电馈通件的制作方法

1.本发明涉及一种电馈通件，该电馈通件包括具有至少一个通孔的外部基体、 接收在通孔中的绝缘材料、以及延伸穿过绝缘材料的内部电导体。


背景技术：

2.电馈通件可以用于将电导体引导到气密密封环境或壳体中。为此，在外部基 体、绝缘材料和绝缘的内部电导体之间提供密封连接。这种馈通件例如可以被设 计为玻璃-金属密封件(gtms)，在这种情况下，绝缘材料由玻璃制成，而基体 和电导体由金属制成。
3.电馈通件、特别是gtms涵盖了广泛的应用，例如在电子和电气工程中的 应用。一些应用示例是连接器、充电端口，例如用于可穿戴设备、消费电子装置、 平台应用、医疗设备(例如起搏器)，还包括适用于恶劣环境的组件，诸如石油 和天然气组件。
4.电馈通件、尤其是gtms的期望密封特性尤其是有效的电绝缘性、气密性、 长期可靠性和/或在特定环境中(诸如抵抗腐蚀性物质、振动或温度波动)的抵 抗性。
5.在期望电导体相对于馈通件的总尺寸具有相对较大的直径和/或电导体待以 高密度布置的设计中，以足够的质量实现这些特性可能变得困难。在电子应用中， 例如，如果期望小尺寸的馈通件同时又要满足某些连接标准，则可能会出现这种 情况。另一个示例可以是充电端口，其中期望电导体提供相对较大的落点区域和 /或高密度。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的是提供一种用于电导体的电馈通件，该电导体相对于通 孔和/或基体的尺寸具有相对较大的直径和/或电导体以高密度布置，同时优化了 诸如电绝缘性、气密性和长期可靠性之类的密封特性。
7.为了解决该目的，本发明提供了一种电馈通件，该电馈通件包括：基体，该 基体具有第一侧和相对的第二侧以及从所述第一侧穿过所述基体延伸到所述第 二侧的至少一个通孔；绝缘材料，该绝缘材料接收在至少一个通孔中，所述绝缘 材料具有在所述基体的所述第一侧上的第一表面和在所述基体的所述第二侧上 的相对的第二表面；以及电导体，该电导体延伸穿过所述绝缘材料，所述电导体 具有在所述绝缘材料的所述第一表面的位置处的第一直径和在所述绝缘材料的 所述第二表面的位置处的第二直径，其中，所述电导体的所述第一直径大于所述 电导体的所述第二直径。
8.换言之，电导体的直径在基体的第一侧较大而在基体的第二侧较小。这允许 优化大直径侧以获得所期望的导体尺寸，而较小直径侧和两个直径之间的电导 体的轮廓可以优化密封特性，诸如绝缘性、气密性、长期可靠性和/或对物理或 化学影响的抵抗性。
9.电导体可以与在基体的第一侧上的绝缘材料的第一表面端部齐平，或者可 以从该第一表面偏移小于500μm、优选地小于250μm、特别优选地小于100μm， 特别是使得所述绝缘材料的所述第一表面与所述电导体齐平地研磨或形成优选 地齐平地过渡到所述电导体的弯月面。在偏移的情况下，电导体可以相对于绝缘 材料的第一表面突出或凹入。
10.附加地或替代地，所述电导体可以从在所述基体的所述第二侧上的所述绝 缘材料的所述第二表面突出，其中该突出优选地大于500μm、特别优选地大于 1mm、或者大于2mm。
11.电导体可以具有一个或多个不同的部分，这些部分限定电导体的轮廓，包括 在基体的第一侧上的第一直径、在基体第二侧上的第二直径和/或在这两者之间 的直径轮廓。
12.例如，电导体可以具有第一部分，该第一部分包括第一直径的位置并且从绝 缘材料的第一表面延伸到绝缘材料中，其中，电导体的第一部分优选地具有恒定 直径。
13.附加地或替代地，电导体可以具有第二部分，该第二部分包括第二直径的位 置并且从绝缘材料的第二表面延伸到绝缘材料中，其中，电导体的第二部分优选 地具有恒定直径。
14.附加地或替代地，电导体可以具有在第一直径的位置和第二直径的位置之 间的渐缩部分，其中渐缩部分具有渐缩直径并且其中渐缩部分优选地在绝缘材 料内位于第一部分和第二部分之间。
15.前述的第一部分、第二部分和渐缩部分可以单独存在或以任何组合存在。例 如，电导体可以具有带有阶梯过渡的第一部分和第二部分，即中间没有渐缩部分。 在另一个示例中，电导体可以具有恒定直径的第一部分，接着是渐缩部分。在又 一个示例中，电导体可以具有渐缩部分，接着是恒定直径的第二部分，该第二部 分可以被称为直接渐缩外壳。导体也可以仅包括渐缩部分，其可以被称为全渐缩 外壳。优选地，由于电导体的直径从基体的第一侧向基体的第二侧减小，因此包 围绝缘材料的量可以从第一侧向第二侧增加。
16.电导体可以具有在第一直径的位置和第二直径的位置之间的长度l，其中， 长度l优选地在0.2mm至10mm的范围内、特别优选地在0.3mm至5mm的范 围内、甚至更优选在1mm至3mm的范围内。
17.在下文中，提供了电导体和/或其部分的长度和直径的关系，这些关系在实 验和计算机模拟中已被证明特别适合于实现本发明的目的。具体而言，下文将进 一步参考计算机模拟结果。
18.在电导体具有如上所述的第一部分和/或渐缩部分的情况下，电导体的第一 部分可以具有长度l1和/或电导体的渐缩部分可以具有长度l3，其中，长度l1、 长度l3或长度l1 l3至少为0.1mm、优选地至少为0.3mm、特别优选地至少 为0.6mm。
19.在电导体具有如上所述的第一部分和/或渐缩部分的情况下，电导体的第一 部分可以具有长度l1和/或电导体的渐缩部分具有长度l3，其中，比值l1/l、 比值l3/l或比值(l1 l3)/l小于0.7、优选地小于0.5、特别优选地小于0.35。
20.在电导体具有如上所述的第二部分的情况下，电导体的第二部分可以具有 长度l2，其中比值l2/l大于0.3、优选地大于0.5、特别优选地大于0.65。
21.在电导体具有如上所述的第一部分和渐缩部分的情况下，电导体的渐缩部 分可以具有长度l3，其中比值l3/l1在1.25和3.0之间、优选地在1.5和2.5之 间、特别优选地在1.75和2.25之间。
22.电导体的第一直径和第二直径之比可以在1.1和10之间、优选地在1.25和 3.5之间、更优选地在1.5和3.0之间、特别优选地在1.75和2.75之间。
23.第一直径可以至少为0.8mm、优选地至少为1mm、特别优选地至少为1.5mm。
24.第二直径可以至多为1mm、优选地至多为0.8mm、特别优选地至多为0.5mm。
25.在电导体具有如上所述的渐缩部分的情况下，电导体的渐缩部分可以具有 从第一直径向第二直径渐缩的直径。附加地或替代地，电导体的渐缩部分可以是 线性渐缩的直径。
26.为了增加电导体与绝缘材料的机械互锁，电导体可以包括凹槽，其中，凹槽 优选地位于电导体的第二部分中。
27.本发明还提供一种电馈通件，该电馈通件包括基体，该基体具有延伸穿过基 体的至少两个通孔，基体具有第一侧和相对的第二侧，其中在至少两个通孔的每 一个中接收绝缘材料，每个绝缘材料具有在基体的第一侧上的第一表面以及在 基体的第二侧上的相对的第二表面，并且其中在至少两个通孔的每一个中，至少 一个电导体延伸穿过相应绝缘材料。馈通件的每个电导体可以根据上述特征中 的一个或多个来设计。馈通件的电导体优选地设计为相同的。然而，根据应用， 导体也可以被不同地设计。
28.通常，馈通件可以包括延伸穿过所述绝缘材料或每个绝缘材料的至少两个 电导体。根据应用，可以使用两个以上的导体，例如在充电端口或数据传输应用 中。
29.通常，两个电导体之间的距离可以小于50mm、优选地小于10mm、特别优 选地小于5mm。这样的距离可以存在于第二直径的位置处、优选地存在于第一 直径的位置处。
30.通常，两个电导体之间的距离可以大于100μm、优选地大于150μm、特别 优选地大于200μm。这样的距离可以存在于第一直径的位置处、优选地存在于 第二直径的位置处。
31.通常，电导体与基体之间的距离可以小于5mm、优选地小于2mm、特别优 选地小于1mm。这样的距离可以存在于第二直径的位置处、优选地存在于第一 直径的位置处。
32.通常，电导体与基体之间的距离可以大于100μm、优选地大于150μm、特 别优选地大于200μm。这样的距离可以存在于第一直径的位置处、优选地存在 于第二直径的位置处。这样的距离可能有利于具有足以使绝缘材料、例如玻璃流 动的间隙。
33.特别地，上述距离可以指两个导体之间或导体与基体之间的最小距离，特别 是在偏心导体、离心导体位置和/或非均匀通孔直径的情况下。
34.在一些实施例中，接收在通孔中的绝缘材料的表面积与在基体的至少一侧(例如第一侧)上的相应通孔中的一个或多个电导体的表面积之比可以小于15、 优选地小于10、特别优选地小于5、或者小于4。
35.通常，如前所述，所述电导体或每个电导体可以具有在相应绝缘材料的第一 表面的位置处的第一直径dec1和在相应绝缘材料的第二表面的位置处的第二 直径dec2，其中每个导体的直径可以不同。此外，所述通孔或每个通孔可以具 有优选地在整个基体上是恒定的直径dth，或者所述通孔或每个通孔是渐缩的， 优选地在2
°
至10
°
的范围内，具有最大直径dth，其中每个通孔的直径dth 可以不同。
36.在一些实施例中，至少一个通孔的比值dth/dec1至多为1.5、优选地至多 为1.3、特别优选地至多为1.2、或者至多为1.11。
37.在一些实施例中，至少一个通孔的比值dth/dec2至多为10、优选地至多 为5、特别优选地至多为2.5。
38.应当注意，所述通孔或每个通孔可以具有渐缩直径，优选地具有在2
°
至10
°ꢀ
的范围内的渐缩角度，其中，渐缩可以是在任一方向上，即通孔直径可以朝向基 体的第二侧或
朝向基体的第一侧渐缩。渐缩通孔的优点尤其可以是更高的耐压 性和/或改进的加工，诸如在注塑成型工艺之后更容易脱模(part ejection)。
39.在一个以上的通孔的情况下，至少两个通孔中的每个通孔可以具有直径 dth，并且至少两个通孔中的每个通孔可以限定半距离直径dbb，半距离直径 dbb是基体内的在相邻通孔之间的距离δth加上相应通孔的直径dth，其中至 少一个通孔的比值dbb/dth小于2.0、优选地小于1.8、特别优选地小于1.7、 或者小于1.6、或者小于1.5、或者小于1.4、或者小于1.3、或者小于1.2、或者 小于1.1。
40.在渐缩通孔的情况下，这些上述直径dth和dbb可以优选地在基体的第 一侧上测量。然而，替代地，它们可以在基体的第二侧上测量。
41.根据实验和计算机模拟，上述距离、表面比和直径比已被证明特别有利于实 现本发明的目的。具体而言，下文将进一步参考计算机模拟结果。
42.此外，对绝缘材料上的接触压力进行了实验和计算机模拟，其中负接触压力 是指接触张力。
43.在一些实施例中，绝缘材料在基体的第二侧上的第二表面的位置处可以处 于接触压力cp2下，其中cp2为正接触压力，或者其中cp2为绝对值小于30mpa、 优选地小于20mpa、特别优选地小于10mpa、或者小于5mpa的负接触压力。
44.在一些实施例中，绝缘材料在基体的第一侧上的第一表面的位置处可以处 于接触压力cp1下，其中cp1为绝对值大于1mpa、优选地大于5mpa、特别优 选地大于10mpa的负接触压力。
45.在一些实施例中，绝缘材料处于绝对值低于155mpa、优选地低于70mpa、 更优选地低于50mpa、更优选地低于40mpa、特别优选地低于20mpa的最高正 接触压力下。
46.通常，馈通件的基体的热膨胀系数可以在5
×
10-6
k-1
和25
×
10-6
k-1
之间、 优选地在5
×
10-6
k-1
和20
×
10-6
k-1
之间。
47.通常，馈通件的绝缘材料的热膨胀系数可以在3
×
10-6
k-1
和15
×
10-6
k-1
之 间、优选地在5
×
10-6
k-1
和12
×
10-6
k-1
之间。
48.通常，馈通件的电导体的热膨胀系数可以在3
×
10-6
k-1
和25
×
10-6
k-1
之间、 优选地在5
×
10-6
k-1
和20
×
10-6
k-1
之间。
49.基体可以包括以下材料中的至少一种：金属；奥氏体不锈钢、特别是aisi 300系列；铁素体不锈钢、特别是aisi 400系列；钛、铬镍铁合金；双相不锈 钢；铌；上述金属之一的合金、例如钛合金；陶瓷。在基体包括金属并且绝缘材 料包括玻璃的情况下，馈通件可以被称为玻璃-金属密封件。在基体包括陶瓷并 且绝缘材料包括玻璃的情况下，馈通件可以称为玻璃-陶瓷密封件。
50.绝缘材料可以包括以下材料中的至少一种：玻璃；玻璃陶瓷；陶瓷。
51.电导体可以包括以下材料中的至少一种：金属；金属合金；不锈钢300系 列；不锈钢400系列；钛；nife；nifeco合金；铌；铜；钨；钼；铂；上述金 属之一的合金，例如钛合金或铜合金。
52.在一些实施例中，基体和电导体可以仅包括非过敏材料，其中，基体和电导 体优选地没有镍浸出。
53.特别地，本发明涉及用于电子装置、特别是可穿戴设备的充电端口或医疗端 口，
其包括如上所述的电馈通件。
附图说明
54.下面参照附图更详细地解释本发明。附图中示出了：
55.图1是包括4个通孔的电馈通件的俯视图，其中电导体延伸穿过每个通孔；
56.图2至图4是包括4个通孔的3种不同电馈通件的侧视图，其中电导体延 伸穿过每个通孔；
57.图5a至5e是5种不同电导体的侧视图；
58.图6a至6d是包括1个通孔的4种不同电馈通件的侧视图，其中电导体延 伸穿过通孔；
59.图7是图6a至6d的4种不同电馈通件的绝缘材料上的接触压力的计算机 模拟结果；
60.图8a和8b是通孔中的两种不同电导体的立体图；
61.图9a至16b是图8a和8b的基体的塑性变形水平和两种不同电导体的绝缘 材料中的接触压力的计算机模拟结果以及具有不同分隔壁距离的相应结果；
62.图17a和17b是包括3个电导体的两种不同电馈通件的俯视图。
具体实施方式
63.参照图1至图5e，具有基体20的电馈通件10可以包括一个或多个通孔26， 绝缘材料30和至少一个电导体40接收在该通孔中。电导体也可以被称为电引 脚。
64.对于若干实际应用，可能期望为馈通件10提供相对于通孔的直径dth、相 对于相邻通孔之间的距离δth和/或相对于半距离直径dbb＝dth δth而言相 对较厚的电导体40，同时气密性、导体40和/或基体20之间的电绝缘性或其他 密封特性应满足一定的质量要求。
65.为此目的，可以考虑多种方法。特别地，代替使用具有恒定直径dec1＝ dec2(图2)的电导体40，可以采用在基体20的第一侧22上具有较大直径 dec1并且在基体20的第二侧24上具有较小直径dec2的导体40(图3至图 5e)。
66.例如，电导体40具有较大直径dec1所在的馈通件10的第一侧22可以面 向装置的外部，而电导体40具有较小直径dec2所在的馈通10的第二侧24可 以面向装置的内部。
67.这种非对称引脚直径(例如外部直径和内部直径)可以提高馈通件10的性 能和/或优化所期望的尺寸比。一方面，较大的引脚外径dec1可以提供更大的 接触面积，这可以有利于配合接触面积。这在可以是弹簧针(pogo pin)的配合 组件的公差情况下可能特别有用。另一方面，较小的内部引脚直径dec2可以 允许相对较小的弯曲轮廓。内部引脚端部可以通过各种手段(诸如通过焊接)与 另一个组件配合。
68.根据一个实施例，非对称引脚直径dec1》dec2可以通过阶梯设计来实现 (图3)。在这种情况下，电导体40具有：具有第一直径dec1的第一部分42， 该第一部分42从绝缘材料30的第一表面32延伸到绝缘材料30中；具有第二 直径dec2的第二部分44，该第二部分44从绝缘材料30的第二表面34延伸到 绝缘材料中；以及在这两个部分42、44之间的竖直台阶。
69.在其中绝缘材料30是玻璃的gtms的一些情况下，取决于馈通件10的组 件的尺寸
和所使用的工艺，这种台阶设计可能导致在玻璃密封过程中的情况，即 玻璃流不足以覆盖整个空腔。在这种情况下，在某些位置可能会产生气泡或间隙， 从而产生泄漏风险。此外，在gtms的一些情况下，阶梯引脚设计的尖锐角部 可能会导致高应力区域，这些区域可能容易出现玻璃裂纹，这也可能导致泄漏风 险。
70.然而，这些问题仅在馈通件10的组件的特定条件和/或尺寸下是预期的，并 且可以通过合适的工艺和/或材料来解决，如下文进一步详述的。
71.替代地或附加地，渐缩的引脚设计可能是有利的(图4和图5a-5e)。在这种 情况下，电导体40可以具有：具有第一直径dec1的第一部分42，该第一部分 42从第一表面32延伸到绝缘材料30中；具有第二直径dec2的第二部分44， 该第二部分44从第二表面34延伸到绝缘材料中；以及在这两个部分42、44之 间的渐缩部分46(图4、图5a、图5b)。
72.然而，电导体40也可以设计成包括具有第一直径dec1的锥形部分46，接 着是具有第二直径dec2的第二部分44(图5c)。相反，电导体40也可以设计 成包括具有第一直径dec1的第一部分42，接着是具有第二直径dec2的渐缩 部分46(图5d)。此外，电导体40也可以从第一表面32处的第一直径dec1渐 缩达至绝缘材料30的第二表面34处的第二直径dec2(图5e)。注意，在图5d 和图5e中，第二直径dec2可以在渐缩部分46内的任何位置处或在其端部处， 这取决于绝缘材料30的第二表面34所在的位置。
73.此外，为了允许在绝缘材料30(例如玻璃)和导体40之间的更强的机械互 锁，可以在导体40上实施一个或多个凹槽48，使得绝缘材料30可以流入导体 中以产生例如尼龙搭扣(velcro)互锁。
74.电导体40可以例如通过cnc、mim和/或锻造生产，特别是在渐缩设计的 情况下。
75.通常，非对称引脚设计已显示可提高gtms性能、例如机械稳健性和/或气 密性，尤其是对于玻璃-金属密封系统中的焊接区域更是如此。渐缩引脚设计可 以改善生产中的绝缘材料流动(较小的收缩区域)，并且因此可以降低气泡、裂 纹的风险，和/或由于较少锐利角部而降低应力，特别是对于玻璃绝缘材料 (gtms)来说更是如此。
76.参照图6a至图16b，说明了非对称导体设计(dec1》dec2)并且特别是锥 形设计改善了馈通件的组件上的接触压力条件，从而导致更好的气密性和/或机 械稳健性，例如对于焊接过程。接触压力与馈通件的机械稳健性和密封完整性直 接相关。
77.构建并分析了四种引脚/玻璃系统的变体，以说明引脚厚度、玻璃厚度和玻 璃-金属密封系统的稳健性之间的关系：第一种变体是指具有典型设计准则的玻 璃/引脚系统，即具有标称间隙的玻璃(图6a)。第二种变体是指具有增加的引脚 直径的系统，即粗引脚和窄玻璃间隙(图6b)。第三种变体是指具有减小的引脚 直径和窄玻璃间隙(即细引脚和窄玻璃间隙)的系统(图6c)。第四种变体是指 非对称引脚设计，该引脚设计在外侧具有较大的落点区以用于接触，而内径较薄 以用于较小的焊接轮廓，即“钉头”引脚设计(图6d)。
78.对于这4种变体，在图7中示出了绝缘材料(玻璃)上的接触压力的计算 机模拟结果。上述第一种变体(具有标称间隙的玻璃)是曲线100，第二种变体 (粗引脚和窄玻璃间隙)是曲线102，第三种变体(细引脚和窄玻璃间隙)是曲 线103，第四种变体(钉头设计)是曲线101。馈通件的厚度l(见图4)为2， 并且x轴的0值对应于基体的第一侧22(例如外部区域)，x轴的2值对应于第 二侧24(例如具有用于焊接的突起的内部区域)。
79.发现对于第一种变体100，与其中绝缘材料处于负接触压力(即接触张力) 下的第
二种变体102和第三种变体103相比，绝缘材料在其表面(x＝0，x＝2) 处具有优异的接触应变。然而，对于第四种变体101，与第二种变体102和第三 种变体103相比，绝缘材料具有优异的接触应变。特别地，在第二表面(x＝2) 上，绝缘材料处于负接触压力cp2下，其中该负接触压力cp2的绝对值与第二 种变体102和第三种变体103相比较低，或者绝缘材料处于正接触压力cp2下。
80.玻璃上的这种接触压力、特别是正接触压力表明玻璃密封系统更坚固，这继 而有助于引脚在第二侧(例如焊接侧)上的机械稳健性。这可能是特别有利的， 因为在焊接侧的引脚在焊接过程中会受到热/机械应力。
81.在钉头设计中，压力不会在钉头引脚系统上积聚。此外，在钉头引脚系统中， 绝缘材料可以处于绝对值低于45mpa或者低于35mpa的最高正接触压力cp3 下。
82.为了支持上述发现，图8a至图16b示出了针对基体的塑性变形水平(图9a
‑ꢀ
9b、图11a-11b、图13a-13b、图15a-15b)和针对不同分隔壁距离(即：2.21mm； 2.11mm；2.01mm；和1.81mm)的绝缘材料中的接触压力(图10a-10b、图12a
‑ꢀ
12b、图14a-14b、图16a-16b)的钉头引脚设计(a)和直引脚设计(b)的进一 步计算机模拟结果。
83.参照图17a-17b，包括多个电导体40的电馈通件可以具有用于每个导体40 的单独的通孔26(图17a)或者可以具有延伸穿过相同通孔26的多个电导体40 (图17b)。
84.在这两种情况下，上述引脚设计使系统具有优化的密封特性，同时两个电导 体之间的距离δec和/或电导体与基体之间的距离δecbb可以减小，特别是以 允许高密度引脚配置(通常较低的间距距离对应于给定区域的较高密度的引脚)。
85.附加地或替代地，提供具有减小的δec、减小的δecbb和/或允许与dth、 δth和/或dbb(图1)相关的所期望的电导体直径的馈通件同时密封特性满足 高质量标准，可以通过材料选择和/或热膨胀系数(cte)的选择来实现。
86.例如，金属壳体的选择可能会对引脚之间的(间距)间隔产生影响。为了实 现高水平的耐腐蚀性和可靠性性能，可以使用如不锈钢或ti之类的金属。对于 具有高cte的金属、例如316l，与如不锈钢400系列和ti之类的金属相比， 间距间隔可能更高。为了使重量轻、可靠性高、玻璃-金属密封件的高密度和/或 生物相容性，可以选择ti作为基体和/或引脚的材料。基体和/或引脚可以优选地 是非镍材料或没有镍浸出。
87.在一个示例性实施例中，基体可以包括ss316l并且dbb/dth可以是1.6。在另一个示例性实施例中，基体可以包括ss400系列/ti并且dbb/dth可以是 1.3。
88.在一个示例性实施例中，基体可以包括ss316l并且导体可以包括ss316l。在另一个示例性实施例中，基体可以包括ss400系列/ti并且导体可以包括ss400 系列。