Hermetische Glas-Metall-Verbindung

Zuverlässige und sichere elektrische und optische Signalübertragung: Hermetische Gehäuse und Versiegelungen sorgen seit über 80 Jahren dafür, dass elektrische Komponenten und Systeme in wichtigen Branchen weltweit verbunden und geschützt bleiben.

Was sind Glas-Metall-Verbindungen (GTMS)?

Die hermetische Glas-Metall-Verbindungstechnologie kombiniert Metall und Glas zu vakuumdichten elektrischen Steckverbindern, Gehäusen, Durchführungen oder optischen Fenstern/Linsen in Elektronik oder Elektroniksystemen. Hermetische Glas-Metall-Verbindungen erfüllen die Anforderungen für raue Umgebungen und bieten kompromisslose Zuverlässigkeit.

Assembly process of a glass-to-metal seal showing the eyelet, pin and glass joining together to form a hermetic bond

Hochrobuste elektrische Isolierung

Die Abdichtung von elektrischen oder optischen Leitern mit Glas schafft eine undurchlässige Versiegelung. Als anorganisches Material unterliegen sie keiner Alterung und kommen daher zum Einsatz, wenn empfindliche elektronische Bauteile zuverlässig oder langfristig geschützt werden müssen.

GTMS Glass-to-Metal Sealed Feedthrough Assembly Graphic

Verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit und Gas

Glas als Dichtungsmaterial bildet eine hermetische Barriere gegen das Eindringen von Feuchtigkeit, Kondensation und Leckagen und bietet so zuverlässigeren Schutz in rauen Umgebungen als nicht-hermetische Polymerdichtungen. Glas und Metall können ohne zusätzliche Schnittstellenmaterialien direkt miteinander verschmolzen werden, was die Komplexität im Vergleich zu Keramik-Metall-Dichtungsalternativen reduziert.

Hermetische Glas-Metall-Verbindungen – Zweck und Funktion

Die Hauptfunktion von Glas-Metall-Verbindungen besteht darin, die Durchleitung von elektrischen oder optischen Signalen in vakuumdichte Gehäuse zuverlässig zu ermöglichen. Gleichzeitig verhindert die anorganische Glasdichtung das Eindringen von Feuchtigkeit oder Gas und Leckagen, die zu Schäden oder zum Ausfall der gekapselten elektrischen Komponenten/Systeme, Halbleiter, Elektrochemikalien, Pyrotechnik oder anderer Substanzen führen können.

Glas-Metall-Verbindungen sind darauf ausgelegt, unter rauen Betriebsbedingungen wie extremen Temperaturen, Feuchtigkeit, Druck oder Chemikalien zuverlässig zu funktionieren. Sie erfüllen auch Anforderungen an Langlebigkeit, Leistung und Effizienzsteigerung sowie innovative Designs. Glas-Metall-Verbindungen dienen im Kern dazu, eine zuverlässige Verbindung und Schutz für hochwertige und langlebige hermetisch dichte Komponenten oder Geräte zu ermöglichen. Vielseitigkeit ist ein wichtiges Merkmal der Glas-Metall-Verbindungstechnologie. Dies zeigt sich in den zahlreichen Funktionen, Bauformen und Größen von GTMS-Komponenten in einem breiten Anwendungsspektrum.

Beispiele finden sich in einer Vielzahl von Produkten und Branchen, darunter Hochtemperatursensoren, Öl- und Gasanwendungen, Batterien und Kondensatoren, Kernreaktoren, implantierbare medizinische Geräte, optoelektronische Verpackungen und Autoairbags.

 


Arten von GTMS

Einer der wichtigsten Aspekte bei der Herstellung hochwertiger Glas-Metall-Einschmelzungen ist die Kombination von Materialien mit optimalen Wärmeausdehnungskoeffizienten (co-efficient of thermal expansion, CTE). Die fachmännische Auswahl und anschließende Verarbeitung von Metallen und geeigneten Siegelgläsern ist für eine dauerhafte Gasdichtigkeit unerlässlich. GTMS-Produkte können je nach Glas- und Metallauswahl und den entsprechenden CTEs der gewählten Materialien in zwei Typen unterteilt werden.

1. Angepasste Dichtungen

Der Wärmeausdehnungsfaktor des Metalls entspricht dem des Glases. Angepasste Dichtungen werden in der Regel für Anwendungen verwendet, bei denen hohe Temperaturschwankungen auftreten oder enge Stiftabstände oder Maßanforderungen (z. B. miniaturisierte oder unrunde Formen) erforderlich sind. Je nach Ausführung sind aufeinander abgestimmte Glas-Metall-Dichtungen in der Lage, die Funktionalität über Zehntausende von thermischen Zyklen zu wahren, und eignen sich hervorragend für Halbleiter- und optoelektronische Baugruppen, bei denen strukturelle Zuverlässigkeit für den präzisen Betrieb der gekapselten Elektronik unerlässlich ist.

2. Druckdichtungen

Aufgrund der stark unterschiedlichen CTEs von Glas und Metall in Druckdichtungen schrumpft die äußere Metallöse während des Produktionsprozesses fest auf das Verschmelzglas. Diese Druckkraft bildet eine Dichtung mit enormer physikalischer Festigkeit. Tatsächlich ist die Druckfestigkeit von Glas zehn bis zwanzig Mal höher als seine Zugfestigkeit. Aus diesem Grund werden Druckdichtungen typischerweise für Konstruktionen verwendet, die hohe mechanische Robustheit erfordern. Anwendungsbeispiele finden sich in Automobil- und Energieanwendungen, in denen eine zuverlässige, langfristige Abdichtung für einen dauerhaft sicheren Betrieb der Elektronik in flüchtigen Umgebungen unerlässlich ist.

 

Wissen, was funktioniert

Als Pionier in der hermetischen Glas-Metall-Versiegelung können die Experten von SCHOTT auf jahrzehntelange Erfahrung sowie ein besonders vielfältiges Portfolio und internes Know-how zurückgreifen, um Kunden bei der Planung zu unterstützen und Lösungen anzubieten, die die Effektivität ihrer Anwendung maximieren. Wenn wir noch keine Lösung im Portfolio haben, ist auch eine kundenspezifische Entwicklung möglich.

Herstellung von Glas-Metall-Verbindungen

Hermetische Glas-Metall-Dichtungen werden in einem komplizierten, aber äußerst effektiven Verfahren hergestellt, an dem nur drei Teile beteiligt sind: die Metallöse (Gehäuse), der Metallstift (Durchführung) und der Glaspressling (Dichtungsmaterial). Um die gewünschte, äußerst hohe Zuverlässigkeit des Endprodukts zu erreichen, sind umfangreiche Kenntnisse erforderlich. Das Wissen zu Glastypen und -rezepturen ist eine Schlüsselkompetenz, um die Robustheit und Zuverlässigkeit zu maximieren - insbesondere wenn es um kundenspezifische Komponenten geht. Dazu gehört auch die Auswahl der richtigen Metall-Glas-Kombination für die vorgesehene Endanwendung und die korrekte Ausführung des Versiegelungsprozesses. Sie profitieren von der Entwicklung völlig neuer Glastypen in unserer hauseigenen Entwicklungsabteilung, um individuelle Herausforderungen zu erfüllen und neue Anwendungen zu ermöglichen.

Der Produktionsprozess für Glas-Metall-Verbindungen lässt sich in vier Hauptbereiche unterteilen:

  1. Glaskompetenz
  2. Verpackungs- und Durchführungsdesign/-validierung
  3. Versiegelungsprozess
  4. Beschichtung

Produktionsprozess

Glaskompetenz Glaskompetenz Glaskompetenz Glaskompetenz Glaskompetenz
  • Glaskompetenz
  • Glaskompetenz
  • Glaskompetenz
  • Glaskompetenz
  • Glaskompetenz

Glaskompetenz

Als Glasunternehmen sind Glaskompetenz und Fertigungskapazitäten die „geheimen Zutaten“, die SCHOTT als Marktführer bei Glas-Metall-Versiegelungen auszeichnen. Glasentwicklung, Schmelzen, Fräsen und die Herstellung von Rohlingen werden von vielen der weltweit führenden Experten für Glasformulierung und hermetische Abdichtung vollständig hausintern verwaltet.

Die Auswahl des richtigen Dichtglases entsprechend den Metall- und Betriebsbedingungen ist entscheidend für eine äußerst haltbare Glas-Metall-Dichtung. Erweiterte Anforderungen verlangen den Einsatz spezieller Materialien. SCHOTT bietet das breiteste Sortiment an Standardgläsern sowie einzigartige neue Glasentwicklungen. So können wir genau die Spezifikationen erfüllen, die der Kunde vor Augen hat. Die Spezialglasschmelzen werden zu Scherben weiterverarbeitet, zu feinem Glaspulver gemahlen und schließlich gepresst und gesintert, um Glasrohlinge zu erzeugen.

SCHOTT Glasrohlinge haben eine extrem hohe Maßhaltigkeit, mechanische Stabilität, gleichbleibendes Gewicht und glatte Oberflächen – alles Aspekte, die eine entscheidende Rolle spielen, um robuste und zuverlässig hermetische Glas-Metall-Dichtungen zu ermöglichen. Es werden ständig neuartige Glasrohlinge entwickelt, um neue Anwendungen zu bedienen und Entwicklungsherausforderungen zu lösen.

Verpackungs- und Durchführungsdesign/-validierung Verpackungs- und Durchführungsdesign/-validierung Verpackungs- und Durchführungsdesign/-validierung
  • Verpackungs- und Durchführungsdesign/-validierung
  • Verpackungs- und Durchführungsdesign/-validierung
  • Verpackungs- und Durchführungsdesign/-validierung

Verpackungs- und Durchführungsdesign/-validierung

Der Entwicklungsprozess bei SCHOTT ist ein kooperativer Ansatz: Wir arbeiten eng mit unseren Kunden zusammen, um bestmögliche Komponenten zu liefern, die den Anwendungsanforderungen entsprechen.

Direkte technische Unterstützung, vollständige kundenspezifische Anpassungen und die Herstellung kosteneffizienterer oder weniger komplexer Designs gehören zu den Konstruktions- und Entwicklungsschritten für Glas-Metall-Dichtungen. Oft kann SCHOTT durch fachliche Inputs und Validierungsmaßnahmen sogar ein besseres Produkt als das ursprüngliche Kundenkonzept liefern.

Die Validierung ist ein wichtiger Bereich für Glas-Metall-Dichtungen. SCHOTT kann Simulationen und Tests mit unterschiedlichen Geräten und Systemen durchführen, um den erfolgreiche Einbau in Anwendungen sowie die Integration in Kundenprozesse zu verifizieren. Dazu gehören Schweißen, Löten, Handling und verschiedene andere Maßnahmen zum Nachweis des Konzepts. Unterm Strich nehmen wir Ihre Vision und sorgen dafür, dass sie funktioniert!

Versiegelungsprozess

Versiegelungsprozess

Durch den Versiegelungsprozess werden die drei Einzelkomponenten in ein einziges, vakuumdichtes Bauteil umgewandelt.

Der Glasrohling, die Metallöse und der Metallstift werden in einer Carbon-Vorrichtung montiert und in einem hoch kontrollierten und spezialisierten Prozess durch einen Ofen geleitet. Temperatur, Ofenbedingungen, Gaszusammensetzungen und Heiz-/Kühlverhalten der Materialien sind wesentliche Faktoren, die je nach Montageanforderungen fachmännisch optimiert werden.

Das Endergebnis einer erfolgreichen Glas-Metall-Einschmelzung (GTMS) ist ein robustes und langlebiges Bauteil, das nach exakt festgelegten Konstruktionsspezifikationen gefertigt wird.

Beschichtung Beschichtung
  • Beschichtung
  • Beschichtung

Beschichtung

Die Beschichtung ist der letzte Prozessschritt zur Herstellung von Glas-Metall-Dichtungen.

SCHOTT führt die gesamte Beschichtung intern durch – ein wichtiger Differenzierungsfaktor, da viele GTMS-Hersteller diesen Produktionschritt auslagern, was zu längeren Vorlaufzeiten und potenziellen Qualitätsproblemen führt.

Die Beschichtungsanlagen von SCHOTT sind so ausgelegt, dass sowohl Prototypenmengen als auch eine volumenstarke Serienproduktion in gleichbleibender Qualität möglich sind. Wir beraten zu Materialtypen und zur Dicke der die Beschichtung, um die Effizienz und Leistung in der Endmontage zu optimieren.

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Wir sind zertifiziert

Die Zertifizierungen unserer GTMS-Produktionsstandorte umfassen ISO 9001, ISO 14001, IATF 16949, EHS, AS9100/EN9100/JISQ9100, ISO 5001, ASME, ATEX und IECEx, CE Plus, KTA 1401 und EffiNet.

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Lassen Sie uns besprechen, welche Glas-Metall-Dichtungen für Ihre Anwendung geeignet sind.

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Christoph Stangl
Christoph Stangl

Head of Business Development & Innovation