FR2473035A1 - Procede pour souder de maniere etanche sur vide une surface metallique sur une seconde surface - Google Patents

Procede pour souder de maniere etanche sur vide une surface metallique sur une seconde surface Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE REALISATION D'UN SCELLEMENT ENTRE DU VERRE OU UNE VITROCERAMIQUE ET UN METAL. CE PROCEDE CONSISTE A DEPOSER UNE COUCHE 40 D'OR SUR UNE SURFACE METALLIQUE 42, A APPLIQUER UNE MINCE COUCHE 44 D'INDIUM SUR LA COUCHE 40 D'OR, A CHAUFFER CES DEUX COUCHES A UNE TEMPERATURE SUPERIEURE AU POINT DE FUSION DE L'INDIUM, AFIN DE REALISER UN ALLIAGE D'OR ET D'INDIUM A L'INTERFACE 46 DES DEUX COUCHES, A NETTOYER, APRES REFROIDISSEMENT, LA SURFACE 48 DE LA COUCHE 44 D'INDIUM ET LA SURFACE DE VERRE OU DE VITROCERAMIQUE 10, PUIS A PRESSER CES DEUX SURFACES L'UNE CONTRE L'AUTRE POUR FORMER UN SCELLEMENT OU JOINT ETANCHE A L'AIR. DOMAINE D'APPLICATION: LASERS EN ANNEAU.

Description

Lors de la fabrication de lasers en anneau, il est souhaitable de fixer
une cathode métallique et une ou
plusieurs anodes métalliques sur du verre ou sur une vitro-
céramique telle que celles commercialisées sous les marques "ZERODUR" ou "ICERVIT". En général, la cathode ou l'anode est en aluminium ou en cuivre, bien que le procédé de l'invention puisse s'appliquer également à la fixation d'autres métaux tels que du fer, de l'acier, du nickel, du tantale ou du
niobium sur du verre ou de la vitrocéramique.
L'invention sera décrite plus en détail plus particulièrement dans son application à de l'aluminium et du cuivre. Le brevet britannique NO 687 259 décrit un joint verre-sur-métal utilisant un placage d'argent appliqué sur le métal de base et un placage d'indium appliqué sur l'argent, du verre en fusion étant ensuite coulé pour être mis en contact avec une partie de l'élément métallique revêtue d'indium. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 777 281 décrit l'utilisation de l'or et de l'indium pour former un
joint céramique-céramique.
Jusqu'à présent, de l'or à l'état liquide était appliqué par peinturage sur les pièces de verre et de métal, et les pièces étaient ensuite cuites pour qu'il ne reste que l'or. Ensuite, un fil d'indium était placé entre les deux surfaces d'or et l'indium était amené à l'état de fusion afin de souder les deux surfaces d'or l'une à l'autre. Ce procédé s'est avéré peu fiable et de nombreuses fuites de gaz ont été
détectées.
L'invention concerne un scellement ou une soudure verre ou vitrocéramique sur métal, ainsi que le procédé de réalisation de ce scellement. Le scellement selon l'invention est maintenu en présence d'une température variant périodiquement et de manière répétée entre -500C et
+1000C.
La surface de verre à sceller est d'abord nettoyée et elle est de préférence super-nettoyée. Pour le super-nettoyage, la surface de verre est bombardée avec un plasma électrique ou avec des ions sous vide ou sous lumière ultraviolette. Lorsque le métal de base est l'aluminium, la surface de l'aluminium utilisée pour le scellement est
d'abord rectifiée de manière à correspondre approximative-
ment à la surface de verre. De l'acide nitrique est ensuite appliqué pour attaquer l'aluminium et l'acide nitrique en excès est éliminé par lavage à l'eau, de préférence de l'eau distillée. Le métal est ensuite recuit et sa surface est frappée par pressage contre une surface polie et lisse. Pour la frappe, la surface de verre est préférée car l'aluminium n'adhère pas au verre et le verre conserve sa planéité après
de nombreuses opérations de frappe.
De l'or est ensuite appliqué sur la surface d'aluminium. L'or peut être appliqué par électroplacage, mais il est apparu préférable d'appliquer l'or par pulvérisation ou de l'étaler à la brosse, à l'état liquide, sur la surface d'aluminium frappée. L'or est ensuite cuit, et une seconde couche est appliquée et cuite. La pureté de l'or produit est de l'ordre de 99,5 %. Qu'il soit appliqué par pulvérisation, à la brosse ou par électroplacage, l'or atteint généralement
une épaisseur inférieure à 2,5 1m.
Une ébauche d'indium est ensuite placée sur la
surface d'or. L'indium est généralement pur à 99,9 %.
L'indium et l'or sont ensuite chauffés, de préférence sous vide, à une température supérieure au point de fusion de l'indium (1550C), cette température étant d'environ 1750C, jusqu'à ce que l'indium se soit allié à l'or à son interface
avec ce dernier.
La surface d'indium est ensuite super-nettoyée à l'aide, par exemple, d'un bombardement de plasma ou d'un
bombardement ionique, sous vide ou sous rayons ultraviolets.
Après que l'indium a été super-nettoyé, il est très collant et il tend à adhérer à toute surface avec laquelle il établit un contact. La surface d'indium super-nettoyée est ensuite
pressée sur la surface de verre ou de vitrocéramique super-
nettoyée afin de former un scellement étanche au vide.
Lorsque le métal est du cuivre, ce dernier n'est pas attaqué à l'acide nitrique, et l'or est de préférence appliqué par électroplacage sur le cuivre. La surface du cuivre n'est pas frappée, mais polie à l'aide de petites particules (généralement 1200 pm) avant que l'or soit
appliqué sur le cuivre.
L'invention a donc pour objet un procédé -pour
sceller ou souder un métal à du verre ou à une vitro-
céramique. L'invention concerne également un scellement ou
une soudure verre ou vitrocéramique sur métal. Selon l'inven-
tion, un alliage d'indium et d'or est fixé à un métal et on utilise une surface d'indium pour réaliser le scellement selon l'invention. Le métal peut être de l'aluminium ou du cuivre. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels - la figure 1 est une vue en bout d'un laser typique en anneau; - la figure 2 est une coupe partiel-le suivant la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est une coupe partielle suivant la ligne 3-3 de la figure 1; et - la figure 4 est une coupe partielle suivant la
ligne 4-4 de la figure 2.
Les lasers en anneau sont généralement réalisés à partir d'un bloc de verre ou de vitrocéramique. Des anodes et des cathodes métalliques sont fixées au bloc de verre ou de céramique. En général, les cathodes et les anodes -sont réalisées en aluminium ou en cuivre et elles doivent adhérer au bloc de verre ou de céramique en formant avec lui un scellement ou une soudure étanche à l'air, car le gaz contenu dans le laser et dans la structure des cathodes ou des anodes
est maintenu sous une pression inférieure à celle de l'atmos-
phère et il doit rester pur et propre.
Les figures 1, 2 et 3 représentent un laser en anneau. Un bloc 10 de verre ou de céramique peut être mis sous la forme, par exemple, d'un octogone dont quatre faces portent des blocs de verre ou de céramique séparés 12, 14, 16 et 18 afin de supporter des miroirs qui définissent le trajet ou circuit du laser en anneau. Deux anodes 20 et 22 sont
généralement réalisées en cuivre utilisé comme métal de base.
Une cathode 24 utilise généralement de l'aluminium comme métal de base. Plusieurs conduits 28, contenant généralement
un gaz tel que néon sous une certaine dépression, font commu-
niquer les parties intérieures des anodes 20 et 22, de la cathode 24 et des miroirs placés sur les faces des blocs 12,
14, 16 et 18.
La cathode 24 et les anodes 20 et 22 doivent être fixées au bloc 10 de verre ou de céramique au moyen d'un scellement étanche au vide et ce scellement ou joint et le
procédé de fixation constituent l'objet de l'invention.
Pour obtenir le meilleur scellement entre le
métal 24 et la vitrocéramique ou le verre 10, cette vitro-
céramique ou ce -verre doit être super-nettoyé. Le terme super-nettoyage" signifie que la dernière phase du nettoyage de la surface de verre ou de vitrocéramique consiste en un
bombardement de plasma ou en un bombardement ionique sensi-
blement sous vide ou sous lumière ultraviolette. En général, la surface de verre ou de vitrocéramique est d'abord lavée dans une solution de nettoyage qui contient de l'acide chromique et de l'acide sulfurique. Elle est ensuite lavée à l'acide chlorhydrique et rincée dans l'eau distillée. La surface du verre ou de la vitrocéramique est ensuite cuite à l'air afin que les matières organiques en soient éliminées par br lage et que les fluides restants s'évaporent. La surface du verre ou de la vitrocéramique est ensuite soumise à un super-nettoyage qui consiste à placer cette surface sous une cloche renfermant un gaz à basse pression et dans laquelle un plasma électrique ou un flux d'ions est dirigé vers ladite surface. En variante, une lumière ultraviolette
peut être dirigée vers la surface de verre ou de vitro-
céramique.
Pour fixer la cathode 24 d'aluminium au verre ou à la vitrocéramique 10, un revêtement 40 d'or, comprenant de l'or contenu dans un liquide, est appliqué par pulvérisation ou à la brosse, de préférence en deux couches successives, sur la surface 42 de l'aluminium 24. Chaque couche de liquide contenant l'or est cuite pour que le liquide en soit éliminé et qu'il reste de l'or atteignant une épaisseur totale qui est de préférence inférieure à 2,5 pm. Une ébauche 44 d'indium est appliquée sur l'or et la structure est chauffée à une température supérieure au
point de fusion de l'indium (1550C), à savoir environ 1750C.
La pureté de l'indium est généralement de l'ordre de 99,9 % et l'épaisseur de l'indium est en général de l'ordre de 0,178 mm. L'indium 44 s'allie à l'or 40 à l'interface 45
entre l'or et l'indium.
Après refroidissement, généralement à la tempé-
rature ambiante, la surface 48 présentée par l'indium de la structure est super-nettoyée par mise en place de cette structure sous une-cloche à basse pression et par irradiation de la surface avec un plasma électrique, des ions ou de la lumière ultraviolette. La surface d'indium devient très collante ou adhérente, de sorte qu'elle adhère aisément à une
autre surface.
La surface collante de l'indium est ensuite pressée sur la surface supernettoyée du verre ou de la vitrocéramique, afin de réaliser un scellement ou joint
étanche au vide.
Au lieu d'appliquer de l'or contenu dans un liquide sur la surface 42, il est possible d'appliquer l'or par électro-placage ou de le fixer ou déposer autrement sur cette surface. Lorsque le métal de base est du cuivre, il est évidemment préférable d'appliquer l'or par électro-placage sur ce métal. Le métal de base des anodes 20 et 22 est de préférence le cuivre et les anodes 20 et 22 sont en général totalement plaquées d'or. Cependant, dans le cas du procédé
de l'invention, seule la surface adhérente doit ëtre électro-
plaquée d'or sur une épaisseur sensiblement inférieure à 2,5 pm. En général, l'or déposé présente une pureté
supérieure à 99,5 %.
Après que l'or 40 a été appliqué sur le métal de base, la couche 44 d'indium est déposée sur l'or 40 et la structure est portée à une température supérieure au point de fusion de l'indium afin qu'on obtienne un alliage d'or et d'indium à l'interface 46. Après refroidissement, l'indium 44
est super-nettoyé par bombardement de plasma ou par bombar-
dement ionique, sous vide ou sous rayons ultraviolets. La surface supernettoyée et collante de l'indium est ensuite pressée sur la surface supernettoyée du verre ou de la
vitrocéramique afin de former un scellement étanche au vide.
Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, la surface 42 du métal 24 de base est d'abord préparée pour recev3oir la couche d'or 40. Cette surface est d'abord rectifiée et polie pour que les rayures, empreintes creuses et ondulations en soient éliminées, et pour qu'elle corresponde sensiblement à la- surface du verre ou de la vitrocéramique 10. Lorsque le métal 24 de base est de l'aluminium, la surface peut être traitée facultativement avec une solution à environ 50 % d'acide nitrique afin que les impuretés soient éliminées de l'aluminium. Le résidu d'acide nitrique est ensuite éliminé par lavage à l'eau distillée et la surface est séchée par chauffage. Le métal de
base est de préférence recuit avant l'application de l'or 40.
Le métal 24 de base peut être frappé, facultativement, après le recuit et avant l'application de l'or 40. La frappe peut être réalisée par pressage de la surface contre une surface plane telle que celle d'une pièce de verre plat. La frappe de la surface est préférable lorsque le métal 24 de base est l'aluminium. Au lieu d'être frappé, le métal 24 de base peut être poli après le recuit. Un composé typique de polissage
utilise des particules de 1200 Pm.
Le procédé peut être mis en oeuvre pour fixer
d'autres métaux à une surface de verre ou de vitrocéramique.
Toute surface acceptant un revêtement d'or, soit par réception sous la forme d'un liquide contenant de l'or puis par cuisson, soit par électroplacage, peut être fixée au verre ou à la vitrocéramique par mise en place de l'indium au-dessus de l'or et formation d'une interface constituée d'un alliage d'or et d'indium, puis par super-nettoyage des surfaces de verre ou de vitrocéramique et d'indium avant que
ce dernier soit pressé sur la surface de verre ou de vitro-
céramique. Le métal 24 de base doit ètre un métal ayant un point de fusion supérieur à celui de l'indium afin que ce dernier puisse s'allier à l'or sans affecter le métal de base. D'autres métaux pouvant Etre utilisés comme métal 24 de base comprennent généralement le fer, l'acier, le nickel, le
tantale ou le niobium.
Deux vitrocéramiques typiques auxquelles le procédé selon l'invention s'applique efficacement sont
connues sous les marques commerciales "ZERODUR" et "CERVIT".
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent êt:re apportées au procédé décrit et représenté sans
sortir du cadre de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Procédé pour sceller de manière étanche au vide une surface métallique (42) sur une seconde surface choisie dans le groupe comprenant des surfaces de verre ou de vitrocéramique (10), caractérisé en ce qu'il consiste à fixer une couche (40) d'or sur ladite surface métallique (42), à placer une couche (44) d'indium sur la couche d'or, à chauffer l'or et l'indium au-dessus du point de fusion de l'indium afin de former un alliage d'or et d'indium à l'interface (46) de l'or et de l'indium, à refroidir et à
presser l'indium sur ladite seconde surface.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'or est appliquée par électro-placage
sur ladite surface métallique.
-3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'or est appliquée sous la forme d'or contenu-dans un liquide, ce dernier étant ensuite chauffé
afin de s'éliminer de la couche d'or.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde surface et la surface (48) de la couche d'indium sont nettoyées au plasma avant d'être pressées l'une
contre l'autre.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste également à donner à la surface métallique une forme correspondant à celle de la seconde
surface avant que l'or soit fixé au métal.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface métallique est en outre lissée avant que
l'or soit fixé au métal.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le lissage consiste à éliminer mécaniquement les rayures et les empreintes creuses présentes dans la surface métallique.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le métal (24) de base est l'aluminium, la surface d'aluminium étant en outre décapée avec une solution d'acide nitrique et rincée à l'eau après que les rayures et les
empreintes creuses ont été éliminées mécaniquement.
9. Procédé pour sceller de manière étanche au vide une surface (42) d'aluminium sur une seconde surface choisie dans le groupe comprenant des surfaces de verre ou de vitrocéramique (10), caractérisé en ce qu'il consiste à donner à la surface d'aluminium une forme correspondant à celle de la seconde surface, à éliminer mécaniquement les rayures et les empreintes creuses de ladite surface d'aluminium, à décaper cette surface avec une solution
d'acide nitrique, à rincer à l'eau ladite surface d'alumi-
nium, à frapper cette surface, à fixer une couche (40) d'or sur ladite surface d'aluminium, à placer une couche (44)
d'indium sur la couche d'or, à chauffer l'or et l'indium au-
dessus du point de fusion de l'indium afin de former un alliage d'or et d'indium à l'interface (46) de l'or et de l'indium, à refroidir et à presser l'indium dans ladite
seconde surface.
10. Procédé selon la revendication 7, caracté-
risé en ce que la surface métallique est en outre polie avant
que l'or soit fixé.
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