FR3114819A1 - Alliage pour brasure utilisation dans un detecteur d'un tel alliage - Google Patents

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Abstract

La présente invention appartient au domaine des détecteurs utilisés pour l’imagerie infrarouge (circuit de détection en CdHgTe ou InSb brasé sur circuit de lecture), dans le cadre d’applications civiles, militaires et/ou spatiales. L’objet de la présente invention se rapporte à un alliage de brasure à base d’indium et de cadmium, son utilisation dans la fabrication de détecteur, un détecteur comprenant ledit alliage et un procédé de fabrication dudit détecteur.

Description

ALLIAGE POUR BRASURE, UTILISATION DANS UN DETECTEUR D’UN TEL ALLIAGE
La présente invention appartient au domaine des détecteurs utilisés pour l’imagerie infrarouge (circuit de détection en CdHgTe ou InSb brasé sur circuit de lecture), dans le cadre d’applications civiles, militaires et/ou spatiales.
La présente invention se rapporte à un alliage de brasure à base d’indium et de cadmium, son utilisation dans la fabrication de détecteur, un détecteur comprenant ledit alliage et un procédé de fabrication dudit détecteur.
Les détecteurs infrarouges existent sous différents formats (dimensions, taille de pixel) et couvrent un large spectre de longueurs d’ondes. D’architecture très complexe, composés de plusieurs couches très différentes en termes de propriétés mécaniques, électriques et thermiques, ils sont assemblés en plusieurs étapes avec des cycles thermomécaniques bien distincts. Ils peuvent être refroidis à des températures très basses, jusqu’à 77 K, pour des performances optimales.
Ce type de détecteur infrarouge peut être utilisé dans des applications civiles liées à de la détection, telles que des caméras de surveillance, des jumelles ou des lunettes infrarouges (ex : vision nocturne), dans des applications militaires liées à des systèmes de guidage ou bien encore dans des applications spatiales (imagerie, satellites).
Les détecteurs infrarouges précités comprennent généralement trois couches principales :
- un circuit de détection en CdHgTe ou en InSb, en fonction de l’application ;
- une couche de microbilles d’indium servant à braser l’ensemble (généralement par un procédé dit de refusion) ; et
- un circuit de lecture principalement à base de silicium et/ou de germanium,
- ainsi que d’autres couches, dont certaines très fines, généralement inférieures au micromètre et favorisant des propriétés particulières telles que la mouillabilité des billes d’alliage ou la conductivité électrique ; elles peuvent comprendre par exemple des matériaux tels que du platine, de l’or ou du titane.
Ces assemblages sont complexes et peuvent fonctionner à très basse température (jusqu’à 77 K/-196 °C pour le CdHgTe). Ils sont très fragiles et peuvent connaître certaines défaillances lors de l’élaboration et en service, avec l’apparition entre autres de fissures de clivage, de pixels morts ou d’une voilure trop importante.
Lors de l’élaboration de ces détecteurs, l’indium a été choisi comme alliage à braser car il présente une faible température de fusion et des propriétés thermomécaniques adaptées au procédé d’assemblage mis en œuvre : faible résistance mécanique, forte ductilité, coefficient de dilatation thermique (CTE) et conductivité électrique et thermique intéressantes. C’est la solution qui a été retenue par les quelques fabricants de ce type de détecteurs.
Néanmoins, après une analyse complète des détecteurs existant à température ambiante et à 100 K ainsi qu’une étude numérique/mathématique des propriétés des matériaux mis en œuvre, bien que le CdHgTe soit très mal connu du fait de sa rareté, de sa composition chimique et de son mode d’obtention (épitaxie de quelques microns seulement), il semble que l’indium ne soit pas forcément la meilleure solution. En effet, même si l’indium a une température de fusion très basse, la température de brasage pourrait être encore abaissée pour éviter à la structure entière de subir des températures très élevées lors de cette opération, sa nature monocristalline après brasage induit une forte anisotropie des propriétés mécaniques d’une bille à l’autre (et donc d’un pixel du détecteur à l’autre) que l’on pourrait éliminer, et les contraintes résiduelles induites dans le CdHgTe à 100 K, qui peuvent être à l’origine de fissures critiques, pourraient être fortement réduites.
Ainsi, il existe un besoin d’un alliage permettant une température de brasage inférieure, sans pour autant perdre en performances, que ce soit entre autres en termes de température de fonctionnement (100 K, mais aussi 300 à 310 K lors d’un stockage en plein soleil, sur le tarmac par exemple), de conductivité électrique et thermique, de mouillabilité sur les couches d’accroche (or, platine…).
L’invention se rapporte à un alliage de brasure à base d’indium et de cadmium comprenant :
- de 72 à 81 % d’indium, par rapport à la masse totale de l’alliage, de préférence de 73 à 79 % et de manière encore préférée de 74,5 à 75,5 %,
- 19 à 28 % de cadmium, par rapport à la masse totale de l’alliage, de préférence de 21 à 27 % et de manière encore préférée de 24,5 à 25,5 %, et
- éventuellement ≤ 0,5 % d’autres éléments.
On entend par « autres éléments », des éléments du tableau périodique des éléments de Mendeleïev.
Avantageusement, l’alliage peut comprendre de 72 à 81 % d’indium, par rapport à la masse totale de l’alliage. Il comprend de préférence de 73 à 79 % et de manière encore préférée de 74,5 à 75,5 % ou bien encore 74,7 %,
Avantageusement, l’alliage peut comprendre de 19 à 28 % de cadmium, par rapport à la masse totale de l’alliage. Il comprend de préférence de 21 à 27 % et de manière encore préférée de 24,5 à 25,5 % ou bien encore 26,3 %,
Les détecteurs infrarouges comprenant l’alliage selon l’invention ont une meilleure fiabilité en service notamment en raison de propriétés thermomécaniques mieux adaptées que celle de l’indium pour limiter les contraintes induites à froid dans le circuit de détection, la voilure et le risque d’endommagement.
L’invention présente ainsi les avantages suivants :
- permettre une température d’assemblage moins élevée, 128 °C contre 156 °C, sans pour autant perdre en performances, que ce soit entre autres en termes de température de fonctionnement, de conductivité électrique et thermique ou de mouillabilité sur les couches d’accroche ;
- préserver les autres couches/éléments d’un détecteur infrarouge lors de l’étape de brasage car soumis à une température plus basse lors de cette étape (procédé de refusion en four) ;
- minimiser les contraintes résiduelles dans le circuit de détection induites par le procédé d’élaboration du détecteur infrarouge et la mise à la température de fonctionnement de 100 K (valeurs de CTE et de limite élastique plus favorables que celles de l’indium pur) et donc obtenir une fiabilité améliorée du détecteur infrarouge ;
- garantir des billes d’indium polycristallines après brasage, et donc plus isotropes en termes de propriétés mécaniques par rapport à l’indium pur, afin de limiter les gradients de contrainte entre les différents pixels du détecteur, la possible décohésion à l’interface avec le circuit de détection et donc l’endommagement de certains pixels du détecteur ;
- obtenir une meilleure planéité (voilure du circuit de détection réduite de 20%) à la température de fonctionnement de 100 K et donc une fiabilité améliorée du détecteur infrarouge ;
- limiter la formation de composés intermétalliques (i.e. AuIn2) généralement néfastes aux interfaces avec les couches de mouillage ;
- permettre un meilleur transfert entre le circuit de détection et le circuit de lecture grâce notamment à de meilleures conductivités thermique (+5%) et électrique (*2) de l’alliage selon l’invention par rapport à l’indium pur.
Avantageusement, l’alliage selon l’invention peut être sous forme d’un objet tridimensionnel polycristallin. On entend par « objet tridimensionnel », un objet qui n’est pas plan. Il peut s’agir par exemple de billes polycristallines, mais aussi de cylindres polycristallins, cubes polycristallins ou parallélépipèdes polycristallins ou de toute autre forme d’objet tridimensionnel. L’alliage selon l’invention peut ainsi être sous forme de billes polycristallines après brasage, et non monocristallines comme c’est le cas pour les billes d’indium pur : les billes d’alliage ont alors pour avantage d’être davantage isotropes en termes de propriétés mécaniques par rapport à l’indium pur, et ainsi de limiter les gradients de contrainte entre les différents pixels du détecteur, la possible décohésion à l’interface avec le circuit de détection et donc l’endommagement de certains pixels du détecteur. Les objets tridimensionnels (de préférence des billes) d’alliage selon l’invention permettent ainsi d’obtenir des pixels plus homogènes, au sein d’un détecteur, mais aussi d’un détecteur à l’autre.
Avantageusement, les objets tridimensionnels polycristallins d’alliage selon l’invention peuvent avoir des dimensions (diamètre, largeur et/ou longueur) allant de 1 µm à 100 µm. Par exemple, lorsque l’objet tridimensionnel d’alliage est une bille, les billes polycristalline d’alliage selon l’invention peuvent avoir un diamètre allant de 1 µm à 100 µm. En fonction de la résolution souhaitée du détecteur final, l’homme du métier peut faire varier la taille des billes, notamment en fonction de la taille de pixel du détecteur et de sa résolution.
Ainsi l’invention porte également sur un objet tridimensionnel d’alliage de brasure à base d’indium et de cadmium comprenant :
- de 72 à 81 % d’indium, par rapport à la masse totale de l’alliage, de préférence de 73 à 79 % et de manière encore préférée de 74,5 à 75,5 %,
- 19 à 28 % de cadmium, par rapport à la masse totale de l’alliage, de préférence de 21 à 27 % et de manière encore préférée de 24,5 à 25,5 %, et
- éventuellement ≤ 0,5 % d’autres éléments.
Avantageusement, l’objet tridimensionnel d’alliage selon l’invention est une bille, un cylindre, un cube ou un parallélépipède, de préférence une bille.
Avantageusement, l’alliage selon l’invention peut avoir une conductivité thermique allant de 84 à 88 W/m/K.
Avantageusement, l’alliage selon l’invention peut avoir une conductivité électrique allant de 11,5.106 à 13,5.106 S/m.
L’invention se rapporte également à un détecteur comprenant un alliage ou une bille d’alliage selon l’invention. Le détecteur peut être choisi dans le groupe comprenant un assemblage électronique pour la détection infrarouge, une matrice de détection infrarouge ou un détecteur infrarouge.
Avantageusement, le détecteur selon l’invention peut comprendre en outre un circuit de détection. De préférence, le circuit de détection est essentiellement composé de tellurure de mercure-cadmium (HgCdTe ou CdHgTe, qui est une abréviation du nom anglophone « mercury cadmium telluride » et est un alliage de tellurure de mercure (HgTe) et de tellurure de cadmium (CdTe)) ou d’antimoniure d’indium (InSb). On entend par « essentiellement », que le circuit est majoritairement composé de HgCdTe, soit supérieur à 95 % massique.
Avantageusement, le détecteur selon l’invention peut comprendre en outre un circuit de lecture, de préférence essentiellement composé de silicium et/ou de germanium. On entend par « essentiellement », que le circuit est majoritairement composé de silicium, de germanium ou d’un mélange de silicium et de germanium, soit supérieur à 90 % massique.
Avantageusement, le détecteur 1 selon l’invention peut comprendre au moins trois couches :
- une première couche 11 comprenant un circuit de détection,
- une deuxième couche 12 comprenant un alliage selon l’invention et une matrice résine époxy 15, et
- une troisième couche 13 comprenant un circuit de lecture.
Avantageusement, la deuxième couche 12 comprend l’alliage selon l’invention sous forme de billes polycristallines 14.
L’invention se rapporte aussi à un procédé de fabrication d’un détecteur selon l’invention comprenant une étape de brasage réalisée au moyen d’un alliage selon l’invention.
Avantageusement, l’étape de brasage peut comprendre l’établissement d’une connexion électrique verticale entre un circuit de lecture et un circuit de détection positionnés l’une au regard de l’autre. L’alliage selon l’invention, de préférence sous forme de bille est positionné entre le circuit de lecture et le circuit de détection. On entend par « l’une au regard de l’autre », les surfaces des circuits positionnés en vis-à-vis (de sens opposé), par opposition au câblage par fil, dans lequel les circuits sont dans le même sens. De préférence, la température de brasage est supérieure à la température de fusion de l’alliage (jusqu’à 60 K au-dessus de la température de fusion de l’alliage). Le procédé peut être un procédé dit de puce retournée ou « flip chip », bien connu de l’homme du métier. Les billes d’alliage (ou autre objets tridimensionnels) sont généralement positionnées côté puce avec un pas pouvant aller de quelques microns à 100 µm. Ces espacements peuvent varier en fonction de la taille de pixel du détecteur final.
Alternativement, le procédé selon l’invention peut aussi être une compression simple des différentes couches, comprenant une étape de compression des couches 11, 12 et 13. Dans ce cas, il n’y a pas forcément de chauffage et l’assemblage est réalisé par la pression exercée.
Avantageusement, le procédé selon l’invention peut comprendre en outre une étape d’injection de résine époxy entre les billes après l’étape de brasage.
L’invention se rapporte aussi à l’utilisation d’un alliage de brasure à base d’indium et de cadmium selon l’invention dans la fabrication d’un détecteur.
L’invention englobe aussi une méthode de fabrication d’un détecteur comprenant l’utilisation d’un alliage de brasure à base d’indium et de cadmium.
L’invention se rapporte encore à l’utilisation d’un alliage de brasure à base d’indium et de cadmium dans un détecteur, de préférence un assemblage électronique pour la détection infrarouge, une matrice de détection infrarouge ou un détecteur infrarouge.
La représente un diagramme binaire Cd-In montrant notamment l’évolution de la température de fusion avec la composition massique en indium.
La représente les contraintes résiduelles induites dans la couche de CdHgTe, les billes d’alliage et la couche de silicium après refroidissement à 100 K : comparaison entre des billes en A) In et B) In74,7Cd25,3.
La représente un exemple de détecteur 1 selon l’invention comprenant une couche 11 comprenant un circuit de détection, une couche 12 comprenant des billes polycristallines 14 d’alliage selon l’invention et d’une matrice résine époxy 15 et une couche 13 comprenant un circuit de lecture. Les billes peuvent être alignées par rapport aux bords du circuit de détection, avec une bille sous chaque pixel du circuit de détection : la taille des billes et l’espacement entre chaque bille peuvent varier en fonction de la taille de pixel du détecteur et de sa résolution. La matrice époxy est ensuite injectée entre chaque bille.
L’invention sera mieux comprise à la lecture des exemples, non limitatifs, qui suivent.
Exemple 1 : p réparation d’échantillon s d’alliage selon l’invention et mesure des propriétés
Plusieurs alliages de type InXCd100-X ont été élaborés en mélangeant les quantités adéquates d’In et Cd purs (pureté : 99,999%) : température de 350 °C sous atmosphère contrôlée pour éviter toute oxydation ou pollution extérieure. Leurs compositions en masse sont les suivantes : In72Cd28, In74,7Cd25,3, In76Cd24 et In78Cd22.
La température de fusion a été déterminée par calorimétrie différentielle à balayage (appareil SETARAM DSC131) avec des vitesses de chauffage et de refroidissement de 5 °C/min.
Le coefficient de dilatation thermique (CTE) a été mesuré entre 20 °C et 150 °C en utilisant un dilatomètre Adamel Lhomargy DT1000 (refroidissement sous vide : 1 °C/s à l’aide d’hélium gazeux préalablement refroidi par azote liquide).
Les propriétés mécaniques ont été déterminées en suivant la norme ISO 6892 : résistance élastique Re, résistance à la rupture Rm et module d’Young E.
La conductivité thermique a été déterminée par la méthode du disque chaud (Hot Disk), la conductivité électrique par la méthode de Van der Pauw.
Les propriétés des alliages sont présentées dans le tableau 1 ci-dessous :
Alliage Temp. fusion (°C) CTE (K-1) Re
(MPa)		 Rm (MPa) E (GPa) Conduc. thermique (W/m/K) Conduc. électrique (S/m)
In72Cd28 125-148 3,2E-05 12 14 3,6 88 13
In74,7Cd25,3 125-129 3,3E-05 11 12 6,2 86 12,4
In76Cd24 125-134 3,3E-05 10 11 3 85 12,1
In78Cd22 125-137 3,3E-05 10 10 2,7 84 11,8
Tableau 1 : propriétés des alliages
Exempl e 2 : contraintes résiduelles induites dans le circuit de détection ( en CdHgTe )
On simule par éléments finis les contraintes résiduelles induites dans un circuit de détection (en CdHgTe) d’un détecteur comprenant des billes polycristallines en indium d’une part et en alliageIn74,7Cd25,3 d’autre part,de dimensions12*12 pixels.
Les résultats sont présentés sur la qui montre les contraintes résiduelles induites dans la couche de CdHgTe, les billes d’alliage et le circuit de lecture après refroidissement à 100 K. Les valeurs obtenues sont comparées lorsque la deuxième couche du détecteur comprend des billes en indium pur (A, hors invention) et lorsque le détecteur comprend des billes polycristallines d’alliage selon l’invention (B, alliage In74,7Cd25,3).
Les valeurs avec In ont été validées par des mesures par diffraction des rayons X. La couche de CdHgTe est presque entièrement à un niveau de contrainte de 30 MPa, soit la contrainte maximale qu’elle peut supporter, lorsqu’on utilise des billes d’indium. En revanche, la couche de CdHgTe est beaucoup moins contrainte lorsqu’on utilise des billes d’alliage In74,7Cd25,3, notamment à l’interface avec les billes et au-dessus des billes.
Remplacer les billes d’indium par des billes polycristallines d’alliage selon l’invention dans un détecteur réduit donc fortement le risque de fissuration et de décohésion à l’interface bille/CdHgTe et limite la voilure du détecteur (-20%).
Il est ainsi démontré que l’alliage selon l’invention, en remplacement de l’indium pur, permet de diminuer la température de brasage, et donc la température à laquelle est soumise chaque élément du détecteur, et d’avoir une meilleure fiabilité en service avec des propriétés mécaniques similaires pour chaque bille et chaque pixel du détecteur, des contraintes résiduelles plus faibles dans le circuit de détection et une voilure du détecteur réduite.

Claims (12)

  1. Alliage de brasure à base d’indium et de cadmium comprenant :
    - de 72 à 81 % d’indium, par rapport à la masse totale de l’alliage, de préférence de 73 à 79 % et de manière encore préférée de 74,5 à 75,5 %,
    - 19 à 28 % de cadmium, par rapport à la masse totale de l’alliage, de préférence de 21 à 27 % et de manière encore préférée égale à 24,5 à 25,5 %, et
    - éventuellement ≤ 0,5 % d’autres éléments.
  2. Alliage selon la revendication précédente, sous forme d’objets tridimensionnels polycristallins, de préférence sous forme de billes polycristallines.
  3. Alliage selon la revendication 1 ou 2 ayant une conductivité thermique allant de 84 à 88 W/m/K.
  4. Alliage selon la revendication 1 ou 2 ayant une conductivité électrique allant de 11,5.106à 13,5.106S/m.
  5. Détecteur, de préférence sous forme d’un assemblage électronique pour la détection infrarouge, d’une matrice de détection infrarouge ou d’un détecteur infrarouge, comprenant un alliage ou au moins un objet tridimensionnel d’alliage selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  6. Détecteur selon la revendication précédente comprenant en outre un circuit de détection, de préférence essentiellement composé de CdHgTe ou de InSb.
  7. Détecteur selon la revendication 5 ou 6, comprenant en outre un circuit de lecture, de préférence essentiellement composé de silicium et/ou germanium.
  8. Détecteur (1) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, comprenant au moins trois couches : une première couche (11) comprenant un circuit de détection, une deuxième couche (12) comprenant un alliage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, de préférence sous forme de billes polycristallines (14), et une matrice résine époxy (15), et une troisième couche (13) comprenant un circuit de lecture.
  9. Procédé de fabrication d’un détecteur selon l’une quelconque des revendications 5 à 8 comprenant une étape de brasage réalisée au moyen d’un alliage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
  10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’étape de brasage comprend l’établissement d’une connexion électrique verticale entre un circuit de lecture et un circuit de détection positionnés l’une au regard de l’autre, la température de brasage étant de préférence supérieure à la température de fusion dudit alliage.
  11. Procédé selon la revendication précédente comprenant en outre une étape d’injection de résine époxy entre les billes après l’étape de brasage.
  12. Utilisation d’un alliage de brasure à base d’indium et de cadmium selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans la fabrication d’un détecteur.
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