DE3030687T1 - Hermetic electrical feedthrough assembly - Google Patents

Description

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Robert E. Kraska
Frank J. Wilary
Joseph F. Lessar

HERMETISCHE ELEKTRISCHE DURCHFÜHRUNGSANORDNUNG I. BESCHREIBUNG. Bisheriger Stand der Technik.

Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-part-Anmeldung der am 29. Januar 197? eingereichten Stammanmeldung Serial No. 7,153 betreffend eine hermetische elektrische DurchfUhrungsanordnung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hermetische elektrische Durchfuhrungsanordnung, die von Niob und Saphir Gebrauch macht. Die optische Transparenz von Saphir gestattet eine visuelle Inspektion der Saphir-Niob-Bindung auf das Vorhandensein von Defekten. Hermetische Abdichtungen in elektrischen Durchführungen, die aus den vorliegend offenbarten und entsprechend der Erfindung hergestellten, speziellen Werkstoffkombinationen bestehen, erwiesen sich als widerstandsfähiger gegen Auftrennungen zwischen dem Isolator und metallischen Bauteilen der Durchführung, d. h. sie sind widerstandsfähiger gegen durch Spannungen ausgelöste Rißbildung während der Herstellung oder dem Prüfen. .. ■".,·■>--

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Saphir ist ein Aluminiumoxid, das mit einer Einkristall-Gitterstruktur gezogen wird und leicht geschnitten und bis zu optischer Transparenz poliert werden kann, ohne daß Risse oder Defekte erzeugt werden. Falls sich während der Herstellung eines Saphirisolators für eine Durchführung oder während der Fertigung der Durchführungsanordnung Risse oder Defekte einstellen, können sie bei niedriger Vergrößerung leicht gesehen werden. Die Leichtigkeit der optischen Inspektion gestattet infolgedessen eine 100 %ige Inspektion des Endprodukts.

Die spezielle Kombination der Werkstoffe, das heißt Saphir und Niob, ist gegenüber der Bildung von Defekten während der Herstellung widerstandsfähig. Daher werden größere Ausbeuten erzielt. Handelsübliche Uhrensteine"aus Saphir stehen für eine Anwendung entsprechend der vorliegenden Erfindung ohne weiteres zur Verfügung.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für elektrische Durchführungen hoher Ausbeute zu sorgen, die sich optisch inspizieren lassen.

Außerdem, und noch wichtiger, ist es eine Aufgabe der vorliegendem Erfindung, verbesserte hermetische elektrische Durchführungen zu schaffen, die besonders zur Anwendung in gekapselten elektrischen Geräten, beispielsweise elektrochemischen

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Zellen, Herzschrittmachern und dergleichen,für menschliche Implantate geeignet sind. Solche Geräte erfordern ein hohes Maß an Sicherheit gegen das Vorliegen von Defekten und den Verlust der hermetischen Abdichtung innerhalb der Durchführungen.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Die verbesserte Durchführung der Erfindung besteht aus einem Niob-Leitungsdraht, der durch einen Saphirisolator, vorzugsweise einen scheibenartigen Isolator, hindurchreicht. Der Saphirisolator wird von einer Niobbuchse oder dergleichen getragen. Die Anordnung wird mittels eines Goldhartlotes oder eines Hartlotes aus einer Gold-Vanadium-Yttrium-Legierung zusammengelötet. Bei dieser Legierung sind einige Variationen hinsichtlich der Zusammensetzung möglich, wie dies unten diskutiert ist. Wenn das Goldhartlot verwendet wird, werden die Oberflächen des Saphirs in den hartzuverlötenden Bereichen zunächst mit einer diskreten Schicht aus Niob, Titan oder einer Zusammensetzung beider Metalle, das heißt Niob/Titan, und einer Schicht aus Gold metallisiert, wobei das Gold über dem Niob/Titan liegt. In gewissen Fällen ist Niob gegenüber Titan oder Zusammensetzungen aus den beiden Metallen zu bevorzugen.

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Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist der schematische Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchführung.

Figur 2 ist ein schematischer Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Durchführung nach der Erfindung.

Figur 3 ist ein weiterer schematischer Querschnitt, der eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchführung zeigt.

.Figur 4 ist ein schematischer Querschnitt einer vierten Ausfuhrungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die in den Figuren 1 bis 4 veranschaulichten elektrischen Durchführungen stellen mehrere Variationen der Erfindung dar. Die gleichen Bezugszeichen werden verwendet, um ähnliche Elemente in allen Figuren zu identifizieren. Alle AusfUhrungsformen weisen einen mehr oder weniger zentral angeordneten Niob-Einführungsdraht oder Stift 10 auf, der durch einen Saphirisolatorkörper 12 hindurchreicht. Der Körper 12 ist vorzugsweise im wesentlichen scheibenförmig. Entsprechend einer noch bevorzugteren Ausf Uh.rungsf orm wird der Saphirkörper mit einer becherartigen Oberfläche 12(a) hergestellt, wie dies,in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist. Die Durchführungsanordnung weist ferner eine Niobbuchse 14 oder dergleichen auf, die mit

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dem Saphirkörper 12 mehr oder weniger am Umfang in Kontakt steht, wie dies im Falle von bereits bekannten Anordnungen

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mit Metallbuchse und Glasisolator geläufig ist. Die Buchse 14 wird zur Montage der Durchführung benutzt. Beispielsweise wird bei einer bevorzugten Anwendung diese Durchführung in einer (nicht gezeigten) Titankapselung montiert, die ein elektrisches Gerät fUr ein Implantat im Menschen enthält. Normalerweise wird die Buchse mit dem Titanbehälter verschweißt .

Bei dem für den Leitungsdraht und die Buchse vorliegend verwendeten Niob kann es sich auch um eine Nioblegierung handeln, solange deren Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von etwa -10 % desjenigen von handelsüblich reinem Niob bleibt. Ein Beispiel für eine solche Legierung ist eine Legierung aus 99 Gew.°£ Nb und 1 Gew.% Zr. V/enn vorliegend beschrieben ist, daß diese Bauteile im wesentlichen aus Niob bestehen, sollen solche Legierungen zusammen mit reinem Niob eingeschlossen sein.

Die Bauteile der Durchführung werden durch Hartlöten zusammenmontiert. In bekannter Weise kann das Hartlöten der DurchfUhrungsanordnung dadurch erfolgen, daß Ringe aus dem Hartlötwerkstoff an den zu verlötenden Verbindungsstellen angeordnet werden und die Anordnung auf die geeignete Schmelztemperatur des Hartlötwerkstoffes erhitzt wird. Im Falle der

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vorliegenden Erfindung sind jedoch nur zwei Hartlötwerkstoffe akzeptabel. Einer der akzeptablen Hartlötwerkstoffe umfaßt Legierungen aus Gold, Vanadium und Yttrium und/oder Scandium, die fakultativ Niob enthalten. Anordnungen, bei denen diese Hartlötlegierung verwendet ist, sind in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigt.

Hartlötlegierungen der vorstehend genannten Art, die sich in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwenden lassen, sind in der Anmeldung Serial No. 885,48? offenbart, die am 13. März 1978 eingereicht und auf den gleichen Rechtsnachfolger wie diese Anmeldung übertragen wurde. Wie dort angegeben ist, können die Legierungen Scandium und Niob enthalten. Ein Beispiel für eine Legierung besteht aus 5,5 % Vanadium, 0,2 % Yttrium, Rest Gold, "wobei die Prozentsätze als Atomprozentsätze ausgedrückt sind.

Ein weiterer und der bevorzugte anwendbare Hartlötwerkstoff ist, wie oben ausgeführt, Gold, das heißt handelsüblich reines Gold (99,9 %). Wenn jedoch der aus reinem Gold bestehende Hartlötwerkstoff verwendet wird, muß der Saphir zunächst mit einem überzug aus Niob, Titan oder Niob/Titan und einem überzug aus Gold über dem Niob oder Titan in den Bereichen versehen werden, wo die Hartlötverbindung ausgebildet werden soll. Zur Bildung einer Schicht 19 können verschiedene Anteile an Niob und Titan zusammen durch Zerstäubung aufgebracht werden. Eine derartige Legierung wird vorliegend als

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"Niob/Titan" bezeichnet. Diese Überzüge werden vorzugsweise durch Zerstäubung ausgebildet, und sie können sehr dünn sein, Vorzugsweise hat der überzug aus Niob, Titan odor Niob/Titcn eine Dicke in der Größenordnung von etwa 10 000 A, während das Gold eine Dicke in der Größenordnung von etwa 2000 A hat. Eine derartige metallisierte Ausführung ist in Fig. 4 gezeigt, wobei die Lagen aus Niob oder Titan und Gold scheir.atisch bei 13 bzw. \9 dargestellt sind, während die Goldhartlötung bei \6 angedeutet ist. Niob ist das bevorzugte Überzugsmaterial 19, obwohl Titan akzeptabel zur Anwendung in trockenen und niedrige Temperatur aufweisenden Umgebungen ist. Niob ist, wenn es Feuchtigkeit ausgesetzt wird, für eine Erosion und Korrosion weniger anfällig als das Titan oder Niob/Titan.

Der verschiedene Hartlötwerkstoff kann in jeder beliebigen der vorliegend offenbarten Durchfuhrungsanordnungen verwendet werden. Die verschiedenen Ausführungsformen unterscheiden sich hinsichtlich der Geometrie, wobei die Fig. 1 die einfachste ist. Die Figuren 2 und 3 sind selbsthaltend auf Grund der gekerbten Teile in entweder dem Buchsenkörper 14, wie in Figur 2 gezeigt, oder in dem Isolatorkörper 12, wie in Figur 3 dargestellt.

Der vorliegend benutzte Saphir kann der "klare" Saphir oder der "dotierte" Saphir sein, das heißt Saphir, der einige-

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Zehntel eines Prozents eines Dotiermittels, wie Chrom, Kobalt oder Nickel, enthält und eine charakteristische Farbe, wie rubinrot, blau bzw. smaragdgrün, annimmt.

Nachdem die Erfindung beschrieben ist, sollen die zugehörigen Exklusivrechte und Privilegien durch die folgenden Ansprüche unter Berücksichtigung der vorstehenden Beschreibung definiert werden.

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Claims (7)

II. ANSPRÜCHE

1.)Elektrische Durchführung nit einem im wesentlichen cu% Niob bestehenden elektrischen Leitungsdraht und einem einen Teil des Leitungsdrahtes umgebenden, im wesentlichen aus Saphir bestehenden Isolator, einer im wesentlichen aus Niob bestehenden Buchse, die um mindestens einen Umfangsteil des Isolators heron angeordnet ist, und Hartlotungen, welche den Leitungsdraht mit dem Isolator sowie den Isolator mit der Buchse verbinden, wobei der Hartlötwerkstoff aus der im wesentlichen aus reinem Gold und einer Legierung von Gold, Vanadium, Yttrium und/oder Scandium bestehenden Gruppe ausgewählt ist und wahlweise eine Menge an Niob enthält, und wobei der Saphir in den hartzuverlötenden Bereichen zunächst metallisiert v/ird, wenn reines Gold verwendet wird.

2. Durchführung nach Anspruch 1, bei welcher die Oberflächen des Saphirs an den hartzuverlütenden Bereichen metallisiert sind.

3. Durchführung nach Anspruch 2, bei welcher die Metallisierung aus einer Schicht, die aus der aus Titan, Niob und Niob/Titan bestehenden Gruppe ausgewählt ist und einer Schicht aus Gold besteht.

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4. Durchführung nach Anspruch 3, bei welcher die Goldschicht Über der anderen Schicht liegt.

5. Durchführung nach Anspruch 4, bei welcher die andere Schicht etwa 10 000 Ä dick ist und das Gold eine geringere Stärke hat.

6. Durchführung nach Anspruch 5, bei welcher die Goldschicht etwa 2000 % dick ist.

7. Durchführung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei welcher der Hartlötwerkstoff Gold ist.

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