激光设备和用于制造激光设备的方法

本申请利要求分别于2018年10月17日和2018年11月30日向德国专利商标局提交的德国专利申请10 2018 125 787.2和10 2018 130 578.8的优先权。因此将德国专利申请10 2018 125 787.2和10 2018 130 578.8的公开内容并入本申请的公开内容。

技术领域

本发明涉及激光设备和用于制造激光设备的方法。

背景技术

目前，发射例如是绿光或蓝光的短波光的激光器、特别是功率激光器(英文：powerlaser)必须被高成本地封装。为了能够长期确保稳定运行，必须在洁净的气氛中运行激光元件。其原因在于：尤其在发射短波辐射的半导体激光器中，在刻面处出现高场强以及大的辐射发散。由此，颗粒以及分子也被从周围传输至刻面。由于激光刻面区域中的高能量密度，会在刻面处造成颗粒和分解产物的分解以及沉积或堆积。只要反应产物不完全透明，其就与发射的辐射发生交互作用，交互作用又导致在刻面区域中的附加发热。通过上述关系会造成自增强效应，自增强效应最终会导致激光器损坏(COD，灾难性光学损坏)。

即使沉积物完全透明，沉积物也可以改变刻面的镜面化特性，这又引起谐振器的不期望的失谐。

为了避免上述效果，将发射短波辐射的半导体激光器装入密封的壳体、也称作封装件中。密封表示：将壳体紧密地封闭，以使会引起激光器损坏或破坏的颗粒和分子不能从外部进入壳体中。

常规的激光器壳体满足密封性要求，但是可用的解决方案具有高的制造成本，并且不太适合进一步小型化和集成化。

发明内容

本发明尤其基于以下目的：提出一种有利的激光设备，该激光设备具有密封的壳体和集成到壳体中的激光元件，其中该激光设备能够特别便宜地制造并且适合进一步的小型化和集成。还提出一种用于制造激光设备的相应的方法。

本发明的目的通过具有权利要求1的特征的激光设备来实现。此外，本发明的目的通过具有权利要求11的特征的用于制造激光设备的方法来实现。本发明的有利的实施方案和改进方案在从属权利要求中说明。

根据一个设计方案，激光设备包括密封的或密封封装的或密封封闭的壳体，该壳体具有内部空间或腔并且至少部分地由电路板材料制成。在壳体的内部空间中设置有至少一个激光元件。该激光设备还包括至少一个无机层，该无机层将内部空间与电路板材料密封隔离。

电路板、也称为PCB(英文：printed circuit board，印刷电路板)、导体卡、印制电路板或印刷电路是用于电子组件的载体。电路板用于机械固定和电连接。电路板由电绝缘材料构成，电绝缘材料具有与其附接的导电连接件、所谓的印制导线。通常将纤维增强塑料用作电绝缘材料。例如，电绝缘材料可以由嵌入环氧树脂或硅树脂中的玻璃纤维构成。电路板的印制导线大多通过刻蚀薄的铜层获得。

常规电路板技术的主要缺点是电路板材料中的有机气体散发以及密封性不好。为了消除该缺点，本发明提出：由至少一个无机层将包括激光元件的壳体的内部空间与电路板材料密封式隔离。

至少一个无机层可以覆盖电路板材料的表面并且必要时覆盖激光设备的其他部件的表面，使得电路板材料不与内部空间或内部空间中的气氛接触，并且其还确保：来自电路板材料的有机或部分有机的材料不会到达内部空间中，或者来自电路板材料的最多不损害激光元件的功能或完整性的量的、有机或部分有的机材料进入内部空间中。换言之，由至少一个无机层将电路板材料相对于壳体的内部空间密封地封装。

电路板材料与壳体的内部空间经由至少一个无机层的密封隔离(或封装)应当构造为，使得来自电路板材料的不损坏或伤害激光元件的最大量的气态的有机或部分有机材料进入内部空间中。例如，来自电路板材料的气态的有机或部分有机材料通过至少一个无机层进入壳体的内部空间的泄漏率(英文：leak rate)最大为10

由于并行化工艺(英语：batch processing，批处理)的可能性，电路板技术提供相对低的材料成本并且还提供有吸引力的制造成本。另一优点是通过3D互连和部件嵌入实现高度集成和小型化。

此外，可以借助于至少一个无机层来密封封装激光元件，以保护刻面并且防止来自电路板材料的气态的有机或部分有机的材料释放并且进入内部空间中，该材料在内部空间中可能会沉积在激光器刻面处。

此外，该激光设备实现了有针对性地设置壳体的内部空间中的气氛，激光器元件在该壳体中运行。例如，内部空间可以由干燥空气填充和/或可以有针对性地设置氧气局部压力。可选地，也可以使用吸气剂。

激光设备例如可以用在AR(英文：augmented reality，增强现实)数据眼镜、将信息投影到眼镜玻璃或直接投影到视网膜上的智能数据眼镜(英文：smart glass智能眼镜)、特别是移动式无线电设备的闪光灯、探照灯或其他用在交通工具中的照明机构或紧凑的投影设备中。

激光元件可以构造为半导体激光器或激光二极管。此外，激光元件可以实施为半导体芯片。

特别地，至少一个集成到壳体中的激光元件可以发射短波激光辐射，其中该激光辐射的波长不大于570nm。例如，至少一个激光元件可以设计用于发射绿光、蓝光或紫光或紫外(UV)的辐射。但是，完全可以提出：将多个激光元件集成到壳体中，并且这些激光元件中的一个或多个发射波长大于570nm的光。例如，激光设备可以构造为具有三个发射红光、绿光和蓝光的激光元件的所谓的RGB封装。在这种情况下，发射红光的激光元件的激光辐射具有超过570nm的波长。

根据一个设计方案，壳体具有作为底板的电路板。电路板可用作安装和/或连接平面，以便安装激光设备并且与其他设备或系统电耦联。通过将电路板用作底板，可以将激光设备简单地集成到应用中，例如作为SMT(英为：surfacemount technology，表面安装技术)组件。电路板应由至少一个无机层相对于壳体的内部空间封装，从而不使来自电路板材料的气态的有机或部分有机材料释放并且进入内部空间中。

可以将设有激光元件的插入件或插件集成到电路板中。但是，激光元件不必直接安置在插入件上，一个或多个部件完全可以处于插入件和激光元件之间。

插入件由无机材料制成并且尤其构造为，使得气态的有机或部分有机材料从插入件不释放并且不能进入内部空间中。插入件满足有关密封性的要求，从而不会有会引起激光器损害或破坏的颗粒或分子从外部通过插入件进入壳体的内部空间中。特别地，插入件完全由一种或多种无机材料构成。例如，插入件可以由硅、AlN、Al

为了能够从壳体之外电接触设置在激光元件和可能的其他器件，插入件可以具有至少一个密封的电过孔。至少一个电过孔可以从插入件的第一主表面延伸至插入件的与第一主表面相对置的第二主表面。至少一个电过孔允许将电信号和/或功率从壳体外部传递至内部空间并沿相反方向传输。至少一个电过孔可以与电路板上的、特别是用于安装和/或连接面的电路板下侧处的一个或多个印制导线连接。

底板也可以是陶瓷底板或由无机材料制成的没有附加插入件的底板。在这种情况下，至少一个密封的电过孔可以集成到陶瓷或无机的底板中。

通过将电路板用作底板，可以将其他部件集成到壳体中。例如，可以将至少一个有源器件和/或至少一个无源器件集成或嵌入电路板中。有源器件例如可以是开关元件，例如是MOSFET(英文：metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)、GaNFET(英文：gallium nitride field-effect transistor，氮化镓场效应晶体管)或不同构造的晶体管。无源器件可以例如是电容器。

通过将有源和/或无源器件集成到电路板中可以实现：将开关元件和电容紧邻激光元件周围安置，以便能够实现开关时间很短的低感应的设计。这允许例如用在LiDAR(英文：light detection and ranging，光检测和测距)中，其允许将高频技术用于数据传输，并将激光设备用在LiDAR(光检测和测距)应用和智能数据眼镜(英文：smart glass，智能眼镜)中。

除了底板之外，有源和/或无源器件也可以集成到在壳体中放置的其余的电路板材料中。例如，器件可以装入壳体的侧壁和/或盖板中，只要这些部件至少部分地由电路板材料制成即可。

还可以提出：壳体的至少一个侧壁至少部分地由电路板材料制成。例如，可以在电路板上设置另外的板，该另外的板至少部分地由有机材料制成并且具有凹陷部。板中的凹陷部可以至少部分地形成壳体的内部空间。制成该另外的板的有机材料可以是与制成电路板的电绝缘部分的材料相同的材料。刚好如在电路板中那样，可以将至少一个无机层施加到该另外的板上，以便将另外的板相对于壳体的内部空间密封封装，并防止会对激光元件有害的气态的有机或部分有机材料从有机材料中释放并进入内部空间中。

壳体可以具有盖板，该盖板至少部分地由对于由激光元件发射的激光辐射能透过的材料制成。这实现：将激光辐射从壳体中引出并用于期望的应用。必要时，可以在内部空间中设置一个或多个光学元件，该光学元件将激光辐射偏转到期望的方向上。盖板可以安装到壳体的侧壁上。盖板和侧壁之间的接合部位可以被密封封闭。

例如，玻璃、蓝宝石(Al

盖板可以完全由一种或多种上述材料制成，或仅部分由这些材料制成。例如，盖板可以至少部分地由有机材料制成，由对于由激光元件发射的激光辐射能透过的材料制成的插入件集成到该有机材料中。

盖板的有机材料可以是与用于制成电路板的电绝缘部分的材料相同的材料。这是有利的，因为在这种情况下基板和盖板具有相似的热膨胀系数。刚好如在电路板中那样，至少一个无机层可以施加到另外的板上，以便将该另外的板相对壳体的内部空间密封封装，并防止会对激光元件有害的气态的有机或部分有机材料从有机材料中释放并进入内部空间中。

盖板中的插入件可以例如由玻璃、蓝宝石(Al

至少一个无机层可以是至少一个金属层，该金属层电镀式地、即以电化学方式沉积在电路板材料、即尤其底板、侧壁和/或可能的盖板上。例如，铜、特别是所谓的ED-Cu(英文：eletrically deposite copper，电子沉积铜)可以用作金属层。此外，多个金属层可以彼此堆叠。可选地，至少一个无机层可以由无机的、非金属的层或层堆构成，例如借助于溅射、蒸镀、PVD(英文：physical vapour deposition，物理气相沉积)或CVD(英文：chemicalvapour deposition，化学气相沉积)方法来涂覆该层或层堆。用于至少一个无机层的材料和层厚度应当确保壳体的有机组成部分的密封封装。

此外，可以通过在壳体中设有相应的屏蔽件来改善屏蔽，例如通过层压金属薄膜或金属覆层的薄膜来改善。该实施方式不仅具有密封性的优点，而且还可以屏蔽高频电磁辐射。

根据一个设计方案的方法用于制造激光设备。该方法提出：壳体至少部分地由电路板材料制成，至少一个激光元件设置在壳体的内部空间中，利用至少一个无机层将内部空间与电路板材料隔离，并将壳体密封封闭。

用于制造激光设备的方法可以具有上述设计方案的激光设备。

可以将电路板作为壳体的底板提供，并且激光元件可以设置在插入件上，其中由无机材料制成的插入件嵌入到电路板中。

根据一个设计方案，能将至少部分地由有机材料制成的且具有凹陷部的另外的板设置在电路板上。凹陷部能至少部分地形成壳体的内部空间。

此外，可以将至少一个无机层施加到电路板和另外的板上，并且然后可以将至少部分地由对于由激光元件发射的激光辐射能透过的材料制成的盖板施加到另外的板上。

盖板可以借助于接合材料固定在另外的板处，接合材料具有或完全包括金属材料、低温玻璃、适合的焊料材料和/或无机粘合材料。此外，接合材料应确保壳体的密封性。金属材料例如可以是工艺温度在大约280℃至320℃的范围内的AuSn焊接连接件、工艺温度在大约180℃至220℃的范围内的AuIn焊接连接件、或工艺温度在约200℃至250℃的范围内的AuAu压缩键合层。例如，可以将工艺温度在大约350℃至500℃范围内的碲基玻璃用作低温玻璃。只要将有机粘合材料用作接合材料，则必须将其充分密封封闭，使得没有会破坏或损害激光元件的、气态的有机或部分有机材料穿过粘合材料进入内部空间中。

在一个可选的设计方案中提供盖板，该盖板至少部分地由对于由激光元件发射的激光辐射能透过的材料制成，并且将另外的板固定在盖板上，另外的板至少部分地由有机材料制成并且具有至少部分地形成壳体内部空间的凹陷部。

可以将至少一个无机层施加到电路板上，并且在将另外的板固定在盖板处之后，可以将至少一个另外的无机层施加在另外的板上，以将内部空间与另外的板隔离。此后，可以将盖板与另外的板一起施加到电路板上。

盖板或另外的板可以借助于接合材料固定在电路板处，该接合材料如上述的设计方案中那样可以具有或完全包括金属材料、低温玻璃和/或无机粘合材料，并且可以确保壳体的密封性。

此外，至少一个无机层可以是至少一个金属层，该金属层电镀式沉积在电路板材料上。

附图说明

在下文中，参考附图更详细地阐述本发明的实施例。在这些附图中示意地示出：

图1示出激光设备的一个实施例的示意图；

图2示出图1中所示的实施例的变型方案；

图3示出激光设备的另一个实施例的示意图；

图4示出图3中所示的实施例的变型方案；

图5示出图4中所示的实施例的变型方案；以及

图6示出图1中所示的实施例的变型方案。

具体实施方式

在下面的详细描述中参考附图，这些附图形成本说明书的一部分，并且在这些附图中出于说明的目的示出具体的实施例，以这些实施例可以实施本发明。因为实施例的部件能以许多不同的取向定位，所以方向术语用于说明的目的，而绝不是限制性的。不言而喻，在不脱离保护范围的情况下，可以使用另外的实施例，并且可以进行结构或逻辑上的改变。不言而喻，只要没有另外具体说明，本文所述的各种实施例的特征可以彼此组合。因此，以下详细描述不应在限制性的意义上进行阐述。在附图中，相同或相似的元件设有相同的附图标记，只要这是适宜的。

图1示意性地示出具有密封的壳体11的激光设备10，该壳体具有内部空间12。在壳体11的内部空间12中设置有激光元件13，该激光元件尤其构造用于产生绿色或蓝色的激光辐射14。

壳体11包含作为底板的电路板20，该电路板的本体至少部分地包含有机材料。由无机材料、例如硅、AlN、Al

在第一主表面23和第二主表面24上分别沉积有金属化层25、26，金属化层构造为印制导线并在期望的部位处与过孔22连接。插入件21的第二主表面24上的金属化层26也延伸到电路板20的下侧处。在本实施例中，插入件21的第一主表面23与电路板20的至少部分地由有机材料制成的本体的上侧齐平地构造。此外，插入件21的第二主表面24与电路板20的本体的下侧齐平地构造。

电路板20的下侧与插入件21的第二主表面24和金属化层26一起用作激光设备10的安装和/或连接面。激光设备10可以利用激光设备10的下侧安装、尤其焊接到外部部件上。

金属化层25可以与激光元件13电连接，这允许：经由金属化层26从激光设备10的外部电驱控激光元件13。

可以将其他有源或无源器件集成到电路板20中，这些器件在图1中未示出。

将子载体30安装到插入件21上，将激光元件13又安装到该子载体上。此外，将光学元件31设置在插入件21上，光学元件用于将由激光元件13产生的激光辐射14偏转至期望的方向，并且必要时使其成形。

另外的板32安装到电路板20上。板32可以与电路板20一起形成多层电路板(英文：multi-layer PCB)。板32形成壳体11的侧壁并且具有凹陷部，由该凹陷部形成壳体11的内部空间12。板32同样由电路板材料制成，并且包含与电路板20一样的有机材料。

原则上，气态的有机或部分有机材料能从电路板20和板32逸出。为了使这些材料不进入壳体11的内部空间12中并在那里损坏激光元件13的刻面，借助于构造为扩散阻挡件35的、由无机材料构成的层将电路板20和板32相对于壳体11的内部空间密封封装。

在本实施例中，扩散阻挡件35由电镀式沉积的铜形成。扩散阻挡件35覆盖电路板20和板32的所有表面，该表面否则会与内部空间12的气氛接触。此外，扩散阻挡件35完全盖板32的上侧以及电路板20与插入件21之间的接合部位，以便形成密封封装。

壳体11在其上侧由盖板40封闭，激光辐射14穿过该盖板射出。在本实施例中，盖板40完全由玻璃制成。盖板40在其边缘处具有金属化部41，盖板40借助该金属化部固定在施加到板32的上侧上的扩散阻挡件35处。盖板40与扩散阻挡件35之间的接合部位借助于接合材料42被密封封闭。如上所述，接合材料42例如可以是金属材料、低温玻璃或无机粘合材料。可选地，可以通过激光焊接将盖板40与扩散阻挡件35密封连接。

为了制造图1所示的激光设备10，首先将电路板20、板32、激光元件13、扩散阻挡件35以及部件安装或组装在壳体11的内部空间12中。此后才将盖板40装上并且密封封闭。

图2示意性地示出激光设备50，该激光设备的大部分与图1所示的激光设备10相同。

与激光设备10不同，激光设备50的盖板40不完全由玻璃制成，而是由有机材料构成的板51构成，其中将由玻璃构成的插入件52集成到该板中。板51可以由与电路板20的本体相同的材料制成。插入件52设置在板51中，使得激光辐射14可以穿过插入件52射出。

为了防止气态的有机或部分有机材料从板51释放到内部空间12中，通过由无机材料构成的层53将板51相对于内部空间12密封封闭。在本实施例中，层53是电镀式沉积的铜层。

图3示意性地示出激光设备60，该激光设备大部分与图1所示的激光设备10一致。激光设备10和60之间的差异由不同的制造方法引起。

为了制造图3所示的激光设备60，将激光元件13和光学元件31安装到集成至电路板20中的插入件21上。此外，将扩散阻挡件35施加到电路板20上。

然而，形成壳体11的侧壁的板32不直接固定在电路板20处，而是借助于粘合剂61、例如有机粘合剂固定在盖板40处。随后，通过构造为扩散阻挡件62的、由无机材料构成的层将板32相对于内部空间12密封封装，以防止气态的有机或部分有机材料从板32扩散到内部空间12中。板32的下侧也由扩散阻挡件62覆盖。在本实施例中，扩散阻挡件62是电镀式沉积的铜层。

然后，将上述这两个部件拼接在一起，并借助于激光焊接或借助于拼接材料42或其他适合材料密封封闭。

图4示意性地示出激光设备70，该激光设备的大部分与图3所示的激光设备60相同。

与激光设备60不同的是，激光设备70的盖板40不完全由玻璃制成，而是如图2所示的激光设备50那样，盖板40由有机材料所构成的板51构成，其中将由玻璃制成的插入件52集成到该有机材料中。在激光设备70中，扩散阻挡件62在板51的朝向内部空间11的表面上延伸，以使气态的有机或部分有机材料不能从板51释放到内部空间12中。

图5示意性地示出激光设备80，该激光设备的大部分与图4中所示的激光设备70相同。

与激光设备70不同的是，底板不由集成有由无机材料构成的插入件的电路板构成，而是底板在没有插入件的情况下构造在激光设备80中并且包括连续的陶瓷或由无机材料制成的底板81。

图6示意性地示出激光设备90，该激光设备的大部分与图1所示的激光设备10相同。

与激光设备10不同的是，底板不由集成有由无机材料构成的插入件的电路板构成，而是如图5所示的激光设备80那样，底板在没有插入件的情况下构造在激光设备90中并且包括连续的陶瓷或由无机材料制成的底板81。

盖板40同样不具有插入件，并且完全由玻璃制成。盖板40在其边缘处具有金属化部41，盖板40借助该金属化部固定在施加到板32的上侧上的扩散阻挡件35处。盖板40与扩散阻挡件35之间的接合部位借助于接合材料42被密封封闭。也可以考虑弃用金属化部41，使得接合材料42与盖板40直接接触。

参考标号列表

10 激光设备

11 壳体

12 内部空间

13 激光元件

14 激光辐射

20 电路板

21 插入件

22 过孔

23 第一主表面

24 第二主表面

25 金属化层

26 金属化层

30 子载体

31 光学元件

32 板

35 扩散阻挡件

40 盖板

41 金属化部

42 接合材料

50 激光设备

51 板

52 插入件

53 层

60 激光设备

61 粘合剂

62 扩散阻挡件

70 激光设备

80 激光设备

81 底板

90 激光设备。