DE60100794T2

DE60100794T2 - Hermetische erdungsstiftanordnung

Info

Publication number: DE60100794T2
Application number: DE60100794T
Authority: DE
Inventors: Shawki Ibrahim
Original assignee: CTS Corp
Current assignee: CTS Corp
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: EP1251909B1; US6415182B1; EP1251909A1; WO2001054768A1; DE60100794D1

Description

1. Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine hermetische Erdungsstiftanordnung zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem hermetisch abgedichteten Gehäuse und einer äußeren elektrischen Komponente.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Es sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, die zum Leiten eines elektrischen Signals dienen. Eine Art von Anwendung für eine Signalleitung, die sehr hohe Anforderungen stellt, liegt im Bereich der implantierbaren elektronischen medizinischen Geräte, wie z.B. Schrittmacher, Herzpumpen und implantierbaren Defibrillatoren. Diese elektronischen Einheiten müssen die höchste Zuverlässigkeit und Korrosionsfestigkeit aufweisen, da jeder Ausfall potentiell tödliche Folgen haben kann. Die elektronischen Komponenten sind hermetisch in einem Gehäuse versiegelt, das typischerweise aus Titan hergestellt ist. Das Gehäuse muss geerdet werden, um die im Inneren befindliche Schaltung gegen elektromagnetische Störungen und elektrostatische Entladung zu schützen. Gleichzeitig muss die Schaltung innerhalb des Gehäuses vom Gehäuse elektrisch isoliert und dabei mit äußeren Komponenten wie z.B. einer Batterie oder Signalstiften verbindbar sein.
Um zuverlässige Verbindungen sicherzustellen, werden mit Gold plattierte Stifte und/oder Anschlüsse verwendet. Die Plattierung oder galvanische Beschichtung erfolgt nachdem alle Hochtemperatur-Berarbeitungsschritte durchgeführt worden sind. Würde man die Beschichtung hohen Temperaturen aussetzen, so würde dies die Integrität der Beschichtung zerstören. Unglücklicherweise kann, abgesehen von den hohen Kosten der Goldplattierung, das Gehäuse aufgrund von physiologischen Kompatibilitätsproblemen bei der Berührung mit menschlichem Gewebe nicht elektroplattiert werden. Daher kann das Gehäuse nicht direkt mit den elektrischen Anschlüssen für eine Elektroplattierung verbunden werden. Bei dem Stand der Technik entsprechenden Konstruktionen wurde ein Keramikeinsatz verwendet, um die Stifte von dem Gehäuse für die Elektroplattierung zu isolieren. Es mussten dann andere Methoden wie z.B. Spezialglas-Metall-Dichtungen um einen Draht herum verwendet werden, um eine Erdungsverbindung zu schaffen, nachdem der Rest der Baueinheit fertiggestellt worden war. Es besteht ein zur Zeit nicht befriedigter Bedarf für eine zuverlässige, geringe Kosten verursachende, einfache und robuste hermetische Erdungsstiftanordnung zur Herstellung einer elektrischen Verbin dung zwischen einem hermetisch abgedichteten Gehäuse und einer äußeren Komponente, die es ermöglicht, dass andere Anschlüsse elektroplattiert werden und dass das Elektronikgehäuse mit menschlichem Gewebe physiologisch kompatibel ist.
3. Stand der Technik
Beispiele von Patentschriften, die mit der vorliegenden Erfindung in Beziehung stehen sind die US-Patentschrift Nr. 5,871,513, die einen nicht zentrierten Erdungs-Durchführungsstift für eine elektrische Energiequelle in einem implantierbaren medizinischen Gerät zeigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Merkmal der Erfindung, eine hermetische Erdungsstiftanordnung für die Erzeugung einer elektrischen Verbindung zwischen einem hermetisch abgedichteten Gehäuse und einer äußeren elektrischen Komponente zu schaffen.
Ein zusätzliches Merkmal der Erfindung ist es, eine hermetische Erdungsstiftanordnung zur Herstellung eines elektrischen Pfades zu schaffen, die ein Gehäuse oder ein Gehäuse umfasst, das eine durchgehende Öffnung sowie einen in der Öffnung angeordneten Stopfen umfasst. Eine bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung ist zwischen dem Stopfen und dem Gehäuse angeordnet, um den Stopfen in der Öffnung zu befestigen. Einer oder mehrere Stifte sind am Stopfen befestigt. Eine bei hoher Temperatur schmelzende Hartlotlegierung ist zwischen dem Stopfen und dem äußeren Stift angeordnet, um den Stift am Stopfen zu befestigen.
Die Erfindung besteht nicht aus einem dieser Merkmale als solchem, sondern vielmehr in der speziellen Kombination aller hier offenbarten und beanspruchten Merkmale, und sie unterscheidet sich vom Stand der Technik durch diese spezielle Kombination aller ihrer für die spezifizierten Funktionen dienenden Strukturen. Andere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch genauer aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung und den Patentansprüchen oder können durch die praktische Ausführung der Erfindung erkannt werden. Es wurden hier ziemlich weitreichend die wichtigeren Merkmale der Erfindung dargelegt, damit ihre folgende, detaillierte Beschreibung besser verstanden werden kann, und um den durch die Erfindung geleisteten Beitrag zum Stand der Technik deutlicher herauszustellen. Es gibt selbstverständlich zusätzliche Merkmale der Erfindung, die im Folgenden beschrieben werden und die den Gegenstand der beigefügten Ansprüche bilden. Der Fachmann sieht, dass das Konzept, auf dem diese Offenbarung beruht, ohne Weiteres als Basis für die Konstruktion anderer Strukturen, Verfahren und Systeme verwendet werden kann, um die mehreren Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
In der Zeichnung zeigen:
1 eine Seiten-Schnittansicht der bevorzugten Ausführungsform einer hermetischen Erdungsstiftanordnung, und
2 eine Seiten-Schnittansicht einer anderen Ausführungsform einer hermetischen Erdungsstiftanordnung.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Zeichnung der Erfindung nicht maßstabsgetreu ist. Die Zeichnung umfasst lediglich schematische Darstellungen, die nicht dazu dienen sollen, spezielle Parameter der Endung wiederzugeben. Die Zeichnung dient lediglich dazu, typische Ausführungsformen der Erfindung herauszugreifen und sollte daher nicht als für den Schutzumfang der Erfindung begrenzend angesehen werden. Die Erfindung wird noch genauer und im Einzelnen unter Verwendung der beigefügten Zeichnung erläutert. In der Zeichnung stellen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren gleiche Elemente dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist eine hermetische Erdungsstiftanordnung 10 dargestellt. Die Anordnung 10 besitzt ein Titangehäuse 12 zur Aufnahme von elektronischen Schaltkreisen (nicht dargestellt). Das Gehäuse 12 besitzt einen Innenraum 11. Das Gehäuse besitzt eine innere Oberfläche 13 und eine äußere Oberfläche 14. Eine Öffnung 15 erstreckt sich durch das Gehäuse 12 hindurch. Ein ringförmiger Titanstopfen 16 ist in der Öffnung 15 angeordnet und besitzt zwei einander gegenüberliegende Bohrungen, nämlich eine innere Bohrung 18 und eine äußere Bohrung 17. Die äußere Bohrung 17 weist eine Erweiterung 19 auf, während die innere Bohrung 18 eine Erweiterung 20 besitzt. Ein zylindrischer innerer Stift 25 und ein zylindrischer äußerer Stift 24 sind in den Bohrungen 17 bzw. 18 angeordnet und befestigt. Der äußere Stift 24 wird durch eine bei hoher Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 27 gehalten. Der innere Stift 25 wird durch eine bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 28 gehalten. Der äußere Stift ist aus einer Legierung von 90% Platin und 10% Iridium hergestellt. Der innere Stift ist zu 100% aus Nickel hergestellt, so dass er durch einen Draht gebonded werden kann. Der Stift 25 besitzt einen Kopf 26. Ein Draht 30 ist durch einen Drahtbond 29 am Kopf 26 befestigt. Der Draht 30 ist ein durch Ultraschall bondbarer Draht wie z.B. aus Aluminium oder Gold. Die bei hoher Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 27 befindet sich in der Erweiterung 19 zwischen dem Stift 24 und der Bohrung 17. Die bei hoher Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 27 besteht aus einer Legierung, die deren Zusammensetzung in einem Bereich von 10 bis 30 Gew.-% Nickel und 70 bis 90 Gew.-% Gold liegt. Der Stopfen 16 hat eine ringförmige Rille 21, die sich in Umfangsrichtung erstreckt, und eine ringförmige Stufe 22 an seinem einen Ende. Der Stopfen 16 ist in der Öffnung 15 angeordnet und dort durch eine bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 28 befestigt. Die bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 28 befindet sich zwischen dem Gehäuse 12 und dem Stopfen 16. Der Stift 25 ist in der Bohrung 18 angeordnet und dort durch eine bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 28 befestigt. Die bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 28 besteht aus einer Legierung, deren Zusammensetzung in einem Bereich von 20 bis 40 Gew.-% Kupfer und 60 bis 80 Gew.-% Silber liegt. Andere Stifte (nicht dargestellt) werden in der Einheit verwendet, die vom Gehäuse 12 durch einen Keramikeinsatz (nicht dargestellt) isoliert sind. Diese Stifte sind Signalstifte, die mit Gold elektroplattiert sein müssen.
Die hermetische Erdungsstiftanordnung 10 kann auf folgende Weise zusammengebaut werden: Zunächst wird der äußere Stift 24 in den Stopfen eingesetzt und die bei hoher Temperatur schmelzende Hartlotlegierung wird als vorgeformtes Element oder auf andere Weise in der Nähe der Erweiterung 19 plaziert. Der Stopfen und der Stift werden in einer Halterung angeordnet und dann in einen Vakuumofen bei einer Temperatur zwischen 920°C und 970°C eingeführt, so dass das bei hoher Temperatur schmelzende Hartlot schmilzt. Der Stift und der Stopfen werden dann auf Zimmer- oder Umgebungstemperatur abgekühlt. Das bei hoher Temperatur schmelzende Lot verfestigt sich und der Stift 24 ist in der Bohrung 17 befestigt. Als nächstes wird der Stift 25 in die Bohrung 18 eingesetzt und der Stopfen 16 wird in die Öffnung 15 eingesetzt. Eine bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung wird als vorgeformtes Element in die Öffnung zwischen dem Gehäuse und dem Stopfen und um den Stift 25 herum in der Nähe der Erweiterung 20 angeordnet. Die bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung besitzt eine Zusammensetzung im Bereich von 20 bis 40 Gew.-% Kupfer und 60 bis 80 Gew.-% Silber. Das Gehäuse und der Stopfen, weitere Signalstifte und aus Keramik bestehende Abstandshalter werden dann in eine Halterung eingebracht und in einem Vakuumofen auf eine Temperatur zwischen 760°C und 800°C erhitzt, so dass das bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlot schmilzt. Die Anordnung 10 wird dann abgekühlt. Das bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlot verfestigt sich und der Stopfen 16 und die Stifte werden in der Öffnung befestigt. Als nächstes werden alle Stifte der Baueinheit mit Ausnahme des Endungsstiftes mit elektrolytischem Nickel und dann mit einer Goldplattierung elektroplattiert. Bei der Baueinheit werden dann die elektronischen Schaltungen in das Gehäuse 12 für eine Verbindung mit dem Endungsstift unter Verwendung eines Drahtbondes 29 eingebracht.
In 2 ist eine andere Ausführungsform einer hermetischen Erdungsstiftanordnung 50 dargestellt. Die Anordnung 50 besitzt ein Titangehäuse 12 zur Aufnahme von elektronischen Schaltkreisen (nicht dargestellt). Das Gehäuse 12 besitzt einen Innenraum 11. Das Gehäuse 12 besitzt eine innere Oberfläche 13 und eine äußere Oberfläche 14. Eine innere Bohrung 52 und eine äußere Bohrung 53 befinden sich auf der inneren Oberfläche 13 bzw. der äußeren Oberfläche 14. Die äußere Bohrung 53 besitzt eine Erweiterung 55 und die innere Bohrung 52 besitzt eine Erweiterung 56. Ein zylindrischer innerer Stift 25 und ein zylindrischer äußerer Stift 24 sind in den Bohrungen 52 bzw. 53 angeordnet und befestigt. Der äußere Stift 24 wird durch eine bei hoher Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 27 gehalten. Der innere Stift 25 wird durch eine bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 28 gehalten. Der äußere Stift besteht aus einer Legierung aus 90% Platin und 10% Iridium. Der innere Stift besteht zu 100% aus Nickel, so dass er durch einen Drahtbond kontaktiert werden kann. Der Stift 25 besitzt einen Kopf 26. Ein Draht 30 ist am Kopf 26 durch einen Drahtbond 29 befestigt. Der Draht 30 ist ein mit Ultraschall bondbarer Draht aus Aluminium oder Gold. Die bei hoher Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 27 befindet sich in der Erweiterung 55 zwischen dem Stift 24 und der Bohrung 53. Die bei hoher Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 27 besteht aus einer Legierung, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung in einem Bereich von 10 bis 30 Gew.-% Nickel und 70 bis 90 Gew.-% Gold liegt. Der Stift 25 ist in der Bohrung 52 angeordnet und dort durch eine bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 28 befestigt. Die bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung 28 besteht aus einer Legierung, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung in einem Bereich von 20 bis 40 Gew.-% Kupfer und 60 bis 80 Gew.-% Silber liegt. Andere Stifte (nicht dargestellt) werden in der Baueinheit verwendet, die vom Gehäuse 12 durch einen Keramikeinsatz (nicht dargestellt) isoliert sind. Diese Stifte sind Signalstifte, die mit Gold elektroplattiert werden müssen. Die hermetische Erdungsstiftanordnung 50 wird ähnlich wie die Anordnung 10 so zusammengebaut, dass das bei hoher Temperatur schmelzende Hartlot zunächst um den äußeren Stift 24 herum geschmolzen wird und dass dann die bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung um den inneren Stift 25 herum geschmolzen wird.
BEMERKUNGEN HINSICHTLICH DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Erdungsstiftanordnung 10 aus 1 ermöglicht eine elektronische Baugruppe mit den folgenden Merkmalen: Ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse, einen drahtbondbaren Stift auf der Innenseite des Gehäuses, der nicht elektroplattiert ist, einen lötbaren Stift auf der Außenseite des Gehäuses, ein Titangehäuse, das keine Elektroplattierung aufweist, und Signalanschlüsse oder -stifte, die am Gehäuse befestigt und mit Gold elektroplattiert sind.
ABWANDLUNGEN DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Obwohl die dargestellte Ausführungsform die Verwendung eines Stiftes aus einer Platin/Iridium-Legierung zeigt, können gewünschtenfalls andere Arten von Legierungen wie z.B. Legierungen aus Palladium, Gold, Silber, Rodium verwendet werden.
Die dargestellte Erdungsstiftanordnung verwendet eine bei niedriger Temperatur schmelzende Hartlotlegierung und eine bei hoher Temperatur schmelzende Hartlotlegierung mit spezieller Zusammensetzung.
Zwar wurde die Erfindung unter spezieller Bezugnahme auf diese Ausführungsformen beschrieben, doch erkennt der Fachmann, dass Änderungen in Bezug auf die Form und auf Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in jeglicher Hinsicht nur als nicht einschränkende Erläuterungen zu verstehen.

Claims

Hermetische Erdungsstiftanordnung (10) zur Herstellung eines elektrischen Pfades, die folgende Bestandteile umfaßt: a) ein elektrisch leitendes Gehäuse (12), das eine hindurchgehende Öffnung (15) aufweist, b) einen elektrisch leitenden Stopfen (16), der in der Öffnung angeordnet ist, c) eine bei niedrigerer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung (28), die zwischen dem Stopfen (16) und dem Gehäuses (12) angeordnet ist, um den Stopfen (16) in der Öffnung (15) zu befestigen, d) wenigstens einen Stift (24), der am Stopfen befestigt ist, und e) eine bei höherer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung (27), die zwischen dem Stopfen (16) und dem Stift (24) angeordnet ist, um den Stift (24) am Stopfen (16) zu befestigen.
Hermetische Erdungsstiftanordnung nach Anspruch 1, bei der der Stopfen zwei einander gegenüberliegende Bohrungen (17, 18) aufweist, in denen sich die Stifte (24, 25) befinden.
Hermetische Erdungsstiftanordnung nach Anspruch 2, bei der die bei niedrigerer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung (28) eine Kupferkonzentration von 20 bis 40 Gewichtsprozent und eine Silberkonzentration von 60-80 Gewichtsprozent aufweist.
Hermetische Erdungsstiftanordnung nach Anspruch 2, bei der die bei höherer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung (27) eine Nickelkonzentration von 10-30 Gewichtsprozent und eine Goldkonzentration von 70-90 Gewichtsprozent aufweist.
Hermetische Erdungsstiftanordnung nach Anspruch 3, bei der der Stift (24) eine Legierung aus Platin und Iridium ist.
Hermetische Erdungsstiftanordnung nach Anspruch 1 für eine implantierbare medizinische Vorrichtung, wobei der Stopfen (16) erste und zweite einander gegenüberliegende Bohrungen (17, 18) aufweist, der Stopfen in der Öffnung durch Löten mit einer bei niedrigerer Temperatur schmelzenden Hartlotlegierung befestigt ist, die Einheit einen ersten Stift (24) aufweist, der in der ersten Bohrung (17) durch Löten mit einer bei höherer Temperatur schmelzenden Hartlotlegierung (27) befestigt ist, und ein zweiter Stift (25) in der zweiten Boh rung (18) durch Löten mit der bei niedrigerer Temperatur schmelzenden Hartlotlegierung (28) befestigt ist.
Hermetische Erdungsstiftanordnung nach Anspruch 6, bei der die bei niedrigerer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung (28) eine Kupferkonzentration von 20-40 Gewichtsprozent und eine Silberkonzentration von 60-80 Gewichtsprozent aufweist.
Hermetische Erdungsstiftanordnung nach Anspruch 7, bei der die bei höherer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung (27) eine Nickelkonzentration von 10 -30 Gewichtsprozent und eine Goldkonzentration von 70-90 Gewichtsprozent aufweist.
Hermetische Erdungsstiftanordnung nach Anspruch 8, bei der der erste Stift (24) aus einer Legierung von Platin und Iridium besteht.
Hermetische Erdungsstiftanordnung nach Anspruch 9, bei der die bei niedrigerer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung (28) zwischen 760°C und 800° C schmilzt.
Hermetische Erdungsstiftanordnung nach Anspruch 10 bei der die bei höherer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung (27) zwischen 920°C und 970°C schmilzt.
Verfahren zur Herstellung einer hermetischen Erdungsstiftanordnung, das folgende Schritte umfaßt: a) Bereitstellen eines elektrisch leitenden Gehäuses (12), das eine hindurchgehende Öffnung (15) aufweist, sowie eines elektrisch leitenden Stopfens (16), der erste und zweite einander gegenüberliegende Bohrungen (17, 18) besitzt, b) Einsetzen eines ersten Stifts (24) in die erste Bohrung (17), c) Aufbringen einer bei höherer Temperatur schmelzenden Hartlotlegierung (27) in der Nähe des ersten Stifts, wobei die bei höherer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung eine Nickelkonzentration von 10-30 Gewichtsprozent und eine Goldkonzentration von 70-90 Gewichtsprozent aufweist, d) Erhitzen des ersten Stifts (24), des Stopfens (16) und der bei höherer Temperatur schmelzenden Hartlotlegierung (27) auf eine Temperatur zwischen 920°C und 970°C, so dass die bei höherer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung schmilzt, e) Abkühlen des ersten Stifts (24), des Stopfens (16) und der bei höherer Temperatur schmelzenden Hartlotlegierung (27) auf Umgebungstemperatur, so dass sich die bei höherer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung verfestigt und der erste Stift (24) in der ersten Bohrung (17) befestigt ist, f) Einführen eines zweiten Stifts (25) in die zweite Bohrung (18), g) Einführen des Stopfens (16) in die Öffnung (15), h) Anbringen einer bei niedrigerer Temperatur schmelzenden Hartlotlegierung (28) in der Nähe des Stopfens und des zweiten Stifts, wobei die bei niedrigerer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung eine Kupferkonzentration von 20-40 Gewichtsprozent und eine Silberkonzentration von 60-80 Gewichtsprozent aufweist, i) Erhitzen des Gehäuses, des Stifts, des Stopfens und der bei niedrigerer Temperatur schmelzenden Hartlotlegierung auf eine Temperatur zwischen 760°C und 800°C derart, dass die bei niedrigerer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung schmilzt, und j) Abkühlen der Stifte, des Stopfens des Gehäuses und der bei niedrigerer Temperatur schmelzenden Hartlotlegierung auf Umgebungstemperatur, so dass sich die bei niedrigerer Temperatur schmelzende Hartlotlegierung verfestigt und der Stopfen und die Stifte in der Öffnung befestigt sind.
Verfahren zur Herstellung einer hermetischen Erdungsstiftanordnung nach Anspruch 12, bei der der erste Stift (24) aus einer Legierung von Platin und Iridium besteht.