DE3909186A1 - Elektrisch leitende durchfuehrung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch leitende Durchführung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, deren Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 sowie deren Herstellungsverfahren mit den Merkma­ len des Anspruchs 5 bzw. 7.

Nach dem Wortlaut des Anspruchs 1 ist die elektrisch leitende Durchführung durch eine Bohrung eines hochtemperaturbeständigen und vakuumtauglichen Isolierstoffteils, insbesondere aus Keramik, aus Glas oder aus einem Einkristall, als ein in die Bohrung eingelöteter Aktivloteinsatz oder als ein mittels einer Aktivlot­ hülse in die Bohrung eingelöteter Anschlußleiter ausgebildet. Anstatt Anschlußleiter und Aktivlothülse kann auch ein mit Ak­ tivlot umhüllter Leiter eingesetzt werden.

Nach dem Wortlaut des Anspruchs 4 wird die Durchführung bei einem kapazitiven Drucksensor mit einer Membran und einem Grundkörper, die gegenseitig beabstandete, ebene, zur Bildung mindestens eines Kondensators mit mindestens einer Leitschicht versehene Innenflä­ chen aufweisen, die mittels der Durchführung zur jeweiligen Rück­ seite hin kontaktiert sind, verwendet.

Bei dem Verfahren des Anspruchs 5 wird zum Herstellen einer Durchführung die auf den Anschlußleiter gesteckte Aktivlothülse bzw. der umhüllte Leiter in die Bohrung eingesetzt oder die Bohrung mit einem passenden Stück Aktivlotdraht ausgefüllt und das so bestückte Isolierstoffteil in ein Vakuum eingebracht und bis zum vollständigen Durchschmelzen des Aktivlots erhitzt.

Bei dem Verfahren des Anspruchs 7 wird zum Herstellen einer Durchführung die auf den Anschlußleiter gesteckte Aktivlothülse bzw. der umhüllte Leiter in die Bohrung eingesetzt oder die Bohrung mit einem passenden Stück Aktivlotdraht ausgefüllt und das so bestückte Isolierstoffteil in einer Gasatmosphäre mit einem Druck von höchstens 10^-1 mbar (=10 Pa) erhitzt.

Bei dem heute allgemein üblichen Verfahren zur Herstellung derar­ tiger Durchführungen in Aluminiumoxid-Keramik wird nach der Zeit­ schrift "Solid State Technology", Aprilil 1985, Seiten 321 bis 324 eine Mn-Mo-Paste verwendet, die auf die Bohrungswand aufgebracht, anschließend in feuchtem Wasserstoff bei hoher Temperatur (ca. 1500°C) eingesintert und anschließend galvanisch, also elektro­ lytisch, mit Nickel beschichtet werden muß. Die Nickelschicht muß ebenfalls eingesintert werden. In die so metallisierte Bohrung kann dann ein Anschlußleiter eingelötet werden.

Dieses Herstellungsverfahren ist aufgrund der Mehrzahl der anzu­ wendenden Verfahrensschritte sehr aufwendig und teuer. Außerdem ist die Prozeßführung sehr kritisch, z. B. wegen der Explosions­ gefährlichkeit des angewandten feuchten Wasserstoffs, was aufwen­ dige Sicherheitsvorkehrungen und einen Spezialofen erfordert. Außerdem ist bei langen, dünnen Bohrungen das Aufbringen der Mn- Mo-Paste nur in Handarbeit möglich, wobei außerdem eine gleich­ mäßige Dicke der aufgebrachten Schicht einzuhalten ist. Ferner ist Mn-Mo-Paste für höchstreine Aluminiumoxid-Keramik weniger gut geeignet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine allgemein für hochtemperaturbeständige und vakuumfeste Isolierstoffteile, ins­ besondere aus Keramik, aus Glas oder aus einem Einkristall, und nicht nur für Aluminiumoxid-Keramikteile geeignete Durchführung anzugeben, die in einem einzigen Hochtemperaturschritt herstell­ bar, billig, mechanisch stark belastbar und hochvakuumdicht ist.

Das bei der Erfindung verwendete Aktivlot besteht aus einem Lotmaterial, meistens einem Hartlot, wie Ag, Ag-Cu oder Ag-Cu-In, dem wenigstens ein reaktives Element, wie Ti, Zr, Be, Hf oder Ta, zulegiert ist. Dabei hat sich Ti als wirksamstes Legierungs­ element erwiesen. Das reaktive Element benetzt die Oberfläche der zu verlötenden Teile während des Lötens, so daß keine Metalli­ sierung wie z. B. die eingangs erwähnte Mn-Mo-Beschichtung erfor­ derlich ist.

Bei Oxidkeramik bewirkt die hohe Affinität des reaktiven Elements zum Sauerstoff eine Reaktion mit der Keramik, was zur Bildung von Mischoxiden und freien chemischen Valenzen führt. Aktivlot kann jedoch auch bei Nichtoxidkeramik oder Glas ohne vorhergehende Metallisierung verwendet werden.

Bevorzugte Aktivlot-Legierungen sind duktil und enthalten 2 bis 5% Ti, das homogen in einer Matrix von z. B. Ag-Cu eingebettet ist. Sie können wie normale Hartlote zu beliebigen Formteilen ausgebildet werden, also auch zu der in Fig. 2 dargestellten Hülse 3′′.

Typische im Handel befindliche Aktivlote sind die Legierungen Ag- Ti, Ag-Cu-Ti und Ag-Cu-In-Ti, deren Löttemperaturen zwischen 750 und 1000°C liegen. Stufenlötungen (Abstufungen in den Schmelz­ punkten) sind also auch bei Aktivloten möglich. Die Festigkeiten der Aktivlote sind identisch mit den Festigkeiten vergleichbarer Ti-freier Hartlote. Z. B. ist die Haftfestigkeit an Keramik größer als die Festigkeit der Keramik selbst; im Zugversuch liegt daher der Bruch in der Keramik, nicht in der Grenzschicht Keramik-Lot.

Die Erhitzung des Aktivlots erfolgt vorzugsweise im Vakuum bei mindestens 10^-5 mbar (=10^-3 Pa), besser im Bereich von 10^-6 mbar (=10^-4 Pa). Sehr gutes Vakuum ist erforderlich, um Reaktionen des Ti mit dem Restgas zu vermeiden und eine gute Benetzung von z. B. Keramik zu erreichen.

Zur Erzielung bestimmter Lötergebnisse, beispielsweise zur Ver­ minderung des Abdampfens des Lotes oder zur Reduktion von Ober­ flächenoxiden, kann es zweckmäßig sein, den Aufheiz- bzw. Löt­ vorgang in einer definierten Gasatmosphäre aus inertem Gas und/ oder Reaktivgas vorzunehmen. Die Partialdrücke dieser Gase liegen vorzugsweise unter 10^-1 mbar (=10 Pa).

Wie beim üblichen Löten wird auch beim Aktivlöten das Lot voll­ ständig durchgeschmolzen. Die Löttemperatur muß aber beim Aktiv­ lot zweckmäßigerweise 70 bis 100°C über der Liquidustemperatur liegen, damit eine optimale Reaktion des Ti mit z. B. Keramik erhalten wird. Dadurch wird eine hohe Festigkeit und Vakuumdicht­ heit erzielt.

Drucksensoren mit elektrischen Durchführungen nach der Erfindung zeichnen sich durch hohe mechanische Festigkeit, Belastbarkeit und Temperaturwechselbeständigkeit sowie durch eine sehr gute und sehr sichere Vakuumdichtheit bei einfachem Fertigungsverfahren aus. Auch kann die Qualität der Durchführung schnell und einfach mit Röntgendurchstrahlung geprüft werden.

Es ist überraschend, daß trotz der sehr unterschiedlichen Tempe­ raturabhängigkeiten der Ausdehnungskoeffizienten von Metall und z. B. Keramik ein Aktivlot für die Durchführungen, insbesondere von Drucksensoren, verwendet werden kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt die erste Variante einer Durchführung,

Fig. 2 zeigt schematisch im Schnitt die zweite Variante einer Durchführung,

Fig. 3 zeigt schematisch im Schnitt eine Weiterbildung der zwei­ ten Variante,

Fig. 4 zeigt den Grundriß eines Drucksensors mit Durchführun­ gen, und

Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht des Drucksensors von Fig. 4 entlang der Schnittstelle A-B.

Die Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt die erste Variante der Durchführung. In Fig. 1a ist der Zustand vor dem Erhitzen des Isolierstoffteils 1 gezeigt, in dem dessen Bohrung 2 mit einem passenden Stück Aktivlotdraht 3 ausgefüllt wird. Fig. 1b zeigt den erkalteten Zustand nach dem Aufschmelzen des Aktivlots, nach­ dem außerdem der Anschlußleiter 4 am Aktivloteinsatz 3, zu dem das Aktivlotdrahtstück 3′ geworden ist, befestigt worden ist.

Die Fig. 2 zeigt schematisch im Schnitt die zweite Variante der Durchführung. In Fig. 2a ist der Zustand vor dem Erhitzen des Isolierstoffteils 1 gezeigt, in dem in dessen Bohrung 2 die Aktivlothülse 3′′ mit darin eingestecktem Anschlußleiter 4 ein­ gesetzt wird. Nach einer zweckmäßigen Abwandlung kann anstatt der Hülse 3′′ mit Anschlußleiter 4 auch ein mit Aktivlot umhüll­ ter Leiter verwendet werden. Die Fig. 2b zeigt den erkalteten Zustand nach dem Aufschmelzen des Aktivlots; aus der Hülse 3′′ von Fig. 2a hat sich die den Anschlußleiter 4 mit dem Isolierstoff­ teil 1 vakuumdicht verbindende Durchführung 5 in Form der Lot­ schicht 6 gebildet.

Ist der Ausdehnungskoeffizient des verwendeten Isolierstoffteils so viel kleiner als der des verwendeten Aktivlots, daß im Fall der ersten Variante (Fig. 1) bei größeren Bohrungsdurchmessern ein Abreißen der Lotschicht vom Isolierstoffteil nach dem Abküh­ len zu befürchten ist, so kann dem dadurch begegnet werden, daß die zweite Variante (Fig. 2) gewählt wird, und zwar so, daß der Anschlußleiter aus einem Metall mit einem Ausdehnungskoeffizien­ ten ist, der gleich oder etwas kleiner als der des Aktivlots ist. Beim Abkühlen schrumpfen dann Isolierstoffteil und Anschlußlei­ ter etwa gleich stark, so daß die Aktivlotschicht praktisch spannungsfrei ist.

Ein Zahlenbeispiel soll diesen Zusammenhang verdeutlichen. Der Ausdehungskoeffizient von Aluminiumoxid-Keramik liegt bei etwa 7 ppm/K, der von Ag-Cu-Aktivlot bei etwa 19 ppm/K. Verwendet man nun einen Mo-Anschlußleiter, dessen Ausdehnungskoeffizient bei etwa 5 ppm/K liegt, so wird das Abreißen der Lotschicht von der Keramik sicher vermieden und die Vakuumdichtheit der Durchführung ist auch bei größeren bis großen Bohrungsdurchmessern gewähr­ leistet.

Die Fig. 3 zeigt schematisch im Schnitt eine Weiterbildung der ersten Variante der Durchführung. Dabei wird wieder wie in Fig. 1a ein passendes Stück Aktivlotdraht 3′ in die Bohrung 2 eingesetzt und aufgeschmolzen. Nach dem Erkalten wird die Leitbahn 6 aufge­ bracht, was z. B. durch Sputtern geschehen kann. Diese bildet mit der freiliegenden Oberfläche des Aktivloteinsatzes 3 eine gut leitende elektrische und mechanische Verbindung.

Bei den Anordnungen nach den Fig. 1b, 2b und 3 kann, wenn sie Teile eines Drucksensors sind, auf der jeweiligen Unterseite, z. B. ebenfalls durch Sputtern, die Leitschicht 14 oder 15 aufge­ bracht werden, was jedoch der Übersichtlichkeit wegen nicht veranschaulicht ist.

Es ist auch möglich, daß der Anschlußleiter nur auf einer Seite der Bohrung hervorsteht und mit dem anderen Bohrungsende ab­ schließt. Dann kann auf dieser Seite des Isolierstoffteils wie­ derum eine Leitschicht oder Leitbahn aufgebracht werden.

Bei der bevorzugten Verwendung der Durchführung hat der in Fig. 4 und 5 dargestellte Drucksensor 10 die Membran 11 in Form einer kreisrunden Scheibe mit planparallelen Flächen, die rings um den Umfang mit dem kreisrunden Grundkörper 12 in einem definierten Abstand d zusammengefügt ist, so daß zwischen der ebenen Ober­ seite des Grundkörpers 12 und der gegenüberliegenden Fläche der Membran 11 die Kammer 13 gebildet ist. Die Membran 11 und der Grundkörper 12 sind z. B. Keramikteile, deren Zusammensetzung voneinander verschieden sein kann. Die Membran 11 ist elastisch, so daß sie sich unter einem darauf einwirkenden Druck verformen kann. Der Grundkörper 12 kann massiv und starr sein, er kann aber auch, falls erwünscht, in gleicher Weise wie die Membran 11 als flache elastische Scheibe ausgebildet sein. Mittels des Formteils 22 sind Membran 11 und Grundkörper 12 mechanisch fest miteinander verbunden.

An den einander zugewandten Flächen der Membran 11 bzw. des Grundkörpers 12 sind innerhalb der Kammer 13 kreisförmige Leit­ schichten 14 bzw. 15 aus Metall angebracht, die sich gegenüber­ liegen. Mit der Leitschicht 14 ist der Anschlußleiter 4 verbun­ den, der gasdicht in der Bohrung 2 mittels der Durchführung fixiert und durch die Membran 11 nach außen geführt ist.

In gleicher Weise ist mit der Leitschicht 15 des Grundkörpers 12 der Anschlußleiter 17 verbunden, der gasdicht in der Bohrung 19 mittels seiner Durchführung fixiert und durch den Grundkörper 12 nach außen geführt ist. Die beiden Leitschichten 14, 15 bilden die Elektroden eines Kondensators, dessen Kapazität von dem Ab­ stand zwischen den Leitschichten abhängt. Wenn sich die Membran 11 unter der Einwirkung eines Drucks verformt, ändert sich der Abstand zwischen den beiden Leitschichten 14, 15 und damit die Kapazität des Drucksensors. Diese kann mittels einer an die Anschlußleiter 4, 17 angeschlossenen elektronischen Schaltung gemessen werden und ist daher ein Maß für den auf die Membran 11 einwirkenden Druck. Durch Aufteilung der Leitschichten in eine innere Kreisfläche und eine äußere davon beabstandete Kreisring­ fläche können auch mehr als nur ein Kondensator realisiert wer­ den.

Die Besonderheit des in Fig. 4 und 5 dargestellten Drucksensors besteht in der Art und Weise, wie die Durchführungen ausgebildet sind. Dafür sind die in Fig. 1, 2, 3 anhand des Isolierstoff­ teils 1 gezeigten Varianten möglich, bei deren jeder Aktivlot verwendet wird. Zur Herstellung der Verbindung der Teile 11, 12 wird ein thermisches Verfahren angewendet, das eine direkte Ver­ bindung der Membran 11 und des Grundkörpers 12 mit dem Formteil 22, das ebenfalls aus Aktivlot besteht, ohne vorheriges Aufbrin­ gen einer Metallisierung ermöglicht.

Wenn bei der anhand der Fig. 3 erläuterten Weiterbildung auf der Fläche der Leitbahn 6 anstatt ihrer eine Dünn- oder Dickschicht­ schaltung, z. B. zur Realisierung der oben erwähnten Kapazitäts­ meßschaltung, vorgesehen werden soll, so ist zu deren elektri­ scher Verbindung mit dem Aktivloteinsatz 3 eine damit fluchtende Öffnung in deren Substrat vorzusehen, durch die hindurch mittels des üblichen Weichlots kontaktiert werden kann.

Obwohl die oben geschilderte Verwendung sich auf einen kapaziti­ ven Drucksensor bezieht, können die Durchführungen nach der Er­ findung auch bei resistiven Drucksensoren mit Erfolg angewendet werden.

Claims (10)

1. Elektrisch leitende Durchführung durch eine Bohrung (2) eines hochtemperaturbeständigen und vakuumtauglichen Isolierstoff­ teils (1), insbesondere aus Keramik, aus Glas oder aus einem Einkristall, welche Durchführung als ein in die Bohrung (2) eingelöteter Aktivloteinsatz (3) oder als ein mittels einer Aktivlothülse (2) in die Bohrung eingelöteter Anschlußleiter (4) ausgebildet ist.

2. Durchführung nach Anspruch 1 mit mindestens einer auf minde­ stens einer der Oberflächen des Isolierstoffteils (1) verlau­ fenden und den Aktivloteinsatz (3) kontaktierenden Leitschicht (14, 15) und/oder Leitbahn (6) .

3. Durchführung nach Anspruch 1, bei der anstatt des Anschluß­ leiters (4) und der Aktivlothülse (2) ein mit Aktivlot umhüll­ ter Leiter verwendet ist.

4. Verwendung einer Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bei einem kapazitiven Drucksensor (10) mit einer Membran (11) und einem Grundkörper (12), die gegenseitig beabstandete, ebene, zur Bildung mindestens eines Kondensators mit minde­ stens einer Leitschicht (14, 15) versehene Innenflächen auf­ weisen, die mittels der Durchführung zur jeweiligen Rückseite hin kontaktiert sind.

5. Verfahren zum Herstellen einer Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem

• - die auf den Anschlußleiter (4) gesteckte Aktivlothülse (3′′) bzw. der umhüllte Leiter in die Bohrung (2) eingesetzt oder
• - die Bohrung (2) mit einem passenden Stück Aktivlotdraht (3′) ausgefüllt und
• - das so bestückte Isolierstoffteil (1) in ein Vakuum einge­ bracht und bis zum vollständigen Durchschmelzen des Aktiv­ lots erhitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Vakuum einen Restgas­ druck von weniger als 10^-5 mbar (=10^-3 Pa) hat.

7. Verfahren zum Herstellen einer Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem

• - die auf den Anschlußleiter (4) gesteckte Aktivlothülse (3′′) bzw. der umhüllte Leiter in die Bohrung (2) eingesetzt oder
• - die Bohrung mit einen passenden Stück Aktivlotdraht ausge­ füllt und
• - das so bestückte Isolierstoffteil (1) in einer Gasatmosphäre mit einem Druck von höchstens 10^-1 mbar (=10 Pa) erhitzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Gasatmosphäre aus einem inerten Gas besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Gasatmosphäre aus einem Reaktivgas besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Gasatmosphäre aus einem Gemisch von inerten und/oder reaktiven Gasen besteht.