DE10347450B4

DE10347450B4 - Keramiksubstrate mit integrierten mechanischen Strukturen zum direkten Fassen von optischen Bauelementen

Info

Publication number: DE10347450B4
Application number: DE10347450A
Authority: DE
Inventors: Erik Dipl.-Ing. Beckert; Christoph Dipl.-Ing. Damm; Ramona Dr. Eberhardt; Peter Dr. Schreiber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-10-13
Filing date: 2003-10-13
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2023-10-14
Also published as: DE10347450A1; WO2005039259A1

Abstract

Optikfassungsvorrichtung (6), in der mindestens zwei optische und/oder elektrooptische Bauelemente (11b, 11c, 11d) einsetzbar sind, wobei
– die Optikfassungsvorrichtung (6) aus einer steifen und massiven Plattform gebildet ist, die aus einem Stapel von Einzellagen aufgebaut ist,
– aus mindestens zwei benachbarten Einzellagen jeweils eine räumliche Einzelstruktur unter Bildung mindestens einer seitlich teilweise oder vollständig umschlossenen Durchgangsöffnung mit geraden Seitenwänden vollständig entfernt ist und aus den Einzelstrukturen benachbarter Einzellagen des Stapels sich mindestens eine räumliche Gesamtstruktur ergibt, welche die Außenkonturen der Bauelemente mindestens teilweise approximiert,
– durch die entfernte räumliche Gesamtstruktur in der Gesamtheit der strukturierten Einzellagen des Stapels Auflagen für die Bauelemente und damit die Fassung für die Bauelemente (11b, 11c, 11d) gebildet werden,
– die Bauelemente im eingesetzten Zustand durch die Gesamtheit der strukturierten Einzellagen des Stapels parallel und senkrecht zur Stapelrichtung direkt gefasst und auf die optische Achse, die im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Plattform bzw. ein Substrat aus einem anorganischnichtmetallischen Werkstoff, vorzugsweise Keramik oder Glaskeramik, mit integrierten mechanischen bzw. räumlichen Strukturen zum direkten Fassen von optischen Bauelementen sowie auf ein entsprechendes Verfahren. Insbesondere ist der Gegenstand der Erfindung ein neues Aufbaukonzept für hybrid-optische Systeme. Unter solchen Systemen werden im Folgenden Baugruppen mit optischer Funktionalität verstanden, die aus diskreten Bauelementen wie beispielsweise Linsen, Prismen, Laserdioden usw. zusammengesetzt sind (hybride Integration) und aufgrund immer komplexer werdender Funktionen zunehmend auch elektrooptische, elektronische und/oder mechatronische (Aktoren) Komponenten enthalten.
Verfahren zum Fassen von optischen Bauelementen, optischen Baugruppen oder von hybrid-optischen Baugruppen sind bereits Stand der Technik. Im Folgenden werden die verschiedenen Ansätze des Standes der Technik mit den jeweiligen Nachteilen geschildert.
In einem ersten Ansatz werden solche hybrid-optischen Systeme aufgebaut, indem die Bauelemente in einem vorgelagerten Montageschritt zunächst mechanisch gefasst und dann, wenn nötig justierbar, zusammen mit mechanischen und elektrischen Komponenten im oder auf einem dem Anwendungsfall angepassten Chassis oder Substrat, auch als optische Bank bezeichnet, montiert werden. Im Allgemeinen wird das Chassis bzw. das Substrat als Systembasis, meist aus Metall, mit Hilfe konventioneller und beherrschter Fertigungstechnologien bereitgestellt. Hierbei ist im Allgemeinen eine Justierbarkeit der Komponenten auch zu einem späteren Zeitpunkt vorgesehen. Nachteilig an diesem Ansatz sind die oft zeitaufwendigen, iterativen Justiervorgänge und die daraus resultierende aufwendige Montage mit produktspezifischen Vorrichtungen, die eingeschränkte Miniaturisierbarkeit aufgrund der immer vorhandenen Fassungen und die problematische thermische Stabilität und Zuverlässigkeit solcher Systeme aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten optischer und metallischer Materialien.
In einem zweiten Ansatz versuchen daher neue Aufbauvarianten, die Fassungen für die optischen Komponenten soweit wie möglich zu miniaturisieren oder das Chassis bzw. das Substrat nicht nur als Träger, sondern auch als Fassung für die einzelnen Bauelemente zu verwenden. Eine solche miniaturisierte Fassungstechnologie wurde am EPF in Lausanne (Schweiz) entwickelt. Dieses TRIMO-SMD-System (Three Dimensional Mi niaturized Optical Surface Mounted Device, Deutsche Patentanmeldungen DE 198 50 888 A1 und DE 197 51 352 A1 ) nutzt dabei eine universelle Optikfassung, die in sechs Freiheitsgraden in Bezug auf ein matrixförmig metallisiertes ebenes Glaskeramiksubstrat justierbar ist. Das Hinzufügen der Bauelemente erfolgt über Lötpunkte und Laserstrahllöten durch das Glaskeramiksubstrat hindurch, was zu einer Selbstzentrierung der Bauteile während des Lötvorgangs führt. Hierzu weist das Substrat eine für den Fügeprozess günstige Metallisierung auf, jedoch keine zum Fassen optischer Komponenten geeignete mechanische Strukturen. Ein weiterer Ansatz sind ebene Al₂O₃-Substrate, wie sie vom Laserhersteller Coherent Inc., Santa Clara, USA, bekannt sind. Die optischen Komponenten werden dort durch einzelne Keramikstapel auf die Höhe der gemeinsamen optischen Achse ausgerichtet und im Kleber- bzw. Lotbett, welches sich zwischen zwei Stapelschichten befindet, justiert und gefügt. (US-Patent US 5 930 600 A „Diode-Laser Module With a Bonded Component and Method For Bonding Same"). Auch in diesem Fall weist das Substrat selbst keine mechanischen Strukturen zum Fassen der optischen Komponenten auf. Nachteilig bei den beiden genannten Systemen ist u. a. das stark unsymmetrische Design aufgrund des Anhebens aller Komponenten auf die Höhe der optischen Achse weit oberhalb der Substratebene.
Ansätze zur Integration von Fassungsstrukturen in Substraten für optische Systeme sind vor allem aus der Mikrosystemtechnik bekannt. Hierbei ist es üblich, V- und U-Nuten zur Aufnahme und passiven Justage von Glasfasern in die Substrate zu ätzen, zunehmend werden aber auch andere Bauelemente wie beispielsweise Linsen oder Kristalle auf diese Art und Weise gehalten. Passive Justage bedeutet hierbei, dass das entsprechende Bauteil während der Assimilierung nicht aktiv bewegt wird. Ein weiterer Ansatz ist die Strukturierung mittels der LIGA-Technik (abgekürzt für Lithographie und Galvanoformung und Abformung) zum Erzeugen von 2-1/2-D Strukturen – dies sind zweidimensionale Strukturen wie beispielsweise Kreise, Rechtecke oder Dreiecke, die durch Extrusion in Richtung der Flächennormalen eine quasidreidimensionale Struktur ergeben – in Polymethylmethacrylat PMMA.
Die beiden Technologien aus der Mikrosystemtechnik zeichnen sich durch höchste Strukturierungsgenauigkeiten im Mikrometerbereich aus, was oft eine passive und damit kostengünstige Justage der optischen Komponenten erlaubt, vorausgesetzt diese liegen in der gleichen Genauigkeit vor. Das LIGA-Verfahren eignet sich aufgrund der hohen Kosten allerdings nur für Einzelstücke. Deshalb werden durch LIGA erzeugte Substrate zunehmend abgeformt und als Master für Mikrospritzgussprozesse benutzt. Diese eignen sich dann allerdings aus Kostengründen wiederum vornehmlich für die Massenproduktion. Gleiches gilt für die Siliziummikromechanik mit den teueren Lithographie- und Ätzprozessen. Weiterhin wäre für eine große Anzahl optischer System eine um ca. eine Größenordnung geringere Strukturierungsgenauigkeit ausreichend.

Ein weiterer Ansatz zur Integration von Fassungsstrukturen in ein Substrat, speziell zur Aufnahme von optischen Fasern in Form von V-Nuten, ist in der Patentschrift US 6 574 399 B2 beschrieben. Hierbei muss jedoch zunächst ein Silizium Master hergestellt werden, welcher die zur Aufnahme der einzelnen Bauelemente gewünschte Form aufweist. Die Formgebung des Silizium Masters geschieht hierbei beispielsweise mit Hilfe konventioneller Ätztechniken. Anschließend wird durch Abscheidung eines Metalls, dies kann beispielsweise Nickel, Kupfer oder Zink sein, ein Negativ der Ursprungsform hergestellt. Auf dieses Negativ wird sodann ein ungesintertes Keramikband, beispielsweise ein LTCC-Keramikband (Low Temperature Cofired Cera- mics), gepresst. Das Keramikband wird gesintert, erst hierdurch ergibt sich die endgültige Keramikplattform zur Aufnahme der optischen Systeme. Auch in diesem Fall werden die Strukturen somit durch einen mehrstufigen Abformungsprozess erhalten.

Aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt (US 2002/0057883 A1) ist eine aus einem Keramik- stapel mit einer Bodenlage aufgebaute Optikfassungs- vorrichtung bekannt. Bei dieser sind die optischen/optoelek- tronischen Bauelemente in einem separaten Schritt justiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Optikfassungsvorrichtung zur Fassung optischer und/oder elektrooptischer Bauelemente, wie beispielsweise Linsen, Prismen, Laserdioden usw, sowie zur zusätzlichen Aufnahme von elektronischen und/oder mechatronischen Komponenten, also eine Vorrichtung zur Aufnahme von miniaturisierten hybrid-optischen Systemen, sowie ein entsprechendes Aufbauverfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile von aufwendigen Justiervorgängen, eingeschränkter Miniaturisierbarkeit, Vorhandensein zusätzlicher Fassungen, thermischer Instabilitäten, unsymmetrischem Design aufgrund der Notwendigkeit eines Anhebens von Komponenten auf die Höhe der optischen Achse oberhalb der Substratebene, von Kosten sowie von aufwendigen Herstellungsverfahren vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 sowie das Herstellungsverfahren gemäß dem Patentanspruch 24 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des beschriebenen Verfahrens werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Hilfe konventioneller Ätztechniken. Anschließend wird durch Abscheidung eines Metalls, dies kann beispielsweise Nickel, Kupfer oder Zink sein, ein Negativ der Ursprungsform hergestellt. Auf dieses Negativ wird sodann ein ungesintertes Keramikband, beispielsweise ein LTCC-Keramikband (Low Temperature Cofired Ceramics}, gepresst. Das Keramikband wird gesintert, erst hierdurch ergibt sich die endgültige Keramikplattform zur Aufnahme der optischen Systeme. Auch in diesem Fall werden die Strukturen somit durch einen mehrstufigen Abformungsprozess erhalten.

Aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt (US2002/0057883A1) ist eine aus einem Keramikstapel mit einer Bodenlage aufgebaute Optikfassungsvorrichtung bekannt. Bei dieser sind die optischen/optoelektronischen Bauelemente in einem separaten Schritt justiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Optikfassungsvorrichtung zur Fassung optischer und/oder elektrooptischer Bauelemente, wie beispielsweise Linsen, Prismen, Laserdioden usw. sowie zur zusätzlichen Aufnahme von elektronischen und/oder mechatronischen Komponenten, also eine Vorrichtung zur Aufnahme von miniaturisierten hybrid-optischen Systemen, sowie ein entsprechendes Aufbauverfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile von aufwendigen Justiervorgängen, eingeschränkter Miniaturisierbarkeit, Vorhandensein zusätzlicher Fassungen, thermischer Instabilitäten, unsymmetrischem Design aufgrund der Notwendigkeit eines Anhebens von Komponenten auf die HÖ- he der optischen Achse oberhalb der Substratebene, von Kosten sowie von aufwendigen Herstellungsverfahren vermeidet.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme von miniaturisierten hybrid-optischen Systemen weist eine ebene Plattform (Substrat) vorzugsweise aus einem anorganisch-nichtmetallischen Werkstoff auf. Bei dem anorganisch-nichtmetallischen Werkstoff handelt es sich vorzugsweise um Keramik bzw. um Glaskeramik. Die ebene Plattform besitzt vorteilhafterweise eine im Verhältnis zu ihren Seitenlängen geringe Dicke, sie ähnelt dann einem keramischen Leiterplattensubstrat. Die Plattform ist ein in sich steifer und massiver Körper. Auf der Plattform werden die optischen Systeme mit Hilfe von dreidimensionalen mechanischen bzw. räumlichen Strukturen aufgebaut, die in die Plattform integriert sind und zur Fassung der optischen Bauelemente dienen. Weiterhin dienen die räumlichen Strukturen dazu, die optischen Bauelemente auf eine gemeinsame optische Achse auszurichten und Klebefallen und Lotdepots für Fügeprozesse bereitzustellen. Die optischen Bauelemente werden somit in die Plattform eingesetzt, womit eine angenähert symmetrische und direkte Fassung der optischen Bauelemente ermöglicht wird. Wird hier wie im Folgenden kurz von optischen Bauelementen gesprochen, so werden hierunter optische oder elektrooptische Bauelemente wie Linsen, Prismen, Laserdioden usw. sowie zusätzlich hierzu auch in Verbindung mit den optischen oder elektrooptischen Bauelementen eingesetzte elektronische, mechanische oder mechatronische Komponenten wie beispielsweise Aktoren verstanden. Die dreidimensionalen räumlichen Strukturen werden auf folgende Art und Weise hergestellt. Zunächst wird eine zu formende räumliche Struktur bzw. das ihr entsprechende Volumen in mehrere einzelne Schichten bzw. räumliche Einzelstrukturen aufgeteilt. Das einer einzelnen Schicht entsprechende Einzelvolumen bzw. die entsprechende räumliche Einzelstruktur wird aus einer einzelnen Lage einer Keramik beispielsweise in Form einer Ausstanzung oder eines Loches beispielsweise durch Stanzen, Laserschneiden, Diamantbearbeitung oder Ätzen vollständig herausgelöst. Diese einzelnen Lagen können als ungesintertes Keramikband (auch als „Green Tape" bezeichnet) oder als gesinterter Bereich (Keramikplatte) vorliegen. Das ungesinterte Keramikband weist hierbei vorzugsweise Dicken von 0.1 bis etwa 0.2 mm auf, der gesinterte Bereich bzw. die Keramikplatte Dicken von etwa 0.5 mm bis 2 mm. Anschließend werden mindestens zwei derart strukturierte Lagen zu einem Stapel zusammengefasst bzw. verbunden. Die zu formende räumliche Struktur bzw. ihr Volumen ergibt sich somit durch das Zusammensetzen der einzelnen Lagen bzw. durch das aus der Summe der Volumina der Einzelstrukturen gebildete Gesamtvolumen. Im Falle von ungesinterten Keramikbändern werden die einzelnen Lagen aufeinander laminiert und anschließend zu einem massiven Substrat gesintert. Hierzu wird bevorzugt die LTCC-Technik (Low Temperature Cofired Ceramics) eingesetzt. Im Falle des Einsatzes von gesinterten Keramikplatten werden von diesen mehrere Lagen durch Kleben oder Löten, im letzteren Falle ist zusätzlich eine Beschichtung der Keramik notwendig, zu einem Stapel zusammengefasst. Die mechanischen bzw. räumlichen Einzelstrukturen gehen jeweils vollständig durch eine einzelne Lage hindurch und weisen vorzugsweise senkrechte oder annähernd senkrechte Wände auf. Sie sind vollständig in sich abgeschlossen und weisen keine „Inseln" oder ähnliches auf. Ansonsten ist die Kontur der Struktur beliebig. Benachbarte Lagen können gleichartige Strukturen aufweisen, was zu senkrechten Wänden über mehrere Lagen hinwegführt. Bei von Lage zu Lage unterschiedlichen Strukturen ergibt sich ein Treppenaufbau, wobei zu beachten ist, dass für ungesinterte Keramikbänder und dem dafür notwendigen La minier- und Sinterprozess keine Hinterschneidungen für den Stapelaufbau von unten nach oben zulässig sind.

Zur Ausformung von gewünschten mechanischen bzw. räumlichen Strukturen wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das der Struktur entsprechende Volumen in einzelne Schichtvolumina zerlegt, werden den einzelnen Schichtvolumina entsprechende Einzelstrukturen aus einzelnen Lagen des Werkstoffes bzw. der Keramik herausgelöst und werden die einzelnen Lagen sodann so angeordnet, dass der Gesamtverbund der Einzellagen ein Werkstück bzw. eine Vorrichtung mit der gewünschten mechanischen bzw. räumlichen Struktur bzw. einen Gegenstand mit einer Aussparung in Form einer Fassung für optische Bauelemente bildet. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist somit die Anordnung und die Form der mechanischen bzw. räumlichen Strukturen in der gestapelten Plattform.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthalten oder bestehen die räumlichen Strukturen aus senkrechten Wänden. Solche senkrechten Wände ermöglichen die horizontale Ausrichtung von Bauelementen innerhalb der Plattenebene, z. B. als Anschläge entlang der optischen Achse.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen die räumlichen Strukturen aus oder enthalten die räumlichen Strukturen Auflagekanten. Solche Auflagekanten legen beispielsweise die vertikale Lage von Rundoptiken (Linsen) fest, die sich mit ihrem Außendurchmesser an diese Kanten anlegen. Durch einen geeigneten Abstand zweier Kanten und/oder durch eine geeignete Tiefe der Kanten wird eine Höhenausrichtung von Bauelementen erreicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen die räumlichen Strukturen oder enthalten die räumlichen Strukturen Begrenzungsebenen. Solche Begrenzungsebenen legen beispielsweise die Höhenausrichtung für nicht rotationssymmetrische Bauelemente wie beispielsweise Spiegel oder Prismen fest.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthalten die räumlichen Strukturen oder bestehen die räumlichen Strukturen aus Treppenstufen. Solche Treppenstufen ermöglichen beispielsweise die Approximation von Außenkonturen von Rundoptiken. Die kleinste Schrittweite entspricht hierbei einer Lagendicke.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Plattform aus Glaskeramik, bevorzugt LTCC-Keramik, da diese mehrlagig und einfach im Grünzustand strukturierbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht die erfindungsgemäße Optikfassungsvorrichtung aus Keramik, vorzugsweise Al₂O₃ oder AlN, wobei diese Keramik lasergeschnitten werden kann und ein- oder mehrlagig zum Einsatz kommt.

Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Optikfassungsvorrichtung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus:

– Optische Bauelemente werden direkt und unmittel bar gefasst. Mittelbare Fassungen, dies sind Fassungselemente, die die Verbindung zwischen optischen Bauelement und Plattform bzw. Substrat herstellen, z. B. Linsenfassungen, Spiegelhalter usw. werden hierdurch in den meisten Fällen überflüssig. Die Miniaturisierbarkeit ist daher prinzipiell nur durch die kleinsten erzeugbaren Strukturgrößen (derzeit etwa 10 μm) und Strukturgenauigkeiten (derzeit etwa 10 bis 50 μm) begrenzt.
– Die Plattform bzw. das Substrat kann somit als Referenz für den Aufbau des optischen Systems dienen. Hierbei können treppenförmige Strukturen auf der Plattform als Fügehilfe dienen. Die Strukturen in der Plattform ermöglichen eine Höhenanpassung der Bauelemente (vertikaler mechanischer Anschlag) und eine Ausrichtung der Elemente entlang der optischen Achse (horizontaler mechanischer Anschlag). Es ist eine Festlegung der Referenzierungsebene und der Fügeebene in unterschiedlichen Höhen möglich. Die räumlichen Strukturen dienen, soweit ihre Genauigkeit ausreichend ist, somit gleichzeitig zum passiven Ausrichten der optischen Bauelemente in Bezug auf die Plattform. Die Anordnung der Fügestelle ist bevorzugt im symmetrischen Bereich der optischen Bauelemente innerhalb der horizontalen Strahlebene möglich. Trotz der zweidimensionalen Grundlage der Plattform kann somit die direkte Fassung der optischen Bauelemente nahezu symmetrisch und in der Strahlebene erfolgen.
– Die Plattform ist als hybride Plattform zur gleichzeitigen Aufnahme von elektronischen, elektromechanischen und mechanischen Bauelemen ten und Funktionselementen geeignet.
– Mit einer Plattform aus Keramik bzw. Glaskeramik als Basismaterial können gleichzeitig Leiterbahnen und elektronische Schaltungen in Dickschicht- und SMD-Technik (Surface Mounted Device) realisiert werden. Dies führt zur hybriden Integration von Optik und Elektronik auf einem Substrat.
– Mit Keramik bzw. Glaskeramik als Basismaterial der Plattform können ebenso aufgrund ähnlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten Siliziumbasierte MEMS-Syteme (Micro Electromechanical Systems) hybrid integriert werden. Solche Systeme können beispielsweise V-Gruben in Siliziumsubstraten, V-Gruben, Arrays, Mikromechanische Aktoren wie Faserschalter oder Spiegel usw. sein.
– Wärmepfade, Wärmedurchführungen, Wärmebrücken mit Metalleinlagen (Thermal-Vias), mikrofluidische Kanäle und mechatronische Systeme wie z. B. Pumpen können integriert werden. Solchermaßen integrierte Strukturen können als thermische Regalstrecken zur Temperierung opto-elektronischer Bauelemente wie beispielsweise Laserdioden dienen.
– Die Strukturen erlauben auch Laserlöten, Kleben und/oder „Snap in" als Fügeverfahren sowie das Justierlöten und Justierkleben mit Hilfe von einem Fügespalt. Letzteres bedeutet, dass kein mechanischer Anschlag, sondern nur eine maximal mögliche Annäherung vorliegt.

Erfindungsgemäße Keramiksubstrate mit integrierten mechanischen bzw. räumlichen Strukturen zum direkten Fassen von optischen Bauelementen können wie in einem der nachfolgenden Beispiele beschrieben ausgeführt sein oder verwendet werden. In den nachfolgenden, zu den Beispielen gehörenden Figuren werden für identische bzw. an sich entsprechende Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet.

Es zeigen
1 wie mit Hilfe der LTCC-Technik ein erfindungsgemäßes Keramiksubstrat hergestellt wird;
2 ein erfindungsgemäßes Keramiksubstrat mit verschiedenen räumlichen Strukturen;
3 die Integration eines optischen Systems in ein erfindungsgemäßes Keramiksubstrat;
1 zeigt die Veranschaulichung des Prozesses, wie ein erfindungsgemäßes Keramiksubstrat mit integrierten räumlichen bzw. mechanischen Strukturen zum direkten Fassen von optischen Bauelementen mit Hilfe des LTCC-Prozesses (Low Temperature Cofired Ceramics) aus einer Mehrzahl von n einzelne Lagen eines ungesinterten Keramikbandes hergestellt werden kann. Die einzelnen Lagen werden in einem ersten Prozessschritt 1 vorverarbeitet. Die Vorverarbeitung umfasst hierbei im Wesentlichen das Formschneiden, Stanzen und Trocknen des ungesinterten Keramikbandes. In einem zweiten Prozessschritt 2 werden räumliche bzw. mechanische Strukturen vollständig aus den einzelnen Lagen der ungesinterten Keramik ausgeschnitten. Die Figur zeigt hierzu das erste Keramikband 2a und das n-te Keramikband 2b, die dieselben Einzelstrukturen 2c und 2d in Form länglicher Löcher mit in Lochlängsrichtung mehrfach abgestuften Lochbreiten und mit in Bezug auf die Keramikbandoberfläche senkrechten Begrenzungswänden aufweisen. In einem nachfolgenden Schritt werden im gezeigten Beispiel auf die einzelnen Lagen 2a und 2b darüber hinaus dieselben Leiterstrukturen 3c und 3d aufgedruckt, so dass sich dieselben bedruckten Keramikbänder 3a und 3b ergeben. In einem darauf folgenden Schritt 4 werden die n Einzellagen geeignet aufeinander angeordnet und aufeinander laminiert, so dass sich in Summe aus den Volumina der herausgelösten Einzelstrukturen das volumen der zu formenden räumlichen Gesamtstruktur ergibt. Das Werkstück 5 aus aufeinander laminierten Einzelkeramikschichten wird in einem abschließenden Schritt thermisch in die endgültige Keramik bzw. Optik-Fassungsvorrichtung 6 überführt. Die Keramik kann sodann noch verschiedenen nicht gezeigten Nachverarbeitungsschritten wie der Auseinzelung einzelner Strukturen aus dem Gesamtkeramikverbund, wie dem elektrischen Testen und einer endgültigen Inspektion unterzogen werden.
2 zeigt das endgültige Werkstück bzw. die endgültige Keramik aus 1, also eine erfindungsgemäße Optik-Fassungsvorrichtung mit verschiedenen integrierten räumlichen bzw. mechanischen Strukturen zum direkten Fassen von optischen Bauelementen, in vergrößerter Darstellung. Die Vorrichtung weist im Beispiel vier aufeinander laminierte Einzellagen, die einen oberen Lagenverbund bzw. eine obere Lage 6c ergeben, und sieben aufeinander laminierte Einzellagen, die einen unteren Lagenverbund bzw. eine untere Lage 6d ergeben, auf. Der obere und der untere Lagenverbund sind ebenfalls aufeinanderlaminiert. Die gezeig te Optik-Fassungsvorrichtung 6 weist eine Begrenzungsebene 7 auf. Diese Begrenzungsebene ist in Form einer in geringerer Gesamthöhe h₁ (Dicke der unteren Lage) gelegenen Ebene 7a ausgestaltet, an die sich eine in höherer Gesamthöhe h₂ (Dicke der unteren und der oberen Lage) gelegene Ebene 7b anschließt. Durch die Position der durch den Höhenversatz gebildeten Stufenkante 7c wird somit die Größe der Begrenzungsebene festgelegt. Die Vorrichtung zeigt am linken Ende der aus der Lage 6d herausgelösten länglichen Einzelstruktur bzw. des ihr entsprechenden Loches 2c eine Auflagekante 8, die durch einen Oberflächenabschnitt 8a der Lage 6d und einen Abschnitt einer Wand 8b des Loches 2c gebildet wird. Dadurch, dass das Loch der darüberliegenden Lage 6c abschnittsweise eine größere Lochbreite aufweist, wird durch einen Oberflächenabschnitt 9a der Lage 6c, einen Wandabschnitt 9b des Loches der Lage 6c, einen Oberflächenabschnitt 9c der Lage 6d und einen Wandabschnitt 9d des Loches 2c der Lage 6d eine Treppenstufe 9 gebildet zur Approximation der Außenkontur von Linsen eines strahlformenden Systems bzw. zur Fassung von Linsen eines strahlformenden Systems, wobei das strahl- formende System als integralen Bestandteil eine Diode als Strahlquelle aufweist. Durch die abschnittsweise größere Lochbreite des Loches der Lage 6c im Vergleich zur Lochbreite der Lage 6d ergibt sich auch die senkrechte Wand 10 der Vorrichtung zur horizontalen Ausrichtung des strahlformenden Systems. Des Weiteren weist die Optik-Fassungsvorrichtung eine Referenzmarke 6a, gekennzeichnet durch ein Kreuz, sowie ein Lotdepot 6b auf.
3 zeigt das Zusammenfügen des erfindungsgemäßen Keramiksubstrates 6 aus 2 sowie des strahlfor menden Systems 11 mit der Diode zu einem hybridoptischen Gesamtsystem 12. Das strahlformende System weist hierbei folgende Bauteile bzw. Bestandteile auf: Einen kollimierten Strahl 11a, zwei kollimierende Zylinderlinsen 11b für die Fast- und die Slow-Axis eines elliptisch fokussierten Strahls, eine Kollimations- und eine Fokussierlinse 11c für einen elliptisch divergenten Strahl, eine Laserdiode 11d mit elliptisch divergentem Strahlprofil und drei Pins 11e zur elektrischen Kontaktierung der Laserdiode. Die Höhenausrichtung des strahlformenden Systems erfolgt durch die Begrenzungsebene 7, die Höhenausrichtung der Linsen 11b und 11c des strahlformenden Systems erfolgt durch die Auflagekante 8 und die horizontale Ausrichtung der Linsen 11b und 11c des strahlformenden Systems erfolgt durch die senkrechte Wand 10. Die Diode 11d schwebt frei im Loch 2c aufgrund ihrer großen Außentoleranzen.

Claims

Optikfassungsvorrichtung (6), in der mindestens zwei optische und/oder elektrooptische Bauelemente (11b, 11c, 11d) einsetzbar sind, wobei – die Optikfassungsvorrichtung (6) aus einer steifen und massiven Plattform gebildet ist, die aus einem Stapel von Einzellagen aufgebaut ist, – aus mindestens zwei benachbarten Einzellagen jeweils eine räumliche Einzelstruktur unter Bildung mindestens einer seitlich teilweise oder vollständig umschlossenen Durchgangsöffnung mit geraden Seitenwänden vollständig entfernt ist und aus den Einzelstrukturen benachbarter Einzellagen des Stapels sich mindestens eine räumliche Gesamtstruktur ergibt, welche die Außenkonturen der Bauelemente mindestens teilweise approximiert, – durch die entfernte räumliche Gesamtstruktur in der Gesamtheit der strukturierten Einzellagen des Stapels Auflagen für die Bauelemente und damit die Fassung für die Bauelemente (11b, 11c, 11d) gebildet werden, – die Bauelemente im eingesetzten Zustand durch die Gesamtheit der strukturierten Einzellagen des Stapels parallel und senkrecht zur Stapelrichtung direkt gefasst und auf die optische Achse, die im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung verläuft, ausgerichtet sind.
Optikfassungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein durch die räumliche Struktur direkt gefasstes elektronisches, mechanisches und/oder mechatronisches Bauelement zusätzlich ersetzbar ist.
Optikfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände der Durchgangsöffnung parallel zur Stapelrichtung verlaufen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein anorganischer, nichtmetallischer Werkstoff ist und/oder dass die Plattform eine ebene Plattform mit einer Dicke ist, die weniger als 20 Prozent der maximalen Seitenlänge der Plattform beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelstrukturen Durchbrechungen, Löcher, Ausstanzungen, Ausschneidungen und/oder Ausätzungen enthalten oder daraus bestehen und/oder dass die Volumina der Einzelstrukturen durch Entfernen des unter einem einfach zusammenhängenden Oberflächengebietes einer Einzellage liegenden Substratvolumens der Einzellage herstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff Keramik und/oder Glaskeramik enthält oder daraus besteht.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskeramik eine Niedertemperaturkeramik enthält oder daraus besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik Al₂O₃ und/oder AlN enthält oder daraus besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Einzellagen ein ungesintertes Keramikband aufweist und/oder dass mindestens eine der Einzellagen eine gesinterte Keramikplatte aufweist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Einzellagen eine Dicke im Bereich von 0.1 mm bis 0.2 mm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Einzellagen eine Dicke im Bereich von 0.5 mm bis 2 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gesinterte Keramikplatten verlötet und/oder verklebt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die entfernte räumliche Gesamtstruktur mindestens eine Auflagekante (8) für ein Bauelement ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die entfernte räumliche Gesamtstruktur eine Begrenzungsebene (7) für ein Bauelement ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die entfernte räumliche Gesamtstruktur eine zur Oberfläche der Optikfassungsvorrichtung senkrecht (10) stehende Wand gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die entfernte räumliche Gesamtstruktur eine zur Oberfläche der Optikfassungsvorrichtung in einem beliebigen Winkel stehende Wand gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die entfernte räumliche Gesamtstruktur eine Treppenstufe (9) aus ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen und/oder elektrische Schaltungen auf oder an der Optikfassungsvorrichtung angeordnet oder in sie integriert sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Metallschichten als Leiterbahn und/oder als Lötgrundlage für elektronische, optische und/oder mechanische Bauelemente (11) an der Optikfassungsvorrichtung angeordnet oder in sie integriert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Bauelemente mindestens eine Linse, ein Prisma und/oder Laserdiode enthält oder daraus besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorrichtung siliziumbasierte mikroelektromechanische Systeme hybrid integriert und/oder an ihr angeordnet sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die siliziumbasierten mikroelektromechanischen Systeme U- oder V-förmige Gruben, U- oder V-förmige Gruben in Silizium-Substraten, Arrays, mikromechanische Aktoren, Faserschalter und/oder Spiegel sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmepfade, Wärmebrücken mit Metalleinlagen, Wärmedurchführungen, mikrofluidische Kanäle, mechatronische Systeme, Pumpen und/oder thermische Regelstrecken in die Vorrichtung integriert oder an ihr angeordnet sind.
Herstellungsverfahren für eine Optikfassungsvorrichtung zur direkten Fassung von optischen und/oder elektrooptischen Bauelementen (11b, 11c, 11d) mit den folgenden Schritten: Einem ersten Schritt, in dem aus mindestens zwei einzelnen Lagen unter Ausbildung von geraden Seitenwänden räumliche Einzelstruktur, welche vollständig durch die jeweilige Einzellage hindurchgeht, herausgelöst wird, einem zweiten Schritt, in dem die mindestens zwei Einzellagen so gestapelt und zu einer steifen und massiven Plattform fest verbunden werden, dass die herausgelösten Einzelstrukturen der mindestens zwei benachbarten Einzellagen eine aus der Plattform herausgelöste räumliche Struktur (7, 8, 9, 10) ausbilden, welche die Außenkontur mindestens zweier optischer und/oder elektrooptischer Bauelemente (11b, 11c, 11d) approximiert und damit die Fassung für die Bauelemente bildet und einem dritten Schritt, in dem die mindestens zwei Bauelemente (11b, 11c, 11d) in die Gesamtheit der strukturierten Einzellagen des Stapels eingefügt werden und damit durch die räumliche Gesamtstruktur in Stapelrichtung und senkrecht zur Stapelrichtung, sowie auf eine gemeinsame optische Achse justiert sind.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der räumlichen Einzelstrukturen so herausgelöst wird, dass sie eine in Stapelrichtung verlaufende Begrenzungswand aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelstrukturen vollständig herausgestanzt, herausgeätzt, mit einem Laser herausgeschnitten und/oder mit einem Diamantwerkzeug herausgearbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen aneinanderlaminiert und anschließend zu einem massiven Substrat gesintert werden oder dass die einzelnen Lagen aneinandergeklebt und/oder zunächst beschichtet und dann zusammengelötet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Bauelemente (11b, 11c, 11d) festgelötet, durch Laserlöten festgelötet, festgeklebt, festgeklemmt, eingerastet, eingeschnappt, eingesteckt und/oder festgeschweißt wird.