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Die
Erfindung betrifft ein Vergussteil für ein Magnetresonanzgerät und ein
Verfahren zur Erzeugung eines derartigen Vergussteils.
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In
der Leiterplattentechnologie werden zur Erzeugung von Multilayer-Leiterplatten
mehrere dünne
doppelseitige Leiterplatten, die auf beiden Seiten der Leiterplatte
eine Kupferschicht haben, mit so genannten Prepregs aufeinander
geklebt. Derartige Leiterplatten und können bis zu 48 Schichten mit
Leiterbahnen haben.
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Mit
Prepreg bezeichnet man bereits werkseitig mit Spezialharz vorimprägnierte
Gelege und Gewebe. Durch die maschinelle Tränkung wird das optimale Verhältnis zwischen
Harz und Faser erreicht. Diese Epoxidharz imprägnierte und vorpolymerisierte Glashartgewebe-Klebefolien
dienen zum Aufbau von Multilayer-Leiterplatten.
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Das
Trägermaterial
für durchkontaktierte
Leiterplatten besteht aus einem Glasfasergewebe, das mit Epoxydharz
gebunden ist (FR4). Eine speziell behandelte Oberfläche der
Kupferschicht garantiert eine optimale Verbindung mit dem Trägermaterial.
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Die
Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik unter anderem zum
Gewinnen von Bildern eines Körperinneren
eines Untersuchungsobjekts in einem Untersuchungsbereich. Dabei
werden in einem Magnetresonanzgerät (MR-Gerät) einem statischen Grundmagnetfeld,
das von einem Grundfeldmagneten erzeugt wird, schnell geschaltete
magnetische Gradientenfelder überlagert,
welche mittels Gradientenspulen erzeugt werden. Zum Auslösen von
Magnetresonanzsignalen umfasst das Magnetresonanzgerät ferner
eine Hochfrequenzantenne (HF-Antenne), die HF-Signale, das so genannte B1-Feld,
in das Untersuchungsob jekt einstrahlt. Mithilfe dieser Antenne oder
weiterer Lokalantennen können
die ausgelösten
Magnetresonanzsignale aufgenommen werden und zu Magnetresonanzbildern verarbeitet
werden. Eine Beschränkung
des ausgesendeten HF-Feldes auf den Untersuchungsbereich kann mithilfe
eines HF-Schirms erfolgen. Dieser kann zur Unterdrückung von
Wirbelströmen,
welche von den Gradientenfeldern angeregt werden könnten, Schlitze
aufweisen. Als HF-Schirm können
beispielsweise sehr dünne
Kupferfolien (kleiner 0,5 μm)
oder doppelseitig beschichtete Leiterplatten (z.B. 0,1 mm GFK mit
beidseitig 8–12 μm Kupfer
beschichtet) verwendet werden. Zur Homogenisierung des Grundmagnetfeldes
werden so genannte Shim-Spulen verwendet, die im Untersuchungsbereich
ein magnetisches Korrekturfeld erzeugen.
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Es
ist bekannt, Gradientenspule(n), Shim-Spule(n) und/oder HF-Schirme
als ein Vergussteil in einer Matrix zu vergießen. In der deutschen Patentanmeldung
mit dem Aktenzeichen 10352381.2 ist ein kompakter Aufbau einer derartigen
Gradientenspuleneinheit offenbart, in dem eine Kupferfolie als HF-Schirm und Rückleiter
der HF-Sendeantenne verwendet wird.
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Beim
Vergießen
derartig flächiger
Leiter ist eine allseits kraftschlüssige Verbindung mit der Vergussmasse
z.B. aus Epoxid notwendig, da in einem derartigen Aufbau mechanische
Spannungen auftreten können,
die zu einem Ablösen
der Kupferfolie von der Vergussmasse führen können. Mechanische Spannungen
treten beispielsweise auf bei der Aushärtung der Vergussmasse in Folge
eines Reaktionsschwundes oder beim Abkühlen nach der Aushärtung der
Vergussmasse oder durch eine thermische Wechselbeanspruchung während des
Betriebs wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten
von Materialien im Vergussteil oder auch durch Vibrationen der Gradientenspuleneinheit
im Betrieb.
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Bisher
werden z.B. als Metallelemente in eine Gradientenspuleneinheit Leiterplatten
oder Kupferfolien eingegossen, die entweder unbeschichtet oder mit
einem herkömmlichen
Lötstoppabdecklack versehen
waren. Die mangelnde Haftfähigkeit
des Abdecklacks auf dem Kupfer und damit die Anbindung an die Vergussmasse
sind zum Teil nicht ausreichend, um auftretende Spannungen ausreichend aufzunehmen.
Auftretende Ablösungen
von der Kupferoberfläche
erhöhen
die Schwingungen innerhalb der Gradientenspuleneinheit, führen zu
Ermüdungsbrüchen von
Lötkontakten,
zu einem höherem
Lärmniveau
innerhalb des MR-Gerätes und
zu die Bildgebung störende
Funkenübertritten.
Ein ansonsten übliches
mechanisches Aufrauhen der Kupferoberfläche beispielsweise durch Bürsten, Schleifen
oder Sandstrahlen zur Verbesserung der Haftfestigkeit ist auf Grund
der geringen Kupferdicke nicht möglich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Verbindung und Integration
eines Metallelements in eine Vergussmatrix zu erhöhen, so
dass oben genannte Nachteile vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Vergussteil für ein Magnetresonanzgerät mit einem
Metallelement, welches von einer Vergussmatrix umgeben ist, dadurch
gelöst,
dass zwischen mindestens einer Oberfläche des Metallelements und
der Vergussmatrix eine Prepreg-Lage angeordnet ist, die einerseits
am Metallelement und andererseits an der Vergussmatrix haftet.
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Ferner
wird die Aufgabe bezüglich
des Vergießverfahrens
durch ein Vergießverfahren
nach Anspruch 5 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird die
Einbindung des Metallelements in die Vergussmatrix durch die zwischengelagerte
Prepreg-Lage verbessert. Unter Metallelement sind zu vergießende Bauteile
zu verstehen, die zumindest teilweise metallische Oberflächen aufweisen,
die ohne Prepreg-Lage in direktem Kontakt zur Vergussmasse ständen. Um
die Haftung des beispielweise Epoxid-Harzes auf der z.B. großflächigen Kupferoberfläche eines
HF-Schirms weiter
zu verbessern, kann eine Vorbehandlung der Oberfläche durchgeführt werden,
indem durch chemisches Anätzen
eine Mikrorauigkeit und eine definierte stabile Oberfläche erzeugt
wird. Dies kann z.B. durch Oxidieren oder durch einen in der Technik
eingeführten Alternativprozeß wie „Alpha-Prep" der Firma Enthone oder
durch „Multibond" der Firma MacDermid
erzeugt werden. Bei diesen Alternativprozessen wird auf der angeätzten Kupferoberfläche eine
haftvermittelnde organische Verbindung aufgebracht.
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Bei
der Vorbereitung werden auf der einen oder auch auf beiden Seiten
eine oder mehrere 50 μm
bis 100 μm
dicke Prepreg-Lagen
bevorzugt unter Druck und Temperatur aufgepresst.
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Beim
Erwärmen
des teilweise vorgehärteten Epoxidharzes
der Prepreg-Lage schmilzt das Harz noch einmal auf, benetzt die
vorzugsweise aufgerauhte Kupferoberfläche und härtet dann vollständig aus.
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Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung sog. No-Flow-Prepregs, die sich durch einen geringen
Harzfluß auszeichnen.
Dadurch wird es möglich, speziell
Randbereiche für
Lötverbindungen
von Epoxidharz freizuhalten.
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Beim
Erzeugen eines Vergussteils, vorzugsweise mittels Vakuumvergießen, mit
einem derart beschichteten Metallelements kann die Haftung der Prepreg-Oberfläche zum
Vergussmaterial noch weiter verbessert werden, z.B. durch mechanische
Verfahren wie Schleifen, Bürsten
und Sandstrahlen oder durch chemische Verfahren. Weiterhin kann
es auch vorteilhaft sein, durch Plasma- oder Coronaverfahren die
Polarität
der Oberfläche
zu erhöhen.
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Gegebenenfalls
werden zusätzliche
Elemente wie Kupferwicklungen, Isolierplatten und Kühlschläuchen mit
eingegossen.
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Ein
Vorteil der Erfindung liegt in der kraftschlüssigen Verbindung zwischen
Metallelement und umgebenden Gießharz. Dadurch werden z.B.
Ablösungen
(Delaminationen) bei einer Gradientenspuleneinheit eines Magnetresonanzgerätes vermieden, die
Vibrations- und Lärmeigenschaften
der Gradientenspuleneinheit bleiben während der Lebensdauer stabil
und das Auftreten von Spikes beim Betrieb wird unterbunden. Zusätzlich wird
während
der Montage die dünne
Kupferfolie mechanisch geschützt.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Es
folgt die Erläuterung
von mehreren Ausführungsbeispielen
an Hand der 1 bis 5. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine obere Hälfte
eines Magnetresonanzgeräts
mit einer vergossenen Gradientenspuleneinheit,
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2 einen
Schnitt durch eine Kupferfolie mit aufgepressten Prepreg-Lagen
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3 einen
Schnitt durch eine Leiterplatte mit beidseitig auf gepressten Prepreg-Lagen,
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4 eine
Aufsicht auf eine mit Prepreg beschichtete Leiterplatte und
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5 einen
Schnitt der Shim-Spulen mit auf gepresster Prepreg-Lage.
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1 verdeutlicht
die Erfindung anhand eines Längsschnittes
durch eine obere Hälfte
eines Magnetresonanzgerätes 1 mit
einem tunnelartigen Untersuchungsbereich 10. Zum Erzeugen
eines im Patientenaufnahmeraum möglichst
homogenen statischen Grundmagnetfeldes umfasst das Magnetresonanzgerät 1 einen
im wesentlichen hohlzylinderförmigen
supraleitenden Grundfeldmagneten 20, in den eine Gradientenspuleneinheit 30 zur
Erzeugung von Gradientenfeldern eingebracht ist. Die Gradientenspuleneinheit
weist eine Höhlung 40 auf,
die mit einem Hochfrequenzschirm 50 ausgekleidet ist. Der Hochfrequenzschirm 50 kann
zusätzlich
als Rückflussleiter
einer Hochfrequenzantennen 60 dienen. Beidseitig der Höhlung 40 sind
eine primäre
Gradientenspule 70 und eine sekundäre Gradientenspule 80 angeordnet.
Zusätzlich
können
Shim-Spulen in die Gradientenspuleneinheit 30 eingegossen
werden, die zur Homogenisierung des Grundmagnetfeldes des Grundfeldmagneten 20 beizutragen.
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Die
Komponenten der Gradientenspuleneinheit 30 werden zum Vergießen in einer
Vergussform angeordnet. Wesentlich für die mechanischen Eigenschaften
der Gradientenspuleneinheit, insbesondere für die Lärmemission, ist die Anbindung
der verschiedenen Komponenten an die Vergussmasse. Besonders wichtig
ist eine gute Anbindung der großen
Kupferflächen
des Hochfrequenzschirmes 50 oder der Shim-Spulen an die
Vergussmasse.
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2 zeigt
in einem Schnitt eine mögliche Ausführungsform
eines Vergussteils nach der Erfindung, bei der eine Kupferfolie 100 zwischen
zwei Prepreg-Lagen 110 angeordnet wurde. Um eine besonders
gute Verbindung zu erhalten, werden die Prepreg-Lagen 110 möglichst
blasenfrei auf die Kupferfolie 100 aufgepreßt. Um die
Haftung weiter zu erhöhen,
kann die Kupferoberfläche
beispielsweise in einem Anätzprozess
aufgerauht werden, wobei die Kupferfolie bei einer Anfangsdicke
von ca. 12 μm durch
das Anätzen
weiter verdünnt
wird.
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3 zeigt
ebenfalls im Schnitt eine weitere Ausführungsform eines Vergussteils 120 mit
einer eingegossenen Leiterplatte 130. Die Leiterplatte 130 besteht
aus einer Trägerplatte
FR4 (beispielsweise aus FR4), die beidseitig mit Kupferschichten 140 beschichtet
ist. Oberflächen 150 der
Kupferschichten wurden aufgerauht, bevor auf beiden Seiten Prepreg-Lagen 160 auf
gepresst wurden. Vor dem Vergießen
dieses Schichtaufbaus werden vorzugsweise auch die Oberflächen 170 der
Prepreg-Lagen 160 aufgerauht.
Nach dem Vergießen
liegt eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem Vergussmaterial 180 und der Prepreg-Lage 160 sowie
zwischen den Prepreg-Lagen 160 und den Kupferschichten 140 vor.
Eine derartig eingegossene Leiterplatte 130 kann beispielsweise
als Hochfrequenzschirm im Aufbau eines MR-Geräts gemäß 1 verwendet
werden.
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4 zeigt
eine Aufsicht auf eine zum Vergießen vorbereitete mit Prepreg-Lagen 191 belegte Leiterplatte 190.
Die Leiterplatte 190 ist mit Schlitzen 192 versehen,
um die Ausbildung von Wirbelströmen zu
verhindern. In den Randbereichen 194 der Leiterplatte 190 wurde
keine Beschichtung mit Prepreg vorgenommen, so dass hier eine vorzugsweise
verzinnte Kupferlage 196 zur Verlötung der Leiterplatte zugänglich ist.
Dabei ist ein kupferfreier Rand der Trägerplatte 198 vorgesehen.
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5 zeigt
eine mögliche
Anwendung der Erfindung bei sog. Shim-Spulen. Diese werden beispielsweise
radial außerhalb
eines Hochfrequenzschirmes 200 aufgebracht. Eine Shim-Spulenplatine umfasst
eine Trägerplatte 210,
auf denen entsprechende Shim-Spulenleiterkonfigurationen 220 aufgebracht
werden. Um entsprechende Magnetfelder in den verschiedenen Raumrichtungen
erzeugen zu können,
werden üblicherweise
mehrere Lagen von Shim-Spuleneinheiten aufeinander aufgebracht.
In einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauteils
wird eine Prepreg-Lage 230 auf die Kupferleiter 220 aufgebracht,
sodass ein guter Kontakt zwischen den Kupferlagen 220 und
der Prepreg-Lage 230 besteht. Beim Vergießen dieses
Schichtaufbaus verbindet sich das Vergussmaterial 240 wieder
kraftschlüssig
mit der Oberfläche
der Prepreg-Lage 230.
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Obwohl
die Figurenbeschreibung sich auf ein MR-Gerät mit einem hohlzylinderförmigen Untersuchungsbereich
bezieht, kann die Erfindung beispielsweise auch bei planaren Gradientenspuleneinheiten
für offene
MR-Geräte
eingesetzt werden.