金属-固定材料馈通件及其制造方法和用途与流程

本发明涉及一种用于馈通件、例如用于传感器的馈通件和/或大型馈通件和/或晶体管外形壳体中的馈通件和/或电池或电容器馈通件的金属-固定材料馈通件；并且涉及此类馈通件本身。特别地，提供了用于点燃火工个人保护装置的点火装置的馈通件，尤其是可以用于安全气囊点火器和/或安全带预紧器和/或气体发生器的馈通件。特别地，本发明涉及此类馈通件的管座(header)的构造以及此类馈通件的制造方法和用途。

背景技术：

1、传感器的馈通件可以特别地为传感器元件供电和/或将其信号传输至评估单元。大型馈通件一般用在外壳结构中，例如用在液化气罐和/或反应器中。

2、穿过电池(包括可充电电池)或电容器的壳体的馈通件通常理解为电池或电容器馈通件。该术语同样包括超级电容器(又称超级电容)领域。馈通件一般用于与电池或电容器壳体内的电极接触。

3、晶体管外形壳体(transistor outline housing)，又称为to壳体，是一种载流电子壳体。从根本上来说，to壳体包括两个组件，即管座和帽。管座主要用于确保为封装组件供电，而光电区域中的帽用于可靠地传输光信号。这既包括光信号的发射器(例如激光二极管)又包括光信号的接收器(例如光电二极管)。to管座形成安装电子和光学组件(例如半导体、激光二极管以及简单的电路)的机械基础。同时，它借助于连接销为受保护的组件供电。

4、特别地，在机动车辆中使用安全气囊和/或安全带预紧器作为火工个人保护装置。这种类型的安全系统可以大幅降低受伤的风险。然而，前提条件是相应的安全系统在碰撞事件中不会失效。在此尤其需要特别注意此类火工装置的点火器，该点火器对于这种类型的安全装置的运行必不可少。特别地，即使在其制造多年后，点火器也必须持续正常运行。此类点火器的平均寿命通常为15年。为了确保永久地正常运行，在此必须确保点火器中存在的推进剂填料不随时间发生变化。例如，这种变化由水分渗透到点火器所致。因此，对点火器的推进剂填料进行气密密封非常重要。点火器还必须沿正确的方向释放点燃的推进剂填料的气体，以便点燃安全系统的气体发生器的推进剂填料。

5、为了确保这一点，从现有技术已知的点火器具有帽或盖和相对坚固的管座，在帽或盖和管座之间，推进剂填料封闭在由这些部件形成的空腔中。用于点燃推进剂填料的电流借助于电连接件穿过管座。为此，管座一般具有通孔，通孔中具有金属销，可以借助于插塞连接件在金属销的一侧提供电流，并且借助于例如点火桥连接金属销的另一侧。与推进剂接触的点火桥在电流流过时点燃所述推进剂。因此，管座一般也称为馈通件。在馈通件的设计中，必须确保在推进剂填料点燃时，帽或盖或其部分在任何情况下都从所述填料离开，但不会将电馈通件从管座推出。

6、对于这种馈通件，管座的主体由金属构成，而点火桥通过焊接的桥接线形成。在该实施例中，金属销作为销被固定在主体的通孔中的电绝缘固定材料中。使用玻璃材料、特别是玻璃焊料作为固定材料。由此，该金属销通过玻璃相对于外部导体绝缘。陶瓷、玻璃陶瓷和/或聚合物同样可以作为绝缘材料。

7、第二金属销作为销被焊接或钎焊到外部导体，外部导体由主体表示，又称为基板。因此，桥接线(一般由钨合金构成)作为点火桥与馈通件上侧上的玻璃材料的表面接触，该侧是面向完全组装的点火装置的点火帽的一侧。为了确保不损坏桥接线并且点火元件例如在机动车辆中具有较长的使用寿命，一般必须对玻璃材料的表面进行研磨，因为表面上的粗糙可能损坏桥接线。

8、例如，从ep 1813906 b1已知上述类型的点火装置。

9、ep 0586133 a2描述了用于安全气囊点火器的金属-固定材料馈通件的制造。其中将接触销嵌入通孔中的玻璃材料中，并且在附接桥接线之前，对主体和固定材料的表面进行研磨。

10、例如，在us 8,908,728 b1中示出了to壳体。在此，可以考虑将接地销连接到主体，以使主体电接地。

技术实现思路

1、在此背景下，本发明的目的是提供一种用于馈通件、特别是用于安全气囊点火器和/或安全带预紧器的金属-固定材料馈通件及其制造方法，其避免了现有技术的缺点并且避免了对表面进行研磨。

2、该目的通过根据独立权利要求的金属-固定材料馈通件及其制造方法实现。优选的实施例和用途可以在其从属权利要求中找到。

3、根据本发明的金属-固定材料馈通件包括：主体、特别是金属主体；和至少一个通孔，在该通孔中至少一个金属销熔接在电绝缘的玻璃或玻璃陶瓷固定材料中并以这种方式固定在其中。玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面是自由熔凝(fused)的表面，这特别有利于释放气泡。就本发明而言，“自由熔凝”是指在熔融的玻璃材料的冷却期间表面自发地形成。视觉上，它类似于火抛光的表面，因此可以用肉眼识别，尤其是因为它可能具有镜面光泽。

4、自由熔凝的固定材料的表面与至少一个熔接在固定材料中的金属销的端面位于同一平面中。当然，这是指最接近固定材料且设置用于连接导体或点火导体(即，位于金属-固定材料馈通件的上侧)的金属销的端面。

5、在金属-固定材料馈通件的制造过程中，一般从压块(compact)开始，压块与金属销一起布置在通孔中，然后被加热，从而使压块熔融并与主体和金属销接合。一般通过粉碎玻璃或玻璃陶瓷材料、添加粘合剂(通常为有机粘合剂)并将其压制成型来制造压块。同样可行的是，在金属销熔接在其中之前烧结压块。同样可行的是，在加热和/或冷却期间由先前的非晶态玻璃材料形成玻璃陶瓷材料。

6、在熔接金属销并连接到主体期间，将粘合剂烧尽。通孔中的玻璃或玻璃陶瓷固定材料一般包含气泡并且具有突出到主体的表面之外的部分。同样，金属销通常布置成使得其突出到主体的表面之外。为了获得位于一个平面中的平坦表面，因此假定表面必须研磨。

7、相反，根据本发明，固定材料的表面在熔融期间自由地熔凝。在此情况下，至少一个金属销特别是在通孔中还布置成使得其端面与主体的表面位于同一平面中。发明人已经发现，自由熔凝导致玻璃或玻璃陶瓷固定材料的光滑的表面，而且不需要研磨。

8、本发明同样设想在主体和至少一个金属销之间安装电导体、特别是点火导体，所述导体以导电的方式连接主体和至少一个金属销。固定材料的表面至少在导体的区域中没有气泡。

9、特别有利的是，固定材料的整个表面没有气泡。然而，在技术上足够的且包括在本发明中的是，固定材料的整个表面基本上没有熔融的气泡，这解释为意味着表面上最多5个气泡。如上所述，这些气泡可以分布在表面上，但是不能分布在存在点火线的区域中，即，特别是不能分布在点火线放置在固定材料上的区域中。

10、对于主体，习惯上使用普通钢材(如st 35和/或st 37和/或st 38)或高级钢和/或不锈钢作为主体的材料。根据din en 10020，高级钢是合金钢或非合金钢的名称，其硫和磷的含量(称为铁伴生元素)不超过0.035％。据此常常提供进一步的热处理(例如硬化和回火)。高级钢包括例如高纯钢，其中借助于特殊的制造工艺将成分、例如铝和硅从熔体中分离出来；还包括高合金化工具钢，其用于后续热处理。特别地，此类钢含有铬。例如，可以使用以下各项：x12crmos17、x5crni1810、xcrnis189、x2crni1911、x12crni177、x5crnimo17-12-2、x6crnimoti17-12-2、x6crniti1810和x15crnisi25-20、x10crni1808、x2crnimo17-12-2、x6crnimoti17-12-2。

11、然而，为了确保根据本发明的实施方式的最大制造效率，金属主体也可以有利地不由高级钢构成。相反，有利的是主体由来自包括1.01xx至1.07xx(非合金优质钢)的组的钢形成。在此，根据din en 10 027-2说明钢组，其中第一个数字表示材料的主族，而在第一个点之后的一系列数字表示钢组编号。

12、为了确保最佳的耐腐蚀性，主体可以镀有金属。优选地使用镍镀层。这尤其适用于由非合金优质钢制成的主体。

13、有利的是，玻璃或玻璃陶瓷固定材料选择成使得其热膨胀小于金属主体的热膨胀。在熔融和后续的冷却期间，可以说主体收缩到固化的固定材料上，从而获得“压缩馈通件”，又称为“玻璃压缩密封件”。这意味着主体在固定材料上施加轴向压力，从而增加了固定材料在通孔中的机械保持力。

14、以这种方式，实现了气密密封的金属-固定材料馈通件。

15、发明人发现，通过上述步骤、特别是表面的自由熔凝，玻璃或玻璃陶瓷固定材料在其体积中可以具有气泡比例bv的气泡，而在玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面具有玻璃蒙皮(skin)，玻璃蒙皮的气泡比例远远小于bv。特别优选地，玻璃蒙皮基本上没有气泡，意味着最多5个气泡，或者甚至完全没有气泡。特别地，玻璃蒙皮和/或固定材料的表面在点火线放置的区域中没有气泡。

16、由于固定材料具有自由熔凝的表面的事实，因此其粗糙度小于以往研磨的金属-固定材料馈通件的粗糙度。特别地，玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面的平均粗糙度ra小于0.1μm、特别地在0.02μm至0.05μm的范围。相反，对于以往研磨的金属-固定材料馈通件，常规ra值在0.2μm至0.5μm之间。以往研磨的固定材料的高粗糙度值一般是由研磨留下的痕迹、特别是划痕形式的痕迹造成的。

17、平均粗糙度ra由din en iso 4287:2010定义并且以本领域技术人员已知的方式确定。平均粗糙度或平均粗糙度ra表示垂直截面内的测量点(即微结构的轮廓)与平均线之间的平均距离。在参考截面内，平均线与实际轮廓相交，使得轮廓偏差(相对于平均线)之和减小到最小。因此，平均粗糙度ra对应于与平均线的绝对值偏差的算术平均值。

18、与现有技术相比，根据本发明的金属-固定材料馈通件更光滑的表面具有以下优点：在桥接线放置在固定材料上时减小了桥接线损坏的风险。在安全气囊点火器或安全带预紧器中，桥接线与通常为粉末状的点火材料接触。即使粉末的粒度通常大于研磨痕迹的划痕，但在产品使用寿命过程中也会形成粉末磨损进而形成极细晶粒，而且这些晶粒会挤入桥接线下方的划痕中，进而能够在所述桥接线上施加机械应力。通过根据本发明的金属-固定材料馈通件避免了这种情况。

19、在另一个优选的实施例中，主体设计成使得从主体的表面到通孔的内壁有连续的过渡，特别地其在朝向通孔的内壁的方向上具有增加的梯度。连续的过渡意味着如果通过该区域的截面理解为曲线，则该曲线的一阶微分具有连续的轮廓。相反，现有技术的主体具有急剧的弯曲，因此其截面的一阶微分是不连续的。本实施例的优点在于，主体、尤其是通孔可以借助于成型法和/或冲压法容易地制造，而无需采用额外的精加工步骤来获得直角。主体的这种构造的另一个优点是，决定固定材料在通孔中的填充量的压块体积的体积波动影响不大。这意味着对于给定的体积波动，通孔中填充量的变化小于固定材料的直径，这对桥接线安装的影响小于由于不充分填充而导致的任何此类步骤的影响。

20、连续过渡还具有以下效果：在朝通孔稍微下落的区域上有固定材料的薄层。意外地发现，尽管这是玻璃压缩密封件，但是没有看到固定材料的脱落。

21、特别优选地，可以设想在通孔的内壁和玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面区域之间具有凹槽。通常，凹槽表示固定材料表面中的凹陷。凹槽的宽度b为优选地最大0.13mm、特别优选地0.005mm至0.13mm或0.01mm至0.13mm。特别地，凹槽的深度t为优选地最大0.03mm、特别地最大0.015mm，并且特别优选地，深度t在0.05mm至0.025mm之间。

22、通过主体的表面到通孔的内壁的过渡的上述构造，可以促进凹槽的形成，即，该构造和存在的凹槽以特别有利的方式相互作用。

23、凹槽的存在具有以下优点：特别是在金属-固定材料馈通件的操作期间，可以实现对固定材料的表面和/或主体的表面的薄膜层的止挡。特别地，这种薄膜可以是在长期运行过程中出现的水膜和/或层，最坏的情况下，这种薄膜会导致传递电阻降低、短路和/或电化学腐蚀，进而损坏包括金属-固定材料馈通件的组件。

24、特别地，凹槽可以在固定材料熔融及其后续冷却期间自发地形成。推测这是玻璃或玻璃陶瓷固定材料的粘附和润湿性质的结果。同样可行的是，在加热的固定材料仍然能够成型时压入凹槽。

25、一个有利的实施例是，玻璃或玻璃陶瓷固定材料抵靠至少一个金属销的表面和/或位于至少一个金属销的表面上而没有形成凹槽。这意味着上述凹槽仅存在于从固定材料到主体的过渡的区域中，而不存在于从固定材料到金属销的过渡的区域中。特别地，这可以由此实现：在金属销上、即在从金属销的端面到侧面的过渡处可选地存在的倒圆的半径小于从主体的表面到通孔的内壁的过渡的半径。

26、如上所述，在此有利的是凹槽可能用作覆盖表面的破坏性薄膜的止挡，该破坏性薄膜影响电导体的电行为、尤其是点火行为。另一方面，凹槽的尺寸有利地设计成使得不会有破坏性大颗粒堵塞在凹槽和电导体之间，从而可能对导体造成机械过应力。

27、特别地，金属销布置成使得金属销的上侧、即金属销的平坦端面与玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面位于同一平面中。金属销有利地是倒圆的，换言之，特别地金属销的上侧与其侧壁之间的过渡是倒圆的，其中该倒圆和侧壁之间的过渡点位于玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面下方。

28、特别地，凹槽呈环形、尤其是圆形。通孔优选地在俯视图中呈圆形设计，并且凹槽沿通孔的内壁呈圆形，可选地具有间隔件。

29、特别优选地，在金属-固定材料馈通件中，在主体和至少一个金属销之间安装有电导体、特别是导线导体、特别是点火导体，所述导体以导电的方式连接主体和至少一个金属销。导体至少放置在玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面上的某些区域或多个区域中，并且优选地桥接凹槽。在桥接凹槽的区域中，导体下方存在自由空间。同样可行的是，用塑料、特别是疏水性塑料或具有疏水表面的塑料对自由空间进行填充和/或涂覆。如上所述，特别是对于导电涂层或腐蚀性薄膜，凹槽可以作为分隔边缘。可以说环形边缘使固定材料和/或至少一个金属销免受这些涂层和/或薄膜的影响。

30、在另一个优选的实施例中，至少在与玻璃或玻璃陶瓷固定材料的界面处，主体由钢、特别是高级不锈钢构成。同样优选地，至少在与玻璃或玻璃陶瓷固定材料的界面处，至少一个金属销由钢、特别是高级不锈钢构成。特别有利的是，钢和/或高级钢相对于玻璃易于润湿和/或粘附，这至少有助于形成凹槽。

31、特别有利的且包括在本发明中的是，金属销的上侧与玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面位于同一平面中。特别地，可以对金属销的上侧与其侧壁之间的过渡进行倒圆处理，其中倒圆和侧壁之间的过渡点位于玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面下方。因此，可以说倒圆被带入固定材料内。与其中金属销的侧壁直接且垂直地与其表面相交的急剧过渡相比，其中金属销的侧壁直接且垂直地与其表面相交，这具有以下优点，即降低金属销和固定材料之间的界面处开裂的可能性。

32、如上所述，金属销的上侧、即其端面与玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面位于同一平面中。特别地，可以对金属销的上侧与其侧壁之间的过渡进行倒圆处理，其中倒圆和侧壁之间的过渡点位于玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面下方。因此，可以说倒圆被带入固定材料中。与其中金属销的侧壁直接且垂直地与其表面相交的急剧过渡相比，这具有以下优点，即降低金属销和固定材料之间的界面处开裂的可能性。

33、同样设想的是，在主体和至少一个金属销之间安装电导体、特别是点火导体，所述导体以导电的方式连接主体和至少一个金属销。这通常通过焊接实现。导体至少放置在玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面上的某些区域或多个区域中。特别地，导体桥接上述凹槽。

34、本发明还包括一种用于制造特别是用于安全气囊点火器和/或安全带预紧器的金属-固定材料馈通件的方法。金属-固定材料馈通件具有至少一个金属销，通过加热和后续的冷却，金属销熔接到主体的通孔中的玻璃或玻璃陶瓷固定材料中。玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面在至少一个金属销和主体之间。其中，在将至少一个金属销熔接到玻璃或玻璃陶瓷固定材料中期间，加热的固定材料在其表面处自由地熔凝。

35、在该过程期间，固定材料与通孔的内壁和至少一个金属销的外壁形成玻璃结合。

36、上述关于金属-固定材料馈通件的所有特征也可以应用于该方法。

37、所要求保护的方法包括馈通件和/或安全气囊点火器或安全带预紧器的总体制造步骤中的一些。

38、在自由熔凝期间，优选地特别是自发地形成基本上无气泡的固定材料的表面。“基本上无气泡”是指表面上最多5个气泡，这当然也包括完全没有气泡的情况。玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面的平均粗糙度ra优选地小于0.1μm、特别地ra在0.015μm至0.055μm的范围、特别有利地0.02μm至0.05μm的范围。在优选实的施例中，玻璃或玻璃陶瓷固定材料位于至少一个金属销的表面上而没有形成凹槽。这意味着凹槽特别有利地位于主体和固定材料之间，而没有位于固定材料和金属销之间。

39、在俯视图中，通孔本身优选地呈圆形设计，并且特别优选地，凹槽优选地沿通孔的内壁呈圆形。特别地，可以通过冲压和/或成型获得圆形通孔。然而，钻孔和其他合适的方法同样可行。

40、如上所述，通过成型和/或冲压来制造主体和/或通孔是特别有利的方法。作为在材料方面特别有效的方法，可以通过成型来制造主体，其中，冲压出至少一个通孔。

41、特别有利的是，主体成型为使得从主体的表面到通孔的内壁有连续的过渡，特别地，连续的过渡在朝向通孔的内壁的方向上具有增加的梯度。可以说这对应于具有渐增斜率的倒圆。特别地，可以在冲压通孔期间形成该形状。

42、在优选的方法中，在加热和/或冷却期间，在通孔的内壁和玻璃或玻璃陶瓷固定材料的表面区域之间自发地形成凹槽。或者，例如借助于冲孔或压花工具冲压出凹槽。特别地，凹槽具有宽度b，其优选地为最大0.13mm。特别优选地，凹槽的深度t为最大0.03mm、特别地最大0.015mm，并且特别优选地，深度t在0.05mm至0.025mm之间。

43、同样可行的是，使用合适的工具(例如冲床)去除材料而冲压出凹槽或制造凹槽。

44、在进一步的处理中，可以如所述那样将电导体安装、特别是焊接在金属销和主体的表面之间。

45、同样通常的做法是，将至少一个另外的导体、特别是金属销以导电的方式连接到主体。这通常是接地导体。在金属销和主体之间所描述的导电连接通常是焊接接合。同样可行的是，将该导体焊接到主体。

46、根据本发明的金属-固定材料馈通件和/或根据本发明的方法优选的用途是用于安全气囊点火器和/或安全带预紧器和/或气体发生器中。

47、在安全气囊点火器和/或安全带预紧器和/或气体发生器的情况下，固定在通孔中的金属销以及焊接到主体的接地销通常沿其轴线至少在部分区域中进行镀金。镀金层确保永久的耐腐蚀性和永久的接触。金属销通常在其端部区域进行镀金。以这种方式，优选地对金属销在组装用于点火装置期间在插塞连接件内的区域进行镀金。以这种方式，可以减小插塞触头中的传递电阻。

48、在有利的实施例中，借助于主体面向推进剂一侧上的点火桥，至少两个金属销以导电的方式彼此连接。点火桥可以由上述点火线形成。

49、如上所述，固定材料表面的粗糙度或者就本发明而言光滑度可以由平均粗糙度ra表征。如本领域技术人员已知的，同样可以指定平均峰谷高度rz。

50、在同样代表示例性实施例的测试中，借助于所述方法制造金属-固定材料馈通件，并确定根据本发明自由熔凝的固定材料表面的粗糙度。作为比较，在表1中同样示出了根据现有技术研磨的固定材料表面的测量值。本领域技术人员已知的借助霍梅尔探针的接触测量法用作测量方法。

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53、表1：自由熔凝的固定材料表面上的粗糙度测量