadurch gekennzeichnet,
daß in den Glaskörper ein Loch eingebracht wird,
daß in das Loch der Endabschnitt eines metallischen Drahtes eingeführt wird, und daß die Laserstrahlbeautschlagung senkrecht zum eingeführten Drahtende durch den Glaskörper hindurch so vorgenommen wird, daß der Glaskörper mit dem Drahtendabschnitt lokal verschmilzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper hinsichtlich seiner optischen Transparenz so gewählt wird, daß er im Wellenlängenbereich hoher thermischer Effizienz eines zum Bonden verwendeten Lasers transparent ist, und daß der Laserstrahl zum Bonden durch den Glaskörper hindurch senkrecht auf den Drahtendabschnitt gerichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsdauer des Lasers so eingestellt wird, daß zuerst ein Teil des Drahtendabschnittes verdampft, daß der erzeugte Dampf sich auf der entsprechenden Glaskörperfläche niederschlägt, und durch den Niederschlag auf der Glaskörperfläche eine Streuung und Absorption des Laserstrahles im Bereich dieses Niederschlages erzeugt wird, durch die der Glaskörper mit dem Drahtendabschnitt lokal verschmilzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch in den Glaskörper durch Ätzen eingebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Loches etwa 20%-50% größer ist als der des Drahtes.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper aus fotostrukturierbarem Glas besteht.