EP4754788A1

EP4754788A1 - Tube électronique utilisant des brasures à basse température et dégazé à température ambiante

Info

Publication number: EP4754788A1
Application number: EP24737794.8A
Authority: EP
Inventors: Frédéric André
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2023-07-31
Filing date: 2024-07-04
Publication date: 2026-06-10
Also published as: WO2025026648A1; FR3151938A1

Abstract

L'invention porte sur un procédé de dégazage d'un tube électronique comprenant les étapes de : - pompage (1) d'un élément étanche du tube électronique à mettre sous ultra- vide, par un bâti de pompage relié au tube par un queusot de pompage, jusqu'à obtenir une pression dans l'élément étanche inférieure à un seuil; et - irradiation (2) à température ambiante par des rayons ionisants du tube électronique pendant l'étape de pompage (1).

Description

DESCRIPTION

Titre de l’invention : Tube électronique utilisant des brasures à basse température et dégazé à température ambiante.

[0001 ] L'invention porte sur un procédé de dégazage d'un tube électronique et tube électronique obtenu par un tel procédé.

[0002] L’invention concerne les tubes électroniques, comme les tubes à onde progressive d'acronyme TOP, les klystrons, les gyrotrons, les magnétrons, voire les tubes à rayon X. Elle s’applique à chaque fois qu’un ultravide (<10^-7 à 10'⁹ Torr) est nécessaire au bon fonctionnement du tube en présence d’un faisceau électronique intense (>1 mA) ou puissant (>10 watts), ou les deux.

[0003] La seule solution connue aujourd’hui pour obtenir un vide satisfaisant est d’étuver les tubes électroniques à une température comprise entre 450 et 550°C pendant plusieurs heures. Le tube électronique est porté à ces températures alors qu’il est encore monté sur son bâti de pompage par son tuyau d’évacuation appelé queusot. La température provoque le dégazage des surfaces, et ce gaz est extrait par le bâti de pompage. Après cette longue période d’étuvage (typiquement 24 heures), le tube électronique est ramené à température ambiante et le queusot de cuivre est coupé par écrasement, ce que provoque son scellement étanche par un phénomène de soudure froide.

[0004] Aux températures d’étuvage, les métaux à bas point de fusion s’évaporent dans le vide et polluent l’intérieur du tube. Cette pollution n’est pas acceptable car elle empoisonne la cathode thermoïonique et dégrade les isolements haute-tension des céramiques présentes dans le tube électronique. Cette pollution est présente avec tous les métaux qui ont une forte pression de vapeur saturante à ces températures. Ces brasures sont typiquement des alliages de cuivre, or, argent et nickel, mais ne se limitent pas à ces alliages. L’argent est réputé être le dernier métal compatible de l’étuvage. Sa pression de vapeur saturante est de 4^E-9 Torr à 550°C.

[0005] L’invention vise la suppression des brasures à haute température pour concevoir un tube électronique. Elles nécessitent des températures de brasage s’étageant de 800 à 1000°C environ, ce qui pose de fortes limitations sur les matériaux utilisables et provoque de forte contraintes thermomécaniques au moment du brasage. Ces contraintes imposent d’avoir des coefficients de dilatation thermique très proches entre les matériaux brasés, ainsi que des pièces très résistantes mécaniquement, leur permettant de résister aux contraintes mécaniques résiduelles après le brasage. La conception est compliquée, les matériaux qui conviennent sont très limités et coûteux (par exemple les composites Mo-Cu et W-Cu pour les brasages avec les céramiques). Les procédés de brasage sont coûteux, car pour éviter les oxydations il est souvent nécessaire de braser sous vide ou dans des atmosphères contrôlées d’hydrogène. Par ailleurs, l’exploitation de l’or a un coût environnemental très important et l'invention vise à s'en passer.

[0006] Les contraintes de brasage interdisent même l’utilisation de certaines céramiques comme le nitrure d’aluminium AIN car nous ne connaissons pas de métallisations suffisamment robustes de leur surface qui peuvent résister au brasage haute température, surtout si cette brasure doit assurer l’étanchéité du tube. Or l’AIN permet de bien mieux refroidir les composants des tubes grâce à sa très forte conductivité thermique en comparaison de l’alumine (d’un facteur 10 environ) qui est la principale céramique utilisée aujourd’hui.

[0007] L’étuvage de tubes en deçà de 450°C n’est pas possible. La raison principale est que le dernier pic de désorption de l’eau est à cette température. L’eau est l’une des principales molécules liées aux parois interne du tube, dont il faut se débarrasser au moment de l’étuvage. Dans le cas contraire, l’interception du faisceau électronique sur ces parois, lors du fonctionnement nominal du tube, provoque un fort dégazage de ces molécules et empêche le bon fonctionnement du tube. L’empoisonnement de la cathode, due à la formation d’ion et une érosion ionique impacte la focalisation du faisceau d’électrons sont des problèmes qui se posent en cas de dégazage insuffisant.

[0008] Le problème de dégazage des surfaces provient de l’énergie de liaison des molécules avec les surfaces. Un but de l'invention est d'éliminer le risque que ces molécules soient libérées pendant le fonctionnement nominal du tube. Le problème principal est alors l’empoisonnement de la cathode. Les molécules très faiblement ou très fortement liées aux surfaces ne sont pas gênantes car les premières sont évacuées au pompage et les secondes ne peuvent pas être libérées. Le problème vient des énergies de liaison intermédiaires. Aujourd’hui, l’excitation de ces liaisons par une haute température est le seul procédé utilisé pour libérer ces molécules. [0009] Une fois qu’un très bon vide est atteint, on utilise parfois le faisceau d’électron du tube pour dégazer les molécules résiduelles. Dans un tel procédé, illustré sur la [Fig.1 ], le faisceau est balayé sur toutes les surfaces qui lui sont accessible (par exemple en le déviant avec un aimant externe au tube et en variant les tensions de polarisation des électrodes).

[0010] Ce procédé de dégazage par faisceau d’électron est coûteux car il faut monter les aimants des focalisations sur le tube et l’équiper de ses câbles haute-tension, alors qu’il est encore connecté au bâti de pompage. Ensuite il faut faire fonctionner le tube électronique et un opérateur vient balayer le faisceau. Ces opérations sont longues, demandent beaucoup d’équipements et mobilisent l'opérateur pendant une longue durée.

[0011] Une solution alternative, telle qu'illustrée sur la [Fig.2], consiste à équiper le tube avec une petite pompe ionique qui sert uniquement à capturer les molécules libérées lorsque le faisceau d’électrons est émis pour la première fois dans le tube électronique. Cette solution est également onéreuse. Outre le coût de la pompe ionique, il faut la retirer ultérieurement du tube, ce qui oblige aussi à fractionner l’opération d’habillage du tube en deux étapes. Une solution consiste à remplacer cette pompe ionique par un getter (matériau absorbant les gaz) placé dans le tube et qui reste actif durant toute la durée de fonctionnement du tube (mais avec une efficacité de pompage moindre que celle d’une pompe).

[0012] On appelle habillage du tube l’ensemble des pièces montées sur le tube après son pompage : principalement les aimants de focalisation, les fils à haute-tension, la semelle sur laquelle le tube est fixé, les guides d’onde, différentes colles et enrobage ("potting" en langue anglaise), des absorbants RF et le capot.

[0013] Ces solutions nécessitent toutes des procédés à hautes températures qui présentent énormément de contraintes de choix des matériaux, de leurs géométries, des procédés de métallisation des céramiques et imposent de trouver des matériaux compatibles en terme de coefficients de dilations thermiques, notamment pour les brasures. De telles solutions présentent également un problème environnemental lié à l’utilisation d’or dans beaucoup de ces brasures. Dans le cas des assemblages en plusieurs étapes il est nécessaire de trouver des brasures avec des températures de fusion décroissantes. L’étuvage à 450°C impose au final des brasures ou des procédés extrêmement haut en température quand le nombre d’étape devient important (>2), couramment au-delà de 900°C.

[0014] Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment cités.

[0015] Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un tube électronique comprenant un substrat en céramique, un capot étanche délimitant un volume sous ultra-vide, et une brasure reliant le substrat et le capot parmi :

Sn 48 % / In 52 % ;

Sn 42 % / Bi 58 % ;

In 80 % / Pb 15 % / Ag 5 % ;

In 100 % ;

In 70 % / Pb 30 % ;

Sn 62 % / Pb 36 % / Ag 2% ;

Sn 63 % / Pb 37 % ;

Sn 96,2 % / Ag 2,5 % / Cu 0.8 % / Sb 0.5 % ;

Sn 96,52 % / Ag 3 % / Cu 0.5 % ;

Sn 95,3 à 95.7 % / Ag 3,8 à 4 % / Cu 0.5 à 0,7 % ;

Sn 96,5 % / Ag 3,5 % ;

In 19 % / Pb 81 % ;

Pb 92,5 % / In 5% / Ag 2,5 % ;

Pb 97,5 % / Ag 1 ,5% / Sn 1 %.

[0016] Dans un mode de réalisation, le substrat en céramique comprend une portion métallisée en vis-à-vis de la brasure et le capot comprend du métal ou une céramique métallisée en vis-à-vis de la brasure.

[0017] Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un procédé de réalisation d'un tube électronique sous ultra-vide, comprenant un substrat (8) en céramique, un capot étanche (9) délimitant un volume (10) sous ultra-vide, comprenant les étapes de : réalisation d'une brasure (11 ) à basse température reliant le substrat (8) et le capot (9) parmi :

Sn 48 % / In 52 % ; Sn 42 % I Bi 58 % ;

In 80 % / Pb 15 % / Ag 5 % ;

In 100 % ;

In 70 % / Pb 30 % ;

Sn 62 % / Pb 36 % / Ag 2% ;

Sn 63 % / Pb 37 % ;

Sn 96,2 % / Ag 2,5 % / Cu 0.8 % / Sb 0.5 % ;

Sn 96,52 % / Ag 3 % / Cu 0.5 % ;

Sn 95,3 à 95.7 % / Ag 3,8 à 4 % / Cu 0.5 à 0,7 % ;

Sn 96,5 % / Ag 3,5 % ;

In 19 % / Pb 81 % ;

Pb 92,5 % / In 5% / Ag 2,5 % ; et

Pb 97,5 % / Ag 1 ,5% / Sn 1 % ; pompage d'un élément étanche du tube électronique à mettre sous ultra-vide, par un bâti de pompage relié au tube par un queusot de pompage, jusqu'à obtenir une pression dans l'élément étanche inférieure à un seuil ; et irradiation à température ambiante par des rayons ionisants du tube électronique pendant l'étape de pompage.

[0018] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, en outre, une étape de pompage du tube électronique en fonctionnement, en l'absence d'irradiation.

[0019] Dans un mode de réalisation, le seuil vaut 5.10'⁷ Torr.

[0020] On entend par ultra-vide, une pression dans la partie étanche du tube électronique inférieure à 10'⁷ Torr. Le procédé selon l'invention permet même d'atteindre une pression de 10'⁸ Torr.

[0021] Selon un mode de réalisation, l'étape d'irradiation utilise un dispositif d'irradiation mobile en translation par rapport au tube électronique.

[0022] Dans un mode de réalisation, l'étape d'irradiation utilise des rayons X comme rayons ionisants, émis par un tube à rayons X mobile en translation par rapport au tube électronique.

[0023] Selon un mode de réalisation, l'étape d'irradiation utilise des rayons X émis par un tube à rayons X de tension électrique comprise entre 50 keV et 300 keV. [0024] Dans un mode de réalisation, l'étape d'irradiation dure de manière à déposer une dose d’au moins 10¹⁹ photons X sur chaque centimètre carré des surfaces du tube électronique à dégazer.

[0025]

[0026] L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels :

[0027] [Fig.1] illustre schématiquement un procédé de dégazage d'un tube électronique, selon l'état de la technique ;

[0028] [Fig.2] illustre schématiquement un autre procédé de dégazage d'un tube électronique, selon l'état de la technique ;

[0029] [Fig.3] et [Fig.4] illustrent schématiquement un procédé de dégazage d'un tube électronique, selon un aspect de l'invention ; et

[0030] [Fig.5] illustre schématiquement un tube électronique, selon un aspect de l'invention.

[0031] Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires.

[0032] La [Fig.3] illustre schématiquement le procédé selon un aspect de l'invention.

[0033] Le procédé de dégazage d'un tube électronique comprend les étapes de : pompage 1 d'un élément étanche du tube électronique à mettre sous ultra- vide, par un bâti de pompage relié au tube par un queusot de pompage, jusqu'à obtenir une pression dans l'élément étanche inférieure à un seuil ; et irradiation 2 à température ambiante par des rayons ionisants du tube électronique pendant l'étape de pompage 1.

[0034] Le procédé de dégazage d'un tube électronique peut également comprendre une étape de pompage 3 du tube électronique en fonctionnement, en l'absence d'irradiation 2.

[0035] On considère que l'ultravide correspond à un seuil valant 5.10'⁷ Torr.

[0036] Les étapes d'irradiation 2, 3 peuvent utiliser un dispositif d'irradiation mobile 5 en translation par rapport au tube électronique, comme illustré sur la [Fig.4],

[0037] L'élément étanche du tube électronique à mettre sous ultra-vide, est relié à un bâti de pompage 6 par un queusot de pompage 7. [0038] L'étape d'irradiation peut utiliser des rayons X comme rayons ionisants, émis par un tube à rayons X mobile en translation par rapport au tube électronique.

[0039] Par exemple, l'étape d'irradiation peut utiliser des rayons X émis par un tube à rayons X de tension électrique comprise entre 50 kV et 300 keV.

[0040] L'étape d'irradiation dure de manière à déposer une dose d’au moins 10¹⁹ photons X sur chaque centimètre carré des surfaces du tube électronique à dégazer.

[0041] La [Fig.4] illustre schématiquement une mise en œuvre du procédé de la [Fig.3],

[0042] La présente invention consiste à dégazer le tube électronique à température ambiante au moyen d’un faisceau de rayons ionisants, comme des rayons X. Le tube électronique est monté sur un bâti de pompage 6 par l'intermédiaire d'un queusot 7. Pendant l'opération de pompage, le tube électronique est éclairé par des rayons ionisants suffisamment énergétiques (dans la gamme de 50 à 300 keV, en fonction de l’épaisseur à traverser) pour traverser complètement l'enveloppe à vide.

[0043] Les rayons ionisants traversent les surfaces à dégazer. Ils libèrent les particules piégées en surface par effet photo-électrique, comme expliqué dans les documents "Cern Accelerator School, vacuum for particles accelerators 2017, 6-16 June 2017, Glumslôv Sweden, Dr. Oleg B. Malyshev", "Journal of Vacuum Science & Technology A 17, 635 (1999); doi: 10.1116/1.581630" et "Journal of Vacuum Science & Technology A 25, 791 (2007); doi: 10.1116/1.2746876)".

[0044] Les surfaces émettent des photoélectrons qui, à leur tour, libèrent les molécules piégées. Cet effet parasite dans les accélérateurs de particules est connu sous le nom de "Photon Stimulated Desorption" en langue anglaise pour Désorption stimulée par les photons, ou "Photon Induced Desorption" en langue anglaise pour "Désorption Induite par les Photons".

[0045] L’invention consiste à mettre en œuvre cet effet pour dégazer le tube électronique à température ambiante. La source 5 de rayon ionisant peut-être un tube conventionnel, tel, dans le cas de rayon X, que ceux utilisés par exemple pour la stérilisation des aliments.

[0046] Alternativement, les étapes d'irradiation avec, par exemple des rayons gammas, sont également possibles, comme en utilisant des sources de Cobalt 60 employées aussi pour la stérilisation des aliments.

[0047] La présente invention présente plusieurs avantages, comme suit :

- L’élimination des brasages à hautes températures élargit le choix des matériaux et des brasures utilisables dans les tubes électroniques. - Le scellement étanche du nitrure d’aluminium devient ainsi possible. Les contraintes de dilatation thermique sont fortement réduites.

- Certaines technologies développées dans le domaine de l’électronique état solide peuvent être utilisées pour l’électronique sous vide.

- En particulier, la fabrication de cartes électroniques sous vide, c’est-à-dire équipées d’un capot étanche pour former un ultravide, devient possible.

[0048] La [Fig.5] illustre schématiquement un tube électronique, selon un aspect de l'invention.

[0049] Le tube électronique comprend un substrat 8 en céramique, un capot étanche 9 délimitant un volume 10 sous ultra-vide, et une brasure 11 reliant le substrat 8 et le capot 9.

[0050] L’invention permet l’utilisation de brasure à basse température comme les alliages d’étain et d’argent (en particulier Sn 96,5 % / Ag 3,5 %, dont le point de fusion est de 221 °C), et étain, argent, cuivre (par exemple Sn 96,2 % / Ag 2,5 % / Cu 0.8 % / Sb 0.5 % et Sn 96,52 % / Ag 3 % / Cu 0.5 %, dont les points de fusion sont autour de 217°C).

[0051] Les brasures peuvent être comprises parmi les suivantes :

Sn 48 % / In 52 % ;

Sn 42 % / Bi 58 % ;

In 80 % / Pb 15 % / Ag 5 % ;

In 100 % ;

In 70 % / Pb 30 % ;

Sn 62 % / Pb 36 % / Ag 2% ;

Sn 63 % / Pb 37 % ;

Sn 96,2 % / Ag 2,5 % / Cu 0.8 % / Sb 0.5 % ;

Sn 96,52 % / Ag 3 % / Cu 0.5 % ;

Sn 95,3 à 95.7 % / Ag 3,8 à 4 % / Cu 0.5 à 0,7 % ;

Sn 96,5 % / Ag 3,5 % ;

In 19 % / Pb 81 % ;

Pb 92,5 % / In 5% / Ag 2,5 % ;

Pb 97,5 % / Ag 1 ,5% / Sn 1 %. [0052] Le substrat 8 en céramique comprend une portion métallisée 12 en vis-à-vis de la brasure 11 et le capot 9 comprend du métal ou une céramique métallisée 13 en vis-à-vis de la brasure 11 .

[0053] Les paramètres de choix de ces brasures sont une température de fusion basse (entre 200 et 300°C), et une pression de vapeur saturante basse pendant l’opération de brasage (<10^-8 Torr).

Claims

REVENDICATIONS

1. Tube électronique comprenant un substrat (8) en céramique, un capot étanche (9) délimitant un volume (10) sous ultra-vide, et une brasure (11 ) reliant le substrat (8) et le capot (9) parmi :

Sn 48 % / In 52 % ;

Sn 42 % / Bi 58 % ;

In 80 % / Pb 15 % / Ag 5 % ;

In 100 % ;

In 70 % / Pb 30 % ;

Sn 62 % / Pb 36 % / Ag 2% ;

Sn 63 % / Pb 37 % ;

Sn 96,2 % / Ag 2,5 % / Cu 0.8 % / Sb 0.5 % ;

Sn 96,52 % / Ag 3 % / Cu 0.5 % ;

Sn 95,3 à 95.7 % / Ag 3,8 à 4 % / Cu 0.5 à 0,7 % ;

Sn 96,5 % / Ag 3,5 % ;

In 19 % / Pb 81 % ;

Pb 92,5 % / In 5% / Ag 2,5 % ; et

Pb 97,5 % / Ag 1 ,5% / Sn 1 %.

2. Tube électronique selon la revendication 1 , dans lequel le substrat (8) en céramique comprend une portion métallisée (12) en vis-à-vis de la brasure (11) et le capot (9) comprend du métal ou une céramique métallisée (13) en vis-à-vis de la brasure (11 ).

3. Procédé de réalisation d'un tube électronique sous ultra-vide, comprenant un substrat (8) en céramique, un capot étanche (9) délimitant un volume (10) sous ultra- vide, comprenant les étapes de : réalisation d'une brasure (11) à basse température reliant le substrat (8) et le capot (9) parmi :

Sn 48 % / In 52 % ;

Sn 42 % / Bi 58 % ;

In 80 % / Pb 15 % / Ag 5 % ;

In 100 % ;

In 70 % / Pb 30 % ; Sn 62 % I Pb 36 % I Ag 2% ;

Sn 63 % / Pb 37 % ;

Sn 96,2 % / Ag 2,5 % / Cu 0.8 % / Sb 0.5 % ;

Sn 96,52 % / Ag 3 % / Cu 0.5 % ;

Sn 95,3 à 95.7 % / Ag 3,8 à 4 % / Cu 0.5 à 0,7 % ;

Sn 96,5 % / Ag 3,5 % ;

In 19 % / Pb 81 % ;

Pb 92,5 % / In 5% / Ag 2,5 % ; et

Pb 97,5 % / Ag 1 ,5% / Sn 1 % ; pompage (1 ) d'un élément étanche du tube électronique à mettre sous ultra- vide, par un bâti de pompage relié au tube par un queusot de pompage, jusqu'à obtenir une pression dans l'élément étanche inférieure à un seuil ; et irradiation (2) à température ambiante par des rayons ionisants du tube électronique pendant l'étape de pompage (1 ).

4. Procédé de dégazage d'un tube électronique selon la revendication 3, comprenant, en outre, une étape de pompage (3) du tube électronique en fonctionnement, en l'absence d'irradiation (2).

5. Procédé de dégazage d'un tube électronique selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le seuil vaut 5.10'⁷ Torr.

6. Procédé de dégazage d'un tube électronique selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel l'étape d'irradiation (2) utilise un dispositif d'irradiation mobile en translation par rapport au tube électronique.

7. Procédé de dégazage d'un tube électronique selon l'une des revendications précédentes3 à 6, dans lequel l'étape d'irradiation (2) utilise des rayons X comme rayons ionisants, émis par un tube à rayons X mobile en translation par rapport au tube électronique.

8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape d'irradiation (2) utilise des rayons X émis par un tube à rayons X de tension électrique comprise entre 50 kV et 300 keV.

9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'étape d'irradiation (2) dure de manière à déposer une dose d’au moins 10¹⁹ photons X sur chaque centimètre carré des surfaces du tube électronique à dégazer.