FR2952314A1 - Procede de brasage, gyroscope et piece brasee - Google Patents

Procede de brasage, gyroscope et piece brasee Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de brasage d'un corps conducteur sur un substrat à partir d'un alliage parmi un alliage étain-argent et un alliage étain-argent-cuivre, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes : - métallisation du substrat, ladite étape de métallisation comportant une étape de dépôt (6) d'une couche d'accroche sur le substrat et une étape de dépôt (10) d'une couche barrière de diffusion, ladite couche d'accroche comportant l'un quelconque des composants chimiques choisi parmi le chrome, le titane et un alliage de titane, ladite couche barrière de diffusion comportant un matériau choisi parmi le platine et le palladium ; - application (18) d'une brasure entre le corps conducteur et le substrat métallisé, ladite brasure comportant un alliage choisi parmi un alliage d'étain-argent et un alliage étain-argent-cuivre.

Description

Procédé de brasage, gyroscope et pièce brasée
L'invention se rapporte à un procédé de brasage sans plomb respectant la directive RoHS (2002/95/CE), ainsi qu'à un gyroscope et une pièce brasée fabriqués à l'aide de ce procédé de brasage.
En particulier, l'invention concerne un procédé de brasage d'un corps conducteur sur un substrat à l'aide d'un alliage étain-argent ou d'un alliage étain-argent-cuivre, ainsi qu'un 10 gyroscope et une pièce brasée fabriqués par ce procédé de brasage. A ce jour, il n'existe pas de procédé de brasage étain sans plomb sur couche mince. En effet, la température de refusion d'une brasure étain-argent plus élevée qu'une brasure étain plomb augmente la dissolution et nécessite d'augmenter les épaisseurs de ces 15 couches. Sur des substrats fragiles, tel que par exemple sur des substrats de type céramique, il est souhaitable de baisser les contraintes mécaniques et donc de limiter les épaisseurs des couches minces.
La présente invention a pour but de proposer un procédé de brasage sans plomb sur 20 couches minces.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de brasage d'un corps au moins partiellement conducteur, appelé corps conducteur, sur un substrat à partir d'un alliage parmi un alliage étain-argent et un alliage étain-argent-cuivre, ledit procédé comportant 25 les étapes suivantes : - métallisation du substrat, ladite étape de métallisation comportant une étape de dépôt d'une couche d'accroche sur le substrat et une étape de dépôt d'une couche barrière de diffusion, ladite couche d'accroche comportant l'un quelconque des composants chimiques choisi parmi le chrome, le titane et un alliage de titane, ladite 30 couche barrière de diffusion comportant un matériau choisi parmi le platine et le palladium ; - application d'une brasure entre le corps conducteur et le substrat métallisé, ladite brasure comportant un alliage choisi parmi un alliage d'étain-argent et un alliage étainargent-cuivre.
Ce procédé de brasage comporte le dépôt d'une barrière de diffusion comportant un matériau choisi parmi le platine et le palladium, ainsi que le dépôt d'une couche d'accroche et éventuellement d'une couche de mouillage afin de compenser les inconvénients de la couche de barrière de diffusion.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la couche d'accroche est une couche mince présentant une épaisseur comprise entre environ 5 et 50 nanomètres ; - la couche d'accroche présente une épaisseur environ égale à 30 nanomètres ; 15 - la couche barrière de diffusion est une couche mince présentant une épaisseur comprise entre environ 100 nanomètres et 1.500 nanomètres ; - la couche barrière de diffusion présente une épaisseur égale à environ 200 nanomètres ; - le procédé de brasage selon l'un quelconque des modes de réalisation précités 20 comporte, entre l'étape de dépôt d'une couche barrière de diffusion et l'étape d'application d'une brasure, une étape de dépôt d'une couche de mouillage, ladite couche de mouillage comprenant de l'or ; - la couche de mouillage est une couche mince présentant une épaisseur sensiblement égale à 0,4% de l'épaisseur de la brasure ; 25 - la couche de mouillage est une couche mince présentant une épaisseur comprise entre environ 5 nanomètres et 1 micron ; - la couche de mouillage présente une épaisseur environ égale à 50 nanomètres ; - la couche d'accroche comporte du chrome et la couche barrière de diffusion comporte du platine. 30 Par ailleurs, un gyroscope par exemple du type de celui décrit dans la demande de brevet FR 2 805 039 comporte un porte-électrodes en silice, assemblé à une embase par l'intermédiaire de tiges de support conductrices. Un capot, renfermant le résonateur, le porte-électrodes et les tiges de support, est fixé hermétiquement à l'embase. Un vide secondaire est ensuite réalisé sous le capot.
Des électrodes sont formées sur une partie de la surface supérieure du porte-électrodes. Elles sont chacune connectée à une tige de support pour recevoir des signaux d'excitation et pour transmettre des signaux de détection.
A cet effet, le porte-électrodes comprend des douilles métalliques montées dans des trous traversants. Les tiges de support sont emmanchées dans les douilles et fixées à celles-ci à 10 l'aide de colle conductrice, en particulier de colle EPDXY.
Toutefois, ces colles dégazent fortement. Ce dégazage nuit à la mise en place et surtout au maintien d'un vide secondaire sous le capot. Il est souhaitable de fixer solidement le porte-électrodes aux tiges de support en minimisant ce dégazage et en assurant la 15 conduction électrique entre le porte-électrodes et les tiges de support.
L'invention a également pour objet un gyroscope comprenant : - un résonateur ; - un substrat portant le résonateur ; 20 - un corps au moins partiellement conducteur, appelé corps conducteur, fixé au substrat; le gyroscope étant remarquable en ce que le corps conducteur est fixé par une brasure sur le substrat par mise en oeuvre du procédé de brasage selon l'un quelconque des modes de réalisation précités. 25 En variante, dans le gyroscope selon l'invention, le substrat comporte au moins une électrode d'excitation et de détection, ladite électrode étant connectée au corps.
Enfin, l'invention a pour objet une pièce brasée comportant au moins un substrat et un 30 corps au moins partiellement conducteur, appelé corps conducteur, fixé au substrat, laquelle pièce étant remarquable en ce que le corps conducteur est fixé par une brasure au substrat par mise en oeuvre du procédé de brasage selon l'un quelconque des modes de réalisation précités.
L' invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins, sur lesquels : - la figure 1 est un diagramme du procédé de brasage selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'une pièce brasée ; et - la figure 3 est une vue schématique en coupe axiale d'un gyroscope selon l'invention.
L'invention concerne un procédé de brasage d'un corps 2 sur un substrat 4.
Le corps 2 est au moins partiellement conducteur. Il est appelé corps conducteur ci-après. En particulier, il comporte au moins une face conductrice destinée à être brasée au substrat 4. La face conductrice est réalisée dans un matériau conducteur tel que par exemple un matériau métallique ou un matériau composite comportant un métal.
Le substrat 4 est par exemple constitué par de la silice, du silicium, de la céramique, des oxydes métalliques, des matériaux cristallins ou du verre.
En référence aux figures 1 et 2, le procédé de brasage débute par une étape de 20 métallisation du substrat. Cette étape de métallisation comprend une étape de dépôt 6 d'une couche d'accroche 8 sur le substrat 4, une étape 10 de dépôt d'une couche barrière de diffusion 12 sur la couche d'accroche 8, et une étape 14 de dépôt d'une couche de mouillage 16 sur la couche barrière de diffusion 12.
25 La couche d'accroche 8 est propre à assurer une forte accroche du corps 2 sur le substrat 4. La couche d'accroche 8 est, par exemple, réalisée en chrome. Elle présente une épaisseur comprise entre environ 5 et 50 nanomètres. De préférence, cette couche présente une épaisseur égale à environ 30 nanomètres.
30 En variante, cette couche d'accroche 8 est réalisée en titane ou un de ses alliages.
La couche barrière de diffusion 12 est réalisée par exemple en platine, en palladium ou en nickel. La couche barrière de diffusion 12 crée une barrière de diffusion propre à 15 réduire la vitesse d'avancement de l'étain de l'alliage de brasage vers le substrat 4. De plus, cette couche barrière de diffusion 12 crée des intermétalliques non cassant avec l'étain.
La couche barrière de diffusion 12 est une couche mince ayant une épaisseur comprise entre environ 100 et 1.500 nanomètres. De préférence, cette couche 12 a une épaisseur environ égale à 200 nanomètres.
La couche de mouillage 16 est réalisée en or. La couche de mouillage 16 favorise la 10 mouillabilité directe de l'alliage de brasage sur la couche barrière de diffusion 12.
La couche de mouillage 16 est une couche mince qui a une épaisseur comprise entre environ 5 nanomètres et 1 micron. De préférence, la couche de mouillage 16 a une épaisseur égale à environ 50 nanomètres. La couche d'accroche 8, la couche barrière de diffusion 12 et la couche de mouillage 16 sont, par exemple, réalisées par pulvérisation cathodique ou évaporation.
Au cours d'une étape 18, une brasure 20 est appliquée entre le substrat métallisé 4 et la 20 face conductrice 25 du corps conducteur. La brasure 20 est réalisée à partir d'un alliage étain-argent ou d'un alliage étain-argent-cuivre.
La couche de mouillage 16 est une couche mince ayant une épaisseur sensiblement égale à 0,4% de l'épaisseur de la brasure 20. En variante, la couche de mouillage 16 n' est pas déposée. La brasure 20 est alors déposée directement sur la couche barrière de diffusion 12.
La brasure réalisée par ce procédé de brasage comporte une tri-couche mince appliquée 30 sur le substrat 4. Cette tri-couche comprend la couche d'accroche 8, la couche barrière de diffusion 12 et la couche de mouillage 16. Cette tri-couche possède une épaisseur inférieure à 3 micromètres et de préférence inférieure à 1 micromètre. 15 25 La figure 2 représente un exemple de pièce brasée 21 fabriquée selon le procédé de brasure décrit ci-dessus. Dans cet exemple, la pièce brasée 21 est une partie d'un circuit électronique de type CMS (Composants Montés en Surface). Ce circuit électronique comprend un substrat 4 et en particulier une plaquette d' alumine ou de silice, et un corps conducteur 2 constitué par un composant électronique 23 dont les faces latérales verticales 25 sont métallisées.
En variante, la pièce brasée est, par exemple, un composant électronique, un circuit hybride, un senseur, etc.
En référence à la figure 3, un gyroscope 22 fabriqué par mise en oeuvre du procédé de brasage selon l'invention comprend un résonateur 24 en cloche ou en calotte qui possède un axe 26 pour sa fixation, et une pièce 28 portant des électrodes 30, dite ci-après porte-électrodes 28, dans laquelle est ancré l'axe 26 du résonateur 24. Le résonateur 24 est réalisé en silice et le porte-électrodes 28 est réalisé en céramique ou en silice pour assurer la stabilité des entrefers
Le porte-électrodes 28 peut être hémisphérique avec des électrodes placées en regard de la face interne du résonateur 24. Dans ce cas, la face interne du résonateur 24 s'étend 20 autour du pourtour extérieur du porte-électrodes 28 (non montré).
Le porte-électrodes 28 peut également être plan avec des électrodes 30 placées en face de la tranche du résonateur 24, comme illustré sur la figure 3.
25 Le gyroscope 22 comporte en outre une embase 32, des tiges 34 de support du porte-électrodes 28, par exemple, en Kovar®, et un capot 36 fixé à l'embase 32.
Les tiges de support 34 forment un montage sur « pilotis » du porte-électrodes 28 sur l'embase 32. Ce montage sur «pilotis» autorise, en cas de dilatation thermique, une 30 translation parallèle du porte-électrodes 28 par rapport à l'embase 32. Cette translation est obtenue par déformation des tiges de support 34. Ce montage sur « pilotis » est décrit dans le brevet FR 2 805 039.
Par exemple, onze tiges de support 34 portent le porte-électrodes 28. Les tiges de support 34 sont conductrices. Elles sont fixées sur la face inférieure du porte-électrodes 28, et en particulier sur les électrodes 30, de manière à assurer la liaison électrique entre les électrodes 30 et les tiges de support 34. Certaines tiges de support 34 peuvent conduire des signaux d'excitation ou de détection du résonateur. D'autres tiges de support 34 assurent uniquement la stabilité du porte-électrodes 28.
Selon l'invention, le procédé de brasage illustré sur la figure 1 est mis en oeuvre pour fixer les tiges de support 34 aux électrodes 30 du porte-électrodes. En particulier, le 10 procédé de brasage est mis en oeuvre pour réaliser la brasure 38.
L'embase 32 est une pièce circulaire qui porte, dans l'exemple illustré, onze traversées 42 étanches et isolantes à travers lesquelles sont engagées les tiges de support 34. Le capot 36 définit avec l'embase 32 une enceinte hermétiquement close dans laquelle est établi un vide secondaire. Un matériau getter est généralement prévu en liaison avec ladite enceinte pour y absorber les gaz résiduels après dégazage et fermeture.
20 En variante, les tiges de support sont réalisées en métal.
Le procédé de brasage décrit dans la présente demande de brevet en référence à la figure 3 permet de réaliser un gyroscope à résonateur en cloche ou en calotte. Néanmoins, il peut également être mis en oeuvre pour réaliser d'autres senseurs ayant une 25 cellule supportée par des tiges de support conductrices.
Avantageusement, le procédé de brasage selon l'invention peut également être utilisé pour braser des circuits hybrides, des senseurs, des tiges, des plots, des connecteurs, des composants, ou pour réaliser des connexions entre deux substrats pour des MEMS ou 30 pour sceller des capots étanches sur des substrats. 15 Avantageusement, le procédé de brasage permet de braser des matériaux naturellement non-brasables tels que les substrats cristallins, la céramique, le verre frité et les matériaux faiblement élastiques.
Avantageusement, l'alliage étain-argent présente une raideur supérieure à celle procurée par un autre type de brasure ou d'assemblage comme le collage. Cette raideur stabilise le plan de fréquence du gyroscope. L'alliage augmente la tenue aux chocs du gyroscope.
Avantageusement, la mise en oeuvre du procédé de brasage selon l'invention dans un 10 gyroscope permet de compenser la dilatation différentielle entre les tiges de support en Kovar® et le substrat.
Avantageusement, le dégazage de la brasure réalisée selon le procédé de l'invention est négligeable par rapport au dégazage des colles sous vide secondaire. En conséquence, 15 l'ensemble des gaz sous le capot est aisément pompé par le getter.
Avantageusement, comme l'alliage étain-argent et l'alliage étain-argent-cuivre présentent un point de fusion à 230° C, il est possible d'augmenter la température de dégazage jusqu'à environ 200° C pour assurer un meilleur vide sous le capot. Avantageusement, contrairement aux colles conductrices, la continuité électrique entre les électrodes et les tiges de support est assurée dans le temps.
Avantageusement, et contrairement au collage, la brasure du substrat au corps, selon le 25 procédé de l'invention, ne perd pas de sa raideur mécanique au cours du temps. 20

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1.- Procédé de brasage d'un corps au moins partiellement conducteur, appelé corps conducteur (2, 34), sur un substrat (4, 28) à partir d'un alliage parmi un alliage étain- argent et un alliage étain-argent-cuivre, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes : - métallisation du substrat (4), ladite étape de métallisation comportant une étape de dépôt (6) d'une couche d'accroche (8) sur le substrat (4) et une étape de dépôt (10) d'une couche barrière de diffusion (12), ladite couche d'accroche (8) comportant l'un quelconque des composants chimiques choisi parmi le chrome, le titane et un alliage de titane, ladite couche barrière de diffusion (12) comportant un matériau choisi parmi le platine et le palladium ; - application (18) d'une brasure (20) entre le corps conducteur (2, 34) et le substrat métallisé (4), ladite brasure (20) comportant un alliage choisi parmi un alliage d'étain-argent et un alliage étain-argent-cuivre.
  2. 2. Procédé de brasage selon la revendication 1, dans lequel la couche d'accroche (8) est une couche mince présentant une épaisseur comprise entre environ 5 et 50 nanomètres.
  3. 3. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la couche d'accroche (8) présente une épaisseur environ égale à 30 nanomètres.
  4. 4. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la couche barrière de diffusion (12) est une couche mince présentant une épaisseur 25 comprise entre environ 100 nanomètres et 1.500 nanomètres.
  5. 5. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la couche barrière de diffusion (12) présente une épaisseur égale à environ 200 nanomètres. 30
  6. 6. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, qui comporte, entre l'étape de dépôt (10) d'une couche barrière de diffusion (12) et l'étape d'application (18) d'une brasure (20), une étape de dépôt (14) d'une couche de mouillage (16), ladite couche de mouillage (16) comprenant de l'or.
  7. 7. Procédé de brasage selon la revendication 6, dans lequel la couche de mouillage (16) est une couche mince présentant une épaisseur sensiblement égale à 0,4% de l'épaisseur de la brasure (20).
  8. 8. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, dans lequel la couche de mouillage (16) est une couche mince présentant une épaisseur comprise entre environ 5 nanomètres et 1 micron. 10
  9. 9. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel la couche de mouillage (16) présente une épaisseur environ égale à 50 nanomètres.
  10. 10. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la couche d'accroche (8) comporte du chrome et dans lequel la couche barrière de 15 diffusion (12) comporte du platine.
  11. 11. Gyroscope (22) comprenant : - un résonateur (24) ; - un substrat (28) portant le résonateur (24) ; 20 - un corps au moins partiellement conducteur, appelé corps conducteur (2, 34), fixé au substrat (28) ; caractérisé en ce que le corps conducteur (2, 34) est fixé par une brasure sur le substrat (28) par mise en oeuvre du procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 25
  12. 12. Gyroscope (22) selon la revendication 11, dans lequel le substrat (28) comporte au moins une électrode (30) d'excitation et de détection, ladite électrode (30) étant connectée au corps (2, 34). 30
  13. 13. Pièce brasée (21) comportant au moins un substrat (4) et un corps au moins partiellement conducteur, appelé corps conducteur (2), fixé au substrat (4), caractérisé en ce que le corps conducteur (2) est fixé par une brasure au substrat (4) par mise en oeuvre du procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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