DE102020215508A1

DE102020215508A1 - Durchführung, umfassend Zwischenverbindungs-Kontaktstellen

Info

Publication number: DE102020215508A1
Application number: DE102020215508.9A
Authority: DE
Inventors: Abhishek Patnaik; John Antalek
Original assignee: Morgan Advanced Ceramics Inc
Current assignee: Morgan Advanced Ceramics Inc
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2021-06-10
Also published as: CN215916219U; US20210176862A1; CN112933400A

Abstract

Durchführungsanordnung (1), umfassend einen Keramikkörper (2) mit einer ersten Seite (3) und einer zweiten Seite (4); ein leitfähiges Element (5), das sich durch den Keramikkörper (2) zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite (4) erstreckt; eine leitfähige Kontaktstelle (6), die elektrisch mit dem leitfähigen Element (5) verbunden ist. Die leitfähige Kontaktstelle (6) umfasst eine mehrschichtige Anordnung: eine Bindungsschicht (7), die ein oder mehrere Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Zr, Nb und V, wobei die Bindungsschicht in Verbindungskontakt mit einem Ende des leitfähigen Elements und der ersten oder zweiten Seite des Keramikkörpers steht; und zumindest eine von einer Diffusionssperrschicht (8), die direkt auf der Bindungsschicht angeordnet ist und ein oder mehrere Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Nb, Ta, W, Mo und Nitriden davon, und zumindest eine von (i) der Diffusionsschicht, die eine andere Zusammensetzung aufweist als die Bindungsschicht; und (ii) einer oder mehreren Dichtungsschichten (9, 9a, 9b), die auf der Diffusionssperrschicht angeordnet sind.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Durchführungen, die Zwischenverbindungs-Kontaktstellen und Verfahren zu deren Herstellung umfassen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf implantierbare medizinische Vorrichtungen, die in geringem Abstand voneinander angeordnete Durchführungen umfassen.
Stand der Technik
Baugruppen, die Metall- und Keramikkomponenten umfassen, werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Keramik-Metall-Baugruppen haben sich besonders bei Durchführungen bewährt, bei denen ein oder mehrere elektrische Leiter zur Herstellung einer oder mehrerer elektrisch leitfähiger Verbindungen von einer Oberfläche des Keramikisolators zu einer anderen Oberfläche des Keramikisolators durch einen Keramikisolator geführt werden müssen. Solche Anordnungen werden beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, im Transportwesen, in der Kommunikation, in Leistungsröhren (z. B. Röntgen, Hochfrequenz) und in medizinischen Anwendungen weit verbreitet eingesetzt; die vorliegende Offenbarung ist nicht auf eine einzige Anwendung beschränkt.
Elektronische biomedizinische Implantate werden zunehmend zur Diagnose, Vorbeugung und Behandlung von Krankheiten und anderen Beschwerden eingesetzt. Implantierbare elektronische Vorrichtungen müssen notwendigerweise Sicherheitsnormen erfüllen, bevor sie für den klinischen Gebrauch zugelassen werden; beispielsweise müssen solche implantierten Vorrichtungen in hermetischen Gehäusen untergebracht sein, die elektrische Durchführungen für die Signalübertragung zwischen der untergebrachten elektronischen Vorrichtung und der Umgebung enthalten. Durch die hermetische Einkapselung elektronisch aktiver Komponenten wird der menschliche oder tierische Körper vor der Toxizität herkömmlicher elektronischer Komponenten geschützt, und die Vorrichtung wird ebenfalls vor der relativ rauen Umgebung des Körpers geschützt, die sonst zu einem vorzeitigen Ausfall der Vorrichtung führen könnte. Solche implantierbaren Vorrichtungen, insbesondere solche, die eine Grenzfläche mit dem menschlichen Nervensystem oder Organen im menschlichen Körper wie der Cochlea oder der Retina bilden, erfordern ein Multiplex von elektrischen Leitungen in dem kleinen, engen Raum einer Miniaturdurchführung. Keramikmaterialien wie Aluminiumoxid oder Metalle wie Titan weisen eine lange Erfolgsgeschichte bei bionischen Durchführungen in Vorrichtungen wie Herzschrittmachern und Cochlea-Implantaten auf. Biokompatible Keramik-Metall-Durchführungssysteme können aufgrund ihrer chemischen Trägheit (z. B. Biokompatibilität) und Langlebigkeit (z. B. Biostabilität) als die zuverlässigste Materialwahl für solche Vorrichtungen angesehen werden.
Die Anwendung von elektronischen biomedizinischen Implantaten bei der Interaktion mit dem menschlichen Nervensystem wird immer komplexer, insbesondere bei neuronalen Prothesen, bei denen hochauflösende Stimulations- oder Aufzeichnungsarrays in der Nähe peripherer Nerven oder im Gehirn positioniert werden. Dicht gepackte elektrische Durchführungen sind erforderlich, um Ein-/Ausgangssignale (E/A-Signale) zu und von diesen implantierten Vorrichtungen zu übertragen. Für bestimmte Therapien ist es wünschenswert, die Anzahl der elektrischen Leiter (die in der Technik der Durchführungen viele Namen haben, darunter: Leitungen, Bahnen, Stifte, Drähte und Durchkontaktierungen) in den Durchführungen zur Erhöhung der Anzahl der E/A-Signale zu erhöhen, um den Anforderungen dieser kritischen Anwendungen gerecht zu werden.
Die Herausforderung, dicht gepackte elektrische Durchführungen bereitzustellen, trifft auf die dimensionalen Einschränkungen bei der Reduzierung der Gesamtgröße der Durchführungen, da es unerwünscht ist, große Vorrichtungen (einschließlich einer großen Durchführung) in den menschlichen oder tierischen Körper zu implantieren. Insbesondere ist es zudem wünschenswert, die Invasivität der Implantationsoperationen und/oder die Art der Platzierung der Vorrichtung für die Zieltherapien zu reduzieren, wie z. B. bei Retina-Implantaten, bei denen die Art der Anwendung nur entsprechend kleine Vorrichtungen erfordert. Wenn das Design der Vorrichtung sowohl eine große Anzahl von Leitern (d. h., eine hohe Anzahl von Stiften) als auch eine kleine Durchführung erfordert, sind herkömmliche Herstellungstechniken für Durchführungen unangemessen und nicht mehr praktikabel. Bestehende Technologien weisen Grenzen hinsichtlich des Abstands der Leiter innerhalb der Durchführung auf, wodurch die Möglichkeit zur Erhöhung der Leiterdichte in den Durchführungen behindert wird. Daher war es bisher notwendig, sich entweder für größere Durchführungen zu entscheiden und dadurch die Größe der die Durchführung umfassenden Vorrichtung insgesamt zu erhöhen, um eine höhere Leiterdichte unterzubringen, oder die Leiterdichte zu verringern und dadurch die Anzahl der E/A-Signale zugunsten einer kleineren Durchführung zu begrenzen, wobei beide nicht den industriellen Anforderungen entsprechen.
Die Druckkraft, die während des Co-Sinterns auf Leiter ausgeübt wird, die in die Keramikmatrix einer Durchführung eingebettet sind, wird oft für die Hermetizität verwendet. Die Grenzflächen zwischen den Leitern und dem Keramikkörper erfüllen möglicherweise nicht die Anforderungen an die Hermetizität, die für geeignete Durchführungen in kritischen und leistungsstarken Anwendungen erforderlich sind.
Da aktive Implantate miniaturisiert werden, um das Trauma invasiver Operationen zu reduzieren, verringert sich auch der Abstand zwischen den Stiften der Leiter. Wenn der Abstand von Stift zu Stift sehr gering ist, wird es unmöglich, die Durchführungen durch Goldhartlöten zusammenzusetzen. Daher haben viele Forscher alternative Verfahren zur Herstellung von Metalldurchführungen aufgezeigt. In solchen Fällen schrumpft die Keramik direkt in den Leiter, wobei die Verbindung möglicherweise nicht so stark wie beim herkömmlichen Goldhartlöten ist, was aufgrund von Schlupf an der Oberfläche zu mangelnder Hermetizität führen kann. Verfahren nach dem Stand der Technik verwenden Keramik- und Metallpulver zur Herstellung der Leiterbahn in der Durchführung durch Siebdruck oder Füllen von Löchern in Grünkeramik und anschließendes Einbrennen des gesamten Körpers, um eine gesinterte Durchführung zu erhalten. Bei solchen Verfahren verbinden sich die Metallkeramikpulver in der Keramik-Metall-Verbundpaste (CMC-Paste) intensiv mit den Wänden der keramischen Durchkontaktierungen und ergeben eine gute Hermetizität. Die Metallpulver im Verbundwerkstoff werden zur Bildung der Leiterbahn für die Durchführung gesintert. Im Gegensatz zu soliden Stiften in herkömmlichen Durchführungen weisen sie jedoch keine hohe Massendichte und elektrische Leitfähigkeit auf. Bei elektrischen Durchführungen ist eine hohe Leitfähigkeit erwünscht, um die resistiven Verluste bei der Signalübertragung zu verringern, die zu einer längeren Batterielebensdauer führen. Das andere Problem beim Einbrennen besteht darin, dass die CMS-basierten Durchkontaktierungen über die Muster zwischen den laminierten Grünfolien überlaufen oder sogar in die Keramikisolation durchsickern und einen Kurzschluss angrenzender Leiter verursachen können. Die Keramik schrumpft während des Sinterns um den Vollmetallleiter und die Druckkraft verbindet die Keramik mechanisch mit dem Leiter. Bei solchen Verfahren weisen die Vollmetallleiter den gewünschten elektrischen spezifischen Widerstand auf (~ 1.1x10^-8 Ωm). Im Gegensatz zu dem Keramik-Metall-Verbundverfahren und dem traditionellen Goldhartlötverfahren gibt es jedoch keine chemische oder metallische Verbindung zwischen dem Leiter und dem Isolator, wodurch die Hermetizität der Verbindung möglicherweise beeinträchtigt wird. Daher besteht die Notwendigkeit, die hermetische Zuverlässigkeit für solche Durchführungen zu erhöhen. Die vorliegende Offenbarung geht auf dieses Problem ein.
Die gemeinsam anhängige Anmeldung PCT/EP2019/060196 sieht eine Durchführung vor, die eine höhere Leiterdichte umfasst. Infolge der Bereitstellung einer höheren Leiterdichte kann die Hermetizität der Durchführung beeinträchtigt werden, was für einige kritische Anwendungen, wie die hierin beschriebenen, unzureichend sein kann. Eine höhere Leiterdichte kann zu Mikrorissen in der Nähe der Leiter führen, was zu einer verringerten Hermetizität und damit zu einer nach Leistungskriterien mangelhaften Durchführung führt.
Die Hermetizität und Leistung der Durchführungen können mithilfe von routinemäßigen Qualitätskontrolltests überwacht werden, die zur Entfernung der Durchführung führen, wenn eine Verringerung der Hermetizität oder Leistung festgestellt wird. Um unnötige Komplikationen wie wiederholte Operationen zu vermeiden, ist es wünschenswert, eine Durchführungsvorrichtung herzustellen, die eine verbesserte Hermetizität und eine zuverlässigere Gesamtleistung bietet.
Die Biokompatibilität von implantierbaren Keramikdurchführungen wird durch die chemische Inertheit der Keramikmaterialien vorgesehen. Häufig werden die Leiter in einer Durchführung jedoch außerhalb des chemisch inerten, elektrisch nicht leitfähigen Keramikkörpers freigelegt, um weitere elektrische Verbindungen beispielsweise als Drahtbonding-Stellen auf der Durchführung zu ermöglichen. Die Erfinder haben festgestellt, dass diese Bereiche der Durchführung und die Grenzflächen zwischen den Leitern und dem Körper besonders anfällig für Leckagen sind. Daher sind Durchführungen einer der häufigsten Fehlerpunkte bei implantierbaren Hochleistungsgeräten, die hermetisch dicht sein müssen. Es ist ein nicht ausschließliches Ziel der vorliegenden Offenbarung, eine hermetische Durchführung bereitzustellen, die biokompatibel und biostabil ist, insbesondere für hochdichte Durchführungen. Es ist auch ein nicht ausschließliches Ziel der vorliegenden Offenbarung, die anspruchsvollen Paketanforderungen nach kleineren, hochdichten und hermetischen Durchführungen zu erfüllen.
Kurzdarstellung der Erfindung
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) vorgesehen, umfassend:

einen Keramikkörper (2) mit einer ersten Seite (3) und einer zweiten Seite (4);
ein leitfähiges Element (5), das sich durch den Keramikkörper (2) zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite (4) erstreckt;
eine leitfähige Kontaktstelle (6), die elektrisch mit dem leitfähigen Element (5) verbunden ist;

6

(i) eine Bindungsschicht (7), die ein oder mehrere Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Zr, Nb und V, wobei die Bindungsschicht in Verbindungskontakt mit einem Ende des leitfähigen Elements und der ersten oder zweiten Seite des Keramikkörpers steht; und
(ii) eine Diffusionssperrschicht (8), die auf der Bindungsschicht angeordnet ist und ein oder mehrere Elemente umfasst, die aus der Gruppe, bestehend aus Nb, Ta, W, Mo und deren Nitriden ausgewählt sind, wobei die Diffusionsschicht eine andere Zusammensetzung aufweist als die Bindungsschicht; und/oder
(iii) eine oder mehrere Dichtungsschichten (9, 9a, 9b), die auf der Bindungsschicht oder der Diffusionssperrschicht angeordnet sind.

In einer Ausführungsform weisen die eine oder die mehreren (oder zwei weitere) Dichtungsschichten jeweils eine andere Zusammensetzung auf als die Bindungsschicht oder die Diffusionssperrschicht. In einer weiteren Ausführungsform weisen angrenzende Schichten innerhalb der mehrschichtigen Anordnung eine unterschiedliche Zusammensetzung zueinander auf. In einer weiteren Ausführungsform weist jede Schicht der leitfähigen Kontaktstelle eine unterschiedliche Zusammensetzung auf. Die Zusammensetzung der einzelnen Schichten der leitfähigen Kontaktstelle kann sich von der Zusammensetzung des leitfähigen Elements unterscheiden.
Die Durchführungsanordnung der vorliegenden Offenbarung stellt eine leitfähige Kontaktstelle (auch als Zwischenverbindungs-Kontaktstelle bekannt) bereit, die fest mit zumindest einem Ende des leitfähigen Elements verbunden ist, wobei die Bindungsschicht eine Verbindung mit dem Ende des leitfähigen Elements und einem Abschnitt eines Endes des Keramikkörpers bildet. Die Bindungsschicht bildet bevorzugt eine Reaktionsbindung mit der Oberfläche des Keramikkörpers, sodass gasförmige Bahnen, die vom Keramikkörper, insbesondere proximal zum leitfähigen Element, ausgehen, nicht durch die leitfähige Kontaktstelle entweichen können, die als hermetische Kappe fungiert. Die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Bindungsschicht kann durch das Hinzufügen einer Diffusionssperrschicht verbessert werden, die dazu dient, die Diffusion von Komponenten der Bindungsschicht von einer Verbindungsfläche weg zu verhindern, die ein Ende des leitfähigen Elements und ein Ende (d. h. eine Oberfläche) des Keramikkörpers umfasst.
Die Bindungsschicht umfasst bevorzugt zumindest 50 Gew.-% oder zumindest 60 Gew.-% von zumindest 70 Gew.-% oder zumindest 80 Gew.-% oder zumindest 90 Gew.-% oder 100 Gew.-% eines der folgenden Elemente Ti, Zr, Nb und V. Die Bindungsschicht kann ferner kleinere Komponenten (z. B. weniger als 30 Gew.-%) von Mo, Ta, W oder Hf enthalten. In einer Ausführungsform umfasst oder besteht die Bindungsschicht aus Ti.
In einer Ausführungsform umfasst die Diffusionssperrschicht zumindest 50 Gew.-% oder zumindest 60 Gew.-% von zumindest 70 Gew.-% oder zumindest 80 Gew.-% oder zumindest 90 Gew.-% oder 100 Gew.-% von einem der folgenden Elemente Nb, Ta, W, Mo und Nitride davon. In einer Ausführungsform besteht die Diffusionssperrschicht aus Nb, Ta, W, Nitriden davon oder einer Kombination davon. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Bindungsschicht Nb, Ta und Nitride davon oder eine Kombination davon. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Diffusionssperrschicht Nb. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Diffusionssperrschicht Ta. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Diffusionssperrschicht W. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Diffusionssperrschicht Mo.
In Ausführungsformen, bei denen der Keramikkörper aus Aluminiumoxid besteht, ist die Bindungsschicht bevorzugt Ti. In einigen Ausführungsformen, bei denen der Keramikkörper aus Zirkoniumdioxid besteht, besteht die Bindungsschicht aus W.
Die Diffusionsschicht weist eine andere Zusammensetzung auf als die Bindungsschicht. Insbesondere weist die Diffusionssperrschicht bevorzugt eine andere elementare Hauptkomponente auf als die Bindungsschicht (d. h. das Element, das den größten Gew.-% der Diffusionssperrschicht ausmacht, unterscheidet sich von dem Element, das den größten Gew.-% der Bindungsschicht ausmacht).
Die Diffusionssperrschicht ermöglicht das Sintern der mehrschichtigen Anordnung, ohne dass es zu einer unerwünschten Diffusion von Komponenten zwischen den Schichten kommt, wodurch die Funktionalität der mehrschichtigen Anordnung beeinträchtigt werden könnte. Die Diffusionssperrschicht kann auch als Verbindungsbarriere fungieren, damit die eine oder die mehreren Dichtungsschichten sicherer an den vorhergehenden Schichten der leitfähigen Kontaktstelle haften können. Darüber hinaus trägt die leitfähige Kontaktstelle durch den Einsatz von Dünnschicht-Abscheidungstechniken nicht wesentlich zum spezifischen Widerstand der Durchführung bei. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die leitfähigen Elemente solide (z. B. Draht oder Stift), wodurch die Leitfähigkeit der Leiterbahn im Vergleich zu Anordnungen mit porösen leitfähigen Elementen, wie z. B. Cermet, erhöht wird.
Der spezifische Widerstand des leitfähigen Elements und der leitfähigen Kontaktstelle beträgt bevorzugt nicht mehr als 1,0 x 10^-4 Ω.cm oder nicht mehr als 5,0 x 10^-5 Ω.cm oder nicht mehr als 1,0 x 10^-5 Ω.cm. Der Anstieg des spezifischen Widerstandes der leitfähigen Kontaktstelle, wenn sie mit einem leitfähigen Element verbunden ist, beträgt bevorzugt nicht mehr als 50 % oder nicht mehr als 40 % oder nicht mehr als 30 % oder nicht mehr als 20 % des spezifischen Widerstandes des leitfähigen Elements ohne die leitfähige Kontaktstelle.
Während zwischen der Bindungsschicht und der Diffusionssperrschicht ein gewisser Diffusionsgrad vorhanden sein kann, bietet die Diffusionssperrschicht bevorzugt eine durchgehende Schicht aus einem oder mehreren von Nb, Ta, W, Mo und deren Nitriden über dem Abschnitt der Bindungsschicht, den die Diffusionssperrschicht bedeckt. Die Bindungsschicht und/oder die Diffusionssperrschicht kann aus einer oder mehreren Unterschichten bestehen. Die Unterschichten können dazu dienen, die Haftung zwischen angrenzenden Schichten zu verbessern (z. B. Verbesserung der Haftung zwischen der Bindungsschicht und der Diffusionssperrschicht).
Zur Bildung einer Legierung können der Bindungsschicht andere Metalle hinzugefügt werden, jedoch beträgt der Anteil von Ti, Zr, Nb und V bevorzugt zumindest 10 Gew.-% oder zumindest 20 Gew.-% oder zumindest 30 Gew.-% oder in einer Menge, die ausreicht, um eine Reaktionsbindung mit der Oberfläche des Keramikkörpers zu bilden. Die Diffusionsschicht und die Dichtungsschicht(en) können auch Metalllegierungen umfassen. In einer anderen Ausführungsform werden die Bindungsschicht und die Diffusionssperrschicht als im Wesentlichen reine Elementschichten abgeschieden.
In einer Ausführungsform erstreckt sich die Bindungsschicht über die Peripherie eines Endes des leitfähigen Elements in Umfangsrichtung, sodass der Mindestabstand von der Peripherie der Bindungsschicht und der Peripherie des leitfähigen Elements zumindest 1,0 µm oder zumindest 2,0 µm oder zumindest 5,0 µm oder zumindest 10,0 µm oder zumindest 20,0 µm oder zumindest 40,0 µm oder zumindest 80,0 µm beträgt. In einigen Ausführungsformen beträgt der Mindestabstand von der Peripherie der Bindungsschicht und der Peripherie des leitfähigen Elements nicht mehr als 1 mm oder nicht mehr als 400 µm oder nicht mehr als 200 µm oder nicht mehr als 100 µm oder nicht mehr als 50 µm. Die angrenzende Oberfläche des Keramikkörpers ist bevorzugt im Wesentlichen bündig mit dem Ende des leitfähigen Elements. In einigen Ausführungsformen kann die angrenzende Oberfläche des Keramikkörpers jedoch so ausgebildet sein, dass sie sich auf einem versetzten Niveau oberhalb oder unterhalb der Höhe des Endes des leitfähigen Elements befindet.
Die Bindungsschicht reagiert bevorzugt mit dem Keramikkörper, um eine starke Reaktionsbindung zu bilden, die dazu führen kann, dass Sauerstoff vom Keramiksubstrat auf die metallische Bindungsschicht übertragen wird, wodurch sauerstoffarme Keramik (z. B. Aluminiumoxid oder Zirkonoxid) und ein sauerstoffarmes Metalloxid aus der metallischen Bindungsschicht entstehen. Diese chemische Reaktion führt zu einer stärkeren adhäsiven Bindung an den Keramikkörper als ohne die Bildung der Reaktionsbindung. Beispielsweise kann eine Titan-Bindungsschicht mit einer Keramik reagieren und ein reduziertes Titanoxid (TiO_2-x) bilden. Innerhalb gewisser Grenzen gilt: je weiter die Bindungsschicht über die Peripherie des leitfähigen Elements hinausreicht, desto größer ist die mit der Bindungsschicht verbundene Bindungsfestigkeit und Hermetizität, da die Überlappung die Bildung einer hermetischen Bindung zwischen den Komponenten ermöglicht und die Bildung gasförmiger Bahnen entlang der Grenzfläche zwischen der Leiterbahn (5) und dem Keramikkörper (2) verhindert.
Das Ausmaß, in dem die Bindungsschicht über die Peripherie des leitfähigen Elements hinausreicht, kann durch die Nähe angrenzender leitfähiger Elemente begrenzt sein. Bei hochdichten Durchgangsausbildungen ist das Ausmaß, in dem sich die Bindungsschicht über die Peripherie des leitfähigen Elements hinaus erstreckt, bevorzugt derart, dass der Abstand zwischen den leitfähigen Kontaktstellen zumindest 10 (µm oder zumindest 20 (µm oder zumindest 30 (µm oder zumindest 50 (µm beträgt. Dieser Abstand bietet eine ausreichende Distanz, damit die einzelnen leitfähigen Kontaktstellen voneinander elektrisch isoliert werden können. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Reaktionsbindungsfläche, desto größer ist der Gaswiderstand.
In einer anderen Ausführungsform erstreckt sich die leitfähige Kontaktstelle nicht mehr als einen Abstand, der dem doppelten oder dreifachen Durchmesser des leitfähigen Elements (5) entspricht und bevorzugt nicht mehr als den Durchmesser (oder den halben Durchmesser) des leitfähigen Elements.
In einer Ausführungsform umfasst die Durchführung eine Vielzahl von leitfähigen Elementen (5). Das leitfähige Element weist durch einen planaren Querschnitt des Keramikkörpers bevorzugt eine Dichte an leitfähigen Elementen von mehr als 1 Leiter pro 200.000 µm² oder mehr als 1 Leiter pro 100.000 µm² oder mehr als 1 Leiter pro 50.000 µm² oder mehr als 1 Leiter pro 20.000 µm² oder mehr als 1 Leiter pro 14.839 µm² (23 Tausendstel²) auf. Die vorliegende Offenbarung hat sich als besonders vorteilhaft für die Aufrechterhaltung der Hermetizität erwiesen, wenn sie auf Durchführungen mit einer hohen Dichte an leitfähigen Elementen angewendet wird.
In anderen Ausführungsformen umfasst die leitfähige Kontaktstelle ferner eine oder mehrere Dichtungsschichten, die entweder auf (i) der Diffusionssperrschicht oder (ii) der Bindungsschicht angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann die Diffusionssperrschicht weggelassen werden. Die eine oder die mehreren Dichtungsschichten können der leitfähigen Kontaktstelle eine Reihe funktioneller Eigenschaften verleihen, einschließlich Passivierung, Korrosionsschutz, Verschleißbeständigkeit, Verbindungsschicht (d. h. zur Verbesserung der Haftung zwischen den Schichten), Gasbarriere usw. Ein zentraler Schwerpunkt der einen oder mehreren Dichtungsschichten besteht jedoch darin, der leitfähigen Kontaktstelle zu ermöglichen, als Zwischenverbindung zu fungieren und die Verbindung zu anderen Komponenten innerhalb der elektrischen Bahnen der Vorrichtung zu erleichtern, in der die Durchführungsanordnung einen Teil bildet.
Die eine von den mehreren Dichtungsschichten kann eines von mehreren Elementen umfassen, die aus der Gruppe, bestehend aus Co, Ni, Al, Si, Cu, Ag, In, Cr, Ti, Ta, W, Mo, Au, Pt, Pd, Ni, Cr, Cu und Al, ausgewählt wurden. Die eine von mehreren Dichtungsschichten kann aus Pt, Pd, Ni, Au, Cr, V und einer Kombination davon bestehen. In einer Ausführungsform bestehen die eine oder die mehreren Dichtungsschichten aus Pt, Pd, Ni, Au und einer Kombination davon. In einigen Ausführungsformen bestehen die eine oder die mehreren Dichtungsschichten aus Ni mit zumindest einem von Pt, Pt und Au. In einer Ausführungsform umfasst die eine von mehreren Dichtungsschichten eine erste Dichtungsschicht und eine zweite Dichtungsschicht. Die erste Dichtungsschicht kann als Verbindungsschicht fungieren, um eine sicherere Verbindung der Dichtungsschichten mit der Diffusionssperrschicht oder der Bindungsschicht zu ermöglichen.
Die erste Dichtungsschicht besteht bevorzugt aus einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Co, Ni, Al, Si, Cu, Ag, In, Cr, Ti, Ta, W, Mo. Die erste Dichtungsschicht steht bevorzugt in Kontakt mit der Diffusionssperrschicht oder der Bindungsschicht.
Die zweite Dichtungsschicht umfasst bevorzugt ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Au, Pt, Pd, Ni, Cr, Cu und Al, wobei die zweite Dichtungsschicht eine andere Zusammensetzung aufweist als die erste Dichtungsschicht. Die zweite Dichtungsschicht ist bevorzugt die oberste Schicht der leitfähigen Kontaktstelle. Nach dem Sintern können die erste und zweite Dichtungsschicht ineinander diffundieren und eine einzige Legierungsschicht bilden.
Die Anzahl und Kombination der Dichtungsschichten wird durch die spezifische Anwendung bestimmt. Die eine oder die mehreren Dichtungsschichten können zur Verhinderung von Elektrokorrosion eine Passivierungsschicht enthalten. In einer Ausführungsform besteht die Passivierungsschicht der ersten Schicht aus Aluminium. Aluminium weist eine selbstpassivierende Oberfläche und die Fähigkeit auf, mit Drahtbonding-Metallen (oberste/zweite Schicht) wie Gold, Kupfer und Silber eine intermetallische Phase zu bilden. In einer anderen Ausführungsform ist die erste Schicht eine Nickelschicht, die als mechanische Unterlage für eine obere Goldschicht dient, wodurch die Verschleißbeständigkeit der Dichtungsschichten verbessert wird.
Es versteht sich, dass die Gesamtzahl der Schichten in der mehrschichtigen Anordnung zwischen zumindest 2 Schichten bis zu typischerweise nicht mehr als 10 Schichten und bevorzugt nicht mehr als 6 Schichten oder nicht mehr als 4 Schichten variieren kann.
Der Fachkundige wird die verschiedenen Kombinationen von Metallschichten verstehen, die verwendet werden können, um die erforderliche Bindung an Draht oder andere Leiterbahnen herzustellen, wobei sie die erforderlichen mechanischen, korrosiven Beständigkeiten und leitfähigen Eigenschaften aufweisen.
Der Keramikkörper (2) kann fortschrittliche Keramikmaterialien beinhalten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Oxid- oder Karbid- oder Nitridkeramikmaterialien. Der Keramikkörper (2) kann KeramikMatrix-Verbundmaterialien umfassen. Der Keramikkörper (2) kann Aluminiumoxidkeramik umfassen. Der Keramikkörper (2) kann mit Zirkoniumoxid verstärkte Aluminiumoxid (ZTA)-Keramik umfassen. Der Keramikkörper (2) kann Yttriumoxid-stabilisierte Zirkoniumoxid-Keramik (YSZ-Keramik) umfassen.
Die Stärke des Keramikkörpers variiert je nach Anwendung der Durchführung, obwohl die Stärke des Keramikkörpers normalerweise zwischen 0,5 mm und 50 mm oder zwischen 1,0 mm und 30 mm liegt. Die leitfähigen Kontaktstellen der vorliegenden Offenbarung ermöglichen es, dünnere Keramikkörperstärken zu erreichen und gleichzeitig eine ausgezeichnete Hermetizität aufrechtzuerhalten. In einigen Ausführungsformen beträgt die Stärke des Keramikkörpers weniger als 2,6 mm oder weniger als 1,3 mm oder weniger als 0,8 mm.
In einer Ausführungsform besteht der Keramikkörper bevorzugt aus zumindest 90,0 Gew.-% oder 95,0 Gew.-% oder zumindest 97,0 Gew.-% oder zumindest 98,0 Gew.-% oder zumindest 99,0 Gew.-% oder zumindest 99,5 Gew.-% Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid (und modifizierte Formen davon). Hochreines Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid wird besonders für Zwischenverbindungen bevorzugt, die in medizinischen Anwendungen eingesetzt werden.
Das leitfähige Element (5) kann Pt, Ir oder Kombinationen davon umfassen. Das leitfähige Element (5) kann beliebige andere geeignete leitfähige Elemente oder Materialien umfassen. Das leitfähige Element (5) kann fest oder porös sein und kann unter anderem aus einem soliden Stab, Draht, Blei, Bahn, Stift, Metalltinte, Cermet oder Durchkontaktierung oder einer anderen Form eines Leiters bestehen. Die leitfähige Kontaktstelle kann vorteilhaft bei Durchführungen mit einem porösen leitfähigen Element, wie beispielsweise Cermet, verwendet werden. Die Aufrechterhaltung der erforderlichen Hermetizität bei Durchführungen mit porösen leitfähigen Elementen ist in der Regel schwierig, und die leitfähigen Kontaktstellen der vorliegenden Offenbarung überwinden einige der Unzulänglichkeiten bei der Verwendung poröser leitfähiger Elemente.
Das leitfähige Element (5) kann eine Vielzahl von leitfähigen Unterelementen (5a) umfassen. Die leitfähige Kontaktstelle (6) kann zumindest mit einem der leitfähigen Unterelemente (5a) elektrisch verbunden sein. Die maximale lineare Länge der leitfähigen Kontaktstelle (6) kann im Bereich des etwa 2- bis etwa 100-fachen des Durchmessers jedes der leitfähigen Unterelemente (5a) oder des leitfähigen Elements (5) liegen.
Das leitfähige Element (5) kann zumindest ein erstes Ende (14) proximal zu der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) und ein zweites Ende (15) proximal zu der zweiten Seite (4) des Keramikkörpers (2) umfassen. Das erste Ende (14) und das zweite Ende (15) des leitfähigen Elements (5) können im Wesentlichen parallel oder bündig mit der ersten Seite (3) bzw. der zweiten Seite (4) des Keramikkörpers (2) sein. Das erste Ende (14) und das zweite Ende (15) des leitfähigen Elements (5) können aus der ersten Seite (3) bzw. der zweiten Seite (4) des Keramikkörpers (2) hervorstehen. Das erste Ende (14) und das zweite Ende (15) des leitfähigen Elements (5) können in die erste Seite (3) bzw. die zweite Seite des Keramikkörpers (2) eingelassen sein.
Die leitfähige Kontaktstelle (6) kann eine Leiterbahn zu dem leitfähigen Element (5) vorsehen. Die Unterelemente (5a) können in Form eines Bündels leitfähiger Elemente vorliegen, die innerhalb eines einzelnen Kanals durch den Keramikkörper (2) oder einer Vielzahl leitfähiger Elemente (5) untergebracht sind, wobei jedes leitfähige Element innerhalb seines eigenen Kanals durch den Keramikkörper (2) untergebracht ist. Das leitfähige Element weist bevorzugt einen Durchmesser zwischen 10 µm und 100 µm auf.
Die leitfähige Kontaktstelle (6) kann als „Zwischenverbindung“ für weitere elektrische Verbindungen zu dem leitfähigen Element (5) dienen. Es versteht sich, dass eine zweite leitfähige Kontaktstelle (6b) auf der zweiten Seite (4) des Keramikkörpers (2) vorgesehen sein kann, die über das leitfähige Element (5) elektrisch mit der leitfähigen Kontaktstelle (6) verbunden ist.
Das leitfähige Element (5) kann mit dem Keramikkörper (2) zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite (4) hartgelötet sein, wodurch eine hartgelötete Grenzfläche (12a) gebildet wird. Die hartgelötete Grenzfläche (12a) kann aus einer Hartlötfülllegierung bestehen, die ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus der Liste, bestehend aus Au, Cu, Ag, Ti, Ni oder Kombinationen oder Legierungen davon, enthält. Die hartgelötete Grenzfläche (12a) kann ferner ein oder mehrere Elemente umfassen, die aus dem Keramikkörper (2) stammen. Das leitfähige Element (5) kann sich zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite (4) in hartlötfreiem Kontakt mit dem Keramikkörper (2) befinden und eine hartlötfreie Grenzfläche (12b) bilden. Die hartlötfreie Grenzfläche (12b) kann einen engeren Abstand zwischen dem leitfähigen Element (5) und dem Keramikkörper (2) aufgrund des Fehlens einer Hartlötfülllegierung ermöglichen.
Die mit der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) verbundene leitfähige Kontaktstelle (6) kann eine hermetische Barriere über der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) bilden. Die mit der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) verbundene leitfähige Kontaktstelle (6) kann eine hermetische Barriere über dem leitfähigen Element (5) vorsehen. Die mit der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) verbundene leitfähige Kontaktstelle (6) kann eine hermetische Barriere über dem ersten Ende (14) vorsehen. Die mit der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) verbundene leitfähige Kontaktstelle (6) kann eine hermetische Barriere über der hartgelöteten Grenzfläche (12a) oder der hartlötfreien Grenzfläche (12b) zwischen dem leitfähigen Element (5) und dem Keramikkörper (2) vorsehen.
Die Bindungsschicht (7) kann eine Dichte von zumindest 95 % oder zumindest 96 % oder zumindest 97 % oder zumindest 98 % der theoretischen Dichte der genannten Bindungsschicht (7) aufweisen.
Die Durchführungsanordnung (1) kann eine He-Permeabilität von weniger als 1,0 x 10^-' cc-atm/s aufweisen. Die Durchführung (1) kann eine He-Permeabilität von weniger als 1,0 x 10^-8 cc-atm/s aufweisen. Die Durchführung (1) kann eine He-Permeabilität von weniger als 1,0 x 10^-9 cm atm/s aufweisen. Die leitfähige Kontaktstelle (6) kann die Durchführung (1) mit einer hermetischen Abdichtung oder einer gesinterten Dichtung über der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) vorsehen. Der Verweis auf eine Zunahme der He-Hermetizität bezeichnet eine Abnahme der Permeabilitätsrate von He durch die Durchführungsanordnung. Je höher die Hermetizität ist, desto geringer ist die Permeabilität.
In einer Ausführungsform kann eine leitfähige Kontaktstelle (6) zwischen zwei angrenzenden Komponenten im Keramikkörper angeordnet sein. Die Komponenten sind bevorzugt Schichten, obwohl es sich versteht, dass der Keramikkörper aus anderen geometrischen Anordnungen gebildet sein kann. Die leitfähige Kontaktstelle kann sich auch zwischen den angrenzenden Komponenten erstrecken und als hermetische Abdichtung zwischen Leiterbahnen in gegenüberliegenden Komponenten fungieren. Leitfähige Kontaktstellen können zwischen mehreren oder allen angrenzenden Keramikkomponenten zusätzlich zu oder alternativ zu einer Außenfläche des Keramikkörpers angeordnet sein. Innerhalb dieser Ausführungsform werden in jeder der Grünkeramikkomponenten Öffnungen eingebracht und die Öffnungen mit einer leitfähigen Paste (z. B. Metallfarbe) gefüllt, um somit eine Leiterbahn durch die Keramikkomponente zu bilden.
Die leitfähige Paste umfasst bevorzugt einen metallischen Leiter, wie beispielsweise ein biokompatibles Metall (z. B. Platingruppenmetall und Legierungen davon). Die Paste kann auch ein Bindemittel (bevorzugt ein fugitives Bindemittel) und/oder ein Keramikfüllmittel umfassen, um den Koeffizienten der Wärmeausdehnung zwischen dem Leiter und dem Keramikkörper zu unterstützen. Eine Metall- oder Metalllegierungsschicht kann dann über zumindest ein Ende der Leiterbahn aufgetragen werden. Das Verfahren kann mit einer oder mehreren weiteren Metall-/Metalllegierungskomponenten wiederholt werden. Die Komponenten können dann gestapelt oder anderweitig so angeordnet werden, dass sich die Leiterbahn (5) von der ersten Seite (3) zur zweiten Seite (4) des Keramikkörpers (2) erstreckt. In einigen Ausführungsformen kann sich die Leiterbahn sowohl zwischen den Keramikkomponenten als auch durch die Komponenten hindurch erstrecken. Die Anordnung kann zur Ausbildung einer Verbindung zwischen den an die Leiterbahn angrenzenden Keramikkomponenten zusammen eingebrannt werden, sodass ein oder mehrere leitfähige Kontaktstellen (6) eine Verbindung zwischen den Keramikkomponenten bilden. Die Ausbildung einer Durchführung, die aus einer Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen zwischen jeder Seite des Keramikkörpers besteht, soll ferner die Hermetizität weiter verbessern. Weitere Einzelheiten über die Ausbildung einer Durchführung aus einer Vielzahl von Keramikplatten sind in US8,872,035 vorgesehen.
Das Metallelement der Bindungsschicht kann mit der Keramik reagieren und eine chemische Bindung zwischen der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) und der Bindungsschicht an der Verbindungsgrenzfläche (16) bilden. Das Metallelement der Bindungsschicht kann mit der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) reagieren und zur Bildung eines Reaktionsprodukts führen. Das Reaktionsprodukt kann sich als eine kontinuierliche Reaktionsschicht an der Verbindungsgrenzfläche (16) bilden.
Die Bindungsschicht (7) kann eine Reaktionsschicht (17) proximal zur ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) umfassen. Das Metallelement der Bindungsschicht kann in der Reaktionsschicht (17) in einer Menge von etwa 70 Gew.-% bis etwa 99,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der aktiven Metallkomponente (d. h. der Metallkomponente, die mit dem Keramikkörper reagiert, um die Reaktionsschicht zu bilden) in der Bindungsschicht vorhanden sein. Das Reaktionsprodukt kann je nach gewähltem Keramikmaterial und den Reaktionen zwischen der aktiven Legierung und der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) ein Oxid-, Karbid-, Nitrid- oder Silizid-Reaktionsprodukt umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Reaktionsschicht (17) kann ein oder mehrere Elemente umfassen, die aus der Bindungsschicht stammen. Die Reaktionsschicht (17) kann ein oder mehrere Elemente umfassen, die aus dem Keramikkörper (2) stammen.
Die Reaktionsschicht (17) kann eine oder mehrere Schichten umfassen. Die eine oder die mehreren Schichten können eine polykristalline Struktur umfassen. Die eine oder die mehreren Schichten können eine oder mehrere Verbindungen umfassen.
Die Bildung der Reaktionsschicht (17) kann von der chemischen Aktivität des Metallelements in dem in der Bindungsschicht verwendeten Metall oder der Legierung abhängen. Die chemische Aktivität des Metallelements kann von den relativen Mengen des Metallelements, den Legierungselementen (falls verwendet) und der chemischen Affinität zwischen ihnen abhängen. Die chemische Aktivität des Metallelements kann von der Sintertemperatur abhängen, wobei diese eine thermodynamische Antriebskraft für die Diffusion bereitstellt. Die chemische Aktivität des Metallelements kann von der Sinterzeit abhängen, wobei diese die Zeit für die Diffusion bei der Sintertemperatur bereitstellt.
Die Reaktionsschicht (17) kann eine kontinuierliche Schicht entlang der Grenzfläche (16) sein. Die Reaktionsschicht (17) kann der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) einen höheren Grad an metallischen Eigenschaften verleihen, sodass das aktive Metall/die aktive Legierung die erste Seite (3) des Keramikkörpers (2) benetzen und sich wirksam über diese ausbreiten kann. Die chemische Bindung zwischen der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) und der Bindungsschicht an der Grenzfläche (16) kann eine hermetische Abdichtung oder gesinterte Abdichtung ergeben. Die Reaktionsschicht (17) an der Grenzfläche kann eine hermetische Abdichtung oder eine gesinterte Abdichtung bereitstellen.
Die Reaktionsschicht (17) kann weniger als 10 µm oder weniger als 5 µm oder weniger als 3 µm stark sein. In einer Ausführungsform liegt die Stärke der Reaktionsschicht (17) im Bereich von etwa 0,01 µm oder 0,05 µm oder 0, 1 µm bis 3 µm oder 1 µm.
Die leitfähige Kontaktstelle (6) kann eine oder mehrere Dichtungsschichten umfassen, die mit der Diffusionssperrschicht (8) verbunden sind. Die Dichtungsschicht(en) (9) kann (können) ein oder mehrere Elemente umfassen, die aus der Liste ausgewählt sind, bestehend aus Au, Pt, Ni, Cr, V, Cu, Ta, Ti, Nb, Al, Ag und Sn oder Kombinationen oder Legierungen davon.
Die Dichtungsschicht(en) kann (können) als Passivierungsbarriere (z. B. wenn sie Au oder Pt umfasst (umfassen)) und/oder als weitere Bindungsschicht fungieren, um die leitfähige Kontaktstelle mit weiteren leitfähigen Elementen, wie Drähten oder anderen Komponenten einer elektrischen Schaltung, zu verbinden.
Die erste Seite des Keramikkörpers kann mit zwei oder mehr Vorläuferschichten versehen sein. Die Vorläuferschichten werden während des Sinterschritts in die Bindungsschicht umgewandelt.
In einer Ausführungsform wird die leitfähige Kontaktstelle (6, 6a) aus drei oder mehr Schichten (7, 8, 9a, 9b) abgeleitet, die eine erste Schicht (7), die mit der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) verbunden ist, eine zweite Schicht (8), die mit der ersten Schicht (7) verbunden ist, eine dritte Schicht (9a), die mit der zweiten Schicht (8) verbunden ist, und eine weitere Schicht (9b), die mit der dritten Schicht verbunden ist, umfassen.
Die erste Schicht (7) kann Ti umfassen. Die zweite Schicht (8) kann Nb umfassen. Die dritte Schicht (9a) kann Ni umfassen; und die vierte Schicht kann Au umfassen. Alternativ können die dritte Schicht und die vierte Schicht während des Sinterprozesses interdispergiert werden und eine Au-Ni-Legierung bilden.
In einer Ausführungsform kann die erste Schicht (7) eine Stärke im Bereich von etwa 0,05 µm bis 4 µm oder 0,1 µm bis etwa 2 µm oder etwa 0,2 µm bis etwa 1,75 µm oder etwa 0,3 µm bis etwa 1,5 µm aufweisen. Die zweite Schicht (8) kann eine Stärke im Bereich von etwa 0,1 µm bis etwa 10 µm, oder etwa 0,2 µm bis etwa 5,0 µm, oder etwa 0,3 µm bis etwa 4,0 µm aufweisen. Die dritte Schicht (9a) kann eine Stärke im Bereich von etwa 0,1 µm bis etwa 25 µm, oder etwa 0,2 µm bis etwa 15 µm, oder etwa 0,3 µm bis etwa 1,0 (µm aufweisen. Die vierte Schicht (9b) kann eine Stärke im Bereich von etwa 0,1 (µm bis etwa 50 µm oder etwa 0,2 µm bis etwa 20 µm oder etwa 0,3 µm bis etwa 5,0 µm oder etwa 0,4 µm bis etwa 1,0 µm aufweisen.
Abhängig von der Dichtungs-/Bindungstechnik, die verwendet wird, um einen Draht mit der leitfähigen Kontaktstelle zu verbinden, können die eine oder die mehreren Dichtungsschichten eine erhöhte Stärke aufweisen, als die vorstehend genannten Ausführungsformen. Bei einigen Drahtschweiß- oder Lötanwendungen kann eine erhöhte Stärke der Dichtungsschicht(en) bevorzugt werden. In einer Ausführungsform weisen die eine oder die mehreren Dichtungsschichten im Vergleich zur Bindungsschicht und/oder Diffusionssperrschichtdicke eine größere Stärke auf. In einer Ausführungsform ist das Verhältnis der Dichtungsschicht(en) zwischen 1,5- bis 100-mal (oder 3- bis 50-mal oder 5- bis 30-mal oder 10- bis 20-mal) größer als die Stärke der kombinierten Bindungs- und optionalen Diffusionssperrschichten.
Die äußere Schicht (9, 9b) kann eine Beschichtung umfassen, die eine Passivierungsschicht über der Bindungsschicht (7) bildet. Die Passivierungsschicht kann die leitfähige Kontaktstelle (6) schützen und so zur Hermetizität der Durchführung (1) beitragen.
Die äußere Schicht (9b) kann die vorhergehenden Schichten der leitfähigen Kontaktstelle (7, 8, 9a) vollständig umschließen, sodass die leitfähige Kontaktstelle (6) eine hermetische Ummantelung erhält, um die hermetische Abdichtung weiter zu verbessern. Die äußere Schicht (9b) kann Au und/oder Pt umfassen, um die Passivierungsschicht bereitzustellen.
Die äußere Schicht (9b) kann eine Leiterbahn zum leitfähigen Element (5) durch die vorhergehenden Schichten in der leitfähigen Kontaktstelle (6) bilden.
Die äußere Schicht (9b) kann weitere herzustellende elektrische Verbindungen bereitstellen; beispielsweise kann die äußere Schicht (9b) eine Drahtbonding-Stelle auf der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) für weitere elektrische Verbindungen über die Leiterbahn zu dem leitfähigen Element (5) bereitstellen. Als solche ist die äußere Schicht leitfähig, um mit weiteren elektrischen Verbindungen durch Löten, Schweißen oder andere Verbindungsmittel verbunden zu werden.
Die Durchführung (1) kann eine zweite leitfähige Kontaktstelle (6a) umfassen, die elektrisch mit dem leitfähigen Element (5) verbunden ist, wobei die zweite leitfähige Kontaktstelle (6) mit der zweiten Seite (4) des Keramikkörpers (2) durch eine Bindungsschicht (7) verbunden ist, wobei die Bindungsschicht (7) ein Metall oder eine Legierung umfasst.
Die zweite leitfähige Kontaktstelle (6a) kann durch das leitfähige Element (5) elektrisch mit der leitfähigen Kontaktstelle (6) verbunden sein, wodurch eine elektrische Durchführung mit hermetischen Abdichtungen oder gesinterten Abdichtungen an beiden Enden (14, 15) des leitfähigen Elements (5) bereitgestellt wird.
Die zweite leitfähige Kontaktstelle (6a) kann alle hierin beschriebenen Ausführungsformen der leitfähigen Kontaktstelle (6) umfassen. In einer Ausführungsform umfasst die zweite leitfähige Kontaktstelle eine Ti enthaltende Bindungsschicht, die Diffusionssperrschicht Nb und eine Ni enthaltende Dichtungsschicht.
Die Durchführungsanordnung (1) der vorliegenden Offenbarung kann Teil einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung sein.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Durchführungsanordnung mit einer leitfähigen Kontaktstelle vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst:

A. Bereitstellen einer Durchführung (1), umfassend:
- • einen Keramikkörper (2) mit einer ersten Seite (3) und einer zweiten Seite (4);
- • ein leitfähiges Element (5), das sich durch den Keramikkörper (2) zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite (4) erstreckt;
B. Falls erforderlich, Bearbeiten eines Endes des leitfähigen Elements und/oder des Keramikkörpers, sodass das Ende des leitfähigen Elements im Wesentlichen bündig oder anderweitig zu einer angrenzenden Oberfläche des Keramikkörpers versetzt ist;
C. Optionales Maskieren des Bereichs um das Ende des leitfähigen Elements, sodass ein unmaskierter Bereich vorhanden ist, der das Ende des leitfähigen Elements und einen Abschnitt der angrenzenden Fläche des Keramikkörpers freilegt;
D. Abscheiden einer Bindungsschicht auf das Ende des leitfähigen Elements und den Abschnitt der angrenzenden Fläche des Keramikkörpers, wobei die Bindungsschicht ein oder mehrere Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Zr, Nb und V;
E. Abscheiden
- • einer Diffusionssperrschicht auf die Bindungsschicht, die ein oder mehrere Elemente umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Nb, Ta, W, Mo und deren Nitriden; und/oder
- • einer oder mehrerer Dichtungsschichten auf die Diffusionssperrschicht oder auf die Bindungsschicht; und
F. Sintern zumindest der Bindungsschicht an den Keramikkörper bei ausreichender Temperatur, damit die Bindungsschicht eine Reaktionsbindung mit einer Oberfläche des Keramikkörpers eingehen kann.

Das Vorhandensein einer Reaktionsbindung kann durch eine Erhöhung der Haftung zwischen der Bindungsschicht und dem Keramikkörper nach dem Sintern nachgewiesen werden.
Die Schichten der leitfähigen Kontaktstelle können zusammen oder in mehreren Schritten gesintert werden. So kann beispielsweise zuerst die Bindungsschicht auf den Keramikkörper gesintert werden, dann die Diffusionssperrschicht auf die Bindungsschicht und dann eine Dichtungsschicht auf die Diffusionssperrschicht. Separates Sintern ermöglicht die Optimierung der Sintertemperatur für jede Schicht, wodurch eine übermäßige Elementdiffusion während des Sinterprozesses verhindert wird.
Bevorzugt wurde der Keramikkörper gebrannt, und noch bevorzugter wurden der Keramikkörper und das leitfähige Element gemeinsam eingebrannt. Wenn die vorgesehene Durchführung bereits eingebrannt (d. h. nicht grün) ist, kann die mehrschichtige leitfähige Kontaktstelle unter weniger schwierigen Bedingungen aufgebracht werden, sodass eine leitfähige Kontaktstelle hergestellt werden kann mit:

• geringerer Porosität - was zu einer erhöhten Leitfähigkeit führt;
• kleinerer Korngröße - was zu verbesserter mechanischer Festigkeit und Härte führt;
• Metallen mit niedrigerer Schmelztemperatur - größere Designflexibilität;
• geringerer Rauigkeit - größere Maßtoleranzen;
• dünneren Schichten - erhöhte Leitfähigkeit und/oder kompakteres Design; und
• höherer Positionsgenauigkeit - höhere Dichte der leitfähigen Elemente.

Der gebrannte Keramikkörper kann poliert werden, um die Oberflächenrauigkeit zu verringern, sodass die mehrschichtige leitfähige Kontaktstelle im Vergleich zu den eingebrannten leitfähigen Kontaktstellen ebenfalls eine geringere Oberflächenrauigkeit aufweist. Die Rauigkeit (R_a) kann weniger als 2,0 µm oder weniger als 1,5 µm oder weniger als 1,0 µm oder weniger als 0,5 µm oder weniger als 0,3 µm betragen. Die Rauigkeit (R_max) kann weniger als 5,0 µm oder weniger als 3,0 µm oder weniger als 2,0 µm oder weniger als 1,0 µm oder weniger als 0,5 µm betragen.
Die Bearbeitung des Endes des leitfähigen Elements und/oder des Keramikkörpers führt bevorzugt zu einer Rauigkeit R_a von weniger als 100 µm oder weniger als 50 µm oder weniger als 5,0 µm oder weniger als 3,0 µm oder weniger als 2,0 µm oder weniger als 1,0 µm oder weniger als 0,5 µm.
Die vorliegende Offenbarung erhöht die hermetische Zuverlässigkeit der Durchführung und dient gleichzeitig als Kontaktstelle für einen stärkeren Drahtabschluss. Die hermetische Zuverlässigkeit wird durch die Schaffung einer zusätzlichen Barriere für den Leckweg (zwischen dem Metallstift und der Keramikmatrix) erhöht. Diese Schicht ist dicht und verbindet sich sowohl um die Stiftoberfläche als auch um den Stift herum mit der Keramik. Dadurch wirkt sie an beiden Enden des Stifts wie eine Kappe. Da zudem die Kontaktstellen dicht sind (aufgrund der Wärmebehandlung nach der Abscheidung), stellen sie eine stabile Fläche für den Drahtabschluss dar. Drahtbonding-Technologien, insbesondere das Ultraschallschweißen, erfordern solche robusten Zwischenverbindungs-Kontaktstellen für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Verbindung.
Die mehrschichtige Anordnung weist bevorzugt eine Porosität von weniger als 5 % v/v oder weniger als 3 % v/v oder weniger als 2,0 % v/v oder weniger als 1,0 % v/v oder weniger als 0,5 % v/v oder weniger als 0,3 % v/v auf. Eine geringere Porosität führt zu einer erhöhten Leitfähigkeit der leitfähigen Kontaktstelle im Vergleich zu leitfähigen Kontaktstellen mit höherer Porosität. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung kann das Verhältnis von Hohlraum (Poren) zu festem Material mit dem Oberflächenverhältnis von Hohlraum zu festem Material gleichgesetzt werden, wie es durch Bildanalysesoftware (z. B. ImageJ^TM) ermittelt wurde.
Die Herstellung von Kontaktstellen, insbesondere der Gold- und Nickelschichten durch Galvanisierung, ist ebenfalls begrenzt. Wenn die Kontaktstellen zu nahe beieinander liegen und die Merkmalauflösung in Ordnung ist, führt die Galvanisierung zu zwei Problemen. Erstens sind die feinen Merkmale nicht gut definiert und können zu Kurzschlüssen zwischen Kontaktstellen führen, und zweitens kommt es zu einer Zunahme der Defekte und die Beschichtung blättert ab. Daher bleiben selbst bei einer Wärmebehandlung noch einige Defekte zu einigen nicht gut definierten Merkmalen hinzugefügt. Daher werden die Kontaktstellen in der vorliegenden Offenbarung vorzugsweise durch ein HF-Sputterverfahren erzeugt. Dadurch entstehen nicht nur gut definierte Merkmale, sondern sie sind auch nach der Wärmebehandlung fehlerfrei und dicht.
In einer Ausführungsform umfassen die Dichtungsschichten Gold- und Nickelschichten, die auf Leitungsdrähte gebondet werden können, um beide Schaltkreise in der Dose oder die Leitungen zum Nervensystem zu verbinden, wobei diese aus Platin hergestellt sein können. Gold- und Nickelbeschichtungen sind bei Durchführungen mit einem so engen Stift-zu-Stift-Abstand sehr schwierig zu galvanisieren. Die aktuelle Offenbarung überwindet dieses Problem.
In Ausführungsformen, bei denen die leitfähige Kontaktstelle ferner eine oder mehrere Dichtungsschichten umfasst, werden diese zusätzlichen Schichten auf die Diffusionssperrschicht aufgebracht. In einigen Ausführungsformen können die eine oder mehrere Dichtungsschichten nach dem Sinterschritt abgeschieden werden, wobei nach dem Aufbringen der einen oder mehreren Dichtungsschichten ein zusätzlicher Sinterschritt durchgeführt wird. In anderen Ausführungsformen wird nach dem Aufbringen der Bindungsschicht, der Diffusionssperrschicht und einer oder mehrerer Dichtungsschichten ein einziger Sinterschritt durchgeführt. Der Sinterschritt hilft beim Verbinden der Schichten untereinander und mit dem Ende des leitfähigen Elements und der angrenzenden Keramikoberfläche. Darüber hinaus kann der Sinterschritt die Schichten verdichten, wodurch die Gasbarriereeigenschaften der leitfähigen Kappe weiter verbessert werden.
In einigen Ausführungsformen führt die Bearbeitung des leitfähigen Elements und/oder des Keramikkörpers dazu, dass das leitfähige Element in den Keramikkörper versenkt wird. Innerhalb dieser Ausführungsform kann sich die Bindungsschicht unter eine Oberflächenebene des Keramikkörpers und in einen versenkten Hohlraum erstrecken. Diese Ausbildung kann aufgrund der gewundeneren Gasbahnen zu einer höheren Hermetizität führen.
Der an die Fläche des Keramikkörpers angrenzende unmaskierte Bereich ist bevorzugt ringförmig, wobei sich die Schicht in einem im Wesentlichen gleichmäßigen Abstand von der Peripherie des leitfähigen Elements erstreckt.
Die Stärke der Bindungsschicht liegt im Bereich von 0,01 µm oder 200 µm oder 0,05 µm bis 100 µm oder 0,1 µm bis 50 µm oder 0,2 µm bis 10 µm oder 0,3 µm bis 2,0 µm oder 0,4 µm bis 1,0 µm. Die Stärke der Diffusionssperrschicht liegt im Bereich von 0,05 µm bis 200 µm oder 0,10 µm bis 100 µm oder 0,1 µm bis 50 µm oder 0,2 µm bis 20 µm oder 0,3 µm bis 10 µm oder 0,4 µm bis 2 µm oder 0,5 µm bis 1,0 µm. Die Stärke der einen oder mehreren Dichtungsschichten liegt im Bereich von 0,1 µm bis 500 µm oder 0,05 µm bis 200 µm oder 0,1 µm bis 100 µm oder 0,2 µm bis 50 µm oder 0,3 µm bis 20 µm oder 0,4 µm bis 10,0 µm µm oder 0,5 µm bis 2,0 µm oder 0,6 µm bis 1,0 µm. Je dünner die Schicht, desto geringer der spezifische Widerstand, den die Schichten zur leitfähigen Kontaktstelle beitragen. Die Stärke der Schichten muss jedoch ausreichend sein, um eine starke Reaktionsbindung mit der Keramikfläche zu ermöglichen und damit die Diffusionssperrschicht die Abschwächung von Bindungsschichtkomponenten weg von der Keramikoberfläche behindert.
In einer Ausführungsform kann die Durchführung aus einem größeren, eingebrannten monolithischen Block gebildet werden, wobei mehrere Durchführungen aus dem Block herausgefräst oder abgeschnitten werden, um eine Vielzahl von Durchführungen herzustellen, wobei das leitfähige Element an beiden Enden der Durchführung bündig mit dem Keramikkörper abschließt. Weitere Einzelheiten zu dieser Herstellungstechnik sind in EP2437850 vorgesehen, die durch Bezugnahme darin aufgenommen wird.
Die leitfähigen Kontaktstellen der vorliegenden Offenbarung sind besonders vorteilhaft bei eingebrannten Durchführungen, die in kleinere Durchführungsmodule aufgeteilt wurden, wobei der Bearbeitungsprozess die Hermetizität der eingebrannten Durchführungen durch die Erzeugung von Mikrorissen innerhalb des Keramikkörpers beeinträchtigen kann. Die Verwendung der leitfähigen Kontaktstellen der vorliegenden Offenbarung kann nicht nur die Hermetizität der Durchführung wiederherstellen, sondern die Hermetizität weiter verbessern und darüber hinaus ihre Haltbarkeit verlängern.
In einer alternativen Ausführungsform weisen eine Vielzahl von Durchführungsplatten leitfähige Elemente auf, durch die leitfähige Kontaktstellen bevorzugt an einem Ende angebracht sind, wobei die leitfähigen Kontaktstellen über den Umfang der leitfähigen Kontaktstellen hinausragen.
Die Stärke der einzelnen Schichten hängt von der spezifischen Anwendung ab, wobei dünnere Stärken für Durchführungen in implantierbaren medizinischen Vorrichtungen bevorzugt werden, während stärkere Schichten für industrielle Anwendungen bevorzugt werden können, bei denen eine hohe mechanische Belastbarkeit erforderlich ist. Die Gesamtstärke der leitfähigen Kontaktstelle kann im Bereich von 0,1 µm bis 200 µm oder 1 µm bis 100 µm liegen. In einigen Ausführungsformen kann die Stärke der leitfähigen Kontaktstelle weniger als 50 µm oder weniger als 30 µm oder weniger als 25 µm oder weniger als 20 µm oder weniger als 10 µm oder weniger als 5,0 µm oder weniger als 2,0 µm betragen.
Die dünneren Schichten können mit jeder geeigneten Technik aufgetragen werden, beispielsweise mit einer Dünnschicht-Abscheidungstechnik wie dem Sputtern. Diese Techniken werden vorteilhaft mit Maskierungstechniken eingesetzt, um die Positionierung der Schichten genau steuern zu können, wodurch die leitfähigen Kontaktstellen auf die für die Ausbildung von Durchführungen hoher Dichte ausgebildeten leitfähigen Kontaktstellen aufgebracht werden können. Größere Stärken können durch Siebdrucktechniken oder dergleichen erreicht werden.
Das Aufbringen der Schichten kann durch ein Dünnschicht-Abscheidungsverfahren wie Sputtern erreicht werden. Das Verfahren zum Aufbringen der Bindungsschicht (7) auf die erste Seite (3) des Keramikkörpers (2) kann andere Dünnschicht-Abscheidungsverfahren umfassen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf chemische Abscheidung aus der Gasphase, physikalische Abscheidung aus der Gasphase oder Siebdruck oder andere in der Technik bekannte Dünnschicht-Abscheidungsverfahren.
Das Sintern kann in einem Vakuumofen bei Druckwerten im Bereich von etwa 4,0 x 10^-4 bis etwa 1,0 x 10^-7 mbar durchgeführt werden. Das Sintern kann in einem Vakuumofen bei einem Druck von weniger als etwa 1,0 x 10^-5 mbar durchgeführt werden. Das Sintern kann in anderen chemisch inerten Umgebungen durchgeführt werden, wie beispielsweise in solchen, die Ar- oder He oder H-Gase oder andere chemisch inerte Gase umfassen.
Die Evakuierung von Sauerstoff in der chemisch inerten Umgebung kann die Diffusion eines Metallelements der Bindungsschicht (7) zur Verbindungsgrenzfläche (16) fördern, um eine Reaktionsbindung (17) zu bilden.
Die Anordnung kann mit einer Aufheizgeschwindigkeit von etwa 1 °C/min bis etwa 15 °C/min erwärmt werden. Die Anordnung kann für eine vorbestimmte Zeitdauer oder Sinterzeit auf eine Sintertemperatur erwärmt werden. Die Anordnung kann zunächst auf eine Temperatur unterhalb der Sintertemperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer im Bereich zwischen etwa 2 Minuten und etwa 15 Minuten erhitzt werden, um eine thermische Homogenisierung aller Komponenten der Anordnung zu ermöglichen.
Die erforderliche Sintertemperatur variiert gemäß der Zusammensetzung der Bindungsschicht und des angrenzenden Keramikkörpers. Die Temperatur wird jedoch ausreichend sein, damit die Bindungsschicht eine Reaktionsbindung mit der angrenzenden Keramikoberfläche des Keramikkörpers eingehen kann. Dies kann bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Bindungsschicht erfolgen. Die Sintertemperatur beträgt bevorzugt zumindest 600 °C oder zumindest 800 °C oder zumindest 1000 °C oder zumindest 1100 °C. Bevorzugt ist die Sintertemperatur so hoch, dass auch die Dichtungsschicht und die Diffusionssperrschicht zur Bindungsschicht zusammengesintert werden können. Es ist darauf zu achten, dass zu hohe Sintertemperaturen, die zu übermäßiger Diffusion zwischen der mehrschichtigen leitfähigen Kontaktstelle führen können, vermieden werden. Die maximale Sintertemperatur liegt typischerweise unter der Sintertemperatur des Keramikkörpers und beträgt bevorzugt nicht mehr als 1500 °C oder nicht mehr als 1300 °C. Die spezifische Sintertemperatur und die Sinterzeit können jedoch leicht von Fachleuten auf dem Gebiet für die Sintertechnik ermittelt werden. Die Sintertemperatur kann so gewählt werden, dass die Diffusion eines Metallelements aus der Bindungsschicht in die Verbindungsgrenzfläche (16) und die Reaktionsschicht (17) ermöglicht wird.
Die Sinterzeit kann im Bereich von etwa 1 Minute bis etwa 30 Minuten, oder etwa 2 Minuten bis etwa 25 Minuten, oder etwa 3 Minuten bis etwa 20 Minuten liegen. Die Sinterzeit kann die bei der Sintertemperatur verfügbare Zeit für die Diffusion des Metallelements zur Verbindungsgrenzfläche (16) bereitstellen. Die Sinterzeit kann zur Steuerung der Stärke der Reaktionsschicht gewählt werden (17). Die Anordnung kann mit einer Abkühlgeschwindigkeit im Bereich von etwa 1 °C/min bis etwa 10 °C/min abgekühlt werden. Eine langsame Abkühlgeschwindigkeit wird zur Minimierung thermisch induzierter Restspannungen bevorzugt, die als Folge einer Fehlanpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten an der Verbindungsgrenzfläche (16) entstehen können.
Das Verfahren zur Herstellung einer Durchführungsanordnung (1) kann eine Wärmebehandlung umfassen, die die Schritte des Erwärmens der Durchführungsanordnung (1) umfasst. Die Wärmebehandlung kann nach dem Sintern der Bindungsschicht auf die erste Seite (3) des Keramikkörpers (2) angewendet werden. Die Wärmebehandlung kann ferner die leitfähige Kontaktstelle (6) verdichten. Die Wärmebehandlung kann ferner die Hermetizität der Durchführung (1) weiter verbessern.
Die durchschnittliche Korngröße nach dem Sintern und der optionalen Wärmebehandlung beträgt bevorzugt weniger als 100 nm oder weniger als 50 nm. Die durchschnittliche Verstärkungsgröße ist bei einer eingebrannten leitfähigen Kontaktstelle kleiner, wodurch die leitfähige Kontaktstelle relativ stärker wird als eine eingebrannte Version der gleichen leitfähigen Kontaktstelle.
Das Verfahren zur Herstellung einer Durchführungsanordnung (1) kann das Vorplatzieren oder Abscheiden der Bindungsschicht auf der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) beinhalten, um eine „Anordnung“ zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann das Metall/die Legierung auf die erste Seite (3) des Keramikkörpers (2) aufgebürstet oder lackiert werden, zum Beispiel in Ausführungsformen, in denen das Metall/die Legierung in Form einer Paste vorliegt. Die Anordnung kann anschließend in einem Vakuumofen zum Sintern montiert werden. Wie Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, können Vorrichtungen oder Fittings verwendet werden, um die Baugruppe während des Sinterns zu stützen, und eine Last kann angewendet werden, um die gesinterte Baugruppe während des Sinterns zu sichern.
Ein Verfahren zur Verbindung der leitfähigen Kontaktstelle mit einer weiteren elektrischen Bahn kann unter Verwendung einer Vielzahl möglicher Verbindungstechniken erreicht werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Schweißen, Löten, Hartlöten, Diffusionsbonden, laserunterstütztes Diffusionsbonden, Laserschweißen, Thermoschallbonden, Ultraschallbonden, Löten oder Flip-Chip-Bonden oder andere bekannte Verbindungstechniken, die in der Technik bekannt sind und von Fachleuten geschätzt werden.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung stellt eine Schicht einen dünnen Materialfilm dar, der eine ähnliche elementare Zusammensetzung (z. B. dieselbe Hauptkomponente) aufweist. Die elementare Zusammensetzung kann innerhalb der Schicht variieren, wobei es jedoch einen diskreten oder Übergangsbereich gibt, der eine Schicht von einer angrenzenden Schicht trennt. Ein elementarer Zeilenscan (8) kann ein Verfahren zur Identifizierung und Unterscheidung der Schichten der leitfähigen Kontaktstelle sein. Zur Unterscheidung zwischen den Schichten der leitfähigen Kontaktstelle können auch optische Variationen verwendet werden.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Bezugnahme auf die Durchführungsanordnung die Bezugnahme auf die ungesinterte Durchführungsanordnung (Vorläufer der Durchführungsanordnung), sofern nicht anders angegeben oder im Rahmen der Patentschrift anderweitig ersichtlich.
Jede der Bindungsschicht, der Diffusionssperrschicht und einer oder mehrerer Dichtungsschichten kann eine andere Zusammensetzung umfassen und bevorzugt jeweils ein anderes Hauptelement (d.h. das Element mit der höchsten Konzentration innerhalb der Schicht) aufweisen.
Figurenliste
Ausführungsformen werden jetzt nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, die gleichlautende Bezugsziffern aufweisen, wobei:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung der Durchführungsanordnung der vorliegenden Offenbarung in einer ersten möglichen Ausführungsform zeigt.
2a eine schematische Querschnittsdarstellung der Durchführungsanordnung der vorliegenden Offenbarung in einer zweiten möglichen Ausführungsform zeigt.
2b eine schematische Querschnittsdarstellung der Durchführungsanordnung der vorliegenden Offenbarung in einer dritten möglichen Ausführungsform zeigt.
3 eine schematische Querschnittsdarstellung der Durchführungsanordnung der vorliegenden Offenbarung in einer vierten möglichen Ausführungsform zeigt.
4 eine schematische Querschnittsdarstellung der Durchführungsanordnung der vorliegenden Offenbarung in einer fünften möglichen Ausführungsform zeigt.
5 eine REM-Schnittaufnahme eines Teils der Durchführungsanordnung der gegenwärtigen Offenbarung, die der fünften möglichen Ausführungsform entspricht, zeigt.
6 einen vergrößerten Abschnitt der REM-Schnittaufnahme von 5 zeigt.
7 ein Foto einer Vielzahl von leitfähigen Kontaktstellen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
8 einen von der Durchführungsanordnung von 6 aufgenommenen EDS-Zeilenscan zeigt.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Offenbarung sieht eine verbesserte Durchführungsvorrichtung vor. Die Durchführung kann Anordnungen umfassen, die Metall- und Keramikkomponenten umfassen. Die Durchführung kann zur Übertragung von Signalen, hohen Spannungen, hohen Strömen, Gasen oder Flüssigkeiten verwendet werden. Die Durchführung kann elektrische Isolierung und hohe mechanische Festigkeit bieten. Die Durchführung kann hermetisch abgedichtet sein und ein ultrahohes Vakuum und eine Verbindungsintegrität aufrechterhalten, die auch bei erhöhten Temperaturen, unter kryogenen Bedingungen oder in rauen Umgebungen wie im menschlichen oder tierischen Körper aufrechterhalten wird.
Das Sintern ist eines der industriell bevorzugten Verfahren zur Beschichtung von Keramik, bei dem ein Metall/eine Legierung bei über 450 °C auf eine Keramikoberfläche gesintert wird. Die Verwendung von Metall/Legierungen kann zu einer schlechten Benetzung von chemisch inerten Keramikoberflächen und zur Erzeugung von thermisch induzierten Restspannungen beim Abkühlen aufgrund eines Ungleichgewichts des Wärmeausdehnungskoeffizienten an der Grenzfläche zwischen Keramik und Bindungsschicht führen, wodurch die gesinterte Beschichtung vorzeitig versagen kann. Wie Fachleute erkennen werden, umfasst die Beschichtung der Keramikgrenzfläche den Grenzflächenbereich entlang der Oberflächen von zwei oder mehr Materialien, die in Kontakt oder miteinander verbunden sind.
Die vorliegende Offenbarung nutzt die Verwendung einer mehrschichtigen leitfähigen Kontaktstelle, um die vorstehend genannten Probleme zu überwinden. Das Sintern unter Verwendung einer mehrschichtigen leitfähigen Kontaktstelle erhöht die Fähigkeit, eine dauerhafte und langanhaltende hermetische Abdichtung bereitzustellen.
Gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung zeigt 1 eine schematische Querschnittsdarstellung der Durchführungsanordnung (1) der vorliegenden Offenbarung in einer ersten möglichen Ausführungsform. Die Durchführungsanordnung (1) umfasst einen Keramikkörper (2) mit einer ersten Seite (3) und einer zweiten Seite (4) und ein leitfähiges Element (5), das sich durch den Keramikkörper (2) zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite (4) erstreckt. Eine leitfähige Kontaktstelle (6) ist elektrisch mit dem leitenden Element (5) verbunden, wobei die leitfähige Kontaktstelle (6) mit der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) durch eine Bindungsschicht (7) verbunden ist, wobei eine Diffusionssperrschicht (8) vorgesehen ist, um die Diffusion von Komponenten der Bindungsschicht von der Verbindungsgrenzfläche (16) oder der reaktiven Schicht (17) zu verhindern, wodurch die Haftung der leitfähigen Kontaktstelle an dem Keramikkörper geschwächt wird. Eine weitere Dichtungsschicht (9) ist vorgesehen, um die Bindung an weitere elektrische Bahnen zu erleichtern, an die die Durchführungsanordnung angeschlossen werden kann. Eine optionale zweite leitfähige Kontaktstelle (6a) ist in ähnlicher Weise mit der zweiten Seite (4) verbunden.
In einer Ausführungsform umfasst der Keramikkörper (2) Aluminiumoxid, ein kostengünstiges keramisches Material mit ausgezeichneter Feuerfestigkeit, elektrischer Isolierung, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, das sich für den Einsatz in Vakuumdurchführungen und Hochspannungsisolationsanwendungen eignet. In einer anderen Ausführungsform umfasst der Keramikkörper (2) ZTA, das eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit bietet. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Keramikkörper (2) YSZ.
Das ausgewählte Keramikmaterial kann von der Anwendung abhängen. Beispielsweise kann Aluminiumoxid für koaxiale Ultrahochvakuumdurchführungen ausgewählt werden, die in der Signalübertragung, der Teilchenphysik, der Dünnfilmabscheidung oder bei Ionenstrahlanwendungen verwendet werden, wobei die ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften eine Hochspannungsisolation mit geringer Signaldämpfung ermöglichen. Optional kann der Keramikkörper (2) ein polykristallines oder monokristallines Aluminiumoxid umfassen.
Die leitfähige Kontaktstelle (6), die elektrisch mit dem leitfähigen Element (5) verbunden und an die erste Seite (3) des Keramikkörpers (2) gebondet ist, weist erwiesenermaßen eine verbesserte Hermetizität der Durchführung (1) auf. Die leitfähige Kontaktstelle (6) ist durch eine Bindungsschicht (7) mit der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) verbunden. Die Bindungsschicht (7) umfasst ein Metall oder eine Legierung, die eine Reaktionsbindung mit dem Keramikkörper eingehen kann. Die darüberliegende Diffusionssperrschicht erhöht ferner die hermetische Abdichtung durch Verringerung der Gasdurchlässigkeit durch die leitfähige Kontaktstelle (6) sowie die Verbesserung der Haltbarkeit der Reaktionsbindung durch Verhinderung der Diffusion von Komponenten der Bindungsschicht. Die mehrschichtige Anordnung der durch die leitfähige Kontaktstelle (6) bereitgestellten Komponenten bietet eine Durchführungsanordnung mit verbesserter Hermetizität und Leistung und fungiert gleichzeitig als „Zwischenverbindung“ für weitere elektrische Verbindungen zum leitfähigen Element (5).
Das leitfähige Element (5) kann jedes geeignete leitfähige Material wie Pt oder Pt/Ir-Legierung umfassen. Das leitfähige Element (5) kann andere leitfähige Elemente oder Materialien umfassen. Das leitfähige Element (5) erstreckt sich durch den Keramikkörper (2) zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite (4).
Unter Bezugnahme auf die 2a und 2b umfasst das leitfähige Element (5) in anderen Ausführungsformen eine Vielzahl von leitfähigen Unterelementen (5a). Die Vielzahl leitfähiger Unterelemente (5a) kann eine dicht gepackte Durchführung vorsehen. Die Vielzahl leitfähiger Unterelemente (5a) kann eine Durchführung (1) mit einem oder mehreren elektrischen Leitern bilden, um die Gesamtzahl der E/A-Signale wie für bestimmte Anwendungen erforderlich zu erhöhen. Die leitfähige Kontaktstelle (6) kann zumindest mit einem der leitfähigen Unterelemente (5a) elektrisch verbunden sein. Jedes der Vielzahl leitfähiger Unterelemente (5a) kann einen oder mehrere Leiter mit unterschiedlichen Eigenschaften umfassen, zum Beispiel einen ersten Stift, der Pt umfasst, einen zweiten Stift, der Ir umfasst, und einen Draht, der Pt und Ir umfasst.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 2b kann das leitfähige Element (5) oder eine Vielzahl von leitfähigen Unterelementen (5a), die sich durch den Keramikkörper (2) zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite erstrecken, zumindest ein erstes Ende (14, 14a) proximal zu der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) und ein zweites Ende (15, 15a) proximal zu der zweiten Seite (4) des Keramikkörpers (2) umfassen. In einer Ausführungsform sind das erste Ende (14, 14a) und das zweite Ende (15, 15a) des leitfähigen Elements (5) oder einer Vielzahl von leitfähigen Unterelementen (5a) ausgebildet, um im Wesentlichen parallel oder bündig mit der ersten Seite (3) bzw. der zweiten Seite (4) des Keramikkörpers (2) zu sein. Das erste Ende (14, 14a) und das zweite Ende (15, 15a) des leitfähigen Elements (5) oder der Vielzahl leitfähiger Unterelemente (5a) können flach geerdet werden, um bündig mit der ersten Seite (3) bzw. der zweiten Seite (4) des Keramikkörpers (2) zu sein. Optional können das erste Ende (14, 14a) und das zweite Ende (15, 15a) des leitfähigen Elements (5) oder der Vielzahl leitfähiger Unterelemente (5a) aus der ersten Seite (3) bzw. der zweiten Seite (4) des Keramikkörpers (2) hervorstehen. Optional können das erste Ende (14, 14a) und das zweite Ende (15, 15a) des leitfähigen Elements (5) oder der Vielzahl leitfähiger Unterelemente (5a) in die erste Seite (3) bzw. die zweite Seite des Keramikkörpers (2) versenkt werden.
Wie in 2b dargestellt, kann die Durchführung die Vielzahl leitfähiger Elemente (5) umfassen, wobei sich jedes leitfähige Element (5) von einer ersten Seite (3) zu einer zweiten Seite (4) erstreckt und von dem Keramikkörper (2) umschlossen wird.
Die leitfähige Kontaktstelle (6) stellt in einer Ausführungsform eine Leiterbahn für das leitfähige Element (5) dar. In einer anderen Ausführungsform sieht die leitfähige Kontaktstelle (6) eine Leiterbahn zu einer Vielzahl von leitfähigen Unterelementen (5a) vor. In einer weiteren Ausführungsform kann die Durchführung (1), wie nachfolgend erörtert, ferner eine zweite leitfähige Kontaktstelle (6a) umfassen, die elektrisch mit dem leitenden Element (5) verbunden ist, wobei die zweite leitfähige Kontaktstelle (6b) mit der zweiten Seite (4) des Keramikkörpers (2) verbunden ist. Die leitfähige Kontaktstelle (6) kann durch das leitfähige Element (5) elektrisch mit der zweiten leitfähigen Kontaktstelle (6a) verbunden sein.
Die leitfähige Kontaktstelle (6) wirkt als eine „Zwischenverbindung“ für weitere elektrische Verbindungen mit dem leitfähigen Element (5). In einer anderen Ausführungsform stellt die leitfähige Kontaktstelle eine erste Drahtbonding-Stelle und eine zweite leitfähige Kontaktstelle (6a) eine zweite Drahtbonding-Stelle für weitere elektrische Verbindungen bereit, die mit der Durchführung (1) verbunden werden. Die leitfähige Kontaktstelle (6) und die zweite leitfähige Kontaktstelle (6a) können jeweils „Zwischenverbindungen“ für weitere elektrische Verbindungen mit dem leitfähigen Element (5) vorsehen.
In Ausführungsformen, bei denen die weiteren elektrischen Verbindungen zu der leitfähigen Kontaktstelle durch mechanische Verbindungen, wie z. B. Klemmen, hergestellt werden, umfasst die Verbindungsstelle bevorzugt eine harte Oberfläche. Solche harten Oberflächen können direkt aus der Bindungsschicht oder durch die Auswahl einer äußeren Schicht mit der erforderlichen Härte erhalten werden. In einer bestimmten Ausführungsform wird die harte Oberfläche aus einer mehrschichtigen Struktur gebildet, die eine Bindungsschicht und eine Diffusionssperrschicht umfasst.
Wie Fachleute erkennen werden, kann das leitfähige Element (5) oder die Vielzahl leitfähiger Unterelemente (5a) in eine Keramikmatrix eingebettet und verdichtet werden, um einen Grünkörper zu bilden, der anschließend co-gesintert werden kann, um den Grünkörper zu verdichten und ihm mechanische Festigkeit zu verleihen, wobei die Verdichtung eine Durchführung (1) bildet, die das leitfähige Element (5) oder die Vielzahl leitfähiger Unterelemente (5a) umfasst. Die leitfähigen Kontaktstellen (6), die den jeweiligen leitfähigen Unterelementen (5a) entsprechen, sind durch einen Spalt (X) voneinander beabstandet, der der Lage und Größe der Maske entspricht, die bei der Abscheidung der leitfähigen Kontaktstellenschichten (6) verwendet wurde.
In einer Ausführungsform wird das leitfähige Element (5) oder die Vielzahl leitfähiger Unterelemente (5a) zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite (4) an den Keramikkörper (2) hartgelötet, wobei eine hartgelötete Grenzfläche (12a) gebildet wird. Die hartgelötete Grenzfläche (12a) kann aus einer Hartlötfülllegierung bestehen, die ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus der Liste, bestehend aus Au, Cu, Ag, Ti, Ni oder Kombinationen oder Legierungen davon enthält. Die hartgelötete Grenzfläche (12a) kann ferner ein oder mehrere Elemente umfassen, die aus dem Keramikkörper (2) stammen. In einer anderen Ausführungsform befindet sich das leitfähige Element (5) oder die Vielzahl leitfähiger Unterelemente (5a) in hartlötfreiem Kontakt mit dem Keramikkörper (2) zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite (4), wodurch eine hartlötfreie Grenzfläche (12b) gebildet wird. Die hartlötfreie Grenzfläche (12b) kann einen engeren Abstand zwischen dem leitfähigen Element (5) und dem Keramikkörper (2) aufgrund des Fehlens einer Hartlötfülllegierung ermöglichen. Optional kann die hartlötfreie Grenzfläche (12b) einen engeren Stift-zu-Stift-Abstand zwischen der Vielzahl leitfähiger Unterelemente (5a) aufgrund des Fehlens einer Hartlötfülllegierung ermöglichen.
Die leitfähigen Kontaktstellen (6, 6a) bieten eine hermetische Barriere oder hermetische Abdichtung, eine luftdichte Abdichtung, die den Durchgang von Luft, Sauerstoff oder anderen Gasen verhindern kann. Die Hermetizität oder Leckdichtheit einer Komponente kann mit einer Vielzahl von in der Technik bekannten Verfahren geprüft werden, einschließlich Lecktests. Die Dichtheitsprüfung ist ein zerstörungsfreies Verfahren zum Lokalisieren und Messen der Größe von Lecks in oder aus einer Komponente unter Vakuum oder Druck. Ein Tracergas wird in die Komponente eingebracht, die an einen Lecksucher angeschlossen ist. Die Heliumleckprüfung ist ein wirksames Verfahren zur Prüfung der Hermetizität aufgrund der relativ kleinen Atomgröße der Heliumatome, die leicht durch alle Lecks in der Komponente hindurchtreten können. Es können Leckraten mit einer He-Hermetizität von nur 1,0 x 10^-10 cc-atm/s nachgewiesen werden. Für eine Komponente, die wasserdicht sein muss, wäre beispielsweise eine Leckrate mit einer He-Hermetizität von 1,0 x 10^-4 cc-atm/s ausreichend. Bei einem Heliumlecktest wird eine Druckdifferenz zwischen einer Innenseite und einer Außenseite einer zu untersuchenden Komponente erzeugt.
In einigen Ausführungsformen weist die leitfähige Kontaktstelle (6) eine Mohs-Härte von zumindest 2,5 oder zumindest 3,0 oder zumindest 3,5 oder zumindest 4,0 oder zumindest 4,5 auf. Ein hoher Härtewert ermöglicht mechanische Verbindungen, wie beispielsweise weitere elektrische Verbindungen, die mechanisch an die erste Drahtbonding-Stelle geklemmt werden, die von der Oberseite der leitfähigen Kontaktstelle (6) bereitgestellt wird. Bei Anwendungen, die mechanische Verbindungen erfordern, können die Eigenschaften der Diffusionssperrschicht (8), einschließlich Härte und Festigkeit, ausreichend sein, ohne dass eine oder mehrere separate äußere Dichtungsschichten (9) erforderlich sind, wie im Folgenden beschrieben wird.
Die Bindungsschicht kann Legierungselemente umfassen, die ein aktives Metallelement in einer aktiven Legierung enthalten können. Die Legierungselemente können die Diffusion eines aktiven Metallelements zur ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) bei der Bildung einer hermetischen Abdichtung erleichtern oder fördern. Die Legierungselemente können die Diffusion des aktiven Metallelements an die Verbindungsgrenzfläche (16) bei der Bildung einer hermetischen Abdichtung erleichtern oder fördern.
Die Legierungselemente können ein oder mehrere Elemente mit einer geringen „chemischen Affinität“ zu dem aktiven Metallelement umfassen. Wie Fachleute erkennen werden, kann die geringe chemische Affinität eine geringe Löslichkeit zur Bildung von Phasen oder eine geringe Neigung zur Bildung von Verbindungen zwischen dem aktiven Metallelement und den Legierungselementen umfassen.
Das aktive Metallelement in der Bindungsschicht kann abhängig vom zu sinternden Keramikmaterial ausgewählt werden, zum Beispiel kann Ti für einen Aluminiumoxid-Keramikkörper (2) ausgewählt werden. Das gewählte aktive Metallelement kann von dem Metall oder den Legierungselementen in der Bindungsschicht und der chemischen Affinität zwischen dem/den aktiven Metallelement(en) abhängen, sodass die Diffusion des aktiven Metallelements zur Verbindungsgrenzfläche (16) bei der Bildung einer hermetischen Abdichtung oder einer aktiven gesinterten Abdichtung nicht behindert wird.
Das aktive Metallelement oder die Legierungselemente, die bei der Bildung einer geeigneten aktiven Bindungsschicht ausgewählt werden, können ferner von den physikalischen Eigenschaften der gewünschten aktiven Legierung abhängen, wie z. B. Festigkeit, Härte, Wärmeausdehnungskoeffizient, Liquidustemperatur, Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und elektrische Leitfähigkeit.
Die Bindungsschicht kann ein oder mehrere aktive Metallelemente oder ein oder mehrere Legierungselemente umfassen, um eine Legierung mit einer eutektischen Temperatur aufzuweisen, die eine reduzierte Sintertemperatur ermöglicht. Die Legierungselemente können eine Legierung bilden, die eine eutektische Temperatur aufweisen und dadurch eine reduzierte Sintertemperatur ermöglichen. Eine reduzierte Sintertemperatur kann dazu beitragen, die Erzeugung von thermisch induzierten Restspannungen aufgrund einer Fehlanpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten an der Verbindungsgrenzfläche (16) zu minimieren.
In einigen Ausführungsformen kann die Bindungsschicht von einer ein- oder mehrschichtigen Struktur mit einer oder mehreren Schichten abgeleitet sein. Jede Schicht kann unterschiedliche Metalle umfassen, die eine eutektische Temperatur aufweisen, wenn sie während des Sinterprozesses zu einer Legierung geformt werden.
Bezugnehmend auf 3 umfasst die Bindungsschicht (7), die eine aktive Hartlötlegierung umfasst, in einer anderen Ausführungsform eine Reaktionsschicht (17), die proximal zur ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) liegt und eine oder mehrere Schichten (18) aufweist.
In einer Ausführungsform umfassen die eine oder mehreren Schichten (18) eine erste Schicht (18a) und eine zweite Schicht (18b), wobei die erste Schicht (18a) proximal zu der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) liegt und die zweite Schicht (18b) auf die erste Schicht (18a) gebondet ist. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Reaktionsschicht (17) die erste Schicht (18a). In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Reaktionsschicht (17) die zweite Schicht (18b). In einigen Ausführungsformen umfasst der Keramikkörper (2) beispielsweise eine Aluminiumoxidkeramik und die Bindungsschicht ein aktives Metallelement und Legierungselemente. Die Legierungselemente umfassen eine eutektische Ag-Cu-Legierung mit etwa 72 Gew.-% Ag und etwa 28 Gew.-% Cu. In einer Ausführungsform umfasst das aktive Metallelement Ti im Bereich von etwa 1,75 bis etwa 4,5 Gew.-%. Die Reaktionsschicht (17) umfasst die erste Schicht (18a), die eine dünne (z. B. nanometerdicke) TiO-Schicht umfasst, und die zweite Schicht (18b), die ein Ti₃Cu₃O umfasst. In einer anderen Ausführungsform umfasst das aktive Metallelement Ti im Bereich von weniger als 1,75 Gew.-%. Die Reaktionsschicht (17) umfasst die erste Schicht (18a), die eine dünne TiO-Schicht umfasst. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das aktive Metallelement Ti im Bereich von mindestens 4,5 Gew.-%. Die Reaktionsschicht (17) umfasst die zweite Schicht (18b), die Ti₃Cu₃O umfasst.
Beispiel 1
Eine eingebrannte Aluminiumoxid-Pt/Ir-Durchführung (Durchmesser 50,8 µm) wurde aus einem größeren Block geschnitten (1 mm Stärke) und anschließend geschliffen und flach geläppt, wobei R_a weniger als 10 µm beträgt.

1. Maskieren der Durchführung, sodass nur der Bereich der vorgeschlagenen leitfähigen Kontaktstelle über dem Stift zum Sputtern freigelegt wird.
2. Abscheiden einer Titanschicht von etwa 400 nm Stärke, die sich radial um zumindest etwa 100 µm auf der Oberseite des Keramiksubstrats erstreckt, auf einen Stift.
3. Abscheiden einer Niobschicht von etwa 2,0 µm Stärke durch Sputtern.
4. Abscheiden einer Nickel/Chrom (80/20) -Schicht von etwa 1 µm Stärke durch Sputtern.
5. Sputterbeschichten einer abschließenden Goldschicht von etwa 0,5 µm Stärke.
6. Sintern der Anordnung bei 1100 °C für etwa 30 Minuten.

Eine Variante der obigen Methode besteht darin, zunächst die Niob- und die Titanschicht bei 1100 °C etwa 30 Minuten lang zu sintern, bevor die dritte und die vierte Schicht gesputtert werden, wonach die Anordnung etwa 10 Minuten lang bei 950 °C gesintert wird.
Eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus des Vorläufers des oben genannten Beispiels für die Durchführung ist in 4 dargestellt. Die erste Seite (3) des Keramikkörpers (2) wird vor dem Sintern mit einer mehrschichtigen leitfähigen Kontaktstelle (6) versehen. Die Bindungsschicht (7) umfasst Ti; die Barrierediffusionsschicht (8) umfasst Nb; die erste Dichtungsschicht (9a) umfasst Ni und die zweite (obere) Dichtungsschicht (9b) umfasst Au. Nach dem Sintern können die erste und die oberste Dichtungsschicht ineinander dispergieren und eine einzige Au-Ni-Legierungsschicht bilden.
5 ist eine Rasterelektronenmikroskop (REM-)Schnittaufnahme, die einen Querschnitt der Durchführung, einschließlich der leitfähigen Kontaktstelle, gemäß der in 4 dargestellten Ausbildung nach dem Sinterschritt beinhaltet. Die Rauigkeit (R_max) der leitfähigen Kontaktstelle wird auf weniger als 1,0 µm geschätzt.
6 zeigt einen Abschnitt der leitfähigen Kontaktstelle (6), der durch Reaktion mit der Oberfläche der ersten Seite (3) des Keramikkörpers (2) verbunden ist. Ein EDS-Zeilenscan (50; 8) ergab, dass die Ti-Bindungsschicht (7) die Stärke von ca. 400 nm und die Nb-Diffusionssperrschicht (8) die Stärke von ca. 2 µm aufwies. Der Zeilenscan zeigt auch, dass eine geringe Menge an Titan in die Diffusionssperrschicht diffundiert ist (z. B. < weniger als etwa 500 nm), bevor die Titan-Intensitätspegel einen Hintergrundgeräuschpegel erreichten, was bedeutet, dass keine nachweisbaren Titanpegel vorhanden waren. Ohne die Diffusionssperrschicht ist es wahrscheinlich, dass die Titan-Bindungsschicht und die Dichtungsschichten ineinander diffundiert sind und die Bindung oder deren Langlebigkeit zwischen der Bindungsschicht und dem Keramiksubstrat geschwächt haben.
Der Zeilenscan (8) zeigt auch, dass die erste Dichtungsschicht (9a) und die zweite Dichtungsschicht (9b) ineinander diffundiert sind und eine einzige Dichtungsschicht aus einer Ni-Au-Legierung mit einer Stärke von etwa 1,5 µm aufweisen. Der Zeilenscan zeigt auch einen Grad der Diffusion von Nickel und Gold in die Niob-Diffusionssperrschicht.
Hermetizität

Die Hermetizitätstests wurden an neun Proben der Durchführung mit und ohne leitfähige Kontaktstelle durchgeführt. Die leitfähige Kontaktstelle wurde aus einer vierschichtigen Anordnung abgeleitet, wie in 4 dargestellt, die gesintert wurde, um die Durchführungsanordnung von 5 herzustellen. Die Durchführungen wurden unter Verwendung des Protokolls der MIL-STD-883 Testmethode 1014 und der Testbedingung auf Hermetizität getestet. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Hermetizitätstests, die gemäß dem hierin erörterten Verfahren an neun Proben dieser Ausführungsform durchgeführt wurden. Tabelle 1

	Heliumleckrate (cc·atm/s)
Beispiel	Ohne leitfähige Kontaktstelle	Mit leitfähiger Kontaktstelle
1	6,4×10^-10	8,2×10^-11
2	5,2×10^-9	3,1×10^-10
3	1,3×10^-9	6,1×10^-11
4	1,9×10^-10	2,2×10^-10
5	4,2×10^-6	3,1×10^-8
6	3,9×10^-7	1, 6×10^—8g
7	8,2×10^-6	3,3×10^-9
8	7,1 ×10^-6	2,4×10^-9
9	4,8x10^-6	3,1 x 10^-9
Durchschnitt	2,7x10^-6	9,4x10^-9

Die Hermetizitätstests wurden anschließend wiederholt, nachdem die leitfähige Kontaktstelle mit der ersten Seite des Keramikkörpers verbunden wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die leitfähige Kontaktstelle die Durchführung mit einer verbesserten hermetischen Abdichtung oder einer gesinterten Abdichtung über der ersten Seite des Keramikkörpers versah. Bei jeder Probe wurde eine Zunahme der He-Hermetizität (Verringerung der He-Permeabilität) beobachtet. Die durchschnittliche He-Hermetizität stieg bei den neun Proben von 2,7 x 10^-6 cc-atm/s auf 9,4 x 10^-9 cc-atm/s.
Spezifischer Widerstand
Der spezifische Widerstand (bei Raumtemperatur) der Durchführung von Beispiel 1 wurde mit und ohne die leitfähige Kontaktstelle gemessen, wobei die Ergebnisse (Tabelle 2) bestätigen, dass die leitfähige Kontaktstelle in der Lage ist, eine hohe Leitfähigkeit der Durchführungsanordnung aufrechtzuerhalten. Tabelle 2

Pt/Ir (90/10) + leitfähige Kontaktstelle % Änderung

Mittlerer spezifischer Widerstand (Ω.cm) 2,78 x 10^-5 3,79 x 10^-5 36

Standardabweichung (Ω.cm) 3,65 x 10^-6 9,10 x 10^-6 -
Auswirkung des Sinterschritts
Wie in 7 dargestellt, wurde eine Durchführungsanordnung ähnlich wie in Beispiel 1 mit einem eingebrannten Zirkoniumoxid-gehärteten Aluminiumoxidsubstrat (100) mit fünf Pt/Ir-Stiften mit 50 µm Durchmesser und einem Mittenabstand von etwa 620 µm gebildet. Das Keramiksubstrat hatte eine Stärke von ca. 1 mm und wurde aus einem monolithischen Durchführungsblock gefertigt. Jeder der Stifte wies eine längliche leitfähige Kontaktstelle auf, die gesputtert, beschichtet und gesintert wurde. Die geschätzte Rauigkeit (R_max) der leitfähigen Kontaktstelle wird auf weniger als 1,0 µm geschätzt.
Jede länglich geformte leitfähige Kontaktstelle wies eine Breite von ca. 420 µm (radiale Überlappung von ca. 185 µm) und eine Länge von ca. 800 µm (d. h. 375 µm radiale Überlappung) auf. Der Abstand „A“ zwischen angrenzenden leitfähigen Kontaktstellen betrug etwa 200 µm.
Die zweite Seite wurde durch Sputtern beschichtet und mit der länglich geformten leitfähigen Kontaktstelle gesintert, die Schichten aus Ti und Nb derselben Stärke und desselben Durchmessers umfasst, gefolgt von einer Ni/V-Legierungsschicht (75 nm) und einer Au-Deckschicht von 450 nm.
Vor und nach dem Sinterschritt wurde an der Durchführung ein Hermetizitätstest durchgeführt, dessen Ergebnisse in Tabelle 3 aufgeführt sind. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Sintern die Menge an Helium, die durch die Durchführung austritt, erheblich reduziert. Der Rückgang der Heliumleckage ist möglicherweise auf die Reaktionsbindungsschicht zurückzuführen, die an der Keramik-Ti-Grenzfläche zusätzlich zum Sinterschritt, der die Schichten der leitfähigen Kontaktstelle verdichtet, erzeugt wird. Tabelle 3

Heliumleckrate (cc·atm/s)

Beispiel Kein Sintern Erste Seite gesintert

1 1,6x10^-8 1,7x10^-11

2 6,4x10^-9 8,8x10^-11

3 2,4x10^-10 3,6x10^-10

Durchschnitt 1,0x10^-9 3,6x10^-11
Die leitfähigen Kontaktstellen wurden auch auf ihre Haftung auf der Keramikoberfläche untersucht. Beim Anbringen und Entfernen von Klebefolie auf der ungesinterten ersten Seite der Durchführung wurde beobachtet, dass ein erheblicher Anteil der leitfähigen Kontaktstellen mit der Klebefolie entfernt wurde. Die leitfähigen Kontaktstellen wurden jedoch nicht entfernt, als die Klebefolie auf die gesinterte erste Seite der Durchführung aufgeklebt wurde. Die gesinterten leitfähigen Kontaktstellen wurden dann mit Golddrähten widerstandsgeschweißt. Zur Beurteilung der Festigkeit der Verbindung wurde eine Pinzette verwendet, wobei die Verbundfestigkeit als ausgezeichnet bewertet wurde. Die Testergebnisse bestätigen das Vorhandensein einer Reaktionsbindung zwischen der Bindungsschicht und dem Keramiksubstrat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8872035 [0047]
EP 2437850 [0083]

Claims

Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1), umfassend: einen Keramikkörper (2) mit einer ersten Seite (3) und einer zweiten Seite (4); ein leitfähiges Element (5), das sich durch den Keramikkörper (2) zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite (4) erstreckt; eine leitfähige Kontaktstelle (6), die elektrisch mit dem leitfähigen Element (5) verbunden ist; wobei die leitfähige Kontaktstelle (6) eine mehrschichtige Anordnung umfasst, umfassend: (i) eine Bindungsschicht (7), umfassend ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Zr, Nb und V, wobei die Bindungsschicht in Verbindungskontakt mit einem Ende des leitfähigen Elements und der ersten Seite oder der zweiten Seite des Keramikkörpers steht; und (ii) eine Diffusionssperrschicht (8), umfassend ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nb, Ta, W, Mo und Nitriden davon besteht, wobei die Diffusionsschicht eine andere Zusammensetzung aufweist als die Bindungsschicht; und/oder (iii) eine oder mehrere Dichtungsschichten (9, 9a, 9b), die auf der Bindungsschicht oder der Diffusionssperrschicht angeordnet sind.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach Anspruch 1, wobei die mehrschichtige Anordnung eine oder mehrere Dichtungsschichten (9, 9a, 9b) umfasst, die auf der Diffusionssperrschicht angeordnet sind, die auf der Bindungsschicht angeordnet ist, wobei die eine oder mehreren Dichtungsschichten jeweils eine andere Zusammensetzung aufweisen als die Diffusionssperrschicht.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach Anspruch 1, wobei die mehrschichtige Anordnung eine oder mehrere Dichtungsschichten (9, 9a, 9b) umfasst, die auf der Bindungsschicht (7) angeordnet sind, wobei die eine oder mehreren Dichtungsschichten jeweils eine andere Zusammensetzung im Vergleich zu der Bindungsschicht aufweisen.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine der mehreren Dichtungsschichten (9, 9a, 9b) ein oder mehrere Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Pt, Au, Ni, Pd, Cr, V und Co.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine von mehreren Dichtungsschichten (9, 9a, 9b) ein oder mehrere Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Pt, Au, Ni, Pd.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bindungsschicht (7) ferner ein oder mehrere Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Mo, Ta, W und Hf.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bindungsschicht (7) Ti umfasst oder aus Ti besteht.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diffusionssperrschicht (8) ein oder mehrere Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Nb, Ta, W und deren Nitriden.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diffusionssperrschicht (8) Nb oder deren Nitride umfasst.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bindungsschicht (7) Ti umfasst; die Diffusionssperrschicht (8) Nb umfasst; und die eine oder mehreren Dichtungsschichten (9, 9a, 9b) Ni und/oder Au umfasst bzw. umfassen.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diffusionssperrschicht (8) eine andere Hauptelementkomponente aufweist als die Bindungsschicht (7).
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bindungsschicht (7) und/oder eine optionale Diffusionssperrschicht (8) eine Stärke im Bereich von 0,01 µm bis 10 µm aufweist.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach Anspruch 12, wobei die eine oder mehreren Dichtungsschichten (9, 9a, 9b) eine Stärke aufweisen, die zwischen 1,5 bis 100 Mal größer ist als die kombinierte Stärke der Bindungsschicht (7) und der optionalen Diffusionssperrschicht (8).
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl leitfähiger Elemente, wobei die Dichte der leitfähigen Elemente (5) durch einen planaren Querschnitt des Keramikkörpers (2) 1 Leiter pro 100.000 µm² übersteigt.
Durchführungsanordnung oder deren Vorläufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchführungsanordnung eine He-Permeabilität von weniger als 1,0 x 10^-7 cc-atm/s aufweist.
Implantierbare medizinische Vorrichtung, umfassend die Durchführungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1-15.
Verfahren zur Herstellung einer Durchführungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1-15, umfassend die folgenden Schritte: A. Bereitstellen einer Durchführungsanordnung, umfassend: einen Keramikkörper (2) mit einer ersten Seite (3) und einer zweiten Seite (4); ein leitfähiges Element (5), das sich durch den Keramikkörper (2) zwischen der ersten Seite (3) und der zweiten Seite (4) erstreckt; B. Falls erforderlich, Bearbeiten eines Endes des leitfähigen Elements (5), sodass das Ende des leitfähigen Elements (5) im Wesentlichen bündig oder anderweitig zu einer angrenzenden Oberfläche des Keramikkörpers (2) versetzt ist; C. Optionales Maskieren des Bereichs um das Ende des leitfähigen Elements (5), sodass es einen unmaskierten Bereich gibt, der das Ende des leitfähigen Elements (5) und einen Abschnitt der angrenzenden Oberfläche freilegt; D. Abscheiden einer Bindungsschicht (7) auf das Ende des leitfähigen Elements (5) und einen Abschnitt der angrenzenden Oberfläche des Keramikkörpers, wobei die Bindungsschicht (7) ein oder mehrere Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Zr, Nb und V; E. Abscheiden • einer Diffusionssperrschicht (8) auf die Bindungsschicht (7), die ein oder mehrere Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Nb, Ta, W, Mo und deren Nitriden; und/oder • einer oder mehrerer Dichtungsschichten (9, 9a, 9b) auf die Diffusionssperrschicht (8) oder auf die Bindungsschicht (7); und F. Sintern zumindest der Bindungsschicht (7) an den Keramikkörper (2) bei ausreichender Temperatur, damit die Bindungsschicht (7) eine Reaktionsbindung mit einer Oberfläche des Keramikkörpers (2) eingehen kann.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die vorgesehene Durchführungsanordnung (1) vor dem Abscheiden der Bindungsschicht (7) gebrannt wurde.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die eine oder mehreren Dichtungsschichten (9, 9a, 9b) nach Schritt F abgeschieden werden und die eine oder mehreren Dichtungsschichten (9, 9a, 9b) bei ausreichender Temperatur und Zeit gesintert werden, damit die eine oder mehreren Dichtungsschichten (9, 9a, 9b) sich mit der/den angrenzenden Schicht(en) verbinden können.
Durchführungsanordnung (1), die gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19 hergestellt wurde.