NL1030295C2

NL1030295C2 - Hermetisch afgesloten behuizing met elektrische doorvoer.

Info

Publication number: NL1030295C2
Application number: NL1030295A
Authority: NL
Inventors: Hendrik Gezinus Tappel; Cornelis Sander Kooijman
Original assignee: Fei Co
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-03
Also published as: WO2007053442A3; WO2007053442A2; JP2009514232A; EP1949778A2; CN101313641A; US20090200489A1; US8354587B2; CN101313641B

Description

l

Hermetisch afgesloten behuizing met elektrische doorvoer.

[0001] De uitvinding betreft een hermetisch afgesloten behuizing uitgevoerd met een elektrische doorvoeropening, welke behuizing is voorzien van een ten opzichte van de 5 behuizing geïsoleerd doorvoerelement, wek doorvoerelement een printplaat omvat die ten minste één elektrische geleider omvat, welk doorvoerelement hermetisch op de doorvoeropening afdicht.

[0002] Zo’n behuizing is bekend uit US octrooischrift No. 6,305,975.

10 [0003] Zo’n behuizing wordt gebruikt in bijvoorbeeld analyse apparatuur waarbij het apparaat een door de behuizing omgeven vacuümruimte heeft, en waarbij elektrische verbindingen door de wand van de behuizing moeten worden gevoerd.

[0004] Het genoemde US octrooischrift beschrijft een elektrische doorvoer die in de wand van een behuizing, het vacuümvat, gemonteerd is. De elektrische doorvoer 15 bestaat uit een elektrisch isolerend lichaam, bijvoorbeeld gemaakt van gegoten epoxy. Het isolerende lichaam heeft de vorm van twee tegen elkaar liggende cilinderdelen, waarbij de twee cilinderassen samenvallen en waarbij de diameter van de ene cilinder verschilt van de andere cilinder. De overgang van de ene cilinderdiameter naar de andere cilinderdiameter kan een abrupte overgang zijn, maar kan ook een geleidelijke 20 overgang zijn. In de wand van de behuizing is een overeenkomstig gat gemaakt met iets grotere diameters, welk gat daarmee een verbinding tussen het inwendige, geëvacueerde deel van de behuizing en het uitwendige vormt.

Een O-ring omringt het isolerende lichaam op de plaats waar de diameter verandert, waarbij de buitendiameter van de O-ring kleiner is dan de grootste diameter van het 25 isolerende lichaam.

Door nu het isolerende lichaam met de O-ring in het gat te steken, zal de O-ring tussen het isolerende lichaam en de wand geklemd worden en de gewenste vacuümafdichting verzorgen.

De elektrische verbindingen bestaan uit geleidersporen die deel uitmaken van een 30 printplaat. Deze printplaat, die in genoemd octrooischrift is uitgevoerd als een flexibele printplaat, is ingegoten in het epoxy van het isolerende lichaam en steekt uit ten opzichte van het uiteinde dat zich aan de vacuümzijde van de doorvoer bevindt. Aan de andere zijde van de doorvoer eindigen de geleiders op een connectorsamenstelling, welke connectorsamenstelling een connector bevat.

1031295 2

[0005] Nadeel van de bekende doorvoer is dat het maken van de doorvoer een relatief moeilijk proces is. Er moet tijdens het gieten van het isolerende lichaam gezorgd worden dat het epoxy niet aan de mal hecht. Het epoxy moet lange tijd harden, waarbij krimp kan ontstaan. Ook moet ervoor gezorgd worden dat er geen luchtbellen in het epoxy 5 aanwezig zijn die via minuscule kanalen kunnen leeglopen in het vacuüm. De bekende doorvoer leent zich daarom niet voor massaproductie.

[0006] De uitvinding beoogt een eenvoudigere hermetisch afgesloten behuizing met een elektrische doorvoer te verschaffen.

10

[0007] Daartoe kenmerkt de behuizing volgens de uitvinding zich doordat • het doorvoerelement bestaat uit een standaard printplaat en • de afdichting tussen printplaat en behuizing plaats vindt op een vlakke zijde van de print.

15

[0008] De uitvinding is gebaseerd op het inzicht dat de vlakke onder- en bovenzijde van een printplaat glad genoeg zijn om een hermetisch dichte afdichting op te realiseren. Tevens is de printplaat lekdicht, zodat geen lek via de printplaat optreedt. Echter, de zijkant van een printplaat vormt in het algemeen een onregelmatig oppervlak met 20 scherpe hoeken en uitstekende delen. Immers: printplaten zijn bijvoorbeeld gemaakt van in kunststof ingebedde glasvezelweefsels en bij het op maat zagen van de printplaat uit een grotere plaat komen glasvezels aan het oppervlak van de zijkant. Hierdoor ontstaat een ruw oppervlak waarop alleen met bijvoorbeeld ingiettechnieken (met bijvoorbeeld epoxy) een goede afdichting gemaakt worden. Door nu te voorkomen dat afdichting op 25 de zijkant van de printplaat plaats vindt, zal een hermetische afdichting het gevolg zijn. Dit wordt bereikt door de behuizing slechts op de vlakke onder- en/of bovenzijde van de printplaat te laten afdichten.

[0009] Voordeel van een hermetisch afgesloten behuizing waarbij de doorvoer de vorm heeft van een standaard printplaat is de eenvoudige vorm, die zich leent voor 30 massaproductie.

[0010] Bijkomend voordeel is dat zo’n standaard printplaat eenvoudig te verkrijgen is bij tal van leveranciers, en dat de prijzen zeer laag zijn ten opzichte van de prijzen van speciale hermetisch dichte doorvoeren.

1030295 3

[0011] Een ander bijkomend voordeel is dat het mogelijk is bijvoorbeeld elektronische componenten en schakelingen op de printplaat te monteren, waardoor een verdere integratie van onderdelen plaats kan vinden. Dit leidt in het algemeen tot een compacter en goedkoper product.

5 [0012] Opgemerkt zij dat de printplaat met behulp van een hulplichaam aan de zijde van de printplaat die niet aan het behuizingsdeel raakt tegen het behuizingsdeel kan worden geklemd.

[0013] Opgemerkt zij ook dat de omhulling volgens de uitvinding zeer aantrekkelijk is voor gebruik in bijvoorbeeld explosiegevaarlijke ruimtes, zoals graansilo’s of ruimtes in 10 de chemische industrie, waar mogen geen vonken of andere ontstekingsbronnen ontstaan. Door nu bijvoorbeeld schakelaars of relais in de hermetisch gesloten ruimte te plaatsen, zodanig dat een door deze schakelaars of relais veroorzaakte vonken geen explosiegevaar oplevert, wordt een explosie voorkomen. Deze schakelaars of relais kunnen, samen met andere onderdelen, eenvoudig op de printplaat gesoldeerd worden, 15 resulterend in een compact en eenvoudig product.

[0014] In een verdere uitvoering van de behuizing volgens de uitvinding loopt tenminste een deel van de elektrische geleider evenwijdig aan de vlakke zijden van de printplaat.

[0015] Een printplaat is vaak voorzien van zogeheten ‘through-holes’, dat zijn gaten 20 door de printplaat heen. Deze through-holes’ kunnen met behulp van soldeer gevuld worden, maar in verband met uitval en in verband met de betrouwbaarheid geniet het de voorkeur om geen through-holes’ tussen de hermetisch afgesloten ruimte en de omgeving te hebben. Om nu toch een elektrische verbinding tussen de hermetisch afgesloten ruimte en de omgeving te krijgen, loopt een deel van de elektrische geleider 25 evenwijdig aan de vlakke zijden van de printplaat.

[0016] In een andere uitvoering van de behuizing volgens de uitvinding vertoont de printplaat daar waar deze de behuizing raakt een ononderbroken metallisatielaag.

[0017] Door de afdichting te laten plaatsvinden op een ononderbroken metallisatielaag 30 (bijvoorbeeld verguld koper) zal in het algemeen een afdichting op een oppervlak met zeer kleine oppervlakteoneffenheden worden verkregen. Dit leidt tot een zeer goede afdichting. Zelfs wanneer zich tussen de ononderbroken metallisatielaag en het behuizingsdeel nog een op de printplaat aanwezige laklaag bevindt, zijn de _1 0 5 0 2 9 5 ——^““ ---- 4 oppervlakteoneffenheden kleiner dan wanneer de ononderbroken metallisatielaag niet aanwezig is.

[0018] In nog een uitvoering van de behuizing volgens de uitvinding dicht de printplaat j 5 op de behuizing af met behulp van elastomeren.

[0019] Het gebruik van elastomeren zoals rubber O-ringen is in de vacuümtechniek een op zichzelf bekende techniek. Door deze O-ringen in te vetten is ook het effect van inlek via kleine krasjes in de vlakken waarop de O-ring afdicht op te vangen. Bijkomend voordeel van het gebruik van elastomeren is dat deze goed in staat zijn om 10 veranderingen van bijvoorbeeld de aandrukkracht op te vangen, zoals veroorzaakt kan worden door uitzettingsverschillen tussen bijvoorbeeld printplaat en metalen.

[0020] In weer een uitvoering van de behuizing volgens de uitvinding is de afdichting een losneembare afdichting.

15 [0021] Een losneembare afdichting biedt voordelen wanneer bijvoorbeeld reparatie of onderhoud verricht moet worden aan onderdelen die zich in de hermetisch afgesloten ruimte bevinden. Zoals de vakman bekend kan zo’n losneembare afdichting gerealiseerd worden door bijvoorbeeld gebruik te maken van O-ringen.

20 [0022] In een andere uitvoering van de behuizing volgens de uitvinding is de printplaat met elastische kit aan de behuizing gekit.

[0023] In die gevallen waarin de afdichting niet losneembaar hoeft te zijn, kan een kit, zoals siliconenkit, gebruikt worden om de printplaat aan de behuizing te kitten.

25 [0024] In nog weer een uitvoering van de behuizing volgens de uitvinding is de afdichting van de printplaat op de behuizing een metaal op metaal afdichting.

[0025] Zoals de vakman op het gebied van vacuümafdichtingen bekend, staan metaal op metaal afdichtingen, zoals staal op koper of ijzer op goud afdichtingen, bekend om hun lekdichtheid.

30

[0026] In weer een nog andere uitvoering van de behuizing volgens de uitvinding is de afdichting van de printplaat op de behuizing metaal op kunststof.

1030295_ 5

[0027] Het voordeel van een metaal op kunststof afdichting is dat het metaal de kunststof kan vervormen, zodanig dat oneffenheden (zowel welvingen als krassen) op de afdichtvlakken geen nadelige effecten hebben op de inlek.

[0028] Opgemerkt zij dat de kunststof zowel het materiaal van de behuizing kan zijn als 5 het materiaal van de printplaat.

[0029] In weer een nog andere uitvoering van de behuizing is de omsloten ruimte een stofarme ruimte.

[0030] Een belangrijke industriële toepassing is die, waarbij elektrische geleiders door 10 de wand van een hermetisch afgesloten stofarme ruimte moeten worden gevoerd.

Hierbij is bijvoorbeeld te denken aan hard disk drives (HDD), waar de elektrische signalen voor de lees- en/of schrijfkoppen en de elektrische signalen voor de motoren moeten worden doorgevoerd.

15 [0031] In een andere uitvoering van de behuizing volgens de uitvinding is de omsloten ruimte een ruimte met verlaagde druk.

[0032] Vacuümruimtes, of althans ruimtes met een sterk verlaagde druk, worden bijvoorbeeld toegepast in apparaten waarin geladen deeltjes worden gebruikt. Hierbij is te denken aan de analyse apparatuur zoals beschreven in het bekende octrooischrift, 20 maar ook aan bijvoorbeeld elektronenmicroscopen, waarbij een preparaat met een elektronenbundel wordt bestraald, of zogeheten Focused Ion Beam machines, waarbij een preparaat met een gefocusseerde ionenbundel wordt bestraald.

[0033] In een weer andere uitvoering van de behuizing volgens de uitvinding bestaat de 25 behuizing uit twee delen waartussen de printplaat is geklemd.

[0034] In deze uitvoering zijn er twee afdichtingen op de printplaat, een van het 1st® deel van de behuizing aan een 1®*® zijde van de printplaat, en de 2de afdichting van het 2de deel van de behuizing op de andere zijde van de printplaat. Deze uitvoering is vooral voordelig om bijvoorbeeld radiaal vele elektrische geleiders toe te voeren in bijvoorbeeld 30 een cilindervormige vacuümkolom, zoals de kolom van een deeltjes-optisch apparaat.

[0035] In een verdere uitvoering van de behuizing volgens de uitvinding vertoont de printplaat een gat zodanig dat de omsloten ruimte één aaneengesloten ruimte is.

1030295 6

[0036] Door het gat in de printplaat worden de delen van de hermetisch afgesloten ruimte met elkaar verbonden, zodat één aaneengesloten hermetisch afgesloten ruimte ontstaat.

5 [0037] In een nog weer andere uitvoering van de behuizing volgens de uitvinding is de printplaat een flexibele printplaat.

[0038] Door een flexibele printplaat te gebruiken ontstaat de mogelijkheid om een afdichting te krijgen welke niet in één vlak ligt. Ook biedt dit voordelen wanneer het gewenst is om (delen van) de printplaat binnen of buiten de hermetisch afgesloten 10 ruimte uit het vlak van de afdichting te buigen

[0039] De uitvinding wordt nu beschreven aan de hand van figuren, waarbij gelijke verwijzingscijfers overeenkomstige elementen aanduiden. Daarbij toont: figuur 1 schematisch een hermetisch afgesloten ruimte volgens de uitvinding, 15 figuur 2 schematisch een hermetisch afgesloten ruimte volgens de uitvinding, waarbij de printplaat deels omgeven is door de hermetisch afgesloten ruimte.

[0040] Figuur 1 toont schematisch een hermetisch afgesloten ruimte volgens de uitvinding.

20 [0041] Een printplaat 120 dicht langs een contour af op een behuizing 100 met behulp van een O-ring 106. Hierdoor ontstaat een hermetisch afgesloten ruimte 102. Om de printplaat 120 aan te drukken op de O-ring 106 is een aandrukring 104 op de behuizing 100 geschroefd met schroef 108 en veerring 110, waarbij de printplaat 120 tussen deze aandrukring 104 en de behuizing 100 is geklemd.

25 Printplaat 120 bestaat uit een kunststof 122, waarin elektrisch geleidende vlakken (124, 126,128) en sporen (130,132,134 en 136) zijn aangebracht, evenals verbindingen (ook wel via's genoemd) tussen het elektrisch geleidende spoor 130 en de sporen 132,134 en 136, en een gemetalliseerde doorboring 138.

[0042] Door middel van het spoor 130 zijn de sporen 132,134 en 136 met elkaar 30 verbonden. Hierdoor is er een elektrische verbinding tussen de sporen 132, welke in de hermetisch afgesloten ruimte ligt, en de sporen 134 en 136, welke buiten de hermetisch afgesloten ruimte liggen. Op deze sporen kunnen bijvoorbeeld (niet getoonde) SMD | componenten (Surface Mounted Devices) worden gesoldeerd, zoals weerstanden, ' relais, IC’s, etc. Omdat zulke SMD componenten geen ‘through-hole’ nodig hebben, zal 103029¾ 7 het gebruik van zulke componenten geen aanleiding geven tot inlek op die plaatsen waar ze op de printplaat zijn gesoldeerd. In de gemetalliseerde doorboring 138 kan een draad, een connector of een zogeheten ‘through-hole’ component worden gesoldeerd. Omdat deze ‘through-hole’ echter geen verbinding tussen de hermetisch afgesloten 5 ruimte en de omgeving is, zal deze ook geen aanleiding tot inlek geven.

[0043] Voor een optimale afdichting van de O-ring 106 op de printplaat 120 is er onder de contour waar de O-ring 106 de printplaat 120 raakt een metallisatievlak 124 opgenomen. Dit metallisatievlak 134 vermindert oppervlaktewelvingen. Bovendien is op dezelfde hoogte in de printplaat als waar de elektrische geleider 130 zich bevindt een 10 extra vlak 126 aangebracht. Doel van dit, elektrisch overbodige, vlak 126 is om de dikte van de printplaat 120 langs de gehele contour zoveel mogelijk constant te houden, wat tot een betere afdichting leidt.

[0044] Opgemerkt zij dat de metallisatielaag 124 aan de oppervlakte van de printplaat kan liggen, maar dat deze zich ook onder een laklaag kan bevinden.

15 [0045] Ook zij opgemerkt dat het niet noodzakelijk is dat de elektrische geleider oversteekt over de contour. Immers: ook spoor 130, welke zich binnen de hermetisch afgesloten ruimte bevindt, en het daarbuiten gelegen spoor 134 zijn door middel van elektrische geleiders met elkaar verbonden.

20 [0046] Figuur 2 toont schematisch een hermetisch afgesloten ruimte volgens de uitvinding, waarbij de printplaat deels omgeven is door de hermetisch afgesloten ruimte.

[0047] Figuur 2 kan gedacht ontstaan te zijn uit figuur 1. Aan de zijde van de printplaat die in figuur 1 niet aan de hermetisch afgesloten ruimte grenst is een 200 behuizingsdeel 101 gemonteerd, welk tweede behuizingsdeel 101 zelf ook weer afdicht volgens een 25 tweede contour op het tweede metallisatievlak 128 op de printplaat 120. Hierdoor ontstaan twee hermetisch afgesloten deelruimtes 102 en 103. De printplaat 120 is voorzien van een gat 140, waardoor de deelruimtes 102 en 103 één aaneengesloten | hermetisch afgesloten ruimte vormen.

[0048] Opgemerkt zij dat, alhoewel de figuur een uitvoering toont waarbij de 1ste contour 30 waarmee het behuizingsdeel 100 afdicht op de printplaat vrijwel samenvalt met het 2de contour waarmee het behuizingsdeel 101 op de printplaat afdicht, dit niet noodzakelijk is.

[0049] Verder zij opgemerkt dat het gat 140, dat de deelruimtes 102 en 103 verbindt, een centraal gelegen gat kan zijn, maar dat dit niet noodzakelijk is: om de twee deelruimtes 102 en 103 met elkaar te verbinden is het slechts nodig dat het gat 140 zich ü y Ö ,2 è 8 binnen de beide contouren bevindt. Ook kan de verbinding van de deelruimtes 102 en 103 gevormd worden door een veelheid van gaten.

[0050] Ook zij opgemerkt dat, indien er geen behoefte is de deelruimtes 102 en 103 met elkaar te verbinden, het gat 140 achterwege kan blijven.

5 16 3 ö t ;

Claims

1. Een hermetisch afgesloten behuizing uitgevoerd met een elektrische doorvoeropening, welke behuizing is voorzien van een ten opzichte van de behuizing 5 geïsoleerd doorvoerelement, welk doorvoerelement een printplaat omvat die ten minste één elektrische geleider omvat, welk doorvoerelement hermetisch op de doorvoeropening afdicht, met het kenmerk dat • het doorvoerelement bestaat uit een standaard printplaat en 10 · de afdichting tussen printplaat en behuizing plaats vindt op een vlakke zijde van de printplaat.

2. Behuizing volgens Conclusie 1, waarbij tenminste een deel van de elektrische geleider evenwijdig aan de vlakke zijden van de printplaat loopt. 15

3. Behuizing volgens één der voorgaande Conclusies, waarbij de printplaat ter plaatse van de afdichting voorzien is van een ononderbroken metallisatielaag.

4. Behuizing volgens één der voorgaande Conclusies, waarbij de printplaat op de 20 behuizing afdicht met behulp van een elastomeer.

5. Behuizing volgens één der voorgaande Conclusies, waarbij de afdichting een losneembare afdichting is.

6. Behuizing volgens Conclusies 1,2, 3 of 5, waarbij de printplaat met een elastische kit aan de behuizing gekit is.

7. Behuizing volgens Conclusie 3, waarbij de afdichting van de printplaat op de behuizing de afdichting van een metaal op een metaal is. 30

8. Behuizing volgens Conclusie 1, 2 of 5, waarbij de afdichting van de printplaat op de behuizing de afdichting van een metaal op een kunststof is. _10 30 2 9 5_

9. Behuizing volgens één der voorgaande Conclusies, waarbij de omsloten ruimte een stofarme ruimte is.

10. Behuizing volgens één der voorgaande Conclusies, waarbij de omsloten ruimte 5 een ruimte met verlaagde druk is.

11. Behuizing volgens één der voorgaande Conclusies, waarbij de behuizing uit twee delen bestaat waartussen de printplaat is geklemd.

12. Behuizing volgens Conclusie 11, waarbij de voorzien is van een gat zodanig dat de omsloten ruimte een aaneengesloten ruimte vormt.

13. Behuizing volgens Conclusie 11 of 12, waarbij de printplaat een flexibele printplaat is. 1030295