EP0752160A1 - Procede de fixation hermetique et electriquement isolante d'un conducteur electrique traversant une paroi metallique - Google Patents

Procede de fixation hermetique et electriquement isolante d'un conducteur electrique traversant une paroi metallique

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Publication number
EP0752160A1
EP0752160A1 EP95911357A EP95911357A EP0752160A1 EP 0752160 A1 EP0752160 A1 EP 0752160A1 EP 95911357 A EP95911357 A EP 95911357A EP 95911357 A EP95911357 A EP 95911357A EP 0752160 A1 EP0752160 A1 EP 0752160A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
intermediate element
electrical conductor
metal
layer
brazing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP95911357A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Noel Dody
Annick Lefeuvre
Christine Gherbi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Egide SA
Original Assignee
Egide SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Egide SA filed Critical Egide SA
Publication of EP0752160A1 publication Critical patent/EP0752160A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/10—Containers; Seals characterised by the material or arrangement of seals between parts, e.g. between cap and base of the container or between leads and walls of the container
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50—Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326, e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a hermetic and electrically insulating fixing method for an electrical conductor passing through a metal wall. It applies in particular to the manufacture of hermetic enclosures intended to contain electronic components.
  • the invention also relates to the junction assemblies, the electrical conductors and the intermediate elements allowing the implementation of this method, the junctions obtained by this method as well as the housings in particular for electronic components, comprising at least one junction obtained by this method. .
  • the glass-to-metal seal is of the granted type, which is the most common case, for the seal to be able to be effected effectively, it is necessary that the metal conductor and the wall are covered with a layer. metal oxide before sealing.
  • the layer of metal oxide present on the electrical conductor is generally removed, so that it can be coated with a thin layer of nickel intended to protect it against corrosion and possibly with a layer of to facilitate welding of the connections. It follows that the metal conductor is not coated with said layer of nickel at the places where it is in contact with the sealing glass, and in particular under the menisci. Consequently, when a meniscus breaks, a part of the metallic conductor not protected by said layer of nickel is exposed and is exposed to attack by the environment.
  • the Applicant has succeeded in developing a hermetic and electrically insulating fixing method for an electrical conductor passing through a metal wall, which no longer exhibits the aforementioned drawbacks.
  • This method is characterized in that the electrical conductor is fixed by means of an intermediate element consisting of a central part made of an insulating material provided with at least one through hole and at least 2 disjoint metallic layers partially covering said central part capable of giving rise to brazing, by brazing the electrical conductor on at least a part of one of said layers of the intermediate element and by brazing said intermediate element on said metal wall by at least part of a other of its layers, the two brazing operations being able to be carried out in any order or simultaneously.
  • the method according to the invention allows the electrical conductor to be held firmly while allowing it to retain a certain flexibility. It is now possible, in fact, to exercise pulls along the axis of symmetry of the electrical conductor or in a different direction, without fear of harming the corrosion resistance of the conductor, of tearing off the latter or of damaging the hermeticity of the fixation. In addition, it is no longer necessary to coat the electrical conductor with a thin layer of oxide as in the tuned sealing technique, since there is no longer any need for glass-to-metal sealing techniques. Consequently, the coating of the electrical conductor with a thin protective nickel layer can be carried out before the implementation of the method according to the invention.
  • Figure 1 shows schematically, in section, a junction according to the invention.
  • Figures 2 and 3 schematically show, in bottom view and in perspective, intermediate elements that can be used to implement the method according to the invention.
  • FIGS 4 and 5 show schematically, in section, junction assemblies according to the invention.
  • FIGS 6, 7 and 8 schematically represent electrical conductors according to the invention.
  • Figures 9 and 10 show schematically, in section, junction assemblies according to the invention.
  • the intermediate element 1 comprising at least one through hole 2 consists of a central part 3 made of an insulating material and of at least two metallic layers 4 and 5 suitable for giving rise to soldering.
  • Said through hole 2 is intended to allow the electrical conductor 6 to pass. It can be circular, or polygonal.
  • Said metal layers 4 and 5 of the intermediate element 1 are located on two different faces, preferably planar, of the intermediate element 1 which they partially or completely cover.
  • the metal layers 4 and 5 are generally flat. Of course, as they must be electrically isolated, they cannot be in contact with each other.
  • a first of these layers, layer 4, is intended to perform soldering with the electrical conductor 6 and a second, layer 5, to unite the intermediate element with the metal wall 7 which must be crossed by the electrical conductor 6.
  • the layer 4 generally has at least one part which is located near or around the through hole 2.
  • intermediate element 1 comprising at least one through hole 2 to allow the electrical conductor 6 to be held at least essentially perpendicular to the metal wall 7 that said electrical conductor 6 must pass through.
  • the face 13 of the intermediate element 1 coated with the layer 5 intended to perform the brazing with the metal wall 7 may not be completely covered by said layer 5.
  • the distance between the electrical conductor 6 and said layer 5 of the intermediate element 1 is increased, and it follows that the electrical insulation resistance between the electrical conductor 6 and the wall 7 to be crossed is increased.
  • the risk of making a false contact between said layer 5 and said electrical conductor 6 is reduced, if the latter is twisted, that is to say displaced in a direction not parallel to its axis of symmetry.
  • another layer or metallic ring 4bis is provided on the face 13 of the intermediate element 1, around the through hole 2.
  • This ring 4bis is electrically isolated from the layer 5 by a space 15.
  • the conductor 6 can thus be maintained both by brazing on the layer 4, as well as by brazing on the ring 4bis.
  • the layer 5 can then be in the form of a ring which can extend from the periphery 16 of the intermediate element 1 towards the through hole 2, over a limited distance so as to allow the existence of said space 15.
  • the metal layer 4 covers, in addition to part of one of the faces of the intermediate element 1, at least part of the wall of the through hole 2 and can extend over the face 13 by another layer or metal ring 17.
  • This variant makes it possible to solder between the conductor 6 and the walls of the through hole 2 and optionally between the conductor 6 and the ring 17, which ensures a distribution of the stresses generated by the differences in thermal expansion between the conductor 6 and the intermediate element 1 over a larger surface.
  • a single intermediate element 1 can possibly be used to hold several electrical conductors 6, when it has several through holes 2. It is however desirable for the intermediate element 1 to maintain only one or a reduced number of electrical conductors 6, that is to say that it has only one or only a reduced number (for example three or five) through holes 2.
  • the dimensions of the intermediate element 1 can then be sufficiently small so that, during its brazing against the wall, the stresses generated by the differences in thermal expansion between the material constituting the intermediate element 1 and the material constituting the metal wall 7 remain very limited and are not likely to affect the hermeticity of the junction between the intermediate element 1 and the metal wall 7.
  • the intermediate element 1 may have at least essentially the shape of a disc, as illustrated in FIG. 2, or of a parallelepiped, as illustrated in FIG. 3.
  • the insulating material from which the central part 3 of the intermediate element 1 is made is generally an insulating ceramic at least essentially consisting of a material such as, for example, alumina, mullite, cordierite, zirconia or l beryllium oxide.
  • Said central part 3 can be in one piece or made up of a stack of layers obtained according to the well-known technique known as multilayer, as illustrated in FIG. 5.
  • the through hole 2 is produced in a known manner, for example by punching the central part 3 before passing the raw material constituting said central part to the furnace 3, by laser cutting after passing said raw material into the furnace or as soon as it is pressed. or molding.
  • the metal layers 4,5 of the intermediate element 1 are made of a metal which can be tungsten, molybdenum or a molybdenum / manganese alloy. Their thickness is generally of the order of 5 to 30 ⁇ (microns or micrometers). Said metallic layers 4,5 must adhere strongly to the central part 3 so that they cannot be separated from the latter under the normal conditions for implementing the method according to the invention and using the junction obtained by this same process. Said metal layers 4,5 are obtained in a known manner, for example by screen printing, during the production of the central part 3. They may also each comprise one or more other layers of equal or different thicknesses preferably situated on the side opposite to the central part 3 and which may consist for example of an alloy such as nickel / boron, gold, tin or silver.
  • the metal layers 4.5 are each composed of a tungsten layer 5 to 30 ⁇ thick and a nickel / boron layer 0.5 to 2.5 ⁇ , the latter being located on the face outside of the metal layer 4 or 5, that is to say on the face opposite to the central part 3.
  • the intermediate element 1 is designed to hold an electrical conductor 6 passing through it and passing through the metal wall 7.
  • Said electrical conductor 6 is generally in the form of a wire of any cross section, in particular circular or polygonal, or in shape of hollow or full tube with closed ends, comprising a part 8 having any shape and intended to come at least partially into abutment against at least part of the layer 4 of the intermediate element 1 and to allow soldering between a portion 9 of the total surface of said part 8 and at least part of the layer 4 of the intermediate element 1.
  • Said part 8 can, for example, take the form of a collar (FIG. 1), of a trunk cone ( Figure 4), a shoulder ( Figure 5), a parallelepiped ( Figures 6 or 7), a truncated cone ( Figure 8) or a hemisphere.
  • the shape of said part 8 and the shape of the intermediate element 1 must be adapted to one another, so that said portion 9 of the total surface of said part 8 is at least essentially parallel to said layer. 4 of the intermediate element 1 when the electrical conductor 6 passes through the metal wall 7.
  • Said portion 9 and said layer 4 can be perpendicular to the axis of the electrical conductor 6 ( Figure 1), or form an angle with this axis ( Figure 4).
  • said portion 9 and the axis of said electrical conductor 6 are arranged so that they are at least approximately at right angles to one another.
  • said electrical conductor 6 can resist very high pulls in the direction of its axis.
  • the cross section of the electrical conductor 6 is at least essentially circular.
  • Said portion 9 preferably has a high area, so as to maintain the electrical conductor 6 very mechanically resistant and to ensure good hermeticity.
  • the electrical conductor 6 it is advantageous for the electrical conductor 6 to be provided with a part 10 in the form of a truncated cone (FIGS. 1, 4, 5 or 8) or a truncated pyramid.
  • This part 10 in the form of a truncated cone or pyramid can be confused with said part 8 (FIG. 4) or be separate therefrom (FIG. 1, 5, 7 or 8).
  • the electrical conductor 6 may be in one piece or composed of several parts assembled in a known manner, for example by welding. It can therefore be made of a single metal or of several metals, said metal or metals possibly being copper, copper alloys such as, for example, copper / beryllium alloys, ferro-nickel alloys such as, for example, iron / nickel alloy known under the trade name INVAR or other alloys such as, for example, the iron / cobalt / nickel alloy known under the trade name KOVAR.
  • the metal wall 7 to be traversed can be provided with a housing 11 at the place where the intermediate element 1 is to be brazed.
  • This housing 11 (FIG. 5) has dimensions suitable for receiving, the intermediate element 1. Preferably , its dimensions are such that they also allow it to position the intermediate element 1, that is to say to receive the intermediate element 1 with little play.
  • the existence of the housing 11 may not be recommended in the event that its depth excessively reduces the thickness of the wall 7 and therefore risks weakening it.
  • the metal wall 7 may be made of an iron / cobalt / nickel alloy known under the trade name KOVAR, of steel, of molybdenum, of aluminum, of a copper alloy such as the copper / tungsten, copper / molybdenum alloys, of a composite material.
  • KOVAR iron / cobalt / nickel alloy
  • steel of molybdenum
  • aluminum of a copper alloy such as the copper / tungsten, copper / molybdenum alloys, of a composite material.
  • aluminum matrix composites such as aluminum / silicon carbide, or a colaminate such as copper / invar / copper.
  • the brazing of the electrical conductor 6 on the intermediate element 1 and the brazing of the intermediate element 1 on the metal wall 7 can be carried out in two stages and in any order, or else simultaneously.
  • the method according to the invention is implemented, by first preparing a junction assembly comprising the electrical conductor 6, the intermediate element 1 and the metal wall 7, then performing the two solderings.
  • intermediate element 1 can be soldered either inside or outside the housing.
  • brazing operations are carried out in a known manner, that is to say by placing, according to any suitable method, a brazing material called brazing between the parts to be brazed maintained by an appropriate tool in the position which they are called upon to maintain, then by passing through an oven under the usual conditions of brazing known to those skilled in the art and determined by the brazing used.
  • the latter are generally copper or alloys such as silver / copper alloys (Ag / Cu 72/28), gold / tin (Au / Sn), silver / copper / indium (Ag / Cu / In), gold / germanium (Au / Ge), or any eutectic alloy used for the manufacture of commercial solders.
  • brazing at the level of layers 4bis or 17 can be carried out by adding Ag / Cu brazing.
  • a small solder washer can thus be positioned at the level of layers 4bis or 17. It will solder, after passage through the oven, the conductor 6 to the intermediate element 1.
  • the temperatures at which brazing is carried out are generally lower than those necessary for glass-to-metal sealing. It follows that the implementation of the method according to the invention allows energy savings compared to glass-metal sealing techniques.
  • the method according to the invention makes it possible to reduce the thickness of the metal wall 7 compared to the wall thicknesses 7 necessary for the implementation of the glass-metal sealing techniques of the prior art.
  • glass-metal seals require, to guarantee satisfactory hermeticity, a relatively large thickness of said metal wall 7.
  • the intermediate element 1 as shown in FIG. 1, had an external diameter of approximately 1.89 mm, a through hole 2 of approximately 0.68 mm, a layer 5 of external diameter equal to approximately 1 , 89 mm and an internal diameter (greater than that of the through hole 2) equal to approximately 1 mm, a total thickness (central part 3 plus layers 4 and 5) of approximately 0.5 mm,
  • the conductor 6 in KOVAR had a diameter of approximately 0.46 mm, a shoulder 8 of approximately 0.9 mm in diameter and approximately 0.2 mm in thickness, a frustoconical part 10 inclined at approximately 45 degrees and whose diameter at the contact with the shoulder 8 was approximately 0.65 mm, the length of the conductor 6 measured between the face of the shoulder 8 opposite the frustoconical part 10 and the end of the conductor 6 situated on the side of said frustoconical part 10 was approximately 5 mm, and the length of the conductor 6 measured between said face of the shoulder 8 opposite said frustoconical part 10 and the other end of the conductor 6 was approximately 5 mm in some cases, 3.49 mm and 2.60 mm in other cases.
  • the forces (twists) exerted on the electrical conductor 6 in a direction not parallel to its axis of symmetry are reflected in the form of shear stresses between the portion 9 of the part 8 of the electrical conductor 6 and layer 4 of the intermediate element 1. These shear stresses have no effect on the junction obtained by the implementation of the method according to the invention. On the contrary, in glass-metal sealing junctions according to the prior art, these same efforts risk breaking or cracking a meniscus, and therefore entail the consequences mentioned above.
  • junctions obtained by the process according to the invention can be used for the production of housings such as, for example, housings for electronic components.
  • housings can include one or more of these junctions, thanks to which they have very good corrosion resistance and high hermeticity and long-term reliability.
  • the method according to the invention also offers the advantage of being able to be automated. It can also be used to fix several electrical conductors using a single intermediate element. It goes without saying that in this case, each electrical conductor individually crosses a through hole and its soldering on the intermediate element is done individually on a layer 4. There are therefore at least as many through holes (electrically insulated the from each other) and at least as many layers 4 (electrically insulated from each other) as there are conductors to be attached because to each through hole corresponds a single electrical conductor and a single layer 4; there may be a single layer 5 or a number of layers 5 lower than the number of electrical conductors to be fixed.

Abstract

L'invention concerne un procédé de fixation hermétique et électriquement isolante d'un conducteur électrique (6) traversant une paroi métallique (7). Ce procédé se caractérise en ce qu'on fixe le conducteur électrique au moyen d'un élément intermédiaire (1) constitué d'une partie centrale (3) en un matériau isolant munie d'au moins un trou de passage (2) et d'au moins deux couches métalliques (4, 5) disjointes revêtant partiellement ladite partie centrale aptes à donner lieu à un brasage, en brasant le conducteur électrique sur au moins une partie de l'une desdites couches de l'élément intermédiaire et en brasant ledit élément intermédiaire sur ladite paroi métallique par au moins une partie d'une autre de ses couches, les deux brasages pouvant être réalisés dans un ordre quelconque ou simultanément. L'invention concerne également les ensembles de jonction, les conducteurs électriques et les éléments intermédiaires permettant la mise en ÷uvre de ce procédé, les jonctions obtenues par ce procédé ainsi que les boîtiers notamment pour composants électroniques, comportant au moins une jonction obtenue par ce procédé. L'invention s'applique notamment à la fabrication de boîtiers hermétiques destinés à renfermer des composants électroniques.

Description

Procédé de fixation hermétique et électriquement isolante d'un conducteur électrique traversant une paroi métallique
L'invention concerne un procédé de fixation hermétique et électriquement isolante d'un conducteur électrique traversant une paroi métallique. Elle s'applique notamment à la fabrication de boîtiers hermétiques destinés à renfermer des composants électroniques.
L'invention concerne également les ensembles de jonction, les conducteurs électriques et les éléments intermédiaires permettant la mise en oeuvre de ce procédé, les jonctions obtenues par ce procédé ainsi que les boîtiers notamment pour composants électroniques, comportant au moins une jonction obtenue par ce procédé.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Il est connu de maintenir, au moyen d'une perle de verre, un conducteur électrique traversant une paroi métallique. La perle de verre occupe tout le volume du trou prévu dans la paroi métallique pour le passage du conducteur, maintient le conducteur électrique en son milieu et adhère à la surface intérieure dudit trou. L'isolation électrique entre la paroi métallique et le conducteur électrique est donc assurée par les propriétés isolantes de la perle de verre.
Deux techniques de réalisation différentes peuvent être utilisées : la technique du scellement verre-métal dit "accordé" et celle du scellement verre-métal dit "en compression". Ces techniques sont bien connues de l'homme du métier et sont décrites, notamment dans la demande de brevet français n° 2 613 171.
Ces techniques de scellement verre-métal présentent de nombreux inconvénients dont les principaux sont généralement les suivants : lors de la fusion du verre de scellement constituant la perle, il se produit une remontée du verre le long du conducteur métallique, ce qui conduit à la formation de ménisques. Ces ménisques de verre étant fragiles, ils se cassent où se fêlent très facilement, par exemple, lorsqu'on exerce une légère traction sur le conducteur latéralement, c'est- à-dire dans un sens non parallèle à son axe de symétrie. La rupture d'un ménisque situé à l'intérieur d'un boîtier produit en général des débris de verre de scellement qui risquent d'endommager les composants électroniques se trouvant à l'intérieur du boîtier ou de perturber leur fonctionnement. En outre, lorsque le scellement verre-métal est du type accordé, ce qui constitue le cas le plus répandu, pour que le scellement puisse se faire de manière efficace, il est nécessaire que le conducteur métallique et la paroi soient recouverts d'une couche d'oxyde métallique avant le scellement. Une fois le scellement verre- métal effectué, on ôte généralement la couche d'oxyde métallique présente sur le conducteur électrique, afin de pouvoir le revêtir d'une fine couche de nickel destinée à le protéger contre la corrosion et éventuellement d'une couche d'or pour faciliter le soudage des connexions. Il s'ensuit que le conducteur métallique n'est pas revêtu de ladite couche de nickel aux endroits où il est en contact avec le verre de scellement, et en particulier sous les ménisques. Par conséquent, lorsqu'un ménisque se brise, une partie du conducteur métallique non protégée par ladite couche de nickel est mise à nu et est exposée aux d'agressions de la part de l'environnement.
Ainsi, les techniques de scellement verre-métal employées jusqu'à ce jour n'apportent pas suffisamment satisfaction et il semble nécessaire de concevoir de nouvelles techniques offrant la possibilité de réaliser des jonctions entre un conducteur électrique et une paroi métallique qui présentent une résistance mécanique, une résistance d'isolement électrique et une herméticité élevées.
EXPOSE SOMMAIRE DE L'INVENTION
La demanderesse est parvenue à mettre au point un procédé de fixation hermétique et électriquement isolante d'un conducteur électrique traversant une paroi métallique, qui ne présente plus les inconvénients précités. Ce procédé se caractérise en ce qu'on fixe le conducteur électrique au moyen d'un élément intermédiaire constitué d'une partie centrale en un matériau isolant munie d'au moins un trou de passage et d'au moins 2 couches métalliques disjointes revêtant partiellement ladite partie centrale aptes à donner lieu à un brasage, en brasant le conducteur électrique sur au moins une partie de l'une desdites couches de l'élément intermédiaire et en brasant ledit élément intermédiaire sur ladite paroi métallique par au moins une partie d'une autre de ses couches, les deux brasages pouvant être réalisés dans un ordre quelconque ou simultanément.
Le procédé selon l'invention permet un maintien ferme du conducteur électrique tout en lui permettant de conserver une certaine souplesse. On peut maintenant, en effet, exercer des tractions suivant l'axe de symétrie du conducteur électrique ou dans un sens différent, sans craindre de nuire à la résistance à la corrosion du conducteur, d'arracher ce dernier ou de porter atteinte à l'herméticité de la fixation. De plus, il n'est plus nécessaire de revêtir le conducteur électrique d'une fine couche d'oxyde comme dans la technique du scellement accordé, car on ne fait plus appel aux techniques de scellement verre-métal. Dès lors, le revêtement du conducteur électrique par une fine couche de nickel protectrice peut être réalisé avant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
En outre, alors qu'auparavant les techniques de scellement verre-métal imposaient une adaptation rigoureuse de la nature du verre de scellement à la fois à la nature du métal constituant la paroi métallique et à celle du métal constituant le conducteur électrique, on dispose maintenant, d'une vaste gamme de matériaux pouvant constituer le conducteur électrique et la paroi métallique et permettant l'obtention d'une fixation très résistante et hermétique à long terme.
D'autres avantages et propriétés du procédé selon l'invention ne manqueront pas d'apparaître à la lecture de l'exposé détaillé de l'invention ainsi que des figures 1 à 8 données à titre illustratif.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES
La figure 1 représente schématiquement, en coupe, une jonction selon l'invention.
Les figures 2 et 3 représentent schématiquement, en vue de dessous et en perpective, des éléments intermédiaires que l'on peut utiliser pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention.
Les figures 4 et 5 représentent schématiquement, en coupe, des ensembles de jonction selon l'invention.
Les figures 6, 7 et 8 représentent schématiquement, des conducteurs électriques selon l'invention.
Les figures 9 et 10 représentent schématiquement, en coupe, des ensembles de jonction selon l'invention.
EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION
Selon l'invention dont la figure 1 illustre un des modes de réalisation, l'élément intermédiaire 1 comportant au moins un trou de passage 2 est constitué d'une partie centrale 3 en un matériau isolant et d'au moins deux couches métalliques 4 et 5 aptes à donner lieu à un brasage. Ledit trou de passage 2 est destiné à laisser passer le conducteur électrique 6. Il peut être circulaire, ou polygonal.
Lesdites couches métalliques 4 et 5 de l'élément intermédiaire 1 sont situées sur deux faces différentes, de préférence planes, de l'élément intermédiaire 1 qu'elles recouvrent partiellement ou totalement. Les couches métalliques 4 et 5 sont en général planes. Bien entendu, comme elles doivent être électriquement isolées, elles ne peuvent pas être en contact l'une avec l'autre.
Une première de ces couches, la couche 4, est destinée à réaliser un brasage avec le conducteur électrique 6 et une seconde, la couche 5, à unir l'élément intermédiaire avec la paroi métallique 7 qui doit être traversée par le conducteur électrique 6. La couche 4 présente en général au moins une partie qui se situe à proximité ou autour du trou de passage 2.
H est avantageux que l'élément intermédiaire 1 comportant au moins un trou de passage 2 permette un maintien du conducteur électrique 6 de manière au moins essentiellement perpendiculaire à la paroi métallique 7 que ledit conducteur électrique 6 doit traverser.
La face 13 de l'élément intermédiaire 1 revêtue de la couche 5 destinée à réaliser le brasage avec la paroi métallique 7 peut ne pas être complètement recouverte par ladite couche 5. En effet, lorsque la couche 5 est inexistante à proximité du trou de passage 2, la distance entre le conducteur électrique 6 et ladite couche 5 de l'élément intermédiaire 1 est accrue, et il s'ensuit que la résistance d'isolement électrique entre le conducteur électrique 6 et la paroi 7 à traverser est augmentée. En outre, on diminue le risque de réaliser un faux contact entre ladite couche 5 et ledit conducteur électrique 6, si ce dernier est tordu, c'est-à-dire déplacé dans un sens non parallèle à son axe de symétrie.
Selon une variante illustrée par la figure 9, il est prévu une autre couche ou anneau métallique 4bis sur la face 13 de l'élément intermédiaire 1, autour du trou de passage 2. Cet anneau 4bis est isolé électriquement de la couche 5 par un espace 15. Le conducteur 6 peut ainsi être maintenu à la fois par le brasage sur la couche 4, ainsi que par un brasage sur l'anneau 4bis. La couche 5 peut alors se présenter sous la forme d'un anneau pouvant s'étendre depuis la phériphérie 16 de l'élément intermédiaire 1 vers le trou de passage 2, sur une distance limitée de façon à permettre l'existence dudit espace 15.
Selon une autre variante illustrée par la figure 10, la couche métallique 4 recouvre, outre une partie de l'une des faces de l'élément intermédiaire 1, au moins une partie de la paroi du trou de passage 2 et peut se prolonger sur la face 13 par une autre couche ou anneau métallique 17. Cette variante permet de réaliser un brasage entre le conducteur 6 et les parois du trou de passage 2 et éventuellement entre le conducteur 6 et l'anneau 17, ce qui assure une répartition des contraintes engendrées par les différences de dilatation thermique entre le conducteur 6 et l'élément intermédiaire 1 sur une plus grande surface.
Un seul élément intermédiaire 1 peut éventuellement servir à maintenir plusieurs conducteurs électriques 6, lorsqu'il comporte plusieurs trous de passage 2. Il est toutefois souhaitable que l'élément intermédiaire 1 ne maintienne qu'un seul ou un nombre réduit de conducteurs électriques 6, c'est-à-dire qu'il ne comporte qu'un seul ou qu'un nombre réduit (par exemple trois ou cinq) trous de passage 2. Les dimensions de l'élément intermédiaire 1 peuvent alors être suffisamment petites pour que, lors de son brasage contre la paroi, les contraintes engendrées par les différences de dilatation thermique entre le matériau constituant l'élément intermédiaire 1 et le matériau constituant la paroi métallique 7 restent très limitées et ne risquent pas de porter atteinte à l'herméticité de la jonction entre l'élément intermédiaire 1 et la paroi métallique 7.
L'élément intermédiaire 1 peut présenter au moins essentiellement la forme d'un disque, comme illustré par la figure 2, ou d'un parallélépipède, comme illustré par la figure 3.
Chaque trou de passage 2, lorsqu'il est circulaire, peut être doté d'un chanfrein 14 (figure 4 ).
Le matériau isolant dont est faite la partie centrale 3 de l'élément intermédiaire 1 est en général une céramique isolante au moins essentiellement constituée d'un matériau tel que, par exemple, l'alumine, la mullite, la cordiérite, la zircone ou l'oxyde de béryllium. Ladite partie centrale 3 peut être d'un seul bloc ou constituée d'un empilement de couches obtenu selon la technique bien connue dite multicouche, comme illustré par la figure 5.
Le trou de passage 2 est réalisé de façon connue, par exemple par poinçonnage de la partie centrale 3 avant passage au four de la matière crue constituant ladite partie centrale 3, par découpe au laser après passage au four de ladite matière crue ou dès son pressage ou moulage.
Les couches métalliques 4,5 de l'élément intermédiaire 1 sont faites d'un métal qui peut être du tungstène, du molybdène ou un alliage molybdène/manganèse. Leur épaisseur est généralement de l'ordre de 5 à 30μ (microns ou micromètres). Lesdites couches métalliques 4,5 doivent adhérer fortement à la partie centrale 3 de façon à ce qu'elles ne puissent pas être séparées de cette dernière dans les conditions normales de mise en oeuvre du procédé selon l'invention et d'utlisation de la jonction obtenue par ce même procédé. Lesdites couches métalliques 4,5 sont obtenues de façon connue, par exemple par sérigraphie, lors de la réalisation de la partie centrale 3. Elles peuvent également comprendre chacune une ou plusieurs autres couches d'épaisseurs égales ou différentes situées de préférence du côté opposé à la partie centrale 3 et qui peuvent être constituées par exemple d'un alliage tel que le nickel/bore, l'or, l'étain ou l'argent.
De préférence, les couches métalliques 4,5 sont composées chacune d'une couche de tungstène de 5 à 30μ d'épaisseur et d'une couche de nickel/bore de 0,5 à 2,5μ, cette dernière étant située sur la face extérieure de la couche métallique 4 ou 5, c'est-à-dire sur la face opposée à la partie centrale 3.
Selon l'invention, l'élément intermédiaire 1 est conçu pour maintenir un conducteur électrique 6 le traversant et traversant la paroi métallique 7. Ledit conducteur électrique 6 est généralement en forme de fil de section transversale quelconque, notamment circulaire ou polygonale, ou en forme de tube creux ou plein à extrémitées fermées, comportant une partie 8 présentant une forme quelconque et destinée à venir au moins partiellement en butée contre au moins une partie de la couche 4 de l'élément intermédiaire 1 et à permettre de réaliser un brasage entre une portion 9 de la surface totale de ladite partie 8 et au moins une partie de la couche 4 de l'élément intermédiaire 1. Ladite partie 8 peut, par exemple, revêtir la forme d'une collerette (figure 1), d'un tronc de cône (figure 4), d'un épaulement (figure 5), d'un parallélépipède (figures 6 ou 7), d'un tronc de cône (figure 8) ou d'une demie-sphère.
La forme de ladite partie 8 et la forme de l'élément intermédiaire 1 doivent être adaptées l'une à l'autre, de façon à ce que ladite portion 9 de la surface totale de ladite partie 8 soit au moins essentiellement parallèle à ladite couche 4 de l'élément intermédiaire 1 lorsque le conducteur électrique 6 traverse la paroi métallique 7.
Ladite portion 9 ainsi que ladite couche 4 peuvent être perpendiculaires à l'axe du conducteur électrique 6 (figure 1), ou former un angle avec cet axe (figure 4). Avantageusement, ladite portion 9 ainsi que l'axe dudit conducteur électrique 6 sont disposés de manière à ce qu'ils soient au moins à peu près à angle droit l'un par rapport à l'autre. Ainsi, ledit conducteur électrique 6 peut résister à des tractions très élevées dans le sens de son axe.
De préférence, la section transversale du conducteur électrique 6 est au moins essentiellement circulaire . Ladite portion 9 présente de préférence une aire élevée, de façon à rendre le maintien du conducteur électrique 6 très résistant mécaniquement et à assurer une bonne herméticité. En outre, il est avantageux que le conducteur électrique 6 soit muni d'une partie 10 en forme de tronc de cône (figures 1, 4, 5 ou 8) ou de tronc de pyramide
(figure 7) propre à assurer son centrage par rapport à l'élément intermédiaire 1.
Cette partie 10 en forme de tronc de cône ou de pyramide peut être confondue avec ladite partie 8 (figure 4) ou en être distincte (figure 1, 5, 7 ou 8).
Le conducteur électrique 6 peut être d'un seul tenant ou composé de plusieurs parties assemblées de façon connue, par exemple par soudage. Il peut donc être fait d'un seul métal ou de plusieurs métaux, ledit ou lesdits métaux pouvant être du cuivre, des alliages cuivreux comme, par exemple, les alliages cuivre/béryllium, des alliages ferro-nickel comme, par exemple, l'alliage fer/nickel connu sous la dénomination commerciale INVAR ou d'autres alliages comme, par exemple, l'alliage fer/cobalt/nickel connu sous la dénomination commerciale KOVAR.
La paroi métallique 7 à traverser peut être pourvue d'un logement 11 à l'endroit où doit être brasé l'élément intermédiaire 1. Ce logement 11 (figure 5) présente des dimensions appropriées pour recevoir, l'élément intermédiaire 1. De préférence, ses dimensions sont telles qu'elles lui permettent également de positionner l'élément intermédiaire 1, c'est-à-dire de recevoir l'élément intermédiaire 1 avec un faible jeu. Toutefois, l'existence du logement 11 peut-être déconseillée dans le cas où sa profondeur réduit excessivement l'épaisseur de la paroi 7 et de ce fait, risque de la fragiliser.
La paroi métallique 7 peut être en alliage fer/cobalt/nickel connu sous la dénomination commerciale KOVAR, en acier, en molybdène, en aluminium, en un alliage de cuivre tel que les alliages cuivre/tungstène, cuivre/molybdène, en un matériau composite tel que les composites à matrice d'aluminium comme les aluminium/carbure de silicium, ou en un colaminé tel que le cuivre/invar/cuivre.
Le brasage du conducteur électrique 6 sur l'élément intermédiaire 1 et le brasage de l'élément intermédiaire 1 sur la paroi métallique 7 peuvent être effectués en deux étapes et dans n'importe quel ordre, ou bien simultanément. Dans ce dernier cas, on met en oeuvre le procédé selon l'invention, en préparant d'abord un ensemble de jonction comprenant le conducteur électrique 6, l'élément intermédiaire 1 et la paroi métallique 7, puis en effectuant les deux brasages.
Il va de soi que l'élément intermédiaire 1 peut être brasé soit à l'intérieur soit à l'extérieur du boîtier.
Les brasages sont réalisés de façon connue, c'est-à-dire en disposant, selon tout procédé approprié, un matériau de brasage appelé brasure entre les parties à braser maintenues par un outillage approprié dans la position qu'elles sont appelées à conserver, puis en effectuant un passage dans un four dans les conditions habituelles de brasage connues de l'homme du métier et déterminées par les brasures mises en oeuvre.
Ces dernières sont en général du cuivre ou des alliages tels que les alliages argent/cuivre (Ag/Cu 72/28), or/étain (Au/Sn), argent/cuivre/indium (Ag/Cu/In), or/germanium (Au/Ge), ou tout alliage eutectique utilisé pour la fabrication des brasures du commerce.
Dans les cas illustrés par les figures 9 et 10, le brasage au niveau des couches 4bis ou 17 peut être réalisé par apport de brasure Ag/Cu. Une petite rondelle de brasure peut ainsi être positionnée au niveau des couches 4bis ou 17. Elle brasera, après passage au four, le conducteur 6 à l'élément intermédiaire 1.
Dans le cas illustré par la figure 10 où il y a une métallisation interne du trou de passage 2 de l'élément intermédiaire 1, il peut être suffisant d'apporter la brasure d'un seul côté de l'élément intermédiaire 1 (par exemple du côté de la couche 4). En effet, un jeu approprié peut être prévu entre le conducteur 6 et la paroi du trou de passage 2, pour que, lors de la fusion, la brasure coule et remplisse ce jeu.
En règle générale, les températures auxquelles sont réalisés les brasages sont généralement plus basses que celles nécessaires aux scellement verre-métal. Il s'ensuit que la mise en oeuvre du procédé selon l'invention permet des économies d'énergie par rapport aux techniques de scellement verre-métal.
En outre, le procédé selon l'invention permet de diminuer l'épaisseur de la paroi métallique 7 par rapport aux épaisseurs de paroi 7 nécessaires pour la mise en oeuvre des techniques de scellement verre-métal de l'état de la technique. En effet, les scellement verre-métal requièrent, pour garantir une herméticité satisfaisante, une épaisseur relativement importante de ladite paroi métallique 7.
Le procédé selon l'invention s'avère avantageux quelles que soient les dimensions des différents éléments. D'excellents résultats ont, par exemple, été obtenus lorsque :
- l'élément intermédiaire 1, tel que représenté à la figure 1, présentait un diamètre externe d'environ 1,89 mm, un trou de passage 2 d'environ 0,68 mm, une couche 5 de diamètre externe égal à environ 1,89 mm et un diamètre interne (supérieur à celui du trou de passage 2) égal à environ 1 mm, une épaisseur totale (partie centrale 3 plus couches 4 et 5) d'environ 0,5 mm,
- le conducteur 6 en KOVAR, tel que représenté à la figure 5, présentait un diamètre d'environ 0,46 mm, un épaulement 8 d'environ 0,9 mm de diamètre et d'environ 0,2 mm d'épaisseur, une partie tronconique 10 inclinée à 45 degrés environ et dont le diamètre au niveau du contact avec l'épaulement 8 était d'environ 0,65 mm, la longueur du conducteur 6 mesurée entre la face de l'épaulement 8 opposée à la partie tronconique 10 et l'extrémité du conducteur 6 située du côté de ladite partie tronconique 10 était d'environ 5 mm, et la longueur du conducteur 6 mesurée entre ladite face de l'épaulement 8 opposée à ladite partie tronconique 10 et l'autre extrémité du conducteur 6 était d'environ 5 mm dans certains cas, 3,49 mm et 2,60 mm dans d'autres cas.
Grâce au procédé selon l'invention, les efforts (torsions) exercés sur le conducteur électrique 6 dans un sens non parallèle à son axe de symétrie se répercutent sous forme de contraintes de cisaillement entre la portion 9 de la partie 8 du conducteur électrique 6 et la couche 4 de l'élément intermédiaire 1. Ces contraintes de cisaillement sont sans effet sur la jonction obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Au contraire, dans les jonctions par scellement verre-métal selon l'état de la technique, ces mêmes efforts risquent de rompre ou fêler un ménisque, et donc d'entraîner les conséquences évoquées plus haut.
Les jonctions obtenues grâce au procédé selon l'invention peuvent servir à la réalisation de boîtiers comme, par exemple, des boîtiers pour composants électroniques. De tels boîtiers peuvent comporter une ou plusieurs de ces jonctions grâce auxquelles ils présentent une très bonne résistance à la corrosion et une herméticité élevée et fiable à long terme.
Le procédé selon l'invention offre en outre l'avantage de pouvoir faire l'objet d'une automatisation. Il peut aussi être utilisé pour fixer plusieurs conducteurs électriques à l'aide d'un seul élément intermédiaire. Il va de soi que dans ce cas, chaque conducteur électrique traverse individuellement un trou de passage et que son brasage sur l'élément intermédiaire se fait individuellement sur une couche 4. Il y a donc au moins autant de trous de passages (isolés électriquement les uns des autres) et au moins autant de couches 4 (isolées électriquement les unes des autres) que de conducteurs à fixer car à chaque trou de passage correspond un seul conducteur électrique et une seule couche 4; il peut y avoir une seule couche 5 ou un nombre de couches 5 inférieur au nombre de conducteurs électriques à fixer.
Bien évidemment, l'invention n'est en aucune façon limitée par les particularités qui ont été précisées dans ce qui précède ou par les détails des modes de réalisation choisis pour l'illustrer. Nombre de modifications peuvent être apportées aux réalisations particulières qui ont été décrites à titre d'illustration et à leurs éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe par conséquent tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fixation hermétique et électriquement isolante d'un conducteur électrique (6) traversant une paroi métallique (7), caractérisé en ce qu'on fixe le conducteur électrique (6) au moyen d'un élément intermédiaire (1) constitué d'une partie centrale (3) en un matériau isolant munie d'au moins un trou de passage (2) et d'au moins deux couches métalliques (4,5) disjointes revêtant partiellement ladite partie centrale (3) et aptes à donner lieu à un brasage, en brasant ledit conducteur électrique (6) sur au moins une partie d'une (4) desdites couches métalliques (4,5) dudit élément intermédiaire (1) et en brasant ledit élément intermédiaire (1) sur ladite paroi métallique (7) par au moins une partie d'une autre (5) de ses couches métalliques (4,5), les deux brasages pouvant être réalisés dans un ordre quelconque ou simultanément.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément intermédiaire (1) maintient le conducteur (6) de manière au moins essentiellement perpendiculaire à la paroi métallique (7).
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la face (13) de l'élément intermédiaire (1) est recouverte de manière incomplète par la couche (5), de manière à ce que la couche (5) soit inexistante à proximité du trou de passage (2) de l'élément intermédiare (1).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément intermédiaire présente au moins essentiellement la forme d'un disque ou d'un parallélépipède munis d'un ou plusieurs trous de passage (2).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie centrale (3) de l'élément intermédiaire (1) est au moins essentiellement constituée d'une céramique telle que l'alumine, la mullite, la cordiérite, la zircone, ou l'oxyde de béryllium.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite partie centrale (3) est constituée d'un empilement dit multicouche.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les couches métalliques (4,5) de l'élément intermédiare sont faites d'un métal choisi dans le groupe constitué par le tungstène, le molybdène et les alliages molybdène/manganèse.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la section transversale du conducteur électrique (6) est au moins essentiellement circulaire.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit conducteur électrique (6) comporte une partie (8) destinée à venir au moins partiellement en butée contre la couche (4) de l'élément intermédiaire (1).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la conducteur électrique (6) comporte une partie tronconique (10) propre à assurer son centrage par rapport à l'élément intermédiaire (1).
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le conducteur électrique (6) est fait d'un seul métal ou de plusieurs métaux, ledit ou lesdits métaux pouvant être du cuivre, des alliages cuivreux comme, par exemple, les alliages cuivre/béryllium, des alliages ferro-nickel comme, par exemple, l'alliage fer/nickel connu sous la dénomination commerciale INVAR ou d'autres alliages comme, par exemple, l'alliage fer/cobalt/nickel connu sous la dénomination commerciale KOVAR.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la paroi métallique (7) est dépourvue d'un logement (11) destiné à recevoir l'élément intermédiaire (1) tout en le positionnant.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à 12, caractérisé en ce que la paroi métallique (7) est en alliage fer/cobalt/nickel connu sous la dénomination commerciale KOVAR, en acier, en molybdène, en aluminium, en un alliage de cuivre tel que les alliages cuivre/tungstène, cuivre/molybdène, en un matériau composite tel que les composites à matrice d'aluminium comme les aluminium/carbure de silicium, ou en un colaminé tel que le cuivre/invar/cuivre.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face (13) de l'élément intermédiaire (1) est recouverte, autour du trou de passage (2), par une autre couche métallique (4bis, 17) isolée électriquement de la couche (5) par un espace (15) et en ce qu'on réalise en outre un brasage entre ledit conducteur (6) et ladite autre couche métallique (4bis,17).
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche métallique (4) recouvre en outre au moins partiellement la paroi du trou de passage (2) et en ce qu'on réalise en outre un brasage entre ledit conducteur (6) et ladite paroi du trou de passage (2).
16. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour fixer plusieurs conducteurs électriques (6) avec un seul élément intermédiaire (1).
17. Elément intermédiaire (1) permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une partie centrale (3) en un matériau isolant et d'au moins deux couches métalliques (4,5) aptes à donner lieu à un brasage et en ce qu'il comporte au moins un trou de passage (2).
18. Conducteur électrique (6) permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il est en forme de fil de section transversale quelconque ou en forme de tube creux ou plein à extrémitées fermées, comportant une partie (8) présentant une forme quelconque et destinée à venir au moins partiellement en butée contre au moins une partie de la couche (4) de l'élément intermédiaire (1) et à permettre de réaliser un brasage entre une portion (9) de la surface de ladite partie (8) et au moins une partie de la couche (4) de l'élément intermédiaire (1).
19. Ensemble de jonction permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend une paroi métallique (7), un conducteur électrique (6) et un élément intermédiaire (1) comportant au moins un trou de passage (2) et constitué d'une partie centrale (3) en un matériau isolant et d'au moins deux couches métalliques (4,5).
20. Jonction entre un conducteur électrique (6) et une paroi métallique (7), caractérisé en ce qu'elle est obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à 15.
21. Boîtier pour composants électroniques caractérisé en ce qu'il comporte au moins une jonction selon la revendication 20.
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