DE69629305T2

DE69629305T2 - Hermetisch abgedichtete elektrische durchführung zur verwendung bei implantierbaren elektronischen vorrichtungen

Info

Publication number: DE69629305T2
Application number: DE69629305T
Authority: DE
Inventors: H. Joseph SCHULMAN; Dean Lyle CANFIELD
Original assignee: Alfred E Mann Foundation for Scientific Research; Alfred E Mann Institute for Biomedical Engineering of USC
Current assignee: Alfred E Mann Foundation for Scientific Research; Alfred E Mann Institute for Biomedical Engineering of USC
Priority date: 1995-08-16
Filing date: 1996-08-14
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2016-08-15
Also published as: EP0844899A1; WO1997006853A1; ES2203711T3; CA2229596C; DE69629305D1; US5750926A; CA2229596A1; EP0844899B1; AU6774396A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft hermetisch abgedichtete Durchführungen, die es ermöglichen, dass elektrische Verbindungen mit elektronischen Schaltkreisen oder Komponenten hergestellt werden, welche in Gehäusen oder Kästen hermetisch abgedichtet und für eine Implantation in lebendes Gewebe geeignet sind. Insbesondere betrifft die Erfindung einen hermetisch abgedichteten, extrem dünnen keramischen Hybridfilm, der sehr dünne, hermetisch abgedichtete Gehäuse zu formen ermöglicht, wobei elektronische Schaltkreise angeordnet und geschützt sein können und trotzdem noch einen elektrischen Kontakt mit einem solchen elektronischen Schaltkreis durch die Verwendung von dünnen, hermetisch abgedichteten Filmdurchführungen ermöglichen.
Hermetisch abgedichtete Kästen oder Gehäuse werden weit verbreitet verwendet, um elektronische Komponenten zu schützen, welche auf eine Beschädigung oder Funktionsstörung durch ein Aussetzen der Umgebung empfindlich sein können. Beispielsweise müssen ein piezoelektrischer Kristall und bestimmte Halbleitervorrichtungen vor der Umgebungsluft geschützt werden und sind daher allgemein in einem Metallkasten hermetisch abgedichtet. Die hermetische Abdichtung ist einfach eine luftdichte, dauerhafte Abdichtung, welche lange haltbar und physikalisch robust ist. Manchmal ist das Innere einer hermetisch abgedichteten Hülle mit einem inerten Gas, wie beispielsweise Helium, gefüllt, um die Verschlechterung der Komponente oder von Komponenten innen zu verzögern. Da keine Abdichtung vollkommen ist, wird die Dichtheit der hermetischen Abdichtung als hermetische Dichtheit bezeichnet und normalerweise gemessen oder in Hinsicht auf die Undichtigkeitsrate durch die Abdichtung in ccm/s angegeben. Manchmal kann die hermetische Dichtheit bei sehr kleinen Undichtigkeitsraten nur durch Einfüllen eines radioaktiven Gases in das Gehäuse und dann durch Verwenden eines geeigneten Strahlungsdetektors gemessen werden, indem die Dichtheit bezüglich radioaktiver Lecks zu „riechen" ist.
Wo die elektrische Komponente oder die elektrischen Komponenten in Körpergewebe eingepflanzt werden sollen, muss der hermetisch abgedichtete Kasten (welcher aus einem Material hergestellt werden muss, das mit dem Körpergewebe verträglich ist, wie beispielsweise Platin oder rostfreier Stahl oder Glas) einem doppelten Zweck dienen: (1) er schützt die elektrische Komponente oder die elektrischen Komponenten vor Körperflüssigkeiten und Gewebe, während die Flüssigkeiten und das Gewebe andernfalls die Komponenten daran hindern könnten, ihre gewünschte Funktion zu erfüllen; und (2) er schützt das Körpergewebe und die Körperflüssigkeiten vor der elektrischen Komponente oder den Komponenten, welche zumindest teilweise aus Materialien hergestellt sein könnten, die das Körpergewebe schädigen könnten, und welche daher ein erhebliches Gesundheitsrisiko für den Patienten darstellen könnten, in welchen sie eingepflanzt sind. Es ist somit äußerst wichtig, dass die hermetische Abdichtung einer eingepflanzten Vorrichtung besonders lange haltbar und physikalisch robust ist. Aus diesem Grund werden an die hermetische Dichtheit einer eingepflanzten Vorrichtung strenge Forderungen gestellt, welche normalerweise eine Dichtheit verlangen, die eine Undichtigkeitsrate von weniger als 10^–8 ccm/s gewährleistet.
In den letzten Jahren hat die Größe von eingepflanzten medizinischen Vorrichtungen dramatisch abgenommen. Es ist jetzt beispielsweise möglich, eine einfache Anregungsvorrichtung in einem kleinen, hermetisch abgedichteten Glasrohr zu konstruieren, das durch das Lumen einer Nadel eingepflanzt werden kann. Siehe US-Patent Nr. 5 193 539; und 5 193 540. Bei einer so kleinen Größe entstehen erhöhte Anforderungen an die Dichtheit der hermetischen Abdichtung, weil es innerhalb der Abdichtungseinheit weniger Freiraum gibt, um die Feuchtigkeit zu halten, welche durch diesen auslaufen kann. Die Anforderungen an die hermetische Dichtheit von solch kleinen Vorrichtungen können somit in der Größenordnung von 10^–11 oder 10^–12 ccm/s sein. Während somit die geringe Größe vorteilhaft ist, machen die strengen hermetischen Dichtheitsanforderungen, welche an solch kleine Vorrichtungen gestellt werden, die Herstellung derselben extrem schwierig, und erhöhen somit die Herstellungskosten.
Ein erhebliches Problem, das mit einem hermetisch abgedichteten Gehäuse zusammenhängt, besonders wo das Gehäuse in lebendes Gewebe eingepflanzt ist, ist die Durchführungseinrichtung, die verwendet wird, um eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den Schaltkreisen, welche in dem hermetisch abgedichteten Gehäuse eingeschlossen sind, und der Umgebung um das Gehäu se zu ermöglichen. Die meisten eingepflanzten medizinischen Vorrichtungen, wie beispielsweise ein Herzschrittmacher, ein Nervenstimulator, ein biochemischer Sensor und dergleichen erfordern eine solche Durchführung, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem entsprechenden in dem hermetisch verschlossenen Gehäuse abgedichteten Schaltkreis und einer externen Elektrode herzustellen, welche mit dem Körpergewebe oder mit Flüssigkeiten außerhalb des abgedichteten Gehäuses in Kontakt stehen muss. In einem Herzschrittmacher ist es beispielsweise üblich, durch Verwendung eines Durchführungskondensators eine solche Durchführung vorzusehen. Ein typischer Durchführungskondensator ist in US-Patent Nr. 4 152 540 beschrieben. In einer anderen Ausführungsform wird normalerweise eine hermetische Durchführung verwendet, um elektrische Verbindungen zwischen den entsprechenden elektronischen Komponenten oder einem Schaltkreis herzustellen, welcher in dem hermetisch verschlossenen Gehäuse und einer externen Steuervorrichtung oder einer Überwachungseinrichtung eingeschlossen ist.
Bisher bestand eine hermetische Durchführung für implantierbare Gehäuse aus einer Keramik- oder Glasperle, welche an ihrem Umfang durch Hartlöten oder die Verwendung von Oxiden chemisch geklebt und/oder mechanisch durch Kompression mit den Wänden des abgedichteten Gehäuses verbunden wurde. Ein geeigneter Draht oder anderer Leiter führt durch das Zentrum der Perle, wobei der Draht oder Leiter zu der Perle durch chemische Verbindungen und/oder mechanische Kompression auch abgedichtet werden muss. Die Durchführung ist somit kreisförmig, und der Draht bzw. die Drähte oder der Leiter bzw. die Leiter, welche innerhalb der Perle in einem gleichförmigen Muster zentriert oder befestigt sind, sind in der Perle zentral angeordnet. Ein solches Zentrieren ist wegen der Wärmekoeffizienten notwendig, welche für die unterschiedlichen Ausdehnungsraten erforderlich sind, die auftreten, wenn ein Erhitzen durchgeführt wird, um entweder die Kompressionsabdichtung oder das Oxid- oder Bronze-Bondieren zu bewirken.
Ein anderer verwandter Stand der Technik bezüglich Verfahren zur Formung hermetisch abgedichteter Kästen mit elektrischen Durchführungen und Durchgangsverbindungen beinhalten das US-Patent Nr. 4 525 766, erteilt an Petersen, das US-Patent Nr. 4 861 641, erteilt an Foster et al. und das US-Patent Nr. 4 882 298, erteilt an Moeller et al. Während diese Patente dem Fachmann Ver besserungen zeigen, sind solche Angaben auf eine Verwendung mit Halbleitersubstraten begrenzt und nicht leicht für eine Verwendung mit Mikrovorrichtungen in lebendem Gewebe anpassungsfähig.
Als implantierbare Vorrichtungen immer dünner wurden, ist die Größe der für elektrische Durchführungen verwendeten Keramik- oder Glasperlen auch immer kleiner geworden. Dies bedeutet, dass die Löcher durch das Zentrum der Glasperlen ebenfalls immer kleiner geworden sind, und/oder dass der Abstand zwischen dem Zentrumsdraht oder -leiter und der Wand des Metallkastens oder des Gehäuses immer kleiner geworden ist. Ein kleiner Abstand zwischen dem Leiter und der Metallwand stellt ein Problem dar, indem zwischen diesen leicht ein elektrischer Kurzschluss vorkommen kann. Um die Möglichkeit eines solchen Kurzschlusses zu verhindern, der vorkommen kann, wenn beispielsweise Wasser oder eine andere leitfähige Flüssigkeit eine Brücke zwischen dem Draht und der Wand an der Außenseite des Gehäuses bildet, ist es üblich, den Draht an der Außenseite der Blechdose oder des Gehäuses mit Epoxydharz oder anderen Arten von Kunststoff oder Wachs zu isolieren. Da jedoch die Gesamtgröße der Komponenten abnimmt, wird es immer schwieriger, eine wirkungsvolle Isolationsabdichtung in dieser Weise herzustellen. Obwohl überdies Keramikgehäuse oder -kästen an Stelle von Metallgehäusen und -kästen verwendet werden, beseitigen sie dieses Problem (weil die Keramikkästen nicht leitend sind); Keramikkästen haben ihre natürliche Sprödigkeit und müssen somit dicker hergestellt werden als Metallwände. Daher reduziert die Verwendung von Keramikgehäusen die Fähigkeit, den Kasten sehr dünn zu machen. Offensichtlich muss daher die Möglichkeit geschaffen werden, ein dünnes, hermetisch abgedichtetes Metallgehäuse oder einen -kasten mit einer elektrischen Durchführung vorzusehen, die die Wahrscheinlichkeit einen Kurzschluss zwischen einem Durchführungsleiter, welche die Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen einer Durchführungsleiterbahn und der Metallwand des Gehäuses oder Kastens, ausschließt oder reduziert.
US-Patent Nr. 5 280 413 (Pai) zeigt ein hermetisch abgedichtetes Schaltkreisgehäuse zur Verwendung in einer Umgebungsluft, in welcher eine Durchführung aus einem Paar Durchgangsverbindungen geformt ist, die sich durch eine Mehrschicht-Leiterplatte erstrecken, von denen eine an einem Anschluss außerhalb des abgedichteten Bereichs und eine innerhalb des abgedichteten Be reichs endet. Die Durchgangsverbindungen sind durch Schaltungsbahnen in der Leiterplatte elektrisch miteinander verbunden.
Die Materialien und Herstellungsverfahren, die in dem Pai-Patent verwendet werden, machen die Angaben darüber ungeeignet für eine Verwendung in einer implantierbaren Vorrichtung. Beispielsweise verwendet die Pai-Vorrichtung einen Deckel, welcher mittels eines leitfähigen Klebstoffs mit einer Einfassung verbunden ist. Leitfähige Klebstoffe enthalten jedoch Kunststoffe, welche, wie in dem Bereich von implantierbaren Vorrichtungen bekannt ist, in einer Umgebung von lebendem Gewebe nicht hermetisch dicht sind, weil Kunststoffe in einer Umgebung von lebendem Gewebe „undicht" sind. (Es ist bekannt, dass nur einige Metalle, einige Keramiken und einige Glasarten in einer Umgebung von lebendem Gewebe hermetisch sind, und dass keine bekannten Kunststoffe in einer solchen Umgebung hermetisch sind, d. h. dass alle bekannten Kunststoffe eine bestimmte unzulässige Menge von Verunreinigungen in eine wässerige, salzhaltige Umgebung austreten lassen.) Die in dem Pai-Patent gezeigten Deckel und Einfassungen sind aus KOVAR oder einer anderen Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung hergestellt. Diese Legierungen korrodieren in einer Umgebung von lebendem Gewebe, was zu einem Verlust von hermetischer Dichtheit und zu Kontamination führt. Die Einfassung ist unter Verwendung von leitendem Lötmittel mit einem Anker verbunden, welche in einer Umgebung von lebendem Gewebe auch korrodiert. In einer Umgebung von lebendem Gewebe würde bei einem Übergang zwischen der Legierung und dem leitenden Lötmittel galvanische Korrosion auftreten. Der Anker und die Durchgangsverbindungen, welche in dem Pai-Patent verwendet werden, sind aus Kupfer hergestellt, welches in einer Umgebung von lebendem Gewebe ebenfalls korrodiert, und die Aufbringungs-/Beschichtungstechniken, welche verwendet werden, um das Kupfer abzuscheiden, sind in einer Umgebung von lebendem Gewebe im allgemeinen nicht hermetisch. Das in dem Pai-Patent vorgeschlagene Polyimidsubstrat löst sich in einer salzhaltigen, lebenden Gewebeumgebung auf. Somit ist die Pai-Vorrichtung für eine Implantation in einem lebenden Gewebe ungeeignet.
In dem europäischen Patient Nr. 0 266 210 (von Kukuoka, et al.) ist eine hybride Mikrovorrichtungsmöglichkeit gezeigt, in welcher ein feuchtigkeitsdichter Deckel mit einer metallisierten Schicht hermetisch abgedichtet ist. Die in dem Pa tent von Kukuoka et al. verwendeten Materialien und Verfahren sind aus dem ganz gleichen Grund ebenfalls für eine Implantation ungeeignet wie die Pai-Materialien und -Verfahren für eine Implantation ungeeignet sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Endung richtet sich an die obige und andere Bedürfnisse durch Bereitstellen einer hermetisch abgedichteten Dünnfilm-Durchführung. Eine solche Durchführung kann in einer großen Vielfalt von Anwendungen verwendet werden, wird aber normalerweise mit einem sehr dünnen, hermetisch abgedichteten Kasten oder Gehäuse verwendet, das für eine Implantation in ein lebendes Gewebe geeignet ist, und erlaubt dadurch eine elektrische Verbindung zwischen abgedichteten elektronischen Schaltkreisen oder Komponenten in dem Kasten und elektrischen Anschlüssen an der Außenseite des Kastens.
Die hermetisch abgedichteten Durchführungen und ein Kasten der vorliegenden Erfindung umfassen mindestens eine Isolierschicht, welche eine Metallspurlinie einkapselt und hermetisch abdichtet. Beispielsweise wird eine leitfähige Spurlinie auf einer Oberfläche eines ersten Isoliersubstrats oder einer ersten Isolierschicht abgeschieden. Die leitfähige Spurlinie wird dann durch Aufbringen einer weiteren Isolierschicht über der leitfähigen Spurlinie so abgeschieden, dass die leitfähige Spurlinie effektiv zwischen zwei Isolierschichten zwischengelegt wird. Da die Isolierschicht vorteilhafterweise über der Metallspurlinie aufgebracht wird, wird die Metallspurlinie innerhalb der Isolierschichten hermetisch abgedichtet. Da die Aufbringung der Isolierschicht über der Metallspurlinie ausgeführt wird, werden mindestens zwei Öffnungen (oder Kanäle) quer durch diese geformt, um so verschiedene Enden oder Abschnitte der leitfähigen Spurlinie freizulassen. Zusätzliches leitfähiges Material wird dann in jeder der Öffnungen oder Kanäle angeordnet, um leitfähige Durchgänge oder Verbindungen (hier nachfolgend „Durchgangsverbindungen" genannt) zu formen, die mit den Enden oder Abschnitten der leitfähigen Spurlinie in den jeweiligen Bereichen der Durchgangsverbindungen einen elektrischen Kontakt bilden. Dann wird auf einer der Isolierschichten ein Belag hermetisch abgedichtet oder verbunden, um mit mindestens einer der Durchgangsverbindungen eine hermetisch abgedichtete Kavität zu bilden, die sich innerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität befindet, und mit mindestens einer anderen der Durchgangsverbindungen, die sich außerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität befindet. Weil die Durchgangsverbindung in der hermetisch abgedichteten Kavität mit Hilfe der leitfähigen Spurlinie mit der Durchgangsverbindung auf der Außenseite der hermetisch abgedichteten Kavität in elektrischem Kontakt steht, ist somit vorteilhafterweise eine elektrische Durchführung vorgesehen, welche ermöglicht, dass zwischen der Durchgangsverbindung an der Innenseite der hermetisch abgedichteten Kavität und der Durchgangsverbindung an der Außenseite der hermetisch abgedichteten Kavität ein elektrischer Kontakt geschlossen wird. Daher können innerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität ein elektronischer Schaltkreis oder Komponenten angebracht werden, und es kann mit einem solchen Schaltkreis oder mit Komponenten von einem Bereich außerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität ein elektrischer Kontakt eingerichtet werden, wie für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Isolierschichten, welche die Metallspurlinie hermetisch umgeben, auf einem dünnen Metallsubstrat aufgebracht werden und dadurch das Herstellen einer extrem dünnen Durchführung ermöglichen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden die Isolierschichten) und/oder das Substrat aus Aluminiumoxid Al₂O₃ oder einem anderen geeigneten Isoliermaterial hergestellt, wie beispielsweise aus Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid oder vielen Arten von Glas, und können aufgebracht werden, indem herkömmliche Aufbringungstechniken verwendet werden.
Es ist somit eine Eigenschaft der vorliegenden Erfindung, eine hermetisch abgedichtete Dünnfilm-Durchführung zu erzeugen.
Es ist eine weitere Eigenschaft der Erfindung, eine solche hermetisch abgedichtete Dünnfilm-Durchführung in Kombination mit einer dünnen, hermetisch abgedichteten Kavität bereitzustellen, in welcher elektronische Komponenten und/oder ein Schaltkreis untergebracht sein können und dadurch elektrischen Verbindungen ermöglichen, mit dem Schaltkreis und/oder den Komponenten innerhalb der abgedichteten Kavität von einem Bereich außerhalb der Kavität eingerichtet zu werden.
Es ist eine weitere Eigenschaft der Erfindung, ein extrem dünnes, hermetisch abgedichtetes Gehäuse bereitzustellen, welches hermetisch abgedichtete Durchführungen enthält, um dem elektrischen Kontakt zu ermöglichen, zwischen der Innenseite und der Außenseite eines solchen Gehäuses eingerichtet zu werden, das geeignet ist, einen elektronischen Schaltkreis und/oder Komponenten vor einer aggressiven Umgebung zu schützen.
Es ist noch eine weitere Eigenschaft der Erfindung, ein extrem dünnes, hermetisch abgedichtetes Gehäuse bereitzustellen, welches hermetisch abgedichtete Durchführungen enthält, die elektrische Verbindungen zwischen der Innenseite und der Außenseite des Abdichtungsgehäuses ermöglicht, welche speziell für eine Implantierung in lebendes Körpergewebe geeignet sind, beispielsweise für eine Implantierung in Tiere oder Menschen geeignet sind.
Es gibt noch eine weitere Eigenschaft der Erfindung, um die Erzeugung und Verwendung von winzigen, dünnen, hermetisch abgedichteten elektrischen Schaltkreisen oder Komponenten zu erleichtern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und andere Aspekte, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung derselben offensichtlicher, wenn sie in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt werden, wobei:
1 eine Seitenansicht eines Querschnitts des Ausführungsbeispiels des hermetisch abgedichteten Kastens und der hermetischen Durchführungen für implantierbare elektronische Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Seitenansicht eines Querschnitts von einem anderen Ausführungsbeispiel des hermetisch abgedichteten Kastens und der hermetischen Durchführungen für implantierbare elektronische Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Seitenansicht eines Querschnitts von noch einem anderen Ausführungsbeispiel des hermetisch abgedichteten Kastens und der hermetischen Durchführungen für implantierbare elektronische Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine perspektivische Explosionsdarstellung von noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, welche die Anordnung eines hermetisch abgedichteten Kastens und hermetischer Durchführungen für einen implantierbaren biochemischen Sensor mit einer Vielzahl von Isolierschichten und einer Vielzahl von hermetischen Durchführungen zeigt; und
5 eine Seitenansicht eines Querschnitts von dem Ausführungsbeispiel von 4 ist, welches die Vielzahl von Isolierschichten und eine Vielzahl von hermetischen Durchführungen zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die folgende Beschreibung enthält verschiedene Ausführungsbeispiele des hermetisch abgedichteten Kastens und der hermetischen Durchführungen zur Verwendung mit implantierbaren elektronischen Vorrichtungen und ist insgesamt eine Beschreibung der besten Ausführungsform, die gegenwärtig zum Ausführen der Erfindung gesehen wird. Diese Beschreibung soll nicht in einem begrenzenden Sinn gesehen werden, sondern mehr zum Zweck des Beschreibens der allgemeinen Prinzipien der Erfindung. Der Schutzumfang der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die Patentansprüche festgelegt werden.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält ein erstes Ausführungsbeispiel des hermetisch abgedichteten Kastens 10 für eine implantierbare elektronische Vorrichtung ein Substrat 20 (welches isolierend oder nicht isolierend sein kann), zwei Isolierschichten 22 und 26, eine oder mehrere hermetische Durchführungen 30 und einen Belag 40. In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist eine erste Isolierschicht 26, welche vorzugsweise aus Aluminiumoxid Al₂O₃ oder einem anderen geeigneten Isoliermaterial, wie beispielsweise Magnesiumoxid oder Zirkoniumoxid hergestellt ist, auf einem ausgewählten Substrat 20 unter Verwendung von herkömmlichen Aufbringungstechniken aufgebracht. (Es ist anzumerken, dass das Substrat 20, wenn es isolierend ist, der Funktion der ersten Isolierschicht 26 dienen kann.) Ein Verfahren des Aufbringens der Isolierschicht ist beispielsweise, ionenverstärktes, verdampftes Zerstäuben von Aluminiumoxid zu ver wenden. Vorteilhafterweise bildet ionenverstärktes, verdampftes Zerstäuben von Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid oder Zirkoniumoxid eine Isolierschicht von hoher Qualität.
Ein metallisiertes Muster oder eine Spurlinie von einem geeigneten leitfähigen Material 32 wird dann auf der oberen Oberfläche 27 der ersten Isolierschicht 26 abgeschieden, die untere Oberfläche 29 der ersten Isolierschicht 26 ist an das Substrat 20 anschließend. (In jenen Fällen, wo das Substrat 20 schon ein Isolator ist, kann die metallisierte Spurlinie 32 direkt auf eine untere Oberfläche des Substrats 20 abgeschieden werden, wobei das Substrat dann der Funktion der ersten Isolierschicht 26 dient.) Die metallisierte Spurlinie oder das Muster kann auf die Isolierschicht 26 abgeschieden werden, indem herkömmliche Techniken verwendet werden, wie sie Fachleuten gut bekannt sind.
Eine zweite Isolierschicht 22 mit einer oberen Oberfläche 23 und einer unteren Oberfläche 25 wird dann über dem leitfähigen Material 32 und der ersten Isolierschicht 26 unter Verwendung von herkömmlichen Aufbringungstechniken aufgebracht. Das leitfähige Material 32 wird somit zwischen die untere Oberfläche 25 der zweiten Isolierschicht 22 und die obere Oberfläche 27 der ersten Isolierschicht 26 gelegt und kapselt dadurch die Spurlinie des leitfähigen Materials 32 in Isoliermaterial ein.
Mindestens zwei Öffnungen werden durch die zweite Isolierschicht 22 geformt, um die Spurlinie von leitfähigem Material 32 freizulegen. Solche Öffnungen können durch Verwendung von herkömmlichen Halbleiterverarbeitungstechniken geformt werden. Beispielsweise können Teile der ersten Isolierschicht 26 und/oder Spurlinie aus leitfähigem Material 32 abgedeckt werden, wie die zweite Isolierschicht 22 (oder auf andere Weise aufgebracht), auf die erste Isolierschicht 26 und auf leitfähiges Material 32 zerstäubt wurde. Eine der Öffnungen kann in der zweiten Isolierschicht 22 an oder nahe einem inneren Ende 33 des leitfähigen Materials geformt werden, während eine andere der Öffnungen in der zweiten Isolierschicht 22 nahe einem externen Ende 34 des leitfähigen Materials 32 geformt werden kann. Solche Öffnungen werden dann mit einem geeigneten leitfähigen Metall gefüllt, wie z. B. Platin oder Wolfram, das einen leitfähigen Innendurchgang 35 und einen leitfähigen Außendurchgang 36 an den jeweiligen Enden 33 und 34 der leitfähigen Spurlinie 32 formt.
Eine ähnliche leitfähige Spurlinie 32' mit einem leitfähigen Innendurchgang 35' und einem leitfähigen Außendurchgang 36' nahe einem externen Ende 34' kann, wenn nötig, auf einem anderen Bereich des Substrats 20 auf ähnliche Weise geformt werden. Ein elektronischer Schaltkreis 45 kann dann nahe dem inneren Abschnitt des Substrats angeordnet werden und mit den leitfähigen Innendurchgangsverbindungen 35, 35' auf herkömmliche Art elektrisch verbunden werden.
Eine wichtige Eigenschaft der Erfindung ist, dass das verwendete Aufbringungsverfahren zum Bedecken oder Dazwischenschieben der Metallspurlinie mit einer Isolierschicht (oder mit Isolierschichten) die Metallspurlinie auch hermetisch abdichtet, d. h. die Metallspurlinie in dem Isoliermaterial vollständig einkapselt. Ferner wird, selbst an der Grenze der Metallspurlinie mit der Isolierschicht (oder den Isolierschichten) eine wirkungsvolle hermetische Dichtheit erzeugt. Die Metallspurlinie bleibt in allen Bereichen hermetisch abgedichtet, ausgenommen möglicherweise an dem Punkt, wo die Öffnungen oder Löcher für die Durchgangsverbindungen gemacht werden. D. h., durch die Durchgangsverbindung von einer Schicht zu der nächsten kann eine gewisse Undichtigkeit auftreten. (Dies kommt vor, weil die Durchgangsverbindung nicht mit einem leitfähigen Material, das nach dem Herstellen der Öffnung oder des Loches hinzugefügt wurde, völlig abgedichtet sein kann und tatsächlich auch nicht ist. Darüber hinaus gäbe es, selbst wenn es völlig abgedichtet wäre, wahrscheinlich noch eine gewisse Undichtigkeit um die Ränder der Durchgangsverbindung herum.) Jedoch wird eine solche Undichtigkeit durch die Durchgangsverbindung an der Schnittstelle der Durchgangsverbindung mit der nächsten Schicht versperrt. Folglich gibt es keine Undichtigkeit zwischen beispielsweise der Durchgangsverbindung 36 und der Durchgangsverbindung 35, selbst wenn es ein gewisses Auslaufen durch die Durchgangsverbindung 36 zwischen der oberen Oberfläche 23 von Schicht 22 und der unteren Oberfläche 25 der Schicht 22 gäbe. Die untere Oberfläche 25 der Schicht 22 ist zu der Metallspurlinie 30 und zu der oberen Oberfläche 34 der nächsten Schicht 26 hermetisch abgedichtet, ebenso wird die hermetische Abdichtung beibehalten.
Ein Metallbelag 40 beispielsweise, der so geformt ist, dass er einen Querschnitt ähnlich einem Hut hat, weist unter seinem Mittelbereich eine Kavität 42 mit flachen Rändern 44 rundherum auf. Die flachen Ränder 44 sind dafür konzipiert, mit der oberen Oberfläche der zweiten Isolierschicht 22 fest verbunden zu werden und dabei die Kavität 42 abzudichten. Die inneren leitfähigen Durchgangsverbindungen 35, 35' und ein elektronischer Schaltkreis 45 sind in der Kavität 42 angeordnet, welche durch den Metallbelag 40 geformt ist, während sich die übrigen externen, leitfähigen Durchgangsverbindungen 36, 36' außerhalb des Metallbelags 40 und daher außerhalb der abgedichteten Kavität 42 befinden. Ein elektrischer Pfad oder eine „elektrische Durchführung" ist somit zwischen der Außenseite der abgedichteten Kavität 42 und der Innenseite der abgedichteten Kavität 42 mit den jeweiligen leitfähigen Durchgangsverbindungen 35, 36 und der leitfähigen Spurlinie 32 und/oder den jeweiligen leitfähigen Durchgangsverbindungen 35', 36' und der leitfähigen Spurlinie 32' vorgesehen. Daher kann ein elektrischer Kontakt mit einem elektronischen Schaltkreis 50 oder anderen elektrischen Vorrichtungen, beispielsweise Sensoren oder Temperaturtastköpfen hergestellt werden, welche in der Kavität 42 montiert und hermetisch abgedichtet sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Dünne des hermetisch abgedichteten Kastens in dem ersten Ausführungsbeispiel möglich gemacht, indem das Substrat aus einer dünnen Metallwand hergestellt wird. Die Metallwand kann beispielsweise in der Größenordnung von 50,8 × 10^–6 bis 254 × 10^–6 m (0,002 bis 0,010 Zoll) dick sein. Wenn die Wand beispielsweise 102 × 10^–6 m (0,004 Zoll von 4 Tausendstel Zoll) dick ist, und angenommen diese Aluminiumoxidschichten werden verwendet, die in der Großenordnung von nur 6,35 × 10^–6 m (0,25 Tausendstel Zoll) dick sind, und auch angenommen, dass der Metallbelag ebenfalls etwa 102 × 10^–6 (4 Tausendstel Zoll) dick ist, so ist es folglich möglich, einen hermetisch abgedichteten Kasten zu konstruieren, welcher an seinen Kanten nur etwa 2,16 × 10^–6 – 2,29 × 10^–6 m (8,5–9,0 Tausendstel Zoll) dick ist, und in seiner Mitte nur so dick ist wie erforderlich, um eine Kavität zwischen den Metallwänden jener Gehäuse entsprechend elektrischer Komponenten zu formen.
Es ist anzumerken, dass die Isolierschichten normalerweise eine Dicke von weniger als 25,4 × 10^–6 m (1 Tausendstel Zoll) haben, beispielsweise 6,35 × 10^–6 m (0,25 Tausendstel Zoll).
In 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des hermetisch abgedichteten Kastens 10 und hermetischer Durchführungen 30 für implantierbare elektronische Vorrichtungen gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, jedoch ist die Vielzahl von Öffnungen oder Durchgangsverbindungen nicht darauf beschränkt, nur durch die zweite Isolierschicht 22 durchzutreten. Sehr ähnlich dem vorherigen Ausführungsbeispiel enthält dieses Ausführungsbeispiel mindestens zwei Isolierschichten 22 und 26, vorzugsweise aus Aluminiumoxid Al₂O₃, Zirkoniumoxid Zr₂O₃, Magnesiumoxid Mg₂O₃ oder einem anderen geeigneten Isoliermaterial hergestellt. Ein metallisiertes Muster oder eine Spurlinie aus einem geeigneten leitfähigen Material 32 wird auf der ersten Isolierschicht 26 aufgebracht. Die zweite Isolierschicht 22 wird dann über dem leitfähigen Material 32 und der ersten Isolierschicht 26 aufgebracht.
Die Vielzahl von Durchgangsverbindungen oder Öffnungen wird in einer oder beiden der Isolierschichten 22 und 26 an vorgegebenen Stellen neben dem Muster des leitfähigen Materials oder der Spurlinie 32, 32' geformt, um mit der leitfähigen Spurlinie 32 oder 32' zu kommunizieren und diese freizulegen. Wie in 2 zu sehen ist, ist eine der Öffnungen auf der ersten Isolierschicht 26 vorgesehen, während eine zweite Öffnung auf der zweiten Isolierschicht 22 vorgesehen ist. Beide Öffnungen sind jedoch so angeordnet, dass sie mit der metallisierten Spurlinie 32 in Verbindung sind, welche auf der ersten Isolierschicht und zwischen der oberen Oberfläche 27 der ersten Isolierschicht 26 und der unteren Oberfläche 25 der zweiten Isolierschicht 22 aufgebracht sind. Die mehrfachen Öffnungen werden dann mit einem geeigneten leitfähigen Material gefüllt, welches die leitfähigen Durchgangsverbindungen 35, 35' und 36, 36' formt, welche eine elektrische Verbindung mit dem Muster von leitfähigem Material 32 einrichten.
Ein Metallbelag 40 wird dann über einem oder mehreren der leitfähigen Durchgangsverbindungen 35, 35' angeordnet und mit der entsprechenden Isolierschicht hermetisch verbunden. Wie in 2 zu sehen ist, wird der Metallbelag 40 über den internen leitfähigen Durchgangsverbindungen 35, 35' aufgebracht und mit der oberen Oberfläche 23 der zweiten Isolierschicht 22 hermetisch verbunden. Der Metallbelag 40 wird vorzugsweise so geformt, dass er unmittelbar über den internen leitfähigen Durchgangsverbindungen 35, 35' eine hermeti sche Kavität 42 bildet. Außerdem wird der Metallbelag 40 so angeordnet, dass er die elektronischen Komponenten 50 oder einen anderen Schaltkreis von der implantierbaren Vorrichtung abgedeckt. Die internen leitfähigen Durchgangsverbindungen 35, 35' werden ferner nach Bedarf mit der Elektronik 50 verbunden.
Die in 2 gezeigte Anordnung sieht vor, dass mindestens zwei interne leitfähige Durchgangsverbindungen 35, 35' innerhalb der Innenseite 46 der hermetisch abgedichteten Kavität 42 freigelegt sind, welche unter dem Belag 40 geformt sind, während die äußeren leitfähigen Durchgangsverbindungen 36, 36' außerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität 42 und an der gegenüberliegenden Oberfläche von der hermetisch abgedichteten Kavität 42 freigelegt sind, wie die untere Oberfläche 29 der ersten Isolierschicht 22. Ein elektrischer Pfad oder eine hermetische Durchführung 30 wird daher durch die jeweiligen leitfähigen Durchgangsverbindungen 35, 36 und die leitfähige Spurlinien 32 sowie durch die leitfähigen Durchgangsverbindungen 35', 36' und die leitfähige Spurlinie 32' geformt, so dass zwischen der Außenseite und der Innenseite des hermetisch abgedichteten Kastens 10 und auf den gegenüberliegenden Oberflächen 23, 29 der angrenzenden Isolierschichten 22, 26 eine elektrische Kontinuität vorgesehen ist.
In 3 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel von einem hermetisch abgedichteten Kasten 10 für implantierbare elektronische Vorrichtungen gezeigt. Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel weist eine Vielzahl von Schichten aus einem Isoliermaterial 22, 26 und einen Rahmen 80 auf, mit welchem ein Deckel 82 hermetisch abgedichtet worden ist. Die elektrischen Komponenten 50 oder andere Schaltkreise, welche Komponenten enthalten, wie beispielsweise Siliziumchips 52 und/oder Energiespeichervorrichtungen 54, sind mit externen Leitungen 96, 96' durch hermetische Durchführungen 30, 30' verbunden, welche den Fluss von elektrischen Strömen durch den Kasten 10 erlauben, wobei hermetische Dichtheit aufrechterhalten wird. Verschiedene metallisierte Muster eines geeigneten leitfähigen Materials 32, 32', wie beispielsweise Gold (Au), Platin (Pt) oder Wolfram (W) oder Legierungen derselben werden zwischen die Isolierschichten 22, 26 eingebracht, um die elektrischen Schaltkreise und die Verbindung zu schaffen, die für die Funktion der implantierten Vorrichtung notwendig sind.
Insbesondere ist der Rahmen 80 auf der oberen Oberfläche 23 der obersten Isolierschicht 22 angeordnet und umgibt die Elektronik 50, welche vorzugsweise einen Siliziumchip 52 und die Energiespeichervorrichtung 54, wie beispielsweise einen Kondensator, aufweist. Die Isolierschichten 22, 26 sind vorzugsweise aus dünnen Schichten aus Aluminiumoxid Al₂O₃ oder Zirkoniumoxid Zr₂O₃ oder Magnesiumoxid Mg₂O₃ oder Glas hergestellt. Der Rahmen 80 ist aus einem körperverträglichen Metall hergestellt und ist vorzugsweise in einer dünnen Bauweise dimensioniert, um die Elektronik 50 zu umgeben. Das Rahmenmaterial ist vorzugsweise aus jenen Metallen oder Legierungen ausgewählt, welche sofort ein Oxid bilden, wenn sie erhitzt werden oder der Luft oder Sauerstoff ausgesetzt werden, d. h. sie oxidieren sofort, wenn sie erhitzt und/oder einer Sauerstoff enthaltenden Umgebung ausgesetzt werden. Es ist wichtig, dass das Rahmenmaterial und das Isoliermaterial thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, welche ungefähr gleich sind. Dies minimiert das Risiko eines Springens, wenn der Rahmen 80 und die oberste Isolierschicht 22 bei hoher Temperatur zusammengeklebt und dann gekühlt werden. Der Rahmen 80 kann beispielsweise aus einer Legierung aus Titan-Niobium (d. h. Ti und Nb) hergestellt sein, was bei handelsüblichen Quellen verfügbar ist. Vorteilhafterweise haben sowohl die bevorzugte Aluminiumoxid-Isolierschicht als auch die Titan-Niobium-Rahmenlegierung thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen 6 × 10^–6 und 10 × 10^–6/°C.
Der Rahmen 80 und die oberste Isolierschicht 22 sind vorzugsweise durch Bilden einer hermetisch abgedichteten, lötfreien Verbindung zwischen der Isolierschicht 22 und dem Rahmen 80 aneinander befestigt. Das bevorzugte Verfahren des Formens der Verbindung ist eine Diffusionsverbindungstechnik. Diese Verbindungstechnik umfasst die Kombination von hoher Temperatur und hohem Druck in einer inerten Umgebung, um die Oberflächen des Rahmens 80 und der obersten Isolierschicht 22 zu verbinden, so dass die Titanatome die Lücke auf der Schnittstelle oder der Diffusionsverbindungsstelle 81 füllen, um den Rahmen 80 mit der Isolierschicht 22 zu verkleben. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum lötfreien Verbinden von Keramik mit Metall, das bei implantierbaren Vorrichtungen verwendet wird, ist in der anhängenden US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 08/319 580, eingereicht am 10.07.94 unter dem Titel Brazeless Ceramic-to-Metal Bond (Lötfreie Keramik-auf-Metall- Verbindung) weiter offenbart, jetzt US-Patent Nr. 5 513 793, veröffentlicht nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung.
Der Deckel 82 wird auch aus biologisch verträglichen und korrosionsbeständigen, körperverträglichen Metallen hergestellt, die normalerweise für implantierbare Vorrichtungen verwendet werden, wie beispielsweise Titan, nichtrostender Stahl oder Kobalt-Chrom-Legierungen, obgleich Titan bevorzugt wird. Der Deckel 82 wird auf dem Rahmen 80 angeordnet und bildet die Kavität 42, und er überdeckt die Elektronik 50 mit einem Minimum an Zwischenraum darin. Der Deckel 82 wird an den Rahmen 80 vorzugsweise lasergeschweißt. Die Laserschweißstellen 83 sowie die Diffusionsklebestellen 81 können dann in einem Epoxidharzabdichtungsmittel 95 oder mit anderen Schutzschichten oder – überzügen (nicht gezeigt) weiter eingekapselt oder umhüllt werden.
Es ist anzumerken, dass die obige Beschreibung der Materialien, die für das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden können, sich auch auf die anderen Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen, beispielsweise auf jene von den 1, 2 und 4–5.
4 und 5 zeigen noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des hermetisch abgedichteten Kastens 10 mit mehreren hermetischen Durchführungen 30 zur Verwendung in implantierbaren elektronischen Vorrichtungen. 4 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines solchen weiteren Ausführungsbeispiels, während 5 eine Seitenansicht eines Querschnitts eines solchen Ausführungsbeispiels ist. Wie in 4 am Besten zu sehen ist, umfasst das Ausführungsbeispiel drei einzelne Isolierschichten 100, 110 und 120 mit einer Vielzahl von metallisierten Mustern 103, 113, 123 und 133 und darin angeordneten leitfähigen Öffnungen oder Durchgangsverbindungen 105, 115 und 125. Das Ausführungsbeispiel von den 4–5 enthält ferner einen Rahmen 80, einen Metalldeckel 82 und dazugehörige Elektronik 50, welche die gleiche sein kann wie die in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschriebene.
Von den einzelnen Substratschichten oder Isolierschichten hat jede längliche obere und untere ebene Oberflächen mit darauf geformten speziell metallisierten Mustern. Diese einzelnen Substratschichten sind ausgerichtet und aufein anderfolgend so geschichtet, dass sie eine implantierbare Vorrichtung mit sowohl internen als auch externen elektrischen Verbindungen bilden.
4 zeigt beispielsweise eine erste oder oberste Isolierschicht 100 mit einer Vielzahl von metallisierten Mustern 103, welche verschiedene elektrische Verbindungen oder einen Schaltkreis darstellen. Die oberste Isolierschicht 100 weist auch eine Vielzahl von Löchern oder Öffnungen auf, die mit einem geeigneten leitfähigen Material gefüllt worden sind, beispielsweise einem Metall, und eine Vielzahl von leitfähigen Durchgangsverbindungen 105 bilden. Jede der leitfähigen Durchgangsverbindungen 105 ist an vorgewählten Stellen neben den metallisierten Mustern 103 und in elektrischem Kontakt mit diesen geformt. Die leitfähigen Durchgangsverbindungen 105 erstrecken sich in einer vertikalen Richtung von der oberen Oberfläche 107 zu der unteren Oberfläche 109 und erzeugen vorgegebene elektrische Verbindungen von den elektronischen Komponenten 50 und metallisierten Mustern 103 auf der obersten Isolierschicht 100 zu der angrenzenden Zwischenschicht 110.
Die Zwischenschicht 110 weist auch eine Vielzahl von unabhängigen metallisierten Mustern 113 auf, welche auf einer oberen Oberfläche 117 angeordnet sind. Wie in den 4–5 zu sehen ist, ist die Zwischen-Isolierschicht 110 auf die oberste Isolierschicht 100 ausgerichtet, so dass die leitfähigen Durchgangsverbindungen 105 von der obersten Isolierschicht 100 mit den metallisierten Mustern 113 auf der Zwischen-Isolierschicht 110 in elektrischem Kontakt stehen. Eine solche Ausrichtung ist im Allgemeinen durch die Zielbereiche dargestellt, welche auf der Zwischen-Isolierschicht 110 dargestellt sind. Die Zwischen-Isolierschicht 110 hat auch eine Vielzahl von leitfähigen Durchgangsverbindungen 115, welche sich von der oberen Oberfläche 117 zu der unteren Oberfläche 119 erstrecken, die elektrische Pfade oder Leitungen darstellen, welche dafür eingerichtet sind, unmittelbar unter der Zwischen-Isolierschicht 110 elektrische Verbindungen zu der benachbarten Isolierschicht 120 zu bilden.
Eine Boden-Isolierschicht 120 ist auf die Zwischen-Isolierschicht 110 so ausgerichtet, dass die leitfähigen Durchgangsverbindungen 115 der Zwischen-Isolierschicht 110 mit den metallisierten Mustern 123 auf der oberen Oberfläche 127 der Boden-Isolierschicht 120 in elektrischem Kontakt stehen. Wie vorher ist eine solche Ausrichtung im Allgemeinen durch die Zielbereiche dargestellt, welche auf der oberen Oberfläche 127 der Boden-Isolierschicht 120 dargestellt sind. Sehr ähnlich den zwei vorherigen Isolierschichten weist die Boden-Isolierschicht 120 auch eine Vielzahl von unabhängig metallisierten Mustern auf, welche auf der oberen Oberfläche 127 angeordnet sind, und eine Vielzahl von Öffnungen hat, die mit einem geeigneten leitfähigen Material gefüllt worden sind, um leitfähige Durchgangsverbindungen 125 zu formen. Die leitfähigen Durchgangsverbindungen 125 stellen elektrische Pfade oder Verbindungen dar, welche dafür ausgerichtet sind, um vertikale elektrische Verbindungen auf der unteren Oberfläche der Boden-Isolierschicht 120 (in 4 nicht sichtbar) benötigte, wie auch immer metallisierte Muster zu bilden.
Wie in dem Ausführungsbeispiel von den 4 und 5 zu sehen ist, besteht ein solches Ausführungsbeispiel aus einer Mehrzahl von Schichten aus Isoliermaterial 100, 110, 120; einem Rahmen 80 und einem Deckel 82, welche zusammen hermetisch abgedichtet worden sind. Obwohl nur drei Isolierschichten und sechs hermetische Pfade gezeigt sind, ist leicht ersichtlich, dass eine Anzahl von Isolierschichten und hermetischen Pfaden in der oben beschriebenen Art ausgerichtet, verbunden und überdeckt werden können, um die in vielen implantierbaren Vorrichtungen erforderlichen hermetischen Durchführungen zu erzeugen. Wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen wird der Rahmen 80 mit der obersten Isolierschicht 100 unter Verwendung der hier vorhergehend beschriebenen lötfreien Verbindungstechnik vorzugsweise diffusionsverbunden, aber es ist selbstverständlich, dass für diesen Zweck jede geeignete Verbindungstechnik verwendet werden kann. Der Deckel 82 wird an den Rahmen 80 vorzugsweise lasergeschweißt. Die Laserschweißstellen sowie die Diffusionsverbindungsstellen können dann weiter eingekapselt oder in ein Epoxidharz-Abdichtungsmittel 95 eingehüllt werden.
Wie oben gezeigt, verwendet das bevorzugte Verfahren zum Aufbringen der Isolierschichten ionenverstärktes, verdampftes Zerstäuben von Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Zirkoniumoxid, um eine hochqualitative Isolierschicht über dem Zielsubstrat oder einem anderen Material zu formen. Eine Hybridkeramik kann auch als eine oder mehrere der Isolierschichten verwendet werden. Die Öffnungen können dann beispielsweise durch Abdecken von Teilen irgendwelcher darunterliegender metallisierter Muster geformt werden, wenn die Isolierschicht aufgebracht wird. Die Öffnungen oder Löcher werden dann mit einem geeigneten leitfähigen Metall gefüllt, wie beispielsweise Platin oder Gold oder Wolfram, um die leitfähigen Durchgangsverbindungen zu bilden. Die vorhergehend erwähnten metallisierten Muster oder Linien werden aufgebracht oder auf den Isolierschichten unter Verwendung einer herkömmlichen Dünnfilmaufbringung oder von metallisierten Ätztechniken geätzt, wie es bei der Herstellung von gedruckten Leiterplatten und von integrierten Schaltkreisen üblich ist.
In allen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können die hermetisch abgedichteten Kästen und hermetischen Durchführungen extrem dünn gemacht werden. Tatsächlich können die einen Teil bildenden Teile der beschriebenen Ausführungsbeispiele in der Größenordnung 25,4 × 10^–6 m oder wenige Mehrfache davon dick sein. Beispielsweise können bei Verwendung momentan bekannter Verarbeitungstechniken der Rahmen und der Deckel ungefähr 102 × 10^–6 m (4 Tausendstel Zoll) dünn sein. Die Höhe der Kavität kann in Abhängigkeit von den Verbindungen der in der Kavität enthaltenen Elektronik ungefähr zwischen 127 × 10^–6 und 254 × 10^–6 m (5 bis 10 Tausendstel Zoll) klein sein. Die Isolierschichten können, wie oben angegeben, in der Größenordnung von weniger als 25,4 × 10^–6 m (1 Tausendstel Zoll) dick sein; es ist somit durchführbar, unter Verwendung von gegenwärtig verfügbaren Verarbeitungstechniken eine implantierbare Vorrichtung von weniger als 635 × 10^–6 m (25 Tausendstel Zoll) Dicke zu konstruieren, wobei trotzdem noch ein hermetisch abgedichteter Kasten und hermetische Durchführungen bereitgestellt werden. Da sich Verarbeitungstechniken verbessern, werden derartige Ausmaße sogar noch kleiner werden.
Aus dem Vorhergehenden sollte verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung dadurch einen verbesserten hermetisch abgedichteten Kasten mit hermetischen Durchführungen liefert.

Claims

Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung (30, 30'), die für eine Implantation einer medizinischen Vorrichtung in lebendes Gewebe eines Patienten geeignet ist, umfassend: eine Vielzahl von Isolierschichten (22, 26), wobei jede der Isolierschichten mit angrenzenden Schichten aufeinanderfolgend gestapelt und mit diesen hermetisch verbunden ist, die Vielzahl von Schichten eine Vielzahl von korrosionsbeständigen Durchgangsverbindungen (35, 36) aufweist, welche sich in ausgewählten Isolierschichten befinden und durch diese quer hindurchgehen; einen oder mehrere leitfähige Spurlinien (32), die auf ausgewählten Isolierschichten angeordnet sind, wobei jede leitfähige Spurlinie in elektrischem Kontakt mit mindestens zwei der Durchgangsverbindungen steht und jede leitfähige Spurlinie mit der Isolierschicht darüber und darunter hermetisch verbunden ist; wobei jede der Durchgangsverbindungen ein leitfähiges Material aufweist, das mit der leitfähigen Spurlinie einen elektrischen Kontakt bildet; und einem biologisch verträglichen, korrosionsbeständigen Belag (40), der mit einer Isolierschicht diffussionsverbunden ist und eine hermetisch abgedichtete Kavität (42) bildet, wobei sich mindestens eine leitfähige Durchgangsverbindung (35) innerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität befindet, und wobei sich mindestens eine weitere leitfähige Durchgangsverbindung (36) außerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität befindet; wobei ein elektrischer Kontakt hergestellt werden kann durch die mindestens eine weitere leitfähige Durchgangsverbindung (36), die sich außerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität befindet, mit der mindestens einen leitfähigen Durchgangsverbindung (35), die sich innerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität befindet und durch die leitfähige Spurlinie (32) verläuft, die mit den Durchgangsverbindungen in Kontakt steht.
Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Isolierschichten folgendes umfasst: eine erste Isolierschicht (26) mit der auf dieser abgeschiedenen leitfähigen Spurlinie (32), wobei die erste Isolierschicht durch diese eine Durchgangsverbindung (36)aufweist, die mit der leitfähigen Spurlinie in Verbindung steht; und eine zweite Isolierschicht (22), welche über der leitfähigen Spurlinie (32) und der ersten Isolierschicht (26) abgeschieden ist, wobei die zweite Isolierschicht eine Durchgangsverbindung (35) durch diese aufweist, die mit der leitfähigen Spurlinie eine Verbindung bildet.
Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung nach Anspruch 2, wobei der Belag (40) ein Metallbelag mit einem Flansch (44) um ihren Rand und ein gebildetes angehobenes Zentrum aufweist, wobei der Flansch mit einer der Isolierschichten hermetisch so verbunden ist, dass mindestens eine leitfähige Durchgangsverbindung (35) von innerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität, welche unter dem angehobenen Zentrum des Metallbelags geformt ist, zugänglich ist, und mindestens eine weitere leitfähige Durchgangsverbindung (36) von außerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität zugänglich ist, wobei die leitfähigen Durchgangsverbindungen und die leitfähige Spurlinie dadurch eine hermetische elektrische Durchführung (30) umfassen, die eine hermetische elektrische Verbindung zwischen der leitfähigen Durchgangsverbindung (35) an der Innenseite der hermetisch abgedichteten Kavität und der leitfähigen Durchgangsverbindung (36) an der Außenseite der hermetisch abgedichteten Kavität bilden.
Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Isolierschichten umfasst: eine erste Isolierschicht (26) mit der auf dieser aufgebrachten leitfähigen Spurlinie (32); und eine zweite Isolierschicht (22), aufgebracht über der leitfähigen Spurlinie (32) und der ersten Isolierschicht (26), wobei die zweite Isolierschicht erste und zweite Öffnungen durch diese aufweist, durch die die leitfähige Spurlinie freilegt wird.
Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung nach Anspruch 2, wobei der Belag ferner einen Metallbelag mit einem Flansch (44) um seinen Rand und ein gebildetes angehobenes Zentrum aufweist, wobei der Flansch mit der zweiten Isolierschicht (22) hermetisch so verbunden ist, dass sich mindestens eine leitfähige Durchgangsverbindung (35) innerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität (42) befindet, welche unter dem angehobenen Zentrum des Metallbelags geformt ist, und sich mindestens eine weitere leitfähige Durchgangsverbindung (36) außerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität befindet und in einem Abstand von dem Flansch des Metallbelags angeordnet ist, die leitfähigen Durchgangsverbindungen und eine leitfähige Spurlinie dadurch eine elektrische Durchführung (30) umfassen, die zwischen der mindestens einen leitfähigen Durchgangsverbindung (35) an der Innenseite der hermetisch abgedichteten Kavität und der mindestens einen leitfähigen Durchgangsverbindung (36) an der Außenseite der hermetisch abgedichteten Kavität eine elektrische Verbindung bildet.
Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung nach Anspruch 3 oder 5, welche ferner mindestens eine elektrische Komponente (50) umfasst, die in der hermetisch abgedichteten Kavität (42) befestigt und mit der leitfähigen Durchgangsverbindung (35) innerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität verbunden ist.
Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Isolierschichten ferner Keramikmaterialien umfassen, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminiumoxiden, Zirkonoxiden, Magnesiumoxiden und Glas besteht.
Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung nach Anspruch 1, wobei der Belag ferner umfasst: einen Metallrahmen (80), welcher mit den Isolierschichten hermetisch verbunden ist; und einen Deckel (82), welcher mit dem Rahmen hermetisch verbunden ist, wobei der Deckel und der Metallrahmen auf diese Weise eine hermetisch abgedichtete Kavität (42) bilden, in welchem sich mindestens eine leitfähige Durchgangsverbindung (35) befindet, mit mindestens einer weiteren leitfähigen Durchgangsverbindung (36), welche sich außerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität befindet; und wobei die Wärmekoeffizienten der Ausdehnung des Rahmens (80) und der Isolierschichten (22, 26) ungefähr gleich sind.
Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung nach Anspruch 8, wobei der Metallrahmen (80) ferner eine Titan-Niobium-Legierung umfasst und die Isolierschichten aus einem Keramikmaterial gebildet sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxiden, Zirkonoxiden, Magnesiumoxiden und Glas.
Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung nach Anspruch 9, bei welcher der Metallrahmen (80) unter Verwendung einer lötfreien Keramik-auf-Metall-Diffusionsverbindungstechnik mit den Isolierschichten hermetisch verbunden ist.
Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung nach Anspruch 8, bei welcher der Deckel (82) aus einem körperverträglichen Metall geformt ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, rostfreiem Stahl und Kobalt-Chrom-Legierungen.
Hermetisch abgedichtete elektrische Durchführung nach Anspruch 8, bei welcher beliebige verbundene Teile des Deckels, des Rahmens und der Isolierschichten weiter innerhalb eines Epoxidharzabdichtungsmittel eingekapselt oder damit umhüllt sind.
Verfahren zur Bildung einer hermetisch abgedichteten elektrischen Durchführung (30), welche zur Implantation einer medizinischen Vorrichtung in ein lebendes Gewebe eines Patienten geeignet ist, umfassend die Schritte: Herstellung von mindestens einer Isolierschicht (22); Bildung einer Vielzahl von Öffnungen an ausgewählten Bereichen der mindestens einen Isolierschicht; Abscheiden von mindestens einer leitfähigen Spurlinie (32) auf der mindestens einen Isolierschicht (22), wobei jede leitfähige Spurlinie so abgeschieden wird, dass sie mit einer oder mehreren der Öffnungen auf der ausgewählten Isolierschicht in Verbindung steht; Einfügen eines leitfähigen Materials in jede der Öffnungen unter Bildung von korrosionsbeständigen, leitfähigen Durchgangsverbindungen (35, 36), wobei die leitfähigen Durchgangsverbindungen so angepasst sind, dass sie mit der zugeordneten, leitfähigen Spurlinie einen elektrischen Kontakt herstellen; Herstellung einer diffusionsverbindung zwischen einem biologisch verträglichen, korrosionsbeständigen Belag (40) und mindestens einer Isolierschicht (22), wobei eine hermetisch abgedichtete Kavität (42) gebildet wird, wobei sich mindestens eine leitfähige Durchgangsverbindung (35), welche sich innerhalb der unter dem Belag gebildeten, hermetisch abgedichteten Kavität befindet, und wobei sich mindestens eine weitere leitfähige Durchgangsverbindung (36), außerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität befindet; wodurch zwischen der Durchgangsverbindung (36) außerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität und der Durchgangsverbindung (35) innerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität eine elektrische Durchführung (30) vorgesehen wird.
Verfahren zum Formen einer hermetisch abgedichteten elektrischen Durchführung nach Anspruch 13, ferner umfassend: Befestigen elektrischer Komponenten (52, 54) innerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität (42) und elektrisches Verbinden der elektronischen Komponenten mit den leitfähigen Durchgangsverbindungen innerhalb der hermetisch abgedichteten Kavität.