用于焊接构件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于焊接构件的方法，该构件具有至少一个第一和/或第二结构元件区段，其中，腔尤其构造在第一和第二结构元件区段之间，其中，第一和/或第二结构元件区段具有用于将腔与构件的环境进行压力连接的开口。

背景技术

文献DE 10 2014 210 857 Al公开了一种构件和方法，其中，转速传感器和加速度传感器并排构造为两个微机械结构。为了针对性地影响构件的两个结构元件之间的腔内的内部压力，吸气材料或放气材料布置在两个结构元件之间的附加的腔中。在两个结构元件相互连接的键合过程之后，附加的腔仍应通过连接开口与腔连接。吸气材料或放气材料随后被激活，使得气体被束缚在附加的腔和连接的腔中，或进行放气。只有当在连接的腔中形成力求达到的内部压力时，通向附加的腔的连接开口才被封闭。以该方式，吸气材料或放气材料仅用于调节限定的内部压力。然而，吸气材料的使用需要附加的腔或附加的结构空间。

发明内容

提出了一种具有权利要求1的特征的用于焊接构件的方法。本发明的优选的、有利的和/或另外的实施方式由从属权利要求、以下的描述和/或附图得到。

提出了一种用于焊接构件、尤其是具有微机电系统的构件(所谓的MEMS构件)的方法。待焊接的构件优选构造为转速传感器、压力传感器或加速度传感器和/或具有转速传感器、压力传感器或加速度传感器。该构件以层结构方式构造。构件具有至少一个第一和/或第二结构元件区段，其形成构件的层结构。第一和/或第二结构元件区段优选构造为半导体结构元件和/或半导体层(衬底层)。例如，结构元件区段分别构造在晶片上，其中，多个第一和多个第二结构元件区段并排布置在相应的晶片上。

第一和/或第二结构元件区段优选具有微机电结构。微机电结构优选构造为微电子电路、致动器或传感器。例如，微机电结构形成转速传感器或加速度传感器，和/或是其部件。

构件具有至少一个腔，其尤其构造在第一结构元件区段和第二结构元件区段之间。腔在构件内形成凹槽，其中，腔优选具有任意形状。腔优选适用于容纳第一和/或第二结构元件区段的微机电结构。优选在将第一和第二结构元件区段相互接合时制造腔，其中，第一和第二结构元件区段优选在键合方法中相互连接。例如，结构元件区段中的一个结构元件区段构造为盖晶片，而另一结构元件区段构造为MEMS晶片，其中，盖晶片与MEMS晶片在键合方法(例如晶片键合方法)中相互连接，用以封装，使得腔构造在构件内部。MEMS晶片和/或盖晶片的微机电结构以键合方法封装在腔中。由此可能的是，制造对于相应的微机电结构(例如传感器结构)的运行所需的腔。例如，在用于传感器结构的腔中施加特定的内部压力、例如负压，以便使传感器结构的衰减保持尽可能低。例如，为转速传感器设定尽可能小的内部压力，优选小于50mbar和/或至少1mbar的内部压力。相反，优选在加速度传感器中设置更高的内部压力，其优选小于800mbar和/或至少500mbar的内部压力。

此外规定的是，第一和/或第二结构元件区段具有用于将腔与构件的环境进行压力连接的开口。其中一个结构元件区段中的开口优选构造为倒圆的开口、例如钻孔，其中，开口优选垂直于构件的层结构地引入在其中一个结构元件区段中。备选地，开口具有任意的基本形状、例如间隙或缝隙，其中，开口优选布置在两个结构元件区段的接触部位处，例如布置在键合部位处。

开口与腔连接，尤其是以流体和/或压力技术方式连接，从而尤其调节在构件的环境中存在的压力和/或腔中的大气。通过构件的环境条件对腔条件的调节优选在用于焊接构件的方法之前进行，和/或优选构造为该方法的前一步骤。该方法尤其构造用于封闭第一和/或第二结构元件区段中的开口。

在用于焊接构件、尤其是MEMS构件的方法中，由填充材料构成的填充件布置在具有开口的相应的结构元件区段上，使得开口至少被填充件覆盖和/或填充。

填充件优选在其基本形状中适配于开口，使得填充件适用于重叠开口和/或封闭开口。例如，填充件在其基本形状中构造为柱体、锥体、球或圆盘。备选地，填充件构造为无定形的，其中，填充件例如构造为粉末或膏。填充件优选在应用步骤中布置在具有开口的结构元件区段上，其中，填充件优选临时固定在相应的结构元件区段上。优选地，在应用步骤中，填充件与相应的结构元件区段连接、尤其是形状锁合地连接，使得填充件保持在开口内。备选地或可选互补地，在应用步骤中，填充件布置到结构元件区段上，使得开口和/或开口的开口进入区域被覆盖。优选地，填充件通过粘结保持在结构元件区段上。例如，填充件以接触面粘附在结构元件区段的结构元件表面上，该结构元件表面构造在开口周围。当填充件构造为圆盘或在构件的层结构中构造为片层时，优选设置备选的应用步骤。优选地，填充件布置在结构元件区段上，使得填充件的至少一个部分区段布置在开口外部。例如，填充件的部分区段凸出超过结构元件表面。

随后，用于焊接构件的方法规定的是，通过激光焊接方法将填充件与相应的结构元件区段焊接，使得结构元件区段中的开口被填充件的填充材料封闭，用以对腔进行不透气地密封。

在激光焊接方法和/或激光焊接步骤中，至少对填充件进行热处理，尤其是通过激光束进行热处理，使得填充件的填充材料至少部分被熔化。优选地，激光束将填充件至少加热到填充材料的熔化温度。优选地，填充材料具有比结构元件区段的材料更低的熔化温度，使得在焊接时仅填充件被熔化。由此防止了结构元件区段的材料的去除。备选地，两者都具有共同的熔化温度，从而两者都被熔化。

在该方法步骤中，腔相对于构件的环境被不透气地密封。因此，在腔中存在的条件维持恒定。有利的是，当结构元件区段与填充件焊接时，填充材料充当焊接添加剂，从而必须熔化小体积的结构元件区段。在熔体和/或熔池冷却时，通过焊接添加剂减小固有应力，从而防止焊接部位的微裂纹。这导致焊接部位的特别高的密封性。通过用于焊接构件的有利的方法降低构件由于不密封的腔而导致的故障率。由于填充件的附加的填充材料，必须熔化构件的更小的材料体积，或几乎不熔化构件的材料，以便关闭开口。这还保护构件或结构元件区段以防由材料去除引起的损坏和/或在激光焊接中的过高的热负载。

在方法的优选的设计方案中规定的是，与第一或第二结构元件区段焊接的填充件由与相应的结构元件区段类似的填充材料制成。尤其地，填充件由半导体材料、尤其是含硅半导体材料制成。特别优选地，第一或第二结构元件区段和填充件由共同的材料制成。这具有以下优点，即材料在焊接中足够牢固地相互连接，并且在冷却中减小熔池的固有应力。优选地，类似的材料具有共同的熔化温度、例如硅的熔化温度(1410℃)，从而在激光焊接方法中，在结构元件区段和填充件之间的过渡区域中制造出均匀的焊接部位和/或焊缝。

在方法的优选的设计方案中规定的是，腔具有气体填充物，其中，腔通过其中一个结构元件区段中的开口被填充以气体填充物，其中，填充件与相应的结构元件区段焊接，以用于腔的气密性的密封。腔中的气体填充物优选通过用气体淹没构件的环境来产生，其中，通过压力平衡，气体从构件的环境经由开口流入腔中。优选在将填充件布置在具有开口的结构元件区段处之前执行对腔进行调气的方法步骤，使得在用气体填充物填充腔之后，将填充件布置在相应的结构元件区段上，其中，它们随后通过激光焊接来进行焊接，以用于腔的气密性的密封。有利的是，通过气体填充物可以提供为了传感器运行(例如压力传感器)所需的腔条件，其中，通过经由开口的填充确保了，每个构件、例如晶片布置的每个构件被填充以相同的气体量。用于焊接构件的有利的方法还确保，气体填充物不能通过开口或焊接部位逸出，因为通过填充件的填充材料建立用于开口的材料特别强的“封闭”。

在方法的另一优选的设计方案中规定的是，腔具有特定的内部压力，其中，腔中的特定的内部压力通过其中一个结构元件区段中的开口施加，其中，填充件与相应的结构元件区段焊接，以用于腔的气密性的密封。优选地，腔具有负压，其中尤其地，在腔中形成小于500mbar、优选小于300mbar、尤其小于100mbar的压力。特定的内部压力优选根据微机电结构或相应的传感器结构来构建。例如，为了将传感器结构(转速传感器)的衰减保持尽可能低，设定尽可能小的内部压力、例如1mbar。由此，转速传感器能够以相对低的激励电压运行。相反，在传感器结构(例如加速度传感器)中施加明显更高的内部压力、例如500mbar，以便不激励传感器结构产生振动。优选地，该方法步骤在将填充件布置在相应的结构元件区段上之前实施。有利的是，作为焊接添加剂的填充件可靠地气密地封闭开口，从而产生焊接部位的足够的稳定性。原则上，这样的开口被结构元件的周围的熔化的流入开口的材料封闭。在熔体硬化时，熔体在开口区域内槽形地回缩，从而形成具有未知的材料厚度的焊接部位。由于焊接部位是不同气密的，因此出现高的故障率。通过填充件，在焊接中使用可确定的材料量，其确保了焊接部位的恒定的材料厚度。此外有利的是，通过例如作为“塞子”或“软木塞”的填充件的几何形状，尤其是在腔中的负压的情况下产生开口/焊接部位的更高的密封性。

在方法的优选的设计方案中规定的是，第一和/或第二结构元件区段具有用于与填充件连接的焊接连接，其中，焊接连接通过激光焊接方法建立。焊接连接尤其构造为材料锁合的连接。其中一个结构元件区段和填充件之间的焊接连接适合于将填充件(例如作为圆盘或片层)固定在相应的结构元件区段上。例如，在激光焊接方法的第一子步骤中，使它们临时相互连接，从而随后在激光焊接方法的第二子步骤中焊接和/或密封开口。

在方法的优选的具体化中规定的是，在激光焊接方法中，通过激光束至少熔化填充件的填充材料，以便在第一和/或第二结构元件区段与填充件之间产生焊接连接。尤其地，焊接连接通过熔化填充件的部分区段而产生，其中优选地，部分区段在填充件的布置状态中布置为朝开口凸出的。例如，填充件凸出超过开口至少0.1mm，和/或从开口出发凸出到周围的结构元件表面上。尤其地，填充件的一部分或凸出部分在激光焊接期间被激光束熔化并与其环境焊接。在该文本中，填充件应理解为与结构元件区段焊接的封闭元件。因此，填充件可以具有用于构件的另外的功能。例如，用于构件的电连接的一个或多个键合线由填充件保持和/或固定在结构元件表面上。备选地或可选补充地，键合线嵌入在填充件中，使得键合线经由焊接部位被引导到构件中。

在方法的备选的设计方案中规定的是，在激光焊接方法中，通过激光束至少完全熔化填充件的填充材料，以便产生至少由填充件的填充材料构成的熔池，用以封闭开口。因此，填充件的填充材料构造为完全熔化的焊接添加剂。填充件完全熔化的优点是，熔池分布在开口中，从而无空隙地关闭开口。由此避免和/或消除由于在制造中的公差和/或填充件的几何形状与开口的偏差导致的适配误差。

在方法的另一设计方案中规定的是，构件形成微机电系统构件(MEMS构件)、尤其是SI-MEMS构件，其中，第一和/或第二结构元件区段具有微机电结构，其中，微机电结构布置在腔内。

在用于焊接MEMS构件的方法中，如上所述，由填充材料(尤其是含硅的填充材料)构成的填充件布置在具有开口的相应的结构元件区段上，使得开口至少被填充件覆盖和/或填充，其中，填充件与相应的结构元件区段通过激光焊接方法焊接，用以不透气地密封腔内的微机电结构。

附图说明

本发明的另外的特征、优点和效果由以下对本发明的优选的实施例的描述得到。在此：

图1示出了构件的截面图作为方法步骤的优选的实施例，该构件具有带有开口的第一和第二结构元件区段并且具有用于布置在开口处的填充件；

图2示出了第一或第二结构元件区段中的开口和激光焊接的填充件的细节图作为另一方法步骤的优选的实施例。

具体实施方式

通过下述方法制造的构件的应用示例是所谓的MEMS构件(微机电系统构件)。MEMS构件具有形成微电子电路、致动器或传感器的小的微观机电结构。例如，机电传感器构造为转速传感器或加速度传感器。

机电结构构造在MEMS构件的层结构中。该机电结构借助结构元件被包封，以便保护传感器结构并且确保用于相应的传感器运行的限定的压力。为此，腔构造在MEMS构件内部，该腔容纳传感器结构，并且在该腔中存在限定的压力。因此，通常利用负压运行的MEMS传感器是不透气地密封封闭的。为了确保在MEMS构件的整个使用寿命内可靠的传感器运行，需要维持腔中的压力。

优选地，孔被引入构件中，该孔将内腔与构件的环境连接。通过该孔，可以通过构件的环境压力来确定腔中的压力，或者利用气体淹没腔。

图1中以截面图示出了具有层结构的构件1。构件1具有几毫米的尺寸，例如构件1具有至少2mm

第二结构元件区段2b构造为帽结构元件和/或所谓的盖件或盖晶片，其中，第二结构元件区段2b具有帽凹部5a，该帽凹部作为留空部和/或凸起引入到第二结构元件区段2b的材料中。第一结构元件区段2a具有微机电结构6，该微机电结构构造在第一结构元件区段2a的内侧。微机电结构6例如形成传感器、致动器、电路、振荡器的微机电部件，并且根据其运行而构造。它们可以具有任意的结构和不同的结构化。因此，在图1中仅强烈地示意性示出微机电结构6。

两个结构元件区段2a、b相叠布置，使得第二结构元件区段2b的帽凹部5a面对第一结构元件区段2a的微机电结构6，从而形成用于微机电结构6的腔5(空心空间)。键合框架3围绕腔5地构造，其中，键合框架3原则上适用于连接两个结构元件区段2a、b并且不透气地密封腔5。

第二结构元件区段2b或帽结构元件原则上放置到第一结构元件区段2a上，用以保护微机电结构6，其中，腔5构造用于调节微机电结构6的运行条件。例如，在腔5中产生特定的内部压力，用于微机电结构6(例如传感器结构)的运行。备选地或可选补充地，腔5被填充以包围微机电结构6的气体填充物。原则上，压力或气体填充物可以通过吸气材料或放气材料产生。然而，存在吸气材料在构件中产生不同压力的风险，从而存在用于微机电结构6的不同条件，其例如导致在MEMS传感器中的测量误差。此外，这些材料需要附加的结构空间，由此，构件在其尺寸中增加，并且制造成本例如由于在“昂贵的”晶片上的较少的结构元件区段而增加。

为了调节腔5中的腔条件，构件1具有开口7。开口7构造在第一和/或第二结构元件区段2b上。根据实施例，开口7构造在第二结构元件区段2b，即帽结构元件上。开口7构造为压力连接。开口7将腔5与构件1的环境U连接。通过开口7，在环境U和腔5之间发生压力平衡，使得通过环境U调节腔5中的特定的内部压力和/或气体填充物。

开口7理解为任意的开口和/或适用于以流体技术将腔5与环境U连接的孔。根据实施例，开口7构造为钻孔。开口7例如被钻入到相应的结构元件区段2a、b中。例如开口7具有通道或迷宫，该通道或迷宫与结构元件表面上的开口入口和帽凹部上的开口出口连接。

为了对腔5进行不透气的密封，在用于焊接构件1的方法的步骤中，填充件8布置在具有开口7的相应的结构元件区段2a、b上。根据实施例，填充件在其基本形状中构造为“塞子”或“软木塞”，并且布置在第二结构元件区段2b上。备选地，填充件8具有另一任意的基本形状，该另一任意的基本形状适用于覆盖和/或磨损开口7。例如，填充件8在应用步骤中布置在相应的结构元件区段2a、b上。例如，填充件8通过操纵器、例如机器人臂安装到开口7中。备选地或可选补充地，填充件8通过施加另一层(片层)来布置，与在晶片级平面制造中类似。例如，在随后的步骤中可以去除填充件8的不需要用于封闭开口7的凸出材料。根据实施例，填充件8凸出地布置在第二结构元件区段2b上。填充件8以部分区段8a从开口7伸出。部分区段8a具有凸出的边缘，使得其贴靠在结构元件区段2b的周围的结构元件表面上。

图2中以细节图示出了图1的构件1的片段。构件1具有第一或第二结构元件区段2a、b，其中，第一或第二结构元件区段构造有开口7。构件1具有填充件8，该填充件由填充材料、例如硅制成。填充件8在未焊接状态下具有锥形的基本形状，其形状锁合地安装到孔状的开口7中。如上所述，在方法的前一步骤中，填充件8布置在结构元件区段2a、b上。

通过布置填充件8，开口7已经被封闭。为了不透气地密封“封闭”，在方法的另一步骤中，通过激光焊接方法和/或激光焊接将填充件8与相应的结构元件区段2a、b焊接。激光焊接方法例如包括具有激光焊接头20的激光焊接设备，其中，激光焊接设备产生激光束L，激光束通过用于焊接的激光焊接头20逸出。在图2中仅简化地示出激光焊接方法，其中，激光束L朝填充件8和相应的结构元件区段2a、b之间的焊接部位区域9取向。激光焊接头20例如构造为可运动的，其中，在焊接时，激光焊接头20通过激光焊接设备沿待焊接的焊接部位区域9运动。

激光束L熔化填充件8的填充材料的子集和相应的结构元件区段2a、b的材料的子集，从而制造出环绕的焊接隆起部10。例如，只有或主要是填充件8的相对于结构元件表面凸出地布置的部分区段8a被熔化。焊接隆起部10密封焊接部位区域9，使得开口7完全被关闭，由此，在构件1内部的腔5相对于环境U不透气地密封。在激光焊接方法中建立焊接连接，该焊接连接通过焊接隆起部10的材料锁合产生。焊接连接将填充件8固定在相应的结构元件区段2a、b上。通过所描述的用于焊接构件1的方法，相应的结构元件区段2a、b的非常小的材料体积被熔化，因为填充件8用作焊接添加剂。因此，避免由于相应的结构元件区段2a、b的熔化导致的损坏，并且减小构件1的热负载。