具有基体和玻璃元件的用于封装的部件以及具有外壳的电子设备的制作方法

1.本技术涉及包括密封的玻璃元件(诸如玻璃-金属密封件)的部件。具体地，本技术涉及一种包括基体和玻璃元件的部件，该部件可以用于其他部件的外壳中，所述其他部件尤其对例如水分敏感并且需要密封。


背景技术：

2.玻璃-金属密封技术用于封装敏感的或者需要防水或防尘外壳的传感器芯片或设备。已知通过冲压或冷锻来生产金属零件。此外，可以使用cnc 加工。但是，对复杂部件进行cnc加工是一种昂贵的方法。
3.此外，金属和玻璃具有截然不同的化学特性和机械特性，所以这两种材料之间的气密性接合可能难以实现或者难以长期维持。
4.实用新型目的
5.因此，本实用新型的目的是提供一种具有玻璃元件和基体的部件，其中玻璃与基体之间的接合得到改善。该目的通过独立权利要求的主题来解决。在从属权利要求中定义了本实用新型的有利的改进方案。


技术实现要素：

6.因此，提供了一种具有基体和至少一个玻璃元件的部件，其中玻璃元件位于基体的开口中。基体是粉末注射成型的元件。由于粉末注射成型工艺，开口的壁具有不平坦的、粗糙的纹理。特别是，与例如机加工的开口相比，这种纹理是非周期性的。此外，将玻璃元件的玻璃熔接到所述开口中并且将所述开口气密性地密封。
7.如在本说明书中使用的术语玻璃还包括玻璃陶瓷，特别是从本技术人的其他公开文献中已知的玻璃陶瓷。根据实施方式所述的合适的玻璃陶瓷选自 mo系(m＝mg、ca)-al2o
3-bao-sio
2-b2o3。此外，可以采用以品牌名称“heatan”出售的玻璃陶瓷。
8.注射成型的基体的特征表面纹理和熔接的玻璃元件的结合使得玻璃特别牢固地锚固在所述开口内。特别是，由于熔接，玻璃紧贴壁的表面，或者换句话说，玻璃润湿壁的表面，使得壁上的突起和空隙与玻璃接触。因此，熔接到粗糙的壁上并且紧贴使得玻璃形状配合地锁定到壁表面上。
9.在优选的实施方式中，元件的玻璃与基体之间的界面可以分别构成物质与物质的结合或化学结合，以进一步提高密封的气密性。物质与物质的结合被理解为材料之间的结合，其中结合配合件(基体和玻璃元件)通过原子力和/或分子力(诸如粘附力)相互接合。当然，玻璃紧贴在基体的壁上对于促进物质与物质的充分结合是有利的。
10.根据优选的实施方式，基体是金属注射成型的零件。但是，也可以通过陶瓷注射成型来生产基体。用于陶瓷注射成型的基体的合适的材料为包含 zro2和al2o3的陶瓷。
11.可以利用包括以下步骤的方法来生产所述部件：
[0012]-提供具有开口的粉末注射成型的基体，该开口的壁具有通过注射成型工艺而产生的不平坦的、粗糙的纹理，
[0013]-加热基体并将玻璃元件熔接到开口的壁上，以及
[0014]-冷却基体和玻璃元件以生产出将所述开口气密性地密封的玻璃元件。
[0015]
通常，所述方法还具有另外的优点，即可以通过注射成型工艺轻松地实现复杂的设计。然而，伴随着注射成型，基体通常还具有一定的孔隙率，这在其表面也可以看到。就此而言，令人惊讶的是，不仅基体本身而且与玻璃元件的界面都证明是气密性地密封的。
[0016]
在下文中，参考附图更详细地描述本实用新型。
附图说明
[0017]
图1示出了基体的横截面。
[0018]
图2示出了在将玻璃元件熔接到基体的开口中之前的具有玻璃元件的基体。
[0019]
图3示出了具有基体和玻璃元件的部件。
[0020]
图4示出了精加工步骤之后的部件。
[0021]
图5示出了沿着和基体与玻璃元件之间的界面交叉的线得到的铁和铬的元素浓度。
[0022]
图6示出了沿着玻璃元件内的线得到的铁和铬的元素浓度。
[0023]
图7和图8分别示出了部件的横截面的两张sem显微照片，其中，图7 的实例的基体比图8的实例的基体的孔隙率更高。
[0024]
图9示出了开口的壁处的横截面的另一张sem显微照片。
[0025]
图10示出了基体与玻璃元件之间的界面区域的截面的示意图。
[0026]
图11和图12示出了具有外壳的电子设备，所述外壳包括具有基体和玻璃元件的部件。
[0027]
图13示出了电子设备的横截面。
[0028]
图14示出了其中玻璃元件形成电气馈通件的绝缘元件的实施方式。
具体实施例
[0029]
参照图1至图4，详细说明了用于生产根据本公开所述的具有基体3和玻璃元件5的部件1的方法步骤。提供了通过粉末注射成型生产的基体3。优选地，粉末注射成型是金属注射成型(mim)工艺。同样，可以使用陶瓷注射成型的零件作为基体。例如，基体可以是zro2陶瓷或al2o3陶瓷。生产粉末注射成型体的典型方法步骤包括由粉末(特别是金属粉末或陶瓷粉末) 和粘合剂形成坯体，将坯体脱粘以获得生坯，然后烧结该生坯以获得基体3。脱粘(即部分去除粘合剂)可以包括通过溶剂、热工艺或催化工艺去除粘合剂中的一种或多种。
[0030]
图1示出了基体3的说明性实例。基体3具有用于容纳玻璃元件的开口 7。基体3的外表面30以及开口7的壁9具有一定的表面粗糙度，在图1中由略微弯曲的轮廓线表示。这种粗糙度是由粉末注射成型工艺引起的，所述粉末注射成型工艺涉及颗粒(即，金属注射成型工艺中的金属颗粒或陶瓷注射成型工艺中的陶瓷颗粒或氧化物颗粒)的烧结。所述表面粗糙度尤其取决于生产基体3所使用的粉末的晶粒尺寸。优选地，壁的表面粗糙度ra在1μm 至5μm的范围内。例如，表面粗糙度ra可以具有大约3μm的值。这些粗糙度值可以使用1mm至3mm
的范围内的采样长度来测量。因此，通常，为随后的用于生产具有玻璃元件的部件的工艺步骤所提供的基体3的表面具有不平坦的、粗糙的纹理。此外，与典型的cnc生产零件不同，所述纹理具有随机的特征，因此具有非周期性的表面特征。如图2所示，可以将玻璃元件4插入开口7中。然后，将基体3与玻璃元件4一起加热，使得玻璃元件4 熔融并熔接到开口7的壁9上。然后，将基体3和玻璃元件4冷却以生产出将开口7气密性地密封的玻璃元件5。图3示出了由此得到的部件1。在密封过程中，玻璃流入不平坦的壁9和其中的空隙中，以形成类似于钩-环扣件的附加机械互锁部或锯齿状突起。根据一个实施方式，可以选择玻璃的组成以形成玻璃陶瓷。在这种情况下，可以在熔接过程中开始陶瓷化，使得在冷却之后由玻璃陶瓷形成玻璃元件。
[0031]
冷却过程可以是主动的也可以是被动的。根据实施方式，玻璃元件5被压缩密封在开口7内。换句话说，在冷却之后，金属体3对元件5施加压缩应力。如果在冷却过程中金属体3的收缩比玻璃元件更高，则可以实现该特征。这种更高的收缩可以通过选择材料来实现，使得与玻璃元件5的线性热膨胀系数α
玻璃
相比，金属体3的线性热膨胀系数α
金属
更高。无需在冷却过程的整个温度范围内满足该条件。但是，如果在低于玻璃的玻璃化转变温度tg和室温(20℃)的温度范围内α
金属
比α
玻璃
大，则尤其可以实现压缩密封。
[0032]
对于该实施方式，选择基体3和玻璃的材料，使得基体在20℃的线性热膨胀系数比玻璃的线性热膨胀系数大至少2ppm、优选地大至少5ppm。
[0033]
作为压缩密封的替代或补充，可以将玻璃元件5的玻璃和金属零件3的金属化学结合在一起，以提供特别牢固和气密性的密封。
[0034]
此外，对于基体3和玻璃元件也可以使用热膨胀系数非常匹配的材料。由于粗糙的壁纹理以及玻璃与基体的壁的锯齿状突起，即使没有压缩密封也可以确保玻璃元件牢固地锚固在开口7中。
[0035]
图4示出了在优选的后处理步骤之后的部件1。如可以看出的，部件1 的一个面31被刨平或抛光，使得基体3和玻璃元件5具有齐平表面。具体地，齐平表面被理解为在界面处的高度差或阶梯高度最多为1μm。通过抛光，这个面31的粗糙度相对于对侧或开口7的壁9的粗糙度有所下降。基体3的经处理的表面31优选至少部分地覆盖有钝化层。
[0036]
通常，根据有利的改进方案，金属零件3可以至少在开口的壁9处覆盖有氧化物层。该氧化物层可以分别促进物质与物质的结合或化学结合。对于玻璃元件与基体的匹配密封，即在没有显著的压缩作用在玻璃元件上的情况下，这是特别有利的。图1和图2示出了覆盖开口7的壁9的氧化物层11。因此，玻璃元件5的玻璃与基体3中的开口7的壁9之间的界面优选地包括氧化物层11。如将在下面进一步说明的，氧化物层11可以构成扩散区，其中玻璃或基体的至少一种成分扩散到氧化物层中。这种扩散会产生牢固的化学结合。因此，借助于该金属氧化物层11，可以通过从基体到玻璃或者从玻璃到基体的离子扩散形成化学结合。
[0037]
根据另一个优选的实施方式，基体3含有铬。特别地，基体3可以由通常含有铬的不锈钢形成。优选地，选择奥氏体钢。
[0038]
铬具有形成致密且稳定的氧化物层11的能力，如上所述，这可以在玻璃与金属之间提供化学结合和/或可以构成扩散区。因此，根据另一个实施方式，基体3的开口7的壁9覆盖有含氧化铬的层。然而，可选的氧化物层可能不是扩散区的唯一部分。而是，根据另一个实施方式，基体3的至少一种成分可以扩散到玻璃中和/或反之亦然。因此，可以在玻璃-金
属界面处形成具有以下特征中的至少一个的扩散区：
[0039]-基体3的至少一种成分扩散到玻璃中；
[0040]-玻璃的至少一种成分扩散到基体3中。
[0041]
如所描述的，诸如aisi 430的其他钢类型以及其他合金和/或诸如钛的金属也是可以的。除了钢之外，用于基体3的其他合适的材料是镍/铁合金，诸如铁镍钴合金(kovar)。再次优选的是，基体3覆盖有金属氧化物层。对于ni/fe合金，可以通过氧化步骤产生金属氧化物层11。通常，在对基体3 的特定金属没有限制的情况下，还可以通过沉积工艺、优选地通过cvd或 pvd来提供氧化物层11。
[0042]
图5示出了沿着和基体3与玻璃元件5之间的界面交叉的线得到的铁和铬的元素浓度。使用edx进行测量。基体3由316l类型的不锈钢形成，并且因此含有铁和铬。测量位置1至11沿着垂直于基体3与玻璃元件5之间的界面35的线分布。第一测量位置与最后一个测量位置之间的距离为6μm。上面的曲线图示出了铁浓度的变化，下面的曲线图示出了铬含量的变化。如从曲线图可以看出的，在和界面邻近的区域中，金属零件内的铁和铬耗尽。同样地，fe和cr在玻璃元件5靠近界面35的区域中扩散到玻璃中。金属离子从基体3进入玻璃元件中的这种迁移增强了零件3、5之间的化学结合。
[0043]
因此，根据部件1的实施方式，在界面35处存在以下特征中的至少一个：
[0044]-基体3含有铁，并且在和基体3与玻璃元件之间的界面35邻近的区域中基体的铁含量耗尽，而玻璃元件在和界面35邻近的区域中的铁含量增加；
[0045]-基体3含有铬，并且在和基体3与玻璃元件之间的界面35邻近的区域中基体的铬含量耗尽，而玻璃元件在和界面35邻近的区域中的铬含量增加。
[0046]
此外，如从图5的曲线图还可以看出，
[0047]-基体3中的铁耗尽区域的厚度为至少0.5μm，并且
[0048]-基体3中的铬耗尽区域的厚度为至少2μm。
[0049]
图6示出了沿着玻璃元件内的线得到的元素浓度。关于图5，所述线垂直于界面35延伸。与图5相比，测量点的间隔宽得多。具体地说，第一个测量点与最后一个测量点之间的距离为大约150μm。如从图6可以估计出的，由于从基体3进行扩散导致铁含量增加的、与界面35邻近的区域的厚度为至少75μm。这同样适用于铬含量增加的区域的厚度。
[0050]
根据另一个实施方式，取决于玻璃组成，可以扩散到基体3中的玻璃的成分是碱离子，特别是na

和k

。
[0051]
基体3是多孔的，这是非常有利的并且通常是优选的。特别地，如果孔随机地分布在基体内，则与例如拉制金属相比更不可能形成泄漏路径。在拉制金属零件的情况下，金属内的缺陷会在拉制过程中拉长，从而形成泄漏路径。然而，基体的孔隙率过高仍然可能导致穿过基体3的泄漏路径或最终导致机械缺陷。为此，优选的是，孔隙率—即基体3中的孔的体积分数小于6％。反之亦然，优选基体3的密度为最大理论密度的至少93％。另一方面，孔对于壁9的纹理非常有利，这使得玻璃元件5在开口7内的锚固得以改进。因此，进一步优选地，孔隙率—即孔在基体3中的体积分数为至少1.5％。
[0052]
下面，讨论具有不同孔隙率的基体3的部件1的两个实例。
[0053]
图7和图8分别示出了在玻璃元件5与基体3之间的界面处的部件1的横截面的两张sem显微照片。该实例的基体3是金属注射成型的不锈钢零件。如从刻度条可以看出的，显微
照片(b)的放大倍数是显微照片(a)的10倍。在显微照片(a)中，可以看到壁9或与玻璃元件5的界面。可以清楚地看出，图7的实例比图8的实例具有更高的孔隙率。具体地，图7的实例具有大约 95％的密度，对应于大约5％的孔隙率。图8的实例相应地具有98％的密度，或大约2％的孔隙率。在本公开的范围内，孔隙率φ被认为是孔13的体积之和v
p
相对于基体3的体积v
mb
(包括孔体积)之比：
[0054][0055]
通常，可以在pim过程、特别是mim过程中引入孔。从横截面显微照片看，可以进行孔径和孔密度的分析。为此，可以将图像对比度增强到黑白色。例如，然后可以通过比较黑色像素和白色像素的数量来获得孔的面积分数。下表列出了这两个实例的分析结果：
[0056][0057]
在两个不同的表面面积对具有更致密的基体的实例进行分析。如从结果可以看出的，被分析的参数的大小相当。两个实例都在孔隙率的优选范围内。不限于图7和图8的实例，优选的是，在横截面的sem显微照片中所看到的孔的平均表面面积在1μm2至20μm2的范围内。此外，在基体3的横截面的 sem显微照片中所看到的孔的密度为每1000μm2有1至10个孔。
[0058]
通常，不限于所述实例，用于玻璃元件5的玻璃优选地为钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃。上述实例的玻璃元件5所使用的玻璃是钠钙玻璃，其线性热膨胀系数α(20℃；300℃)＝9.1
×
10-6
/k，相对较高。然而，使用不锈钢基体3，热膨胀系数的不同仍然足以在冷却部件1之后产生作用在玻璃元件5上的压缩应力。
[0059]
图9示出了和开口7的壁9或玻璃元件5与基体3之间的界面交叉的横截面的另一张sem显微照片。为了进一步说明壁纹理的特征，图10示出了壁9的表面形貌的理想化示意图。基体3中的孔13是有利的，因为如果它们在壁9的表面上开口，则可以在玻璃与基体之间提供互锁部。其他的表面结构也可以提供互锁部。图9的sem显微照片示出了壁纹理的几个互
锁特征部 15。因此，根据不限于所描绘的实例的实施方式，壁9被构造或被纹理化以分别提供至少一个互锁元件或互锁特征部15，其中玻璃元件的玻璃包围互锁特征部，从而使得玻璃和基体3互锁。特别地，互锁特征部15可以包括底切 16。图9中标记了两个底切16。
[0060]
图10示出了具有开口孔13的壁9的一部分。如可以看出的，相对于其在壁9处的开口18，孔13在基体3内变宽，从而使得开口的后面有底切16。元件5的玻璃渗透到孔13中并填充孔13的加宽部分。这样，互锁不仅阻止平行于壁9的运动，而且还阻止垂直于壁9的方向上的运动。当然，还可能存在由粉末注射工艺引起的表面纹理的其他特征提供类似的锁定特性。因此，根据有利的改进方案，形成互锁特征部15，以沿垂直于壁9的方向将玻璃锁定到基体3上。
[0061]
如本文所述的部件1有多种应用。根据特定的优选实施方式，提供了一种用于电子设备20的外壳22，其中外壳22包括如本文所述的部件1。图11 和图12示出了具有外壳22的电子设备20，所述外壳22包括具有基体和玻璃元件的部件1。具体地，如图所示，电子设备可以是可穿戴设备。优选地，电子设备20被设计为腕戴式物品，特别是腕表。根据另一个改进方案，电子设备20可以包括心率监测器。
[0062]
如图11、图12所示，电子设备20可以包括腕带23，电子设备20可以通过所述腕带23被戴到用户的手臂上。所测量的心率可以显示在布置在外壳 22正面的显示器25上。此外，电子设备20还可以包括诸如一个或多个按钮的操作装置24或具有触摸灵敏度的显示器25。优选地，电子设备被设计为所谓的智能手表，使得该设备能够用于多种功能。
[0063]
图12示出了电子设备20的反面，即外壳22的这部分面对用户的手腕。外壳22的这部分包括如本文所述的部件1。优选地，部件1的外表面是抛光面31。通常，不限于本文所示的实施方式，抛光面31可以设置有钝化层32。合适的钝化层是包括铬和氧的层。例如，钝化层32可以包括氧化铬或由氧化铬组成。这样的钝化层32对于在恶劣环境中使用和/或在与人皮肤紧密接触的应用中使用尤其有利。例如，即使钢是耐腐蚀材料，但是在与人皮肤接触时，仍然可能发生一定程度的表面降解，例如导致某些物质的浸出。例如，镍可能从基体3中浸出，引起过敏反应。
[0064]
在上述实例中，示出了单个元件5。然而，通常，部件1可以包括位于相应的开口7中的两个或多个玻璃元件5。因此，根据图11、图12的实例中也可以实现的改进方案，提供了一种具有带根据本公开所述的部件1的外壳 22的电子设备20，其中部件1具有两个玻璃元件5、6，即具有金属体3和两个玻璃元件5、6的部件1，玻璃元件5、6分别位于基体3的开口7中，其中基体3是粉末注射成型的元件，特别是金属注射成型的元件，从而使得开口7的壁9具有不平坦的、粗糙的纹理，并且其中玻璃元件5的玻璃熔接到开口7中，从而使得玻璃紧贴壁9的表面并且将开口7气密性地密封。
[0065]
根据另一个实施方式，电子设备20包括光电容积描记传感器设备。参照图13的实例更详细地解释了该实施方式。光电容积描记(ppg)使用光源和光电探测器来测量血液循环的体积变化。因此，电子设备20优选地包括光源和光传感器。光源可以是发光二极管28，光传感器可以是光电二极管29。两个二极管28、29都可以安装在印刷电路板27上，所述印刷电路板27容纳在外壳22中。此外，通常且独立于光电容积描记传感器设备的实施方式，电子设备20的光发射器和光传感器被定位成使得光发射器的光(诸如发光二极管28)通过第一元件5发射并且光通过第二元件6被传感器(诸如光电二极管29)接收。这对于避免串扰是有
利的。在单独的元件5、6后面布置有光发射器和传感器对于其他应用(例如，距离测量)也是有用的。
[0066]
对于许多应用并且不限于附图所示的实例，玻璃元件5形成玻璃窗口，特别是用以透射光。例如，这种情况可以适用于图11的可穿戴设备或图13 所示的电子设备。根据另一个可选的或附加实施方式，所述玻璃元件可以是电气馈通件8的绝缘元件。图14示出了具有电气馈通件的部件1的实施方式。图14的实例是图4的实例的变型。通常，不限于该实例，电气馈通件8包括至少一个导电的销10，该销10固定在开口7内并且通过玻璃元件5与基体3 电绝缘。销10延伸穿过玻璃元件，使得销10可以电连接在玻璃元件5的相对两侧。如在图4的实施方式中并且如图14所示，部件1的一个面31可以被刨平或抛光，使得基体3和玻璃元件5具有齐平表面。在这种情况下，销 10也可以被刨平，从而使得销10的端部与玻璃表面齐平。
[0067]
附图标记列表1部件3基体4玻璃元件5，6玻璃元件7开口8电气馈通件9开口7的壁10销11氧化物层13孔15互锁特征部16底切18孔13的开口20电子设备2220的外壳23腕带24操作装置25显示器27pcb＝印刷电路板28发光二级管29光电二级管30金属体3的外表面31部件1的抛光面32钝化层35基体3与玻璃元件5之间的界面。