DE4410055A1 - Elektrische Durchführung/Kondensator-Kombination - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Durchführung/Kondensator- Kombinationen und Verfahren zu deren Herstellung.

Elektrische Durchführungen dienen dazu, einen elektrischen Leitungsweg zu bilden, der sich vom Inneren eines hermetisch abgedichteten Behälters zu einem Punkt außerhalb des Behäl­ ters erstreckt. Der Leitungsweg wird durch die Durchführung hindurch durch einen Zuleitungsstift erzielt, der elektrisch gegen den Behälter isoliert ist.

Viele derartige Durchfüh­ rungen sind im Stand der Technik bekannt, die für den elek­ trischen Weg sorgen und den elektrischen Leiter von seiner Umgebung abdichten. Derartige Durchführungen weisen typi­ scherweise eine Muffe, einen Zuleitungsstift oder eine Zuleitung sowie eine hermetische Glas- oder Keramikdichtung auf, die den Zuleitungsstift innerhalb der Muffe hält. Derartige Durchführungen werden typischerweise bei elektri­ schen medizinischen Vorrichtungen wie implantierbaren Im­ pulsgeneratoren (IPGs) verwendet. In jüngster Zeit wurde herausgefunden, daß derartige elektrische Vorrichtungen in manchen Fällen elektromagnetischer Störung unterliegen können. Z. B. kann elektromagnetische Störung bei bestimmten Frequenzen die Schrittmacherfunktion in einem implantierba­ ren Impulsgenerator verhindern. Diese Schwierigkeit wurde dadurch berücksichtigt, daß in die Durchführungsmuffe eine Kondensatorstruktur eingebaut wurde, um dadurch jegliche elektromagnetische Störung hoher Frequenz an ihrem Eintritt in den implantierbaren Impulsgenerator zu hindern. Dies wurde durch die vorstehend genannte Kondensatorvorrichtung dadurch erzielt, daß sie mit der Durchführung kombiniert wurde und sie direkt in die Durchführungsmuffe eingebaut wurde. Typischerweise kontaktiert der Kondensator elektrisch sowohl den Zuleitungsstift als auch die Muffe (siehe US-Patent Nr. 4,424,551).

Eines der üblicheren Materialien zur Verwendung als Zulei­ tungsstift ist Tantal. Unglücklicherweise unterliegt Tantal dem Aufwachsen von Oxid, das, abhängig von seinem Ausmaß, als Isolator statt als Leiter auf der Oberfläche des Zulei­ tungsstifts wirken kann. Während der Herstellung einer Durchführung/Kondensator-Kombination unterliegt der Tantal­ stift einer Wärmebehandlung oder mehreren, die Oxidation fördern können, was die Leitfähigkeit des Zuleitungsstifts aus Tantal und seine Fähigkeit beeinflußt, um gute elektri­ sche Verbindungen zu anderen Elementen, wozu der Kondensator usw. gehören, herzustellen.

Die Erfindung überwindet die ebengenannte Oxidationsschwie­ rigkeit dadurch, daß auf dem Durchführungsstift aus Tantal eine Schutzmetallbeschichtung ausgebildet ist, um dessen Oxidaufwachstendenz zu steuern.

Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung der Erfin­ dung unter spezieller Bezugnahme auf die Zeichnungen gege­ ben, in denen:

Fig. 1 ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Durchführung/Kondensator-Kombination ist; und

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä­ ßen Durchführung/Kondensator-Kombination ist.

Es wird nun detaillierter auf die Zeichnungen Bezug genom­ men, in denen ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Durchführung dargestellt ist, die zur Verwendung mit einem nicht dargestellten implantierbaren Impulsgenerator gedacht ist. Die Erfindung wird speziell unter Bezugnahme auf im­ plantierbare Impulsgeneratoren beschrieben, jedoch ist zu beachten, daß sie allgemein auf alle Durchführungen ange­ wandt werden kann, die einen Zuleitungsstift aus Tantal ver­ wenden, um eine elektrische Verbindung zu irgendeinem "ent­ haltenen" elektrischen Bauteil herzustellen, das von der Um­ gebung abzudichten ist, wozu auch Durchführungen mit mehre­ ren Stiften gehören.

Elektrische Durchführungen verfügen typischerweise über Ringform, wie in den Figuren dargestellt, um im allgemeinen beinhalten sie eine Metallmuffe 10, die im Fall eines typi­ schen implantierbaren Impulsgenerators aus einer Titanlegie­ rung besteht. Die Muffe 10 hält den elektrischen Zuleitungs­ stift 12 aus Tantal und eine isolierende Abdichteinrichtung 14 fest, die aus einem Körper aus Glas besteht, der dann, wenn er aufgeschmolzen wird, zwischen dem Stift 12 und der Muffe 10 wirkt, um nach Verfestigung die Abdichteinrichtung zu bilden, wie in Fig. 1 dargestellt. Dieser Prozeß wird im Stand der Technik im allgemeinen als "Einglasen" bezeichnet. Letztendlich wird die Muffe z. B. durch Schweißen an einem Gehäuse oder einer Behälterabdeckung (nicht dargestellt) für die elektrische Vorrichtung befestigt, der die Durchführung zugeordnet ist. Im Fall z. B. eines implantierbaren Impuls­ generators kann der Behälter ebenfalls aus Titan bestehen, und die Durchführungsmuffe würde an ihn auf solche Weise an­ geschweißt werden, daß sich der Boden der Muffe in den Be­ hälter erstreckt, um eine elektrische Verbindung zwischen dem unteren Ende des Stifts 12 und dem elektrischen Inhalt des Behälters zu ermöglichen. So kann sich bei einer typi­ schen Anbringungsform ein Teil der am Behälter befestigten Muffe in das Innere des Behälters erstrecken und ein anderer Teil kann sich zur Außenseite desselben hin erstrecken. Ver­ schiedene Modifizierungen dieser Anbringungsform sind selbstverständlich möglich und sind dem Fachmann leicht er­ kennbar.

Wie bereits angezeigt, ist die erfindungsgemäße Durchführung von einem Typ, die einen Kondensator innerhalb der Durchfüh­ rungsmuffe enthält. Die kapazitive Struktur, die ringförmig ausgebildet ist, die in den Figuren schematisch dargestellt ist und die dort mit 16 bezeichnet ist, kann eine mehr­ schichtige Keramikstruktur in Ringplattenform mit mehreren Sätzen gering voneinander beabstandeter elektrisch leitender Platten 18 und 20 (endseitig angeschlossene Elektroden) auf­ weisen, die über dünne Schichten aus keramischem, dielektri­ schem Isoliermaterial 22 voneinander getrennt sind. Der Kon­ densator beinhaltet auch eine erste Außenfläche 24 und eine zweite Innenfläche 26, die elektrisch gegeneinander isoliert sind (sogenannte endseitige "Anschlußeinrichtungen") sowie isolierende Endflächen 28. Derartige kapazitive Strukturen sind im Stand der Technik wohlbekannt (siehe z. B. US-Patent Nr. 4,424,551) und müssen hier nicht detaillierter beschrie­ ben werden.

Während der Herstellung der in Fig. 1 dargestellten kombi­ nierten Muffe/Kondensator-Struktur sind mehrere Wärmebehand­ lungen dazu erforderlich, Epoxidharz auszuhärten. Diese Wärmebehandlungen erfolgen in Umgebungsatmosphäre bei unge­ fähr 300°C. Während dieser Wärmebehandlungen besteht die Neigung, daß die Dicke des Tantaloxids auf dem Tantalstift 12 zunimmt. Ab einem bestimmten Punkte beginnt dieses Oxid als Isolator statt als Leiter zu wirken, wenn sein Wachstum nicht gesteuert wird. Das Vorhandensein einer Oxidschicht spiegelt sich im Verlustfaktor wider, der sehr hoch sein kann, und zwar in der Größenordnung von 10 bis 99%, wenn eine dicke Oxidschicht vorhanden ist. Der Verlustfaktor zeigt die Qualität der elektrischen Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Durchführungsstift 12 sowie dem Konden­ sator und der Muffe an. Es wurde auch erkannt, daß die Ver­ lustfaktoren unter verschiedenen Durchführungen und insbe­ sondere zwischen verschiedenen Durchführungslosen nicht mit­ einander übereinstimmen. Dies aufgrund der Schwierigkeit, das Oxidwachstum auf der Oberfläche des Tantalstifs genau einzustellen. Anders gesagt, wurde auch beobachtet, daß der Kontaktwiderstand der Durchführungsmuffe nur kleinen Einfluß auf diese Verlustfaktoren hat.

Infolge dieser Erkenntnis wurde herausgefunden, daß ein Me­ tallfilm oder -überzug 30 auf dem Tantalstift das Wachstum von Tantaloxid auf demselben minimiert und steuert. Es wurde herausgefunden, daß das Steuern des Wachstums des Oxidfilms auf diese Weise den elektrischen Kontakt zum Stift verbes­ sert und den Verlustfaktor verringert. Jedoch kann Tantal wegen des Vorliegens der immer vorhandenen Oxidschicht nicht elektroplattiert werden. Demgemäß wurde entschieden, daß ein dünner Film 30 aus schützendem Metall am besten unter Ver­ wendung bekannter Sputtertechniken auf die Oberfläche des Tantalstifts zu sputtern wäre. Andere Metallisier- oder Be­ schichtungsverfahren wie Vakuumabscheidungstechniken und dergleichen können auch verwendet werden, wie auch Aufsprü­ hen oder Aufstreichen von Metallpaste auf den Stift, die dann gebrannt wird.

Die Schutzmetall-Beschichtung kann auf den gesamten Tantal­ stift aufgebracht werden, oder sie kann nur in demjenigen Teil des Stifts aufgebracht werden, der vom Kondensator zu kontaktieren ist. In jedem Fall kann ausgesagt werden, daß erfindungsgemäß zumindest ein Teil des Stifts mit einer schützenden Schutzmetall-Beschichtung zu metallisieren ist. Die Dicke der Beschichtung ist nicht kritisch, solange sie nach dem Einglasen aufgebracht wird und solange ihre Bedec­ kung im wesentlichen gleichmäßig ist. Eine Dicke im Bereich von ungefähr 50 nm (500 Å) bis ungefähr 1000 nm (10 000 Å) hat sich als zufriedenstellend gezeigt.

Abhängig davon, ob der Stift vor oder nach dem Einglasen mit der Beschichtung 30 metallisiert wird, bestimmen bestimmte Überlegungen das spezielle Metall, das verwendet werden kann, oder die Metalle. Wenn z. B. der gesamte Stift vor dem Einglasen mit der Schutzmetall-Beschichtung metallisiert wird, muß das ausgewählte Schutzmetall von einem Typ sein, der in Tantal löslich ist, und der Verarbeitungsvorgang sollte so eingestellt werden, daß vollständige Diffusion in das Tantal möglich ist, damit das Abdichtungsglas das Tantal "sieht" und daher benetzt und mit dem Tantal des Stifts rea­ giert und nicht nur mit der Metallbeschichtung auf diesem. Demgemäß sind die einzigen Metalle, die für die Zwecke der Erfindung in einem solchen Fall ausgewählt werden können, Gold, Platin, Palladium und Titan, wobei die ersten beiden am bevorzugtesten sind. Die Beschichtung darf nicht zu dick sein, um nicht zu verhindern, daß das Tantal "gesehen" wird. Erneut hat es sich gezeigt, daß Beschichtungen in der Grö­ ßenordnung von 50 bis 1000 nm zufriedenstellend sind, obwohl hier Variationen erfolgen können.

Wenn dagegen der Tantalstift vor dem Metallisieren einge­ glast wird, kann jede Beschichtung aus gut leitendem Metall verwendet werden. Beispiele für solche Metalle sind, um nur einige wenige zu nennen, Nickel, Kupfer, Molybdän, Wolfram, Hafnium, Aluminium, Indium, Iridium, Zink und die vorstehend genannten Metalle Gold, Platin, Palladium und Titan, wobei auch andere Metalle verwendet werden können, wie sie dem Fachmann für diese Verwendung bekannt sind.

Erfindungsgemäß besteht das bevorzugte Verfahren darin, zu­ nächst den Stift zu beschichten, gefolgt von Einglasen, da eine sorgfältiger ausgearbeitete Sputterhalterung erforder­ lich wäre, um die Durchführung nach dem abgedichteten An­ bringen des Stifts in ihr zu besputtern. Wenn alleine der Stift gesputtert wird, wird eine einfache, weniger kompli­ zierte Halterung verwendet, was demgemäß bevorzugt ist. Auch wenn nachträglich gesputtert wird, kann die Beschichtung weniger gut anhaften, solange nicht zunächst andere Vorbe­ reitungsmaßnahmen ergriffen werden.

Gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung wurden die drei Metalle, Gold, Platin und Palladium unter Verwendung eines Standard-HF-Sputtersystems auf Tantalstifte aufgesputtert. Durch Musterungsmessungen für den Anfangs­ kontaktwiderstand wurde gezeigt, daß alle drei Metalle ver­ gleichbar sind, und Durchführungen wurden unter Verwendung mit Gold oder Platin beschichteten Stiften hergestellt. Durchführungen mit unbeschichteten Tantalstiften hatten große Verlustfaktoren im Bereich zwischen 5% bis über 90%. Jedoch zeigten Durchführungen mit goldplattierten Tantal­ stiften einen mittleren Verlustfaktor von 7,9%. Der mitt­ lere Verlustfaktor von Durchführungen mit platinbeschichte­ ten Stiften betrug 6,89%. Diese Werte zeigen deutlich, daß sie wesentlich besser sind als solche von Durchführen mit unbeschichteten Tantalstiften. Zusätzlich liegen diese Ver­ lustfaktoren nahe bei denen von Durchführungen mit Platin­ stiften, die die herkömmlichen Anschlußmaterialien bei her­ kömmlichen Durchführungsfiltern sind. Typische Werte für Platinstifte liegen zwischen 5 und 10%.

Wie bereits angedeutet, können andere Metalle zum Beschich­ ten der Tantalstifte verwendet werden. Wenn die Stifte vor dem Einglasen beschichtet werden, sollten die Metalle in Tantal löslich sein, um die Ausbildung einer guten Dichtung zwischen dem Glas und dem Tantal zu ermöglichen. Bevorzugte Metalle für diesen Zweck sind Platin, Gold, Palladium und Titan. Wie bereits angedeutet, kann eine große Vielfalt von Metallen für die Schutzmetall-Beschichtung verwendet werden, und hinsichtlich der Löslichkeit besteht keine besondere Be­ dingung, wenn die Stifte nach dem Einglasungsschritt be­ schichtet werden.

Wie es unter Bezugnahme auf Fig. 2 erkennbar ist, ist dort eine andere Durchführung dargestellt, die die Erfindung nutzt. Diese Durchführung beinhaltet einen hartgelöteten Aufbau mit einem Tantalstift 12 mit einer Metallbeschichtung 30, der sich wie bei der Version von Fig. 1 durch eine Me­ tallmuffe 10 erstreckt. Es ist auch eine allgemein mit 16 bezeichnete Kondensatorstruktur dargestellt, die dieselbe wie die in Fig. 1 dargestellte ist. Der Stift 12 ist durch eine ringförmige Keramikisolatorscheibe 32 und Hartlot 34, das z. B. aus Gold bestehen kann, in der Muffe 10 positio­ niert und gegen diese abgedichtet. Hinsichtlich des Auftra­ gungszeitpunkts für das Hartlot gelten dieselben Überlegun­ gen wie für die Beschichtung auf dem Stift, wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in bezug auf die Glasabdichtung 14 anwendbar.

Es wurden bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, was jedoch nicht zur Beschränkung, sondern nur zur Veranschau­ lichung erfolgte. Die Erfindung ist durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.

Damit ist die Beschreibung der bevorzugten und alternativen Ausführungsbeispiele der Erfindung abgeschlossen. Der Fach­ mann kann andere äquivalente Ausführungen zu den speziellen Ausführungsformen erkennen, wie sie hier offenbart und be­ schrieben sind, wobei die äquivalenten Formen von den beige­ fügten Ansprüchen umfaßt sein sollen.

Claims (14)

1. Verfahren zum Herstellen einer Kombination aus einer elektrischen Durchführung und einer kapazitiven Struktur, bei der ein Stift dadurch gegen eine Muffe abgedichtet wird, daß der Stift in die Muffe eingeführt wird und ein isolie­ rendes Material zwischen der Muffe und dem Stift verwendet wird, das in dichtendem Kontakt mit einem ersten Teil eines Stifts und in dichtendem Kontakt mit einem ersten Teil der Muffe steht, und bei dem ein Kondensator in einem zweiten Teil des Stifts in elektrischen Kontakt mit dem Stift ge­ bracht wird, und in einem zweiten Teil der Muffe in elektri­ schen Kontakt mit der Muffe gebracht wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Stift aus Tantal verwendet wird und eine leitende Schutzmetall-Beschichtung auf mindestens den zwei­ ten Teil des Tantalstifts aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzmetall aus der aus Gold, Platin, Palladium und Titan bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzmetall-Beschichtung durch Sputtern auf den Stift aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der gesamte Stift beschichtet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nur der den Kondensator kontaktierende Teil des Stifts beschichtet wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stift dadurch abgedichtet in der Muffe angebracht wird, daß ein keramischer Körper durch Hartlöten zwischen dem Stift und der Muffe angebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Stift dadurch gegen die Muffe abge­ dichtet wird, daß Glas zwischen den Stift und die Muffe ein­ geschmolzen wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kondensator durch ein leiten­ des Epoxidharz in elektrischen Kontakt mit dem Stift und der Muffe gebracht wird.

9. Elektrische Durchführung/Kondensator-Kombination zum Minimieren elektromagnetischer Störungen in einer elektri­ schen Vorrichtung, mit einem Durchführungsstift (12) und einem Kondensator (16), der einen Teil des Stifts innerhalb einer abgedichteten Metallmuffe (10) kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift aus Tantal besteht und eine Schutzmetall-Beschichtung (30) mindestens in dem den Konden­ sator kontaktierenden Teil des Stifts vorhanden ist, die aus leitenden Metallen ausgewählt ist, die den Tantalstift vor Oxidation schützen, wenn er hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

10. Durchführung/Kondensator nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallbeschichtung (30) eine gesput­ terte Beschichtung ist.

11. Durchführung/Kondensator nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung von einem Isolierkörper (14) aus Glas gebildet wird.

12. Durchführung/Kondensator nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der Beschichtung aus der aus Gold, Platin, Palladium und Titan bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

13. Durchführung/Kondensator nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung von einem hartgelöteten Keramikisolator (32) gebildet wird.

14. Durchführung/Kondensator nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt zwi­ schen dem Stift (12) und dem Kondensator (16) durch leiten­ des Epoxidharz gebildet wird.