DE3030687C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Durchführung mit einem aus Niob oder einer Nioblegierung bestehenden elektrischen Leitungsdraht, einem einen Teil des Leitungs drahtes umgebenden Aluminiumoxid-Isolator, einer aus Niob oder einer Nioblegierung bestehenden Buchse, die um mindestens einen Umfangsteil des Isolators herum ange ordnet ist, und Hartlötungen, welche den Leitungsdraht mit dem Isolator sowie den Isolator mit der Buchse verbinden, wobei die Oberflächen des Isolators an den hartzu verlötenden Bereichen metallisiert sind.The invention relates to an electrical feedthrough with a niobium or one Niobium alloy existing electrical lead wire, one part of the lead surrounding aluminum oxide insulator, one made of niobium or a niobium alloy existing socket, which is around at least a peripheral part of the insulator is arranged, and brazing, which the wire with the insulator and the Connect the insulator to the socket, the surfaces of the insulator being hard on soldering areas are metallized.
Bei einer bekannten elektrischen Durchführung dieser Art (US 39 36 320) weist der aus Aluminiumoxid bestehende Isolator eine Metallisierung in Form eines Nickelüberzuges auf. Die Hartlötungen, welche den Leitungsdraht mit dem Isolator sowie den Isolator mit der Buchse verbinden, bestehen aus einer Silber-Kupfer- oder Gold-Kupfer-Legie rung.In a known electrical implementation of this type (US 39 36 320) has the Alumina existing insulator a metallization in the form of a nickel coating on. The brazing, which is the lead wire with the insulator as well as the insulator connect to the socket, consist of a silver-copper or gold-copper alloy tion.
Es ist ferner bekannt (US 39 20 888), bei einer elektrischen Durchführung, bei welcher der Leitungsdraht aus Platin, der Isolator aus Aluminiumoxid und die Buchse aus Titan bestehen, zum gegenseitigen Verbinden dieser Teile als Hartlötwerkstoff reines Gold zu verwenden.It is also known (US 39 20 888), in an electrical feedthrough, in which the lead wire made of platinum, the insulator made of aluminum oxide and the socket made of titanium consist of pure gold as a brazing material for the mutual connection of these parts use.
Desweiteren ist es bekannt (US 38 73 944), ein aus Ferrit oder Granat bestehendes Bau teil mit der Metallwand eines Mikrowellenzirkulators mittels eines Weichlotes zu ver binden, das aus einem Zinn-Blei-Gemisch oder Indium besteht. Dabei wird das Bauteil aus Ferrit oder Granat vor der Weichverlötung mit mindestens drei aufeinanderfolgen den Metallschichten überzogen, bei denen es sich nacheinander um eine Nickel-Chrom- Schicht, eine Kupferschicht und eine Goldschicht handelt.Furthermore, it is known (US 38 73 944), a structure made of ferrite or garnet to ver with the metal wall of a microwave circulator using a soft solder bind, which consists of a tin-lead mixture or indium. The component made of ferrite or garnet before soft soldering with at least three in a row the metal layers, which are successively a nickel-chrome Layer, a copper layer and a gold layer.
Es ist auch eine Durchführung mit einem Innenleiter aus Molybdän oder Wolfram und einem dazu konzentrischen Außenteil aus rostfreiem Stahl oder niedriggekohltem Stahl bekannt (US 33 71 406), die durch einen Keramikring voneinander getrennt sind. Dieser Keramikring wird metallisiert, indem er nacheinander mit einer Schicht aus Titan, einer Schicht aus Platin und einer Schicht aus rostfreiem Stahl überzogen wird. Der so metallisierte Ke ramikring ist mit dem Innenkörper und dem Außenteil hartverlötet, wobei als Hartlöt werkstoff Kupfer, Gold und Nickel-Gold-Legierungen verwendet werden.It is also a bushing with an inner conductor made of molybdenum or tungsten a concentric outer part made of stainless steel or low-carbon steel known (US 33 71 406), which are separated from each other by a ceramic ring. This ceramic ring is metallized by working successively with a layer of titanium, a layer of Platinum and a layer of stainless steel is coated. The so metallized Ke The ceramic ring is brazed to the inner body and the outer part, using brazing copper, gold and nickel-gold alloys can be used.
Bei der Herstellung von bekannten elektrischen Durchführungen können Defekte auf treten, die nicht oder nur mit großem Aufwand zu ermitteln sind, die aber die Sicherheit von mit solchen Durchführungen ausgestatteten Geräten, beispielsweise im menschli chen Körper implantierbaren elektrochemischen Zellen, Herzschrittmachern und der gleichen, beeinträchtigen.Defects can occur in the manufacture of known electrical feedthroughs occur, which can not be determined or can only be determined with great effort, but the security of devices equipped with such bushings, for example in human Chen body implantable electrochemical cells, pacemakers and the same, affect.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hermetisch dichtende, während der Herstellung gegen die Ausbildung von Defekten unanfällige elektrische Durchführung zu schaffen, die eine besonders einfache und sichere optische Inspektion auf Fehler ge stattet.The invention has for its object a hermetically sealed, during the Manufacture against the formation of defects resistant electrical implementation to create a ge a particularly simple and safe optical inspection for errors equips.
Ausgehend von einer elektrischen Durchführung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daßOn the basis of an electrical feedthrough of the type mentioned at the beginning, this becomes Object achieved in that
- - der Isolator aus einkristallinem, optisch transparentem, reinem oder dotiertem Saphir besteht;- The insulator made of single-crystal, optically transparent, pure or doped Sapphire exists;
- - der Werkstoff der Hartlötungen aus reinem Gold besteht; und- the material of the brazing is made of pure gold; and
- - die Metallisierung eine Schicht aus Niob, aus Titan oder aus Niob/Titan aufweist.- The metallization has a layer of niobium, titanium or niobium / titanium.
Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform, bei welcher die Hartlötungen aus einer Goldlegierung bestehen, wird die Lösung der gestellten Aufgabe dadurch erreicht, daßAccording to a modified embodiment in which the brazing is made a gold alloy, the solution to the problem is achieved by that
- - der Isolator aus einkristallinem, optisch transparentem, reinem oder dotiertem Saphir besteht;- The insulator made of single-crystal, optically transparent, pure or doped Sapphire exists;
- - der Isolator mit dem Leitungsdraht und der Buchse unmittelbar hartverlötet ist; und- the insulator is directly brazed to the lead wire and socket; and
- - die Goldlegierung der Hartlötungen neben Gold als Legierungselemente Vana dium, Yttrium und/oder Scandium enthält.- The gold alloy of the brazing in addition to gold as alloy elements Vana contains dium, yttrium and / or scandium.
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 andere Defekte erzeugt werden. Dadurch, daß bei der Durchführung nach der Er findung der Isolator aus einkristallinem, optisch transparentem Saphir besteht, wird eine visuelle Inspektion der elektrischen Durchführung auf das Vorhandensein von Defekten möglich. Insbesondere können selbst bei niedriger Vergrößerung Risse oder andere De fekte, die sich unter Umständen während der Herstellung des Isolators selbst oder wäh rend der Fertigung der Durchführung eingestellt haben, leicht erkannt werden. Die Leichtigkeit der optischen Überprüfung gestattet eine 100%ige Inspektion der fertigen Durchführungen. Außerdem ist die bei den Durchführungen nach der Erfindung vorge sehene Werkstoffkombination von Saphir und Niob gegenüber der Bildung von Defek ten während der Herstellung widerstandsfähig, so daß hohe Ausbeuten erzielt werden. Handelsübliche Uhrensteine aus Saphir stehen für die vorliegenden Zwecke ohne wei teres zur Verfügung.Sapphire is an aluminum oxide that is drawn with a single crystal lattice structure and easily cut and polished to optical transparency without cracks or other defects are generated. The fact that in the implementation after the Er the insulator consists of single-crystal, optically transparent sapphire, becomes a visual inspection of the electrical leadthrough for the presence of defects possible. In particular, cracks or other de fects that may occur during the manufacture of the isolator or wäh have discontinued the execution of the implementation, can be easily recognized. The Ease of visual inspection allows 100% inspection of the finished one Implementations. In addition, that is featured in the bushings according to the invention seen material combination of sapphire and niobium compared to the formation of defects ten resistant during manufacture, so that high yields are achieved. Commercial sapphire watch stones are without white for the present purposes teres available.
Die Metallisierung an den hartzuverlötenden Bereichen der Isolatoroberfläche kann vorteilhaft zusätzlich eine über der Schicht aus Niob, Titan oder Niob/Titan liegende Goldschicht aufweisen. Diese Goldschicht hat zweckmäßig eine Dicke von etwa 200 nm. Die Schicht aus Niob, Titan oder Niob/Titan hat vorteilhaft eine Dicke in der Größen ordnung von 100 nm.The metallization on the hard-to-solder areas of the insulator surface can advantageously an additional layer lying over the layer of niobium, titanium or niobium / titanium Show gold layer. This gold layer expediently has a thickness of approximately 200 nm. The layer of niobium, titanium or niobium / titanium advantageously has a thickness in size order of 100 nm.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeich nungen näher erläutert. Es zeigtPreferred embodiments of the invention are described below with reference to the drawing nations explained in more detail. It shows
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchführung, Fig. 1 shows a schematic cross section of a first embodiment of a bushing according to the invention,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform ei ner Durchführung nach der Erfindung, Fig. 2 shows a schematic cross section of another embodiment ei ner bushing according to the invention,
Fig. 3 einen weiteren schematischen Querschnitt für eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchführung, und Fig. 3 is a further schematic cross-section of a third embodiment of a bushing according to the invention, and
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt einer vierten Ausführungsform der Durchführung nach der Erfindung. Fig. 4 is a schematic cross section of a fourth embodiment of the implementation according to the invention.
Die in den Fig. 1 bis 4 veranschaulichten elektrischen Durchführungen weisen einen mehr oder weniger zentral angeordneten Niob-Leitungsdraht oder Stift 10 auf, der durch einen Saphirisolator 12 hindurchreicht. Der Isolator 12 ist zweckmäßig im we sentlichen scheibenförmig. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform wird der Saphirkörper mit einer becherartigen Oberfläche 12(a) hergestellt, wie dies in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Die Durchführung weist ferner eine Niobbuchse 14 auf, die mit dem Isolator 12 mehr oder weniger am Umfang in Kontakt steht, wie dies bei bekannten An ordnungen mit Metallbuchse und Glasisolator üblich ist. Die Buchse 14 wird zur Mon tage der Durchführung benutzt. Beispielsweise wird bei einer bevorzugten Anwendung diese Durchführung in einer (nicht gezeigten) Titankapselung montiert, die ein elektri sches Gerät für ein Implantat im Menschen enthält. Normalerweise wird die Buchse mit dem Titanbehälter verschweißt.The electrical feedthroughs illustrated in FIGS. 1 to 4 have a more or less centrally arranged niobium lead wire or pin 10 which extends through a sapphire insulator 12 . The insulator 12 is expediently substantially disc-shaped. According to a preferred embodiment, the sapphire body is made with a cup-like surface 12 (a), as shown in FIGS. 1 and 2. The implementation also has a niobium bushing 14 , which is more or less in contact with the insulator 12 at the circumference, as is usual in known arrangements with a metal bushing and glass insulator. The socket 14 is used for Mon days of implementation. For example, in a preferred application, this bushing is mounted in a titanium encapsulation (not shown) that contains an electrical device for an implant in humans. Usually the bushing is welded to the titanium container.
Bei dem für den Leitungsdraht und die Buchse verwendeten Werkstoff 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. Wenn vorliegend beschrieben ist, daß diese Bauteile im wesentlichen aus Niob bestehen, sol len solche Legierungen zusammen mit reinem Niob eingeschlossen sein.The material used for the lead wire and socket can be different also act as a niobium alloy, as long as its thermal expansion coefficient in the Remains about ± 10% of that of commercially pure niobium. An example for such an alloy is an alloy of 99 wt .-% Nb and 1 wt .-% Zr. If It is described here that these components consist essentially of niobium, sol len such alloys are included together with pure niobium.
Die Bauteile der Durchführung werden durch Hartlöten zusammenmontiert. In bekann ter Weise kann das Hartlöten der Durchführung 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. Vorliegend 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 Hartlötlegie rung verwendet ist, sind in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt.The components of the bushing are assembled by brazing. In a known manner, the brazing of the implementation can take place in that rings made of the brazing material are arranged at the connection points to be soldered and the arrangement is heated to the suitable melting temperature of the brazing material. However, only two brazing materials are acceptable in the present case. One of the acceptable brazing materials includes gold, vanadium and yttrium and / or scandium alloys that optionally contain niobium. Arrangements in which this Hartlötlegie tion is used are shown in FIGS . 1, 2 and 3.
Hartlötlegierungen der vorstehend genannten Art, die sich für die vorliegende Durch führung eignen, sind in der US-PS 41 80 700 beschrieben. Diese Legierungen können Scandium und Niob enthalten. Ein Beispiel für eine Legierung besteht aus 5,5% Vana dium, 0,2% Yttrium, Rest Gold, wobei die Prozentzusätze als Atomprozentsätze ausge drückt sind. Brazing alloys of the type mentioned above, which are suitable for the present leadership are described in US Pat. No. 4,180,700. These alloys can Contain scandium and niobium. An example of an alloy is 5.5% vana dium, 0.2% yttrium, balance gold, the percent additions being expressed as atomic percentages are pressing.
Ein weiterer und der bevorzugte anwendbare Hartlötwerkstoff ist Gold, das heißt han delsüblich reines Gold (99,9%). Wenn jedoch der aus reinem Gold bestehende Hart lötwerkstoff verwendet wird, muß der Saphir zunächst mit einem Überzug aus Niob, Ti tan 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 Bil dung einer Schicht 19 können verschiedene Anteile an Niob und Titan zusammen durch Zerstäubung aufgebracht werden. Eine derartige Legierung wird vorliegend als "Niob/Titan" bezeichnet. Diese Überzüge werden vorzugsweise durch Zerstäubung aus gebildet, und sie können sehr dünn sein. Vorzugsweise hat der Überzug aus Niob, Titan oder Niob/Titan eine Dicke in der Größenordnung von etwa 1000 nm, während die Goldschicht eine Dicke in der Größenordnung von etwa 200 nm hat. Eine derartige me tallisierte Ausführung ist in Fig. 4 gezeigt, wobei die Lagen aus Niob oder Titan und Gold schematisch bei 18 bzw. 19 dargestellt sind, während die Goldhartlötung bei 16 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.Another and the preferred brazing material that can be used is gold, ie commercially pure gold (99.9%). However, if the brazing material made of pure gold is used, the sapphire must first be provided with a coating of niobium, titanium or niobium / titanium and a coating of gold over the niobium or titanium in the areas where the brazed joint is to be formed . To form a layer 19 , different proportions of niobium and titanium can be applied together by atomization. Such an alloy is referred to herein as "niobium / titanium". These coatings are preferably formed by sputtering and can be very thin. Preferably, the niobium, titanium or niobium / titanium coating has a thickness on the order of about 1000 nm, while the gold layer has a thickness on the order of about 200 nm. Such a tallized version is shown in FIG. 4, the layers of niobium or titanium and gold being shown schematically at 18 and 19 , respectively, while the gold hard soldering is indicated at 16 . Niobium is the preferred coating material 19 , although titanium is acceptable for use in dry and low temperature environments. When exposed to moisture, niobium is less susceptible to erosion and corrosion than titanium or niobium / titanium.
Die verschiedenen Hartlötwerkstoffe können in jeder beliebigen der vorliegend offen barten Durchführungen verwendet werden. Die verschiedenen Ausführungsformen un terscheiden sich hinsichtlich der Geometrie, wobei diejenige nach Fig. 1 die einfachste ist. Die Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 sind aufgrund der Abstufung in der Buchse 14 (Fig. 2) oder in dem Isolator 12 (Fig. 3) selbsthaltend.The various brazing materials can be used in any of the presently open bushings. The different embodiments differ in terms of geometry, the one according to FIG. 1 being the simplest. The embodiments according to FIGS. 2 and 3 are self-retaining due to the gradation in the socket 14 ( FIG. 2) or in the insulator 12 ( FIG. 3).
Der vorliegend für den Isolator benutzte Saphir kann ein reiner Saphir oder ein dotier ter Saphir sein, das heißt ein Saphir, der einige Zehntel eines Prozents eines Dotier mittels, wie Chrom, Kobalt oder Nickel, enthält und eine charakteristische Farbe, wie rubinrot, blau bzw. smaragdgrün, annimmt.The sapphire used here for the insulator can be a pure sapphire or a dopant ter sapphire, that is, a sapphire that contains a few tenths of a percent of a dopant contains, such as chrome, cobalt or nickel, and a characteristic color, such as ruby red, blue or emerald green.
Claims (5)
- - der Isolator aus einkristallinem, optisch transparentem, reinem oder dotiertem Saphir besteht;
- - der Werkstoff der Hartlötungen (16) aus reinem Gold besteht; und
- - die Metallisierung eine Schicht (19) aus Niob, aus Titan oder aus Niob/Titan aufweist.
- - The insulator consists of single-crystal, optically transparent, pure or doped sapphire;
- - The material of the brazing ( 16 ) consists of pure gold; and
- - The metallization has a layer ( 19 ) made of niobium, titanium or niobium / titanium.
- - der Isolator (12) aus einkristallinem, optisch transparentem, reinem oder dotiertem Saphier besteht;
- - der Isolator (12) mit dem Leitungsdraht (10) und der Buchse (14) un mittelbar hartverlötet ist; und
- - die Goldlegierung der Hartlötungen (16) neben Gold als Legierungsele mente Vanadium, Yttrium und/oder Scandium enthält.
- - The insulator ( 12 ) consists of single-crystal, optically transparent, pure or doped sapphire;
- - The insulator ( 12 ) with the lead wire ( 10 ) and the socket ( 14 ) is un indirectly brazed; and
- - The gold alloy of the brazing ( 16 ) contains gold as alloying elements vanadium, yttrium and / or scandium.
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