專利名稱：饋通組件及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于可植入醫(yī)療器件(IMD)的饋通組件(f eedthrough assembly)的制作，更具體地，涉及所述饋通組件內(nèi)的絕緣玻璃。
背景技術(shù)：
本節(jié)提供與本發(fā)明相關(guān)但未必構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)的背景信息。許多器件[例如可植入醫(yī)療器件(IMD)、電化學(xué)裝置(例如電池、電容器或傳感器)]都是氣密性密封的，以防液體接觸器件內(nèi)的電子部件。典型的饋通組件由導(dǎo)電元件 (例如導(dǎo)線或引腳)、套圈(ferrule)或套筒件、絕緣件(例如玻璃、陶瓷)和封接體組成。饋通裝置包括美國專利第6855456號和第5175067號以及美國專利申請公開第2006/0247714 號所述的饋通裝置，這些專利或?qū)＠暾埦鶠門aylor等所有。套圈或套筒件包含用來接納絕緣件的孔。封接體可置于套圈或套筒件與絕緣件之間。絕緣件包括用Ta-23玻璃和 Cabal-12玻璃形成的絕緣件，如Taylor等的美國專利第5306581號所述。示例性饋通組件可插入例如電池外殼里，使得導(dǎo)電元件的一部分延伸到外殼內(nèi)，與電池元件相連，而導(dǎo)電元件的另一部分延伸到外殼外，與其它電子部件相連。制作饋通組件可能需要用到成形配重物(forming weight)，這使生產(chǎn)變得復(fù)雜， 而且在一些情況下限制了饋通裝置的最小尺寸。此外，一些絕緣件易與水溶液如體液反應(yīng)。 與體液的反應(yīng)會腐蝕絕緣件，使性能隨時間減退。人們希望開發(fā)用于IMD的改進(jìn)的饋通裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本節(jié)提供本發(fā)明內(nèi)容的總體概述，而不是綜合揭示本發(fā)明的全部范圍或所有特征。本發(fā)明提供了玻璃絕緣件和玻璃預(yù)成形體，它們包含約30%的B2O3 ；約30%至約 40%的選自下組的成分CaO、MgO、SrO及其組合，前提是CaO和MgO各自的含量不超過約 20% ；約5%的La2O3 ；約10%的SiO2 ；以及約15%的Al2O3，其中所有百分?jǐn)?shù)都是摩爾百分?jǐn)?shù)。這些絕緣件和預(yù)成形體用于饋通組件和形成饋通組件的方法。根據(jù)本發(fā)明的多個實(shí)施方式，饋通組件包含套圈、絕緣結(jié)構(gòu)和將絕緣結(jié)構(gòu)牢固地固定在套圈內(nèi)的玻璃封接體。所述玻璃封接體包含約30%的B2O3 ；約30%至約40%的選自下組的成分Ca0、Mg0、SrO及其組合，前提是CaO和MgO各自的含量不超過約20% ；約5% 的La2O3 ；約10%的SiO2 ；以及約15%的Al2O3，其中所有百分?jǐn)?shù)都是摩爾百分?jǐn)?shù)。根據(jù)本發(fā)明的多個實(shí)施方式，制造饋通組件的方法包括提供套圈和將絕緣結(jié)構(gòu)插在套圈內(nèi)。所述方法還包括形成將絕緣結(jié)構(gòu)牢固地固定在套圈內(nèi)的玻璃封接體。所述玻璃封接體包含約30%的B2O3 ；約30%至約40%的選自下組的成分Ca0、MgO、SrO及其組合， 前提是CaO和MgO各自的含量不超過約20% ；約5%的La2O3 ；約10%的SiO2 ；以及約15% 的Al2O3，其中所有百分?jǐn)?shù)都是摩爾百分?jǐn)?shù)。
根據(jù)本發(fā)明的多個實(shí)施方式，饋通組件包含套圈、絕緣結(jié)構(gòu)、至少一個終端引腳和將所述至少一個終端引腳牢固地固定在絕緣結(jié)構(gòu)上的玻璃封接體。所述絕緣結(jié)構(gòu)具有頂部、底部和內(nèi)徑部分。所述內(nèi)徑部分限定至少一個從絕緣結(jié)構(gòu)頂部延伸到底部的孔。所述至少一個終端引腳從所述至少一個孔中延伸通過。所述玻璃封接體包含約30%的B2O3 ；約 30%至約40%的選自下組的成分Ca0、Mg0、SrO及其組合，前提是CaO和MgO各自的含量不超過約20% ；約5%的La2O3 ；約10%的SiO2 ；以及約15%的Al2O3，其中所有百分?jǐn)?shù)都是摩爾百分?jǐn)?shù)。本文所用的“一個”和“一種”表示存在“至少一個(一種)”所指對象；在可能的情況下存在多個所指對象。用“約”修飾數(shù)值時，它表示計算或測量中允許數(shù)值存在些許不精確性(接近準(zhǔn)確值；大致或合理地靠近該數(shù)值；差不多)。若出于某種原因，在本領(lǐng)域不能按照此普通含義理解“約”字帶來的不精確性，則本文所用的“約”字至少表示由測量或使用這種參數(shù)的普通方法所引起的變化。此外，對范圍的披露包括披露所有單個數(shù)值以及在整個范圍內(nèi)進(jìn)一步劃分的范圍。從本文提供的描述中將能明顯看出其它的適用領(lǐng)域。本概述中的描述和具體例子僅用于說明的目的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。


下面將參考附圖，更完整地描述示例性實(shí)施方式。圖1顯示了一種可植入醫(yī)療器件的示意圖；圖2是包含饋通組件的MEMS封裝件的分解示意圖；圖3和4分別是根據(jù)本發(fā)明的多個實(shí)施方式的單極(單引腳)饋通組件的等軸測圖和截面圖；圖5-7說明了根據(jù)本發(fā)明的多個實(shí)施方式制造示例性饋通組件的方法。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一個實(shí)施方式包括微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)封裝件中的饋通組件。導(dǎo)電氣密性饋通裝置將MEMS器件的內(nèi)部空腔與MEMS封裝件外部的另一個電子部件或器件(例如引線互連器)連接起來。MEMS封裝件是氣密性的和隔離的，不跟體液接觸，其氣密性和隔離程度可高于通過環(huán)氧樹脂連接到硅基片上的封裝件。圖1顯示了醫(yī)療器件系統(tǒng)10中的功能單元20。功能單元20包含集成電路(IC) 上面或里面的饋通組件(未示出)、包含電子部件(例如晶體管、邏輯門、開關(guān))的基片或者單獨(dú)的基片。功能單元20可用在醫(yī)療器件12外面任何位置，可電連接到一個或多個導(dǎo)體 18上。例如，功能單元20可用作采用了饋通組件的傳感器(例如壓力傳感器)。醫(yī)療器件系統(tǒng)10包含醫(yī)療器件外殼12，該外殼具有連接器模塊14，將醫(yī)療器件外殼12的各種內(nèi)部電氣部件電連接到醫(yī)用引線16的近端15a，所述醫(yī)用引線是例如一個或多個延伸到引線16的遠(yuǎn)端15b的導(dǎo)體18 (例如線圈、導(dǎo)線)。醫(yī)療器件系統(tǒng)10可包含各種各樣的醫(yī)療器件，所述醫(yī)療器件包含一個或多個醫(yī)用引線16和連接到醫(yī)用引線16上的電路。舉例而言，醫(yī)療器件系統(tǒng)10可以是對心臟提供治療刺激的可植入心臟起搏器或神經(jīng)刺激器的形式?；蛘?，醫(yī)療器件系統(tǒng)10可以是以下形式可植入心律轉(zhuǎn)變器、可植入除纖顫器、可植入心臟起搏器-心律轉(zhuǎn)變器-除纖顫器(P⑶)、可植入脈搏發(fā)生器或者單獨(dú)監(jiān)視患者身體狀況的可植入醫(yī)療器件。圖2顯示了用于醫(yī)療器件系統(tǒng)10的MEMS封裝件100的一個實(shí)施方式。在一個實(shí)施方式中，MEMS封裝件100可用在傳感器當(dāng)中或者用于傳感器。例如，MEMS封裝件100可與變換器相連，所述變換器將信號轉(zhuǎn)換為電信號(即電壓、電流)。MEMS封裝件100包含饋通組件110、第一基片111和第二基片128。饋通組件110 可氣密性地設(shè)置在第一基片111的孔106中，并與第二基片128相連。饋通組件110(例如玻璃-引腳-絕緣子封接體)包含氣密性地裝在絕緣件114(也稱封接玻璃)中的導(dǎo)電元件112(例如引腳)。導(dǎo)電元件112可由導(dǎo)電材料如鉭(Ta)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鉬(Pt)、銥 (Ir)和/或其合金形成。絕緣件114可由玻璃形成。用于形成絕緣件114的典型玻璃包括硼鋁型、硼鋁硅酸鹽型和/或硼硅酸鹽型玻璃，它們的熱膨脹系數(shù)范圍寬，與生物穩(wěn)定的導(dǎo)電元件112的材料大致匹配，所述導(dǎo)電元件的材料是例如Ta、Nb、鈮-鈦(Nb-Ti)合金、Pt、Pt合金、Ti、Ti 合金和/或其它合適的材料。按一定方式選擇用來形成絕緣件114的元素和/或化合物， 以減少導(dǎo)電元件112的拉伸應(yīng)力。例如，采用玻璃的絕緣件114的CTE值約等于導(dǎo)電元件 110的CTE值，或者它們相差不超過15%。絕緣件114可由玻璃預(yù)成形體形成。例如，在制備饋通組件110時，可使玻璃預(yù)成形體熔化，從而使熔融玻璃與導(dǎo)電元件112和孔106的內(nèi)壁緊密接觸，隨后冷卻，形成絕緣件114。玻璃預(yù)成形體的組成包含約30-40%的B2O3、約0-20%的CaO、約0-20%的MgO、 約0-20%的SrO、約0-5%的La2O3、約5-10%的SiO2以及約10-20 %的Al2O3，其中所有百分?jǐn)?shù)都是摩爾百分?jǐn)?shù)。在一些實(shí)施方式中，所述組成還包含高達(dá)約10%的MnO2，在一些情況下MnO2可約為15%。在一些實(shí)施方式中，全部或部分?jǐn)?shù)量的CaO和/或MgO用對應(yīng)量的 SrO代替，其中SrO的量不超過約40%。例如，約10%的CaO和約5%的MgO可用約15% 的SrO代替。不過，CaO和MgO的數(shù)量沒有完全被SrO代替，且Ca0、Mg0和SrO的量均不超過30 %。在一些實(shí)施方式中，所述組成包含約30 %的B2O3、約20 %的CaO、約20 %的MgO、 約 5%的 La2O3、約 10%的 SiO2 和約 15%的 A1203。玻璃組合物的各組分有益于制備饋通組件110，并提供了具有有利性質(zhì)的絕緣件 114。具體地，La2O3為玻璃提供了良好的熔化流動性，有利于形成絕緣件114，因?yàn)榕c不含 La2O3或La2O3含量較少的玻璃相比，可采用更低的溫度。氧化鑭還增大了玻璃的熱膨脹系數(shù)(CTE)值。例如，含少量氧化鑭或不含氧化鑭的玻璃的CTE約為6. 5，而本文所述的含氧化鑭的玻璃的CTE約為8.0。增大的CTE值更接近于金屬如鈮(Nb)、鈦(Ti)、鉬(Pt)、銥 (Ir)和/或它們的合金的CTE值。在形成和冷卻饋通組件110的過程中，當(dāng)將玻璃絕緣件置于套圈(未示出)或孔106內(nèi)壁里的時候，相近的CTE值會改變加在玻璃絕緣件上的壓力。這種改變會造成過大的張力，進(jìn)而會造成玻璃絕緣件114內(nèi)產(chǎn)生拉伸裂紋。采用本發(fā)明的組合物可減小形成這種拉伸裂紋的傾向。例如，本發(fā)明的組合物可提供比孔106內(nèi)壁或套圈的金屬約小10-15%的CTE。組合物里的氧化鍶還能降低加工溫度。例如，如上所述，全部或部分?jǐn)?shù)量的CaO和 /或MgO可用對應(yīng)量的SrO代替。這樣就可調(diào)整玻璃組合物的加工溫度，例如彌補(bǔ)加工一定量的二氧化硅所需的溫度。
本發(fā)明的組合物還將SiO2的量大約限制在10%，因?yàn)榇撕刻峁┝碎L期耐久性， 但不會明顯提高加工溫度。例如，大于或等于20%的SiO2會提高將玻璃加工到鈦發(fā)生相變所需的溫度，其中鈦可以例如作為套圈的一部分用在導(dǎo)電元件112中，或者用在第一基片 111中。這可能導(dǎo)致接近相應(yīng)的金屬或合金熔化溫度的鈦部件或其它金屬部件在后面發(fā)生翹曲或者變形。因此，本發(fā)明的玻璃組合物將二氧化硅的含量保持在低水平，使加工溫度較低，從而保持饋通組件110的鈦部分的完整性。本發(fā)明的玻璃組合物還在絕緣件114與孔106內(nèi)壁之間以及絕緣件114與導(dǎo)電元件112之間提供了有利的結(jié)合和密封。在其它的實(shí)施方式中，如下文所述，所述玻璃組合物提供了對套圈的結(jié)合和密封。本發(fā)明的玻璃組合物可用來代替Taylor等的美國專利第6855456號、第5306581號、第5175067號和第4940858號，美國專利申請公開第 2006/0247714號，以及Lessar等的美國專利第5902326號所述的饋通裝置中使用的玻璃絕緣件，所述文獻(xiàn)的內(nèi)容均通過參考完整結(jié)合于此。導(dǎo)電元件112與第一基片111通過絕緣件114的絕緣材料(例如玻璃)氣密性連接，所述絕緣材料流動并緊密接觸導(dǎo)電元件112和孔106內(nèi)壁。氣密性封接材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)值可與MEMS封裝件的所有部件匹配或接近匹配(例如CTE之差在10%以內(nèi))。 在另一個實(shí)施方式中，對于MEMS封裝件的所有部件，CTE之差可在5%以內(nèi)。在另一個實(shí)施方式中，對于MEMS封裝件的所有部件，CTE之差可在2.5%以內(nèi)。在又一個實(shí)施方式中，第一基片111 (例如外殼)所具有的CTE大于絕緣件114和導(dǎo)體112的CTE，從而形成壓縮密封。本發(fā)明還提供了形成饋通組件110的方法?？蓪⒉ＡьA(yù)成形體置于導(dǎo)電元件112 的一部分的周圍。玻璃預(yù)成形體可包含本文所述的組合物。至少一部分玻璃預(yù)成形體可置于基片111的孔106內(nèi)或者套筒件內(nèi)。玻璃預(yù)成形體可軟化或完全熔化，形成玻璃絕緣件 114，所述玻璃絕緣件與導(dǎo)電元件112密封接合，且與基片111的孔106或套筒件密封接合。 在一些實(shí)施方式中，軟化或完全熔化玻璃預(yù)成形體以形成與導(dǎo)電元件112密封接合且與基片111的孔106或套筒件密封接合的玻璃絕緣件114的過程不需要使用一個或多個成形配重物。在一些實(shí)施方式中，熔化或完全熔化玻璃預(yù)成形體不會導(dǎo)致導(dǎo)電元件112發(fā)生相變， 且不會導(dǎo)致基片111或套筒件發(fā)生相變，從而防止這些部件發(fā)生翹曲或變形。第一基片111包含第一表面116a (也稱陶瓷或玻璃外殼材料)、第二表面116b (例如硅材料)、長度XI、寬度X2、厚度X3和用來接納饋通組件110的孔106。第一基片111包含氣密性的饋通組件110和用于形成與第二基片128的電連接的金屬化徑跡(tracing)。 在一個實(shí)施方式中，第一基片111包含陶瓷或玻璃，其熱膨脹系數(shù)(CTE)值等于或大于饋通裝置110 (例如引腳/玻璃組件)的熱膨脹系數(shù)值。在一個實(shí)施方式中，第一基片111可由CTE值約等于或大于導(dǎo)電元件112和玻璃絕緣件114的CTE值的材料組成。第一基片111可包含陶瓷，例如CTE約為8. 0的多晶氧化鋁、CTE約為8. 0的藍(lán)寶石(例如單晶氧化鋁)和CTE約為10的氧化鋯。在另一個實(shí)施方式中，第一基片111或外殼可用玻璃代替陶瓷制成，且具有如下一般性質(zhì)(1)該玻璃的熔點(diǎn)高于絕緣件114的熔點(diǎn)；以及/或者(2)該玻璃的CTE值約等于或大于封接玻璃的CTE 值。第二基片128包含通孔122、金屬化徑跡120，并包含使MEMS封裝件110起傳感器基片如變換器的作用的電子部件；不過，技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，該基片可配置成包含任何類型的電路，如開關(guān)、信號處理器和/或其它任何與可植入醫(yī)療器件相關(guān)的合適電路形式。第二基片128具有大致與第一基片111相同或相近的尺寸。例如，厚度X4可與X3相同或大致相同。壁厚度X5在第二基片128的第一表面130上形成周界。第二基片128的第二表面 (未示出)可與可植入醫(yī)療器件的外殼直接相鄰。然后，設(shè)置在第一基片111中的饋通組件110可通過接合劑118(如玻璃料接合齊U)連接到第二基片128 (也稱硅MEMS基片)上。第一基片111與第二基片128的連接可通過使用玻璃料、Au-硅共晶材料或其它合適的材料118實(shí)現(xiàn)。第二基片128(硅)材料一般比制備玻璃絕緣件114的玻璃具有更高的熔點(diǎn)。導(dǎo)電元件110可通過金屬徑跡120電連接到第二基片128上。在一個實(shí)施方式中，金屬徑跡120可位于例如第二基片128中。下表1給出了 MEMS封裝件100的各部件的尺寸；不過，技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，也可采用其它尺寸。表I-MEMS封裝件的各部件的示例性尺寸
權(quán)利要求
1.一種饋通組件，它包含 套圈；絕緣結(jié)構(gòu)；以及將所述絕緣結(jié)構(gòu)牢固地固定在所述套圈內(nèi)的玻璃封接體，所述玻璃封接體包含 約 30% 的 B2O3 ；約30%至約40%的選自下組的成分CaO、MgO、SrO及其組合，前提是CaO和MgO各自的含量不超過約20% ； 約 5%的 La2O3 ； 約10%的SiO2 ；以及約 15% 的 Al2O3，其中所有百分?jǐn)?shù)都是摩爾百分?jǐn)?shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的饋通組件，它還包含至少一個終端引腳，其中所述絕緣結(jié)構(gòu)具有頂部、底部和內(nèi)徑部分，所述內(nèi)徑部分限定至少一個從所述頂部延伸到所述底部的孔，所述至少一個終端引腳從所述至少一個孔中延伸通過。
3.如權(quán)利要求2所述的饋通組件，其特征在于，所述玻璃封接體還包含高達(dá)約10%的 MnO2。
4.如權(quán)利要求2所述的饋通組件，其特征在于，所述玻璃封接體包含約30%的B2O3、約 20%的 CaO、約 20%的 MgO、約 5%的 La2O3、約 10%的 SiO2 以及約 15%的 A1203。
5.如權(quán)利要求2所述的饋通組件，它還包含封接所述至少一個終端引腳和所述絕緣結(jié)構(gòu)的第二玻璃封接體。
6.如權(quán)利要求2所述的饋通組件，它還包含封接所述至少一個終端引腳和所述絕緣結(jié)構(gòu)的金釬焊。
7.如權(quán)利要求1所述的饋通組件，其特征在于，所述套圈包含壁部分和壁架，所述絕緣結(jié)構(gòu)鄰接所述壁架，所述玻璃封接體將所述絕緣結(jié)構(gòu)牢固地固定到所述壁部分上。
8.如權(quán)利要求1所述的饋通組件，其特征在于，所述玻璃封接體還包含高達(dá)約10%的 MnO2。
9.如權(quán)利要求1所述的饋通組件，其特征在于，所述玻璃封接體包含約30%的B2O3、約 20%的 CaO、約 20%的 MgO、約 5%的 La2O3、約 10%的 SiO2 以及約 15%的 A1203。
10.如權(quán)利要求1所述的饋通組件，其特征在于，軟化或熔化玻璃預(yù)成形體，形成玻璃封接體。
11.一種制造饋通組件的方法，它包括 提供套圈；將絕緣結(jié)構(gòu)插入套圈；以及形成玻璃封接體，將所述絕緣結(jié)構(gòu)牢固地固定在所述套圈內(nèi)，所述玻璃封接體包含 約 30% 的 B2O3 ；約30%至約40%的選自下組的成分Ca0、MgO、SrO及其組合，前提是CaO和MgO各自的含量不超過約20% ； 約 5%的 La2O3 ； 約10%的SiO2 ；以及約 15% 的 Al2O3，其中所有百分?jǐn)?shù)都是摩爾百分?jǐn)?shù)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，它還包括將至少一個終端引腳插入所述絕緣結(jié)構(gòu)的至少一個孔中，其中所述絕緣結(jié)構(gòu)包含頂部、底部和內(nèi)徑部分，所述內(nèi)徑部分限定所述至少一個從所述頂部延伸到所述底部的孔。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述玻璃封接體還包含高達(dá)約10%的MnO2。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述玻璃封接體包含約30%的B2O3、約 20%的 CaO、約 20%的 MgO、約 5%的 La2O3、約 10%的 SiO2 以及約 15%的 A1203。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，它還包括形成第二玻璃封接體，封接所述至少一個終端引腳和所述絕緣結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，它還包括形成金釬焊，封接所述至少一個終端引腳和所述絕緣結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述套圈包含壁部分和壁架，所述絕緣結(jié)構(gòu)鄰接所述壁架，所述玻璃封接體將所述絕緣結(jié)構(gòu)牢固地固定到所述壁部分上。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述玻璃封接體還包含高達(dá)約10%的 MnO2。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述玻璃封接體包含約30%的B2O3、約 20%的 CaO、約 20%的 MgO、約 5%的 La2O3、約 10%的 SiO2 以及約 15%的 A1203。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，形成將所述絕緣結(jié)構(gòu)牢固地固定在所述套圈內(nèi)的所述玻璃封接體的方法包括軟化或熔化玻璃預(yù)成形體。
全文摘要
一種饋通組件，它包含套圈、絕緣結(jié)構(gòu)、至少一個終端引腳以及將絕緣結(jié)構(gòu)牢固地固定在套圈內(nèi)的玻璃封接體。所述絕緣結(jié)構(gòu)具有頂部、底部和內(nèi)徑部分。所述內(nèi)徑部分限定至少一個從絕緣結(jié)構(gòu)頂部延伸到底部的孔。所述至少一個終端引腳從所述至少一個孔中延伸通過。所述玻璃封接體包含約30％的B2O3；約30％至約40％的選自下組的成分CaO、MgO、SrO及其組合，前提是CaO和MgO各自的含量不超過約20％；約5％的La2O3；約10％的SiO2；以及約15％的Al2O3，其中所有百分?jǐn)?shù)都是摩爾百分?jǐn)?shù)。
文檔編號H01M2/06GK102470249SQ201080036053
公開日2012年5月23日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者B·C·蒂申多夫, W·J·泰勒 申請人:麥德托尼克公司