FR3073320B1 - Procede de realisation d'une liaison electrique etanche dans un boitier ceramique et tube intensificateur d'image comportant un tel boitier - Google Patents

Procede de realisation d'une liaison electrique etanche dans un boitier ceramique et tube intensificateur d'image comportant un tel boitier Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation de liaisons électriques étanches traversant la paroi d'un boitier céramique par exemple un boitier céramique équipant un tube intensificateur d'image. Le procédé comprend une étape de métallisation (500) des trous pour obtenir des vias, l'étape de métallisation comprenant le dépôt d'une couche d'accroche (510), d'une barrière de diffusion (520) jouant le rôle de couche métallique de base et d'un agent mouillant (530). Pour chaque via, une préforme de métal d'apport en indium ou dans un eutectique choisi parmi InSn, AuSn, AuGe, AgSn est disposée (540) sur chaque orifice et portée à une température supérieure à sa température de fusion (550), de manière à ce que le métal d'apport fondu obture le via de manière à le rendre étanche.

Description

PROCÉDÉ DE RÉALISATION D'UNE LIAISON ÉLECTRIQUE ÉTANCHE DANS UN BOITIER CÉRAMIQUE ET TUBE INTENSIFICATEUR D'IMAGE COMPORTANT UN TEL BOITIER
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication de tubes intensificateurs d'image. Elle trouve notamment application dans les systèmes de vision nocturne.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Un système de vision nocturne utilise un dispositif intensificateur d'image permettant de rendre perceptible à un observateur un environnement obscur. Plus précisément, le dispositif intensificateur d'image collecte le rayonnement émis par l'environnement, notamment la faible quantité de lumière visible ainsi que le rayonnement infrarouge, et l'amplifie de manière à rendre en sortie une image de l'environnement perceptible à l'œil humain. En sortie du dispositif intensificateur d'image, le signal lumineux peut être enregistré par un dispositif d'enregistrement, affiché sur un moniteur externe ou directement visualisé par un observateur. Dans ce dernier cas, des dispositifs intensificateurs d'image sont utilisés dans les lunettes ou jumelles de vision nocturne portées par une personne à la tête de manière à transmettre directement le signal lumineux de sortie aux yeux de la personne. Il est alors habituellement recherché d'avoir un système de vision nocturne à encombrement réduit et présentant un faible poids.
Un tube intensificateur d'image à encombrement réduit a été proposé dans la demande internationale WO-A-2009/074682 déposée au nom de la présente Demanderesse.
Ce tube intensificateur d'image, 100, a été représenté en Fig. 1. Il comprend essentiellement un boîtier 110, en céramique, formant le corps du tube, de forme sensiblement annulaire. Le corps du tube, d'axe AA, est fermé à l'une de ses extrémités par une fenêtre d'entrée 120 et à l'extrémité opposée par une fenêtre de sortie 130. La fenêtre d'entrée, généralement en verre comporte une face intérieure sur laquelle est déposée la couche photoémissive d'une photocathode 125. La fenêtre de sortie, généralement en verre également (par exemple un faisceau de fibres optiques), comporte une face intérieure sur laquelle est déposé un écran phosphore 135.
Une galette de microcanaux, 140, ou GMC est disposée entre la fenêtre d'entrée et la fenêtre de sortie, et repose sur un bord intérieur du boîtier céramique, 110. Elle présente une face d'entrée parallèle à la photocathode et une face de sortie parallèle à l'écran phosphore.
Les photons incidents sur la face d'entrée, dans la mesure où ils possèdent une énergie suffisamment élevée, donnent lieu à la génération de photoélectrons dans la photocathode. Ces photoélectrons ainsi émis sont accélérés par un champ électrostatique vers la GMC où ils sont multipliés pour donner des électrons secondaires. Les électrons secondaires en sortie de la GMC sont accélérés par le champ électrostatique et atteignent l'écran phosphore 135 où, dans la mesure où ils possèdent une énergie suffisante, génèrent des photons. Les photons sont transmis à l'extérieur du tube à travers la fenêtre de sortie ou via la fibre optique.
La particularité de ce tube intensificateur réside dans la réalisation du boîtier céramique. Celui-ci est constitué d'un substrat céramique multicouche permettant de positionner la GMC à faible distance de la photocathode. Des pistes métalliques (non représentées) prévues au sein du substrat céramique multicouche permettent de connecter la GMC à des broches de contact extérieures 150 et ainsi de la polariser positivement par rapport à la photocathode.
Les fenêtres d'entrée et de sortie sont scellées sur le boîtier céramique de manière à assurer l'étanchéité de l'ensemble et le maintien du vide à l'intérieur du tube. Le scellement sur la fenêtre d'entrée est réalisé au moyen d'un joint d'InSn, 141, et celui sur la fenêtre de sortie au moyen d'un joint d'indium, 142. En outre, le maintien de la GMC sur le corps de tube annulaire est assuré par un scellement à l'aide de microbilles d'indium.
Enfin, une entretoise (spacer), 141, disposée entre la face supérieure du boîtier céramique et la fenêtre d'entrée garantit une distance prédéterminée entre la face intérieure de la photocathode et la face d'entrée de la GMC.
Ce tube intensificateur d'image, bien que sensiblement plus compact que les tubes traditionnels, présente toutefois un certain nombre de limitations.
Tout d'abord, la tenue mécanique du tube n'est pas optimale en raison de la présence de l'entretoise en céramique entre la fenêtre d'entrée et le boîtier annulaire. Celle-ci peut se déplacer lors d'un choc et conduire à des défauts de positionnement géométrique de la GMC par rapport à la photocathode (défauts de parallélisme, non-respect de la consigne de distance entre GMC et photocathode notamment), qui peuvent être préjudiciables à l'uniformité de la réponse impulsionnelle, autrement dit à l'uniformité de la fonction de transfert de modulation ou MTF (Modulation Transfer Function), et peuvent dégrader la résolution de l'image intensifiée.
En outre, les pistes métalliques du substrat céramique multicouche qui relient les électrodes de la GMC aux broches de contact extérieures peuvent conduire à des défauts d'étanchéité du boîtier céramique et à une durée de vie plus courte du tube. L'objet de la présente invention est par conséquent de remédier aux inconvénients précités et notamment de proposer un procédé de réalisation de liaisons électriques étanches dans un boîtier céramique, en particulier pour un tube intensificateur d'images. Un second objet de la présente invention est de proposer une structure de boîtier céramique étanche assurant la tenue mécanique du tube et le maintien du positionnement géométrique de la GMC par rapport à la fenêtre d'entrée.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention est définie par un procédé de réalisation d'une liaison électrique étanche à travers la paroi d'un boîtier céramique, en particulier d'un boîtier céramique d'un tube intensificateur d'image, le boîtier céramique étant pourvu d'un trou débouchant sur une surface intérieure du boîtier par un premier orifice et sur une surface extérieure du boîtier par un second orifice, le procédé comprenant les étapes suivantes : - on effectue une métallisation du trou pour obtenir un via, en déposant successivement une couche métallique d'accroche, une barrière de diffusion et une couche d'agent mouillant; - on dispose une portion de métal d'apport en indium ou dans un eutectique choisi parmi AuSn, AuGe, AgSn, InSn sur chacun des premier et second orifices ; - on procède à la fusion de ladite portion de métal d'apport, le métal d'apport fondu obturant le via de manière à le rendre étanche.
Avantageusement, la couche d'accroche est composée d'un métal choisi parmi le tungstène, le molybdène, le titane et le chrome.
La barrière de diffusion est réalisée de préférence dans un métal choisi parmi le nickel, le chrome, un alliage nickel-chrome et le platine.
La couche d'agent mouillant est réalisée avantageusement en or ou en argent.
De préférence, l'eutectique AuSn est composé de 80% d'or et 20% d'étain, l'eutectique AuGe est composé de 88% d'or et 12% de germanium, l'eutectique AgSn est composé de 96,5% d'étain et de 3,5% d'argent, l'eutectique InSn est composée de 52% d'indium et 48% d'étain les pourcentages étant massiques. L'invention concerne en outre un tube intensificateur d'image comprenant un boîtier céramique formant le corps du tube, une fenêtre d'entrée sur la face intérieure de laquelle est déposée une photocathode et fermant le tube à une première extrémité, une fenêtre de sortie sur la face intérieure de laquelle est déposé un écran phosphore, une galette de microcanaux dite GMC, disposée sur un épaulement du boîtier céramique, le boîtier céramique étant pourvu de liaisons électriques traversant sa paroi et reliant des électrodes de la GMC avec des broches de contact extérieures, les liaisons électriques étant réalisées au moyen du procédé ci-dessus.
Avantageusement, le boîtier céramique comprend une butée verticale annulaire sur sa partie supérieure, ladite butée faisant partie intégrante du boîtier céramique, la face intérieure de la fenêtre d'entrée reposant sur cette butée lorsque celle-ci est scellée sur le boîtier, ladite butée fixant une distance prédéterminée entre la photocathode et la face supérieure de la GMC.
La fenêtre d'entrée et la fenêtre de sortie peuvent être scellées sur le boîtier céramique au moyen de joints de scellement en indium ou un matériau eutectique choisi parmi InSn avec 52% d'indium et 48% d'étain, AuSn avec 80% d'or et 20% d'étain, AuGe avec 88% d'or et 12% de germanium et AgSn avec 96,5% d'étain et de 3,5% d'argent, les pourcentages étant massiques.
Avantageusement, le boîtier céramique est réalisé au moyen d'un moulage par injection de particules de céramique suivi d'un frittage.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles :
La Fig. 1, déjà décrite, est une vue en coupe verticale de la structure d'un tube intensificateur d'image connu de l'état de la technique ;
La Fig. 2, déjà décrite, est une vue en coupe verticale de la structure d'un tube intensificateur d'image selon un mode de réalisation de l'invention ;
La Fig. 3 représente une vue en éclaté de la structure du tube intensificateur d'image de la Fig. 2 ;
La Fig. 4 représente un boîtier céramique utilisé dans le tube intensificateur d'image de la Fig. 2 ;
La Fig. 5 représente de manière schématique un procédé de réalisation de liaisons électriques étanches dans un boîtier céramique selon un mode de réalisation de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PREFERE
On a représenté en Fig. 2 une vue en coupe d'un tube intensificateur d'image selon un mode de réalisation de l'invention.
Comme dans l'art antérieur précédemment décrit, le tube intensificateur d'image, 200, comprend un boîtier céramique 210, formant le corps du tube, une fenêtre d'entrée 220 sur la face intérieure de laquelle est déposée une photocathode et une fenêtre de sortie, 230 sur la face intérieure de laquelle est déposé un écran phosphore.
Les fenêtres d'entrée et de sortie sont généralement réalisées sous la forme de pavés de verre. La face extérieure de la fenêtre de sortie peut être reliée à un faisceau de fibres optiques pour déporter l'image intensifiée.
Le tube 200 présente une forme essentiellement cylindrique suivant un axe optique OZ. Alternativement, le tube 200 peut présenter une forme de section carrée, rectangulaire, hexagonale, ou autre. Un repère (R, Z) est représenté où R est la direction radiale du tube et Z est la direction axiale du tube, parallèle à l'axe optique OZ, orientée dans le sens inverse de la propagation des photons et des électrons à l'intérieur du tube 200. Avec cette convention, la partie supérieure du tube est constituée de la fenêtre d'entrée et la partie inférieure du tube de la fenêtre de sortie.
Une galette de microcanaux ou GMC, 240, repose sur un épaulement, 211, du boîtier céramique, en regard de la photocathode, la fenêtre d'entrée reposant quant à elle sur une butée verticale, 219, faisant partie intégrante du boîtier céramique et surplombant cet épaulement. La distance entre la couche photoémissive de la photocathode et la surface d'entrée de la GMC est entièrement déterminée par la géométrie du boîtier céramique, plus précisément par la hauteur de la butée par rapport à l'épaulement ainsi que par l'épaisseur de la GMC. L'intégration d'une butée verticale dans le boîtier céramique permet de former un ensemble monolithique et de réduire le nombre d'éléments du tube, elle améliore tant sa rigidité que le respect des contraintes géométriques.
Des liaisons électriques verticales 215 sont prévues dans l'épaulement du boîtier céramique de manière à permettre la connexion des électrodes de la GMC avec des broches de contact extérieures (non représentées).
La fenêtre d'entrée 220 est scellée de manière étanche sur un surface annulaire 217 de la partie supérieure du boîtier céramique, par exemple au moyen d'un joint de scellement en indium, de manière connue en soi. La fenêtre de sortie est de la même façon scellée sur le boîtier céramique.
Alternativement à l'indium, on pourra utiliser pour le joint de scellement un matériau eutectique présentant un point de fusion élevé choisi parmi InSn avec 52% d'indium et 48% d'étain, AuSn avec 80% d'or et 20% d'étain, AuGe avec 88% d'or et 12% de germanium, et AgSn avec 96,5% d'étain et 3,5% d'argent, les pourcentages étant massiques.
Le boîtier céramique peut être réalisé au moyen d'une technique de moulage par injection ou CIM (Ceramic Injection Molding). Cette technique consiste à injecter dans un moule une matière première composée de matières organiques fortement chargées en fines particules de céramique et à porter le moule à une température et une pression élevées. Après le moulage, les liants organiques sont éliminés par dissolution dans un solvant puis traitement thermique. Le produit ainsi obtenu peut ensuite faire l'objet d'un frittage ou d'un cofrittage.
Ce moulage par injection, suivi d'un frittage permet d'obtenir des formes géométriques complexes avec une précision sensiblement plus élevée que celle obtenue par frittage de couches. Autrement dit, le boîtier céramique ainsi réalisé est mieux défini géométriquement et peut répondre à des tolérances dimensionnelles plus strictes que le boîtier céramique multicouche de l'art antérieur. Ainsi, les contraintes de parallélisme et de distance entre la photocathode et la GMC, dépendant de la géométrie du boîtier céramique, sont mieux respectées.
La Fig. 3 représente une vue en éclaté du tube intensificateur d'image de la Fig.l.
On y retrouve le boîtier céramique 210 sur lequel reposent la GMC 240 et la fenêtre d'entrée 220, l'autre extrémité du boîtier étant fermée par la fenêtre de sortie 230.
Le boîtier céramique, 210, présente une forme annulaire avec un évidement central, 212, délimitant la zone active du tube intensificateur. Le profil de la partie supérieure du boîtier comprend, en allant du centre vers la périphérie du boîtier, l'épaulement annulaire sur lequel vient se reposer la GMC, la butée annulaire 219 sur lequel vient se reposer la fenêtre d'entrée et la surface annulaire périphérique 210 sur laquelle est scellée la fenêtre d'entrée.
La Fig. 4 représente le détail du boîtier céramique, 210.
On y distingue, vu de dessous, l'épaulement 211 supporté par une base annulaire 216, l'épaulement et la base annulaire étant reliés par des nervures 213 s'étendant radialement à partir de cette dernière. L'intérieur de la base annulaire définit l'évidement central 212. L'épaulement 211 est traversé par des vias 215 débouchant à sa surface inférieure 214. Ces vias sont bouchés à leurs deux extrémités par un métal ou un eutectique métallique comme expliqué plus loin.
Les vias ainsi bouchés assurent les liaisons électriques entre les électrodes de la GMC et les broches de contact extérieures, tout en garantissant l'étanchéité du tube. Les électrodes de la GMC sont au minimum au nombre de deux, une électrode étant reliée à la face supérieure et une électrode étant reliée à la face inférieure, ce qui requiert la présence d'au moins deux vias dans l'épaulement. Bien entendu, les vias peuvent être en nombre supérieur, notamment en cas de segmentation des électrodes.
Les liaisons électriques sont obtenues de manière générale comme décrit ci-après en relation avec la Fig. 5.
Le procédé de réalisation des liaisons électriques s'applique au boiter céramique brut, simplement pourvu de trous. Ces trous traversent l'épaulement et débouchent sur sa face supérieure et sa face inférieure.
Le procédé comprend trois étapes 500, 540 et 550.
La première étape est une étape de métallisation réalisée par évaporation (PVD), par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), par pulvérisation cathodique (sputtering) ou encore par dépôt électrolytique.
Cette première étape comprend une première sous-étape 510 consistant à déposer une couche métallique d'accroche sur la surface intérieure du trou. La fonction de la couche d'accroche est d'adhérer à la surface en céramique (formation d'une liaison céramo-métallique) de manière à assurer à son tour l'adhésion des couches supérieures. Le métal de la couche d'accroche sera avantageusement choisi parmi le tungstène (W), le molybdène (Mo), le titane (Ti) et le chrome (Cr).
Une seconde couche métallique, dite barrière de diffusion, est ensuite déposée directement, 520, sur la couche d'accroche. Cette couche a pour fonction d'empêcher la migration de métal des couches supérieures vers la céramique de manière à ce que l'interface entre la couche d'accroche et la céramique ne soit pas détériorée. Le métal de barrière de diffusion sera avantageusement choisi parmi le nickel (Ni), le chrome (Cr), un alliage nickel chrome (NiCr), ou encore le platine (Pt). Cette couche fait également office de couche métallique de base.
Enfin, on dépose en 530 une fine couche de protection contre l'oxydation en Au ou Ag qui joue le rôle d'agent mouillant dans l'étape de fusion ultérieure.
Après le dépôt de la couche d'agent mouillant, on dispose en 540 un métal d'apport sur la couche d'agent mouillant, par exemple sous la forme d'une bille, d'une pastille, d'une portion de ruban ou plus généralement d'une préforme quelconque. Cette préforme est placée de manière à obstruer le trou métallisé ou via.
Le métal d'apport peut être de l'indium ou bien un eutectique choisi parmi AuSn avec 80% d'or et 20% d'étain, AuGe avec 88% d'or et 12% de germanium, AgSn avec 96,5% d'étain et 3,5% d'argent, InSn avec 52% d'indium et 48% d'étain, les pourcentages étant massiques.
La préforme de métal d'apport est ensuite portée à une température de fusion. Le métal d'apport fondu couvre la couche métallique de base grâce à l'agent mouillant déposé sur elle et migre jusqu'à la barrière de diffusion. Le métal fondu obstrue le via et le rend étanche en se solidifiant.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de réalisation d'une liaison électrique étanche à travers la paroi d'un boîtier céramique, en particulier d'un boîtier céramique d'un tube intensificateur d'image, le boîtier céramique étant pourvu d'un trou débouchant sur une surface intérieure du boîtier par un premier orifice et sur une surface extérieure du boîtier par un second orifice, caractérisé en ce que : - on effectue une métallisation du trou (500) pour obtenir un via, en déposant successivement une couche métallique d'accroche (510), une barrière de diffusion (520) et une couche d'agent mouillant (530); - on dispose (540) une portion de métal d'apport en indium ou dans un eutectique choisi parmi AuSn, AuGe, AgSn, InSn sur chacun des premier et second orifices; - on procède à la fusion (550) de ladite portion de métal d'apport, le métal d'apport fondu obturant le via de manière à le rendre étanche.
  2. 2. Procédé de réalisation d'une liaison électrique étanche à travers la paroi d'un boîtier céramique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'accroche est composée d'un métal choisi parmi le tungstène, le molybdène, le titane et le chrome.
  3. 3. Procédé de réalisation d'une liaison électrique étanche à travers la paroi d'un boîtier céramique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la barrière de diffusion est réalisée dans un métal choisi parmi le nickel, le chrome, un alliage nickel-chrome et le platine.
  4. 4. Procédé de réalisation d'une liaison électrique étanche à travers la paroi d'un boîtier céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche d'agent mouillant est réalisée en or ou en argent.
  5. 5. Procédé de réalisation d'une liaison électrique étanche à travers la paroi d'un boîtier céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'eutectique AuSn est composé de 80% d'or et 20% d'étain, l'eutectique AuGe est composé de 88% d'or et 12% de germanium, l'eutectique AgSn est composé de 96,5% d'étain et de 3,5% d'argent, l'eutectique InSn est composée de 52% d'indium et 48% d'étain les pourcentages étant massiques.
  6. 6. Tube intensificateur d'image comprenant un boîtier céramique (210) formant le corps du tube, une fenêtre d'entrée (220) sur la face intérieure de laquelle est déposée une photocathode et fermant le tube à une première extrémité, une fenêtre de sortie (230) sur la face intérieure de laquelle est déposé un écran phosphore, une galette de microcanaux (240) dite GMC, disposée sur un épaulement (211) du boîtier céramique, le boîtier céramique étant pourvu de liaisons électriques traversant sa paroi et reliant des électrodes de la GMC avec des broches de contact extérieures, caractérisé en ce que les liaisons électriques sont réalisées au moyen du procédé de la revendication 1.
  7. 7. Tube intensificateur d'image selon la revendication 6, caractérisé en ce que le boîtier céramique comprend une butée verticale annulaire (219) sur sa partie supérieure, ladite butée faisant partie intégrante du boîtier céramique (210), la face intérieure de la fenêtre d'entrée reposant sur cette butée lorsque celle-ci est scellée sur le boîtier, ladite butée fixant une distance prédéterminée entre la photocathode et la face supérieure de la GMC.
  8. 8. Tube intensificateur d'image selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée et la fenêtre de sortie sont scellées sur le boîtier céramique au moyen de joints de scellement en indium ou un matériau eutectique choisi parmi InSn avec 52% d'indium et 48% d'étain, AuSn avec 80% d'or et 20% d'étain, AuGe avec 88% d'or et 12% de germanium et AgSn avec 96,5% d'étain et de 3,5% d'argent, les pourcentages étant massiques.
  9. 9. Tube intensificateur d'image selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le boîtier céramique est réalisé au moyen d'un moulage par injection de particules de céramique suivi d'un frittage.
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