FR2662566A1 - Procede d'assemblage de pieces d'un boitier metallique en materiau a teneur en cuivre, notamment pour l'encapsulation de circuits hybrides en boitier metallique. - Google Patents

Procede d'assemblage de pieces d'un boitier metallique en materiau a teneur en cuivre, notamment pour l'encapsulation de circuits hybrides en boitier metallique. Download PDF

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Abstract

Selon ce procédé: - on réalise une première pièce à assembler (1) en un alliage de cuivre présentant, pour une longueur d'onde donnée, une absorption optique notablement supérieure à celle du cuivre pur, - on positionne cette première pièce sur une seconde pièce (2), et - on dirige sur la première pièce un rayonnement laser de puissance (3) à ladite longueur d'onde, de manière à provoquer par absorption une fusion locale (4) du matériau et le soudage autogène de cette première pièce avec la seconde. Ledit alliage de cuivre peut avantageusement être un alliage du groupe comprenant les alliages au béryllium et les alliages à l'argent, notamment un alliage au béryllium Cu-Be2 ou un alliage à l'argent Cu-al. Ce procédé peut notamment s'appliquer au cas où la première pièce est un couvercle et la seconde pièce est un corps de boîtier; le couvercle peut alors dans ce cas, avantageusement, être un couvercle découpé, notamment par découpe au laser, dans une tôle dudit alliage de cuivre et soudé au corps de boîtier par un joint périphérique réalisant la fermeture hermétique de ce boîtier.

Description

Procédé d'assemblage de pièces d'un boîtier métallique
en matériau à teneur en cuivre, notamment pour
l'encapsulation de circuits hybrides en boîtier métallique
La présente invention concerne un procédé d'assemblage de pièces d'un boîtier métallique en cuivre (ou en un alliage essentiellement constitué de cuivre, que l'on appellera par la suite matériau à teneur en cuivre ) pour composants microélectroniques.
Le procédé de l'invention s'applique notamment à l'encapsulation des circuits constitués de composants microélectroniques nus, notamment les circuits hybrides haute ou basse fréquence.
Dans de telles applications, il est en particulier nécessaire d'enfermer de façon hermétique le circuit portant ces composants, dans des boîtiers contenant une atmosphère neutre et avec un taux de fuites extrêmement faible, pouvant aller typiquement jusqu'à 10-8 bar.cm3.s4.
L'application de l'invention à la fermeture hermétique de boîtiers en cuivre ou à teneur en cuivre n'est cependant pas limitative ; l'invention pourra ainsi être appliquée par exemple à l'assemblage de pièces mécaniques où l'herméticité n'est pas nécessaire (montage de parois internes de séparation du boîtier, etc.), ou à la fermeture étanche d'enceintes autres que celles contenant les composants proprement dits, par exemple la fermeture de circuits hermétiques de radiateur avec circulation d'un fluide gazeux ou liquide servant au refroidissement des composants microélectroniques.
Ces boîtiers, de façon générale, sont habituellement réalisés en titane, en aluminium ou en cuivre.
Dans le cas du titane ou de l'aluminium, on sait réaliser de façon très efficace l'assemblage des différentes pièces (notamment la fermeture du couvercle) par soudage laser autogène, c'est-à-dire par fusion locale de deux pièces à assembler sans apport de matière, cette fusion résultant de l'absorption de l'énergie lumineuse d'un faisceau laser de puissance.
Ce procédé de soudage par laser présente de nombreux avantages.
Tout d'abord, il est possible de travailler sous atmosphère contrôlée, ce qui évite toute oxydation des matériaux.
En outre, des assemblages suivants les trois dimensions sont réalisables sans difficulté au moyen des différents systèmes de pilotage existant actuellement, qui reposent essentiellement sur l'utilisation d'une fibre optique transmettant, en bout de bras d'un robot, l'énergie du laser de façon très précise et localisée.
Enfin, ce procédé d'assemblage est rapide et fiable, ce qui est important en particulier pour l'herméticité des boîtiers, qui doit être très grande et très peu sujette au vieillissement.
Néanmoins, lorsque l'on utilise des composants de forte puissance, il n'est plus possible d'utiliser le titane ou l'aluminium lorsque de fortes dissipations thermiques exigent l'évacuation de quantités importantes de chaleur par conductivité thermique.
On doit alors recourir à des boîtiers en cuivre car, malgré sa masse volumique importante, ce matériau est le seul dont la conductivité thermique élevée permette des dissipations thermiques importantes par conduction.
Malheureusement, il n'avait pas jusqu'à présent été possible de réaliser de façon satisfaisante des assemblages hermétiques par soudage laser dans le cas des boîtiers en cuivre car, d'une part, ce matériau réfléchit beaucoup plus la lumière que l'aluminium ou le titane et, d'autre part, il la réfléchit de façon beaucoup plus irrégulière, ce qui ne permet pas d'obtenir des assemblages réguliers et donc fiables.
Les solutions jusqu'à présent retenues pour assembler et fermer des boîtiers en cuivre étaient soit le collage pur et simple ou la brasure tendre (dans le cas des boîtiers de petites dimensions), soit l'assemblage mécanique par vissage, suivi d'un surmoulage du boîtier dans une résine (notamment silicone) permettant d'assurer l'étanchéité.
Ces modes d'assemblage pratiqué jusqu'à présent présentent de nombreux inconvénients.
Tout d'abord, ils sont complexes, donc longs et coûteux.
Ensuite, ils n'assurent qu'une herméticité moyenne, qui va en outre en se dégradant au cours du temps.
Enfin, pour pouvoir visser un couvercle, celui-ci doit être relativement épais et usiné dans la masse, ce qui en augmente l'encombrement, le poids et le coût.
La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients.
L'un des buts de la présente invention est, ainsi, de proposer un procédé permettant d'appliquer le soudage laser à l'assemblage de pièces en cuivre, procédé:
~qui soit applicable quelles que soient les dimensions
du boîtier, même si celles-ci sont importantes,
~qui soit simple, rapide et donc peu coûteux à mettre
en oeuvre,
~qui assure une herméticité extrême, avec une excel
lente tenue dans le temps,
~qui permette l'utilisation de couvercles simplement
découpés dans de la tôle, donc plus simples et plus
rapides à réaliser (puisqu'il n'est plus nécessaire de
les usiner dans la masse), et en outre plus légers et
plus minces,
~qui soit, enfin, compatible avec toutes les techniques
de construction soudée usuelles (soudage par effondre
ment, soudage sur la tranche, etc.), et permette
notamment le soudage tridimensionnel.
A cet effet, selon le procédé proposé par la présente invention:
- on réalise une première pièce à assembler en un
alliage de cuivre présentant, pour une longueur
d'onde donnée, une absorption optique notablement
supérieure à celle du cuivre pur,
- on positionne cette première pièce sur une seconde
pièce, et
- on dirige sur la première pièce un rayonnement laser
de puissance à ladite longueur d'onde, de manière à
provoquer par absorption une fusion locale du maté
riau et le soudage autogène de cette première pièce
avec la seconde.
Ledit alliage de cuivre peut avantageusement être un alliage du groupe comprenant les alliages au béryllium et les alliages à l'argent, notamment un alliage au béryllium Cu-Be2 ou un alliage à l'argent Cu-al.
La seconde pièce peut être réalisée en un matériau de nature différente de celui de la première pièce, notamment en cuivre essentiellement pur, le soudage étant alors un soudage hétérogène; mais elle peut aussi bien être réalisée en un matériau de même nature que celui de la première pièce, le soudage étant alors un soudage homogène.
Si l'on prévoit que l'une au moins des pièces doit recevoir un traitement de surface, ce traitement de surface est de préférence choisi de manière à pouvoir, subsidiairement, accroître le coefficient d'absorption optique de cette pièce.
La technique de soudage préférentiellement employée est un soudage par effondrement, le joint de soudure réalisé présentant une surface orientée obliquement par rapport à la direction d'incidence du rayonnement laser.
Le procédé de l'invention peut notamment s'appliquer au cas où la première pièce est un couvercle et la seconde pièce est un corps de boîtier ; le couvercle peut alors dans ce cas, avantageusement, être un couvercle découpé, notamment par découpe au laser, dans une tôle dudit alliage de cuivre et soudé au corps de boîtier par un joint périphérique réalisant la fermeture hermétique de ce boîtier.
0
On va maintenant décrire deux exemples de mise en oeuvre de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels les figures 1 à 4 représentent quatre techniques différentes de construction soudée, toutes utilisables avec le procédé de l'invention.
o
Essentiellement, le procédé de l'invention consiste à choisir, pour l'une au moins des pièces à assembler, une pièce en un alliage de cuivre assurant une absorption du faisceau laser suffisante pour permettre le soudage autogène.
On peut ainsi, comme illustré figure 1, pour l'assemblage d'un couvercle 1 sur un corps de boîtier 2, réaliser le couvercle 1 en un tel alliage de cuivre, afin de permettre le soudage de ce couvercle sur le boîtier 2 qui pourra être en cuivre pur ou pratiquement pur.
Pour le couvercle, on pourra par exemple choisir un alliage de cuivre au béryllium tel qu'un alliage Cu-Be2,-qui est un alliage (en lui-même connu) dont la composition est la suivante:
Béryllium 2,5#+0,15 %
Nickel 0,3à0,5 %
Impuretés (Fe, Si, Al, Mg) < 0,5 %
Cuivre q.s.p. 100 %
Le point de fusion de cet alliage est de 9800C (contre 10830C pour le cuivre pur).
Outre ses bonnes propriétés optiques d'absorption lumineuse (absorption suffisante et régulière) il présente, du point de vue mécanique, l'avantage d'être beaucoup plus rigide que le cuivre pur, de sorte qu'il se prête très bien à la réalisation de couvercles très minces, qui n'ont aucun autre rôle mécanique que la fermeture hermétique du boîtier.
En variante, on pourrait également utiliser un alliage de cuivre à l'argent tel qu'un alliage Cu-al constitué de cuivre et d'argent, le cuivre étant en proportion d'au moins 99,9 % ; le point de fusion de cet alliage est de 1065 C.
Pour le corps de boîtier 2, on peut utiliser du cuivre pur, ayant éventuellement reçu un traitement de surface tel qu'un revêtement d'argent, d'or ou de nickel électrolytique.
Un tel traitement de surface (que peut également recevoir le couvercle 1) joue les rôles classiques de protection du maté riau vis-à-vis de l'environnement (intérieur et/ou extérieur) et de moyen permettant le report par collage ou brasure d'éléments divers (connecteurs, etc.).
Mais surtout, ce traitement de surface peut très avantageusement aider au soudage, si l'on choisit un traitement de surface (par exemple, un dépôt d'argent ou de nickel électrolytique) qui augmente et régularise l'absorption du matériau en réduisant sa brillance.
Dans tous les cas, le soudage est réalisé par application d'un rayonnement laser ponctuel et directionnel 3 qui va être absorbé par le matériau allié et/ou ayant reçu le traitement de surface, provoquant la fusion locale des deux pièces et la formation d'un cordon de soudure 4.
On peut notamment utiliser à cet effet un laser YAG pulsé de 300 W émettant sur une longueur d'onde X = 1,064 #m.
Sur la figure 1, la configuration des pièces correspond à la technique de soudage dite par effondrement , qui est la technique utilisée préférentiellement, car elle est la plus simple à mettre en oeuvre et présente en outre l'avantage que le cordon de soudure qui se forme ne va pas réfléchir la lumière du fait de sa géométrie, et sera donc extrêmement régulier.
D'autres techniques de soudage peuvent être néanmoins utilisées.
Ainsi, sur la figure 2, on a représenté la technique de soudage dite sur la tranche , dans laquelle le rayonnement 3 est appliqué à l'interface couvercle/corps de boîtier dans le plan de joint au lieu de l'être perpendiculairement.
On notera que, dans le cas de cette technique, au lieu d'avoir un couvercle 1 en cuivre allié et un corps de boîtier 2 en cuivre pur, on pourrait très bien avoir la configuration inverse, c'està-dire un couvercle 1 en cuivre pur et un corps de boîtier 2 en cuivre allié (ou, bien entendu, les deux pièces en cuivre allié).
Dans le cas de la figure 3 (soudage dit par encastrement ), le corps de boîtier 2 comporte un enbrèvement recevant le couvercle 1, et le cordon de soudure est formé en 4 sur le pourtour de cet enbrèvement. Ici encore, comme dans le cas précédent, le choix cuivre pur/ cuivre allié pour les matériaux peut être inversé en fonction des besoins.
La figure 4 correspond à la technique dite de soudage par transparence , dans laquelle le cordon de soudure est formé au travers de l'épaisseur du couvercle 1, jusqu'à atteindre le corps de boîtier 2. Ce mode de construction soudée présente une herméticité moins bonne que les précédents, mais par contre une excellente tenue mécanique ; on l'utilisera donc, par exemple, pour l'assemblage des parois intérieures du boîtier, ou pour d'autres assemblages semblables n'ayant pas besoin d'être hermétiques. On notera que, dans ce cas de figure et à la différence des cas précédents, il n'est pas possible d'inverser le choix cuivre pur I cuivre allié pour les pièces, la pièce 1 devant être nécessairement en cuivre allié puisqu'elle seule reçoit le rayonnement incident du laser.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Un procédé d'assemblage de pièces d'un boîtier pour composants microélectroniques, notamment pour l'encapsulation de circuits hybrides en boîtier métallique, ces pièces étant en cuivre ou en matériau à teneur en cuivre, caractérisé en ce que:
- on réalise une première pièce à assembler (1) en un
alliage de cuivre présentant, pour une longueur
d'onde donnée, une absorption optique notablement
supérieure à celle du cuivre pur,
- on positionne cette première pièce sur une seconde
pièce (2), et
- on dirige sur la première pièce un rayonnement laser
de puissance (3) à ladite longueur d'onde, de manière
à provoquer par absorption une fusion locale (4) du
matériau et le soudage autogène de cette première
pièce avec la seconde.
2. Le procédé de la revendication 1, dans lequel ledit alliage de cuivre est un alliage du groupe comprenant les alliages au béryllium et les alliages à l'argent.
3. Le procédé de la revendication 2, dans lequel ledit alliage de cuivre est un alliage au béryllium Cu-Be2.
4. Le procédé de la revendication 2, dans lequel ledit alliage de cuivre est un alliage à l'argent Cu-al.
5. Le procédé de la revendication 1, dans lequel ladite seconde pièce est réalisée en un matériau de nature différente de celui de la première pièce, le soudage étant alors un soudage hétérogène.
6. Le procédé de la revendication 5, dans lequel ladite seconde pièce est réalisée en cuivre essentiellement pur.
7. Le procédé de la revendication 1, dans lequel ladite seconde pièce est réalisée en un matériau de même nature que celui de la première pièce, le soudage étant alors un soudage homogène.
8. Le procédé de la revendication 1, dans lequel, l'une au moins des pièces recevant un traitement de surface, ce traitement de surface est choisi de manière à pouvoir, subsidiairement, accroître le coefficient d'absorption optique de cette pièce.
9. Le procédé de la revendication 1, dans lequel la technique de soudage employée est un soudage par effondrement, le joint de soudure réalisé présentant une surface orientée obliquement par rapport à la direction d'incidence du rayonnement laser.
10. Le procédé de la revendication 1, dans lequel, ladite première pièce (1) étant un couvercle et ladite seconde pièce (2) étant un corps de boîtier, le couvercle est un couvercle découpé, notamment par découpe au laser, dans une tôle dudit alliage de cuivre et soudé au corps de boîtier par un joint périphérique (4) réalisant la fermeture hermétique de ce boîtier.
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