WO2016097112A2 - Piece en ceramique metallisee, son procede de preparation, et procede pour assembler cette piece avec une piece en metal ou en ceramique - Google Patents

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Abstract

Pièce en une céramique comprenant au moins une surface externe métallisée, comprenant un revêtement à gradient de composition, ledit revêtement comprenant successivement depuis la surface externe vers la céramique dans le sens de l'épaisseur du revêtement: une couche de surface constituée par un métal M; une couche d'un oxyde du métal M: MkOw où k va de 1 à 3 et w va de 1 à 4; une couche d'un composé de réaction entre l'oxyde d'un métal M et la céramique qui présente un gradient de composition, de préférence continu, dans le sens de l'épaisseur de ladite couche, avec une teneur en métal M diminuant, de préférence de manière continue, vers la céramique. Procédé pour préparer cette pièce. Procédé d'assemblage d'une première pièce en une céramique avec une deuxième pièce en un métal ou en une céramique dans lequel on métallisé au moins une surface d'une première pièce en une céramique par ledit procédé.

Description

PIECE EN CERAMIQUE METALLISEE, SON PROCEDE DE PREPARATION, ET PROCEDE POUR ASSEMBLER CETTE PIECE AVEC UNE PIECE EN METAL OU EN CERAMIQUE.
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne une pièce en céramique métallisée.
Plus précisément, l'invention a trait à une pièce en une céramique comprenant au moins une surface métallisée.
L'invention concerne, en outre, un procédé pour préparer ladite pièce en céramique métallisée, en d'autres termes, un procédé pour métalliser au moins une surface d'une pièce en céramique.
L'invention concerne également un procédé pour assembler cette pièce en céramique avec une pièce en métal ou une autre pièce en céramique, dans lequel on métallisé cette pièce en céramique par le procédé selon l'invention, puis on assemble la pièce en céramique ainsi métallisée avec une pièce en métal ou en céramique au moyen d'une technique d'assemblage telle que le brasage ou le soudage diffusion.
Le domaine technique de l'invention peut être défini de manière générale comme celui de l'assemblage de pièces en céramique avec des pièces métalliques ou céramiques, et notamment comme celui de la métallisation de pièces en céramique en vue de leur assemblage avec des pièces métalliques ou céramiques.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Le document US-A-3,854,892 décrit l'assemblage direct de pièces en métal avec d'autres pièces en métal qui utilise un eutectique gaz-métal.
Une pièce en métal par exemple en cuivre est mise en contact avec une autre pièce en métal.
On chauffe les pièces en métal à une température légèrement inférieure au point de fusion du métal qui présente le point de fusion le plus bas, par exemple environ 1083°C pour le cuivre, le chauffage étant réalisé dans une atmosphère réactive, telle qu'une atmosphère oxydante pendant une durée suffisante pour former une composition eutectique métal-oxygène à l'état fondu qui mouille les deux pièces en contact et qui, lors du refroidissement, forme une liaison solide entre les deux pièces.
Dans le cas où la pièce métallique est en cuivre et le gaz réactif est de l'oxygène, l'eutectique métal-oxygène est un mélange de cuivre et d'oxyde de cuivre et la température de l'eutectique est de 1066°C.
Ce document ne concerne que l'assemblage de métaux, et non l'assemblage d'une céramique avec un métal ou l'assemblage de deux céramiques. En outre, les jonctions obtenues dans ce document sont des jonctions abruptes, obtenues à de hautes températures. De ce fait, l'interface ne supporte pas les contraintes importantes qu'il subit dans les conditions d'usage, en particulier lors de cycles thermiques à des températures élevées.
Le document US-A-3,180,756 concerne la métallisation d'une céramique.
En particulier, ce document décrit la préparation d'un revêtement de cuivre qui est adhérent, bon conducteur de l'électricité et qui peut être facilement brasé, sur une pièce en alumine.
Cette pièce en alumine revêtue de cuivre est préparée en appliquant une couche mince d'un mélange eutectique d'oxyde cuivreux (Cu20) et d'oxyde d'aluminium (AI2O3) sur la surface de la pièce en alumine, puis en chauffant le mélange dans une atmosphère oxydante telle que de l'air à une température au-dessus de son point de fusion (1190°C), par exemple à 1250°C, afin de mouiller la surface de la pièce.
Le mélange eutectique est préparé par mélange à sec de poudre de Cu20 et de poudre d'AI203 dans des proportions respectives de 94,2% et de 5,8% en poids et l'épaisseur du revêtement doit être inférieure à 0,005 pouces (0,0127 cm).
Le mélange est ensuite refroidi à une température à laquelle il se solidifie, puis la céramique ainsi revêtue est cuite dans une atmosphère oxydante à une température au- dessus du point de fusion du revêtement (1190°C), par exemple 1250°C. Durant cette cuisson, le revêtement en mélange eutectique CU2O-AI2O3 réagit dans une faible mesure avec l'alumine et forme une couche adhérente. La céramique revêtue est alors recuite à une température d'au moins 1000°C dans une atmosphère réductrice qui provoque la transformation d'oxyde cuivreux dans le revêtement en cuivre métallique. On obtient finalement une pièce en céramique comportant une couche adhérente de cuivre métallique sur sa surface. Cette pièce est très conductrice et peut être facilement soudée avec d'autres pièces métalliques.
Un des inconvénients majeurs du procédé de ce document est l'absence de gradient dans le revêtement qui empêche l'utilisation de la céramique métallisée à des températures élevées et qui ne permet pas de la soumettre à ces cycles thermiques. De plus, le traitement thermique de réduction doit se faire à une température au moins égale à 1000°C pour permettre la réduction des oxydes CuAIOx qui sont difficiles à réduire. Cette température de réduction est très élevée et conduit à des pertes énergétiques et à des contraintes internes importantes dans la pièce. Enfin, ce procédé ne peut être utilisé que pour préparer des revêtements de faibles épaisseurs.
Le document US-A-2,776,472 a trait à un procédé pour réaliser une liaison céramique-métal dans lequel on applique un revêtement d'un oxyde d'un métal choisi parmi le molybdène et le tungstène sur la surface d'une pièce en céramique, on recuit la pièce en céramique ainsi revêtue dans une atmosphère réductrice pour qu'un première partie de l'oxyde de métal qui est la plus proche de la surface de la céramique réagisse avec celle-ci et que le reste de l'oxyde de métal qui recouvre cette première partie soit réduite pour former un film métallique. Cette pièce en céramique pourvue d'un film métallique peut être ensuite assemblée avec une autre pièce qui comporte une surface métallique en faisant fondre un métal entre le film métallique et la surface métallique puis en solidifiant ce métal.
Le procédé de ce document nécessite d'avoir des alumines impures, donc ayant une phase vitreuse. Ces alumines vitreuses sont moins adaptées à des applications dans des secteurs comme celui des isolants électriques à haute puissance, ou de manière générale dans tous les secteurs nécessitant une grande pureté de l'alumine.
On sait en effet que les propriétés des alumines pures sont une grande dureté et de meilleures propriétés mécaniques, une grande résistance à la corrosion, une meilleure conductibilité thermique, une meilleure isolation électrique. Globalement, ce sont des alumines que l'on peut qualifier de « plus techniques ». Il existe donc, au regard de ce qui précède, un besoin pour une pièce en céramique, de bonne qualité, métallisée dans laquelle les contraintes thermomécaniques sont réduites.
Il existe ensuite un besoin pour une pièce en céramique métallisée qui, lorsqu'elle est assem blée avec des pièces en métal donne des assemblages qui possèdent une excellente résistance mécanique, en particulier quand ces assemblages sont utilisés à des températures élevées, et notamment lorsqu'ils sont soumis à des cycles thermiques à de telles températures.
Il existe en outre au regard de ce qui précède un besoin pour un procédé de métallisation d'une céramique qui permette d'obtenir de telles pièces en céramique métallisée et qui soit simple, fiable, facile à mettre en œuvre, qui comporte un nombre limité d'étapes, qui utilise des températures modérées et dont la consommation en énergie soit limitée.
Le but de la présente invention est de fournir une pièce en céramique comprenant au moins une surface externe métallisée, et un procédé pour préparer une telle pièce qui répondent entre autres à ces besoins, qui ne présentent pas les inconvénients, défauts, limitations et désavantages des pièces et procédés de métallisation de l'art antérieur et qui résolvent les problèmes des pièces et procédés de l'art antérieur. EXPOSÉ DE L'INVENTION
Ce but et d'autres encore, sont atteints, conformément à l'invention par une pièce en une céramique comprenant au moins une surface externe métallisée, comprenant un revêtement à gradient de composition, ledit revêtement comprenant successivement depuis la surface externe vers la céramique dans le sens de l'épaisseur du revêtement :
- une couche de surface constituée par un métal M ;
une couche d'un oxyde du métal M : MkOw où k va de 1 à 3 et w va de 1 à 4 ; une couche d'un composé de réaction entre l'oxyde d'un métal M et la céramique qui présente un gradient de composition, de préférence continu, dans le sens de l'épaisseur de ladite couche, avec une teneur en métal M diminuant, de préférence de manière continue, vers la céramique. Le composé de réaction entre l'oxyde d'un métal M et la céramique est généralement un composé stable à la pression (1 Bar) et à la température ambiante (25°C).
Par stable, on entend qu'il pourra être manipulé dans des conditions standard de pression et de température sans se décomposer.
Avantageusement, la couche de surface constituée par un métal M peut avoir une épaisseur de 1 μιη à 10 mm; la couche d'un oxyde du métal M peut avoir une épaisseur de 1 μιη à 50 μιη ; et la couche d'un composé de réaction a une épaisseur de 1 μιη à 50 μιη.
Il n'existe aucune limitation sur le métal M. Par métal M, on entend également les alliages de plusieurs métaux.
Avantageusement, le métal M est choisi parmi Cu, Ag, Ni, Fe, Si, Pb, Co, Zn, Mg, Sn,
Be et les alliages de ces métaux entre eux.
Avantageusement, la céramique est choisie parmi les céramiques oxydes, et les céramiques différentes des céramiques oxydes et oxydées.
Lesdites céramiques différentes des céramiques oxydes peuvent être choisies parmi les céramiques nitrures comme l'AIN, les céramiques carbures, et les céramiques borures.
De préférence, la céramique est l'alumine AI2O3, et alors le composé de réaction stable entre l'oxyde d'un métal M et la céramique répond généralement à la formule MxAlyOz où x vaut 1, y va de 1 à 2 et z va de 1 à 4, de préférence de 2 à 4.
La céramique peut présenter une porosité de surface ou une texturation de surface, ou bien la céramique peut être une céramique dense.
La pièce selon l'invention se différencie fondamentalement des pièces métallisées de l'art antérieur en ce qu'elle comprend un revêtement très spécifique qui n'a jamais été décrit ou suggéré dans l'art antérieur tel que représenté notamment par les documents cités plus haut.
Ce revêtement très spécifique comprend une succession spécifique de couches spécifiques, avec successivement, depuis la surface externe vers la céramique dans le sens de l'épaisseur du revêtement : une couche de surface constituée par un métal M puis une couche d'au moins un oxyde MkOw du métal M où k va de 1 à 3 et w va de 1 à 4 , et enfin une couche d'un composé de réaction entre l'oxyde d'un métal M et la céramique qui présente un gradient de composition, de préférence continu, autrement dit une gradation progressive, de composition dans le sens de l'épaisseur de ladite couche, avec une teneur en métal M diminuant vers la céramique. Cette dernière couche est adjacente à la céramique pure.
En particulier, le revêtement dont est pourvue la pièce en céramique selon l'invention se distingue fondamentalement des revêtements de métallisation connus de pièces en céramique par la présence de couches à gradient de composition, de préférence continu, d'un composé de réaction stable entre l'oxyde d'un métal M et la céramique.
On peut dire que le revêtement de la pièce selon l'invention présente globalement un gradient de composition depuis une couche en métal pur par exemple en cuivre, jusqu'à la céramique pure, en passant par une couche en oxyde d'un métal M, et une couche d'un composé de réaction entre l'oxyde d'un métal M et la céramique qui présente un gradient de composition, de préférence continu. Outre ce gradient global de l'ensemble du revêtement, la couche d'un composé de réaction stable entre l'oxyde d'un métal M et la céramique présente quant à elle un gradient, de préférence continu, de composition qui assure une transition progressive, et non pas abrupte entre le métal pur et la céramique initiale.
Dans le revêtement de la pièce selon l'invention, les écarts de coefficient de dilatation thermique entre les différentes couches sont faibles et dans la couche à gradient continu de composition, le coefficient de dilatation thermique varie de manière progressive, de ce fait les contraintes thermomécaniques entre les couches sont réduites et une excellente « accroche » mécanique de la couche métallique est assurée.
La pièce selon l'invention, grâce au revêtement à gradient de composition, et notamment grâce à la couche à gradient de composition, de préférence à gradient continu de composition qu'elle comprend, ne présente pas les défauts, liés en particulier à la nature abrupte des interfaces, des pièces métallisées de l'art antérieur et apporte une solution aux problèmes que présentaient ces pièces.
Ainsi, la pièce métallisée selon l'invention présente notamment une excellente résistance, généralement meilleure que celle des pièces métallisées de l'art antérieur lors d'une utilisation à température élevée et notamment lors d'une utilisation où la pièce, ou l'assemblage qui la comprend, est soumise à des cycles thermiques. Selon l'invention, il n'est en outre pas nécessaire que la céramique possède une phase vitreuse, avec tous les inconvénients afférents.
De plus, la céramique peut être pure pour répondre aux besoins dans les domaines des appareils thermiques, électriques, ou biomédicaux.
L'invention concerne, en outre, un procédé pour préparer une pièce en une céramique comprenant au moins une surface externe métallisée (que l'on peut appeler plus simplement procédé de métallisation d'une céramique) dans lequel on réalise les étapes successives suivantes :
a) on dépose un composé d'un métal M, choisi parmi un métal M, un alliage du métal M, ou un oxyde du métal M, sur ladite surface ;
b) on chauffe la pièce en une céramique pourvue d'un dépôt du composé d'un métal M, sous une atmosphère d'un gaz comprenant un gaz oxydant si le composé d'un métal M n'est pas un oxyde, ou sous une atmosphère d'un gaz inerte si le composé d'un métal M est un oxyde, pour former au moins un oxyde du métal M si le composé d'un métal M n'est pas un oxyde, et pour que l'oxyde du métal M et la céramique diffusent entre eux (interdiffusent) et réagissent de façon à former une couche d'un composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la céramique sous ladite surface, en laissant une couche de surface de l'oxyde du métal M : MkOw, sur ladite surface, la couche du composé de réaction présentant un gradient de composition dans le sens de son épaisseur, avec une teneur en métal M diminuant depuis ladite surface vers la céramique ;
c) on réduit en partie seulement la couche de surface de l'oxyde du métal M : MkOw de façon à obtenir une couche du métal M sur une couche d'au moins un oxyde du métal M : MkOw sur la couche du composé de réaction présentant un gradient de composition depuis ladite surface.
Avantageusement, lors de l'étape b) on chauffe la pièce en une céramique pourvue d'un dépôt du composé d'un métal M à une température suffisante pour faire fondre l'oxyde du métal M de façon à former une phase liquide de l'oxyde du métal M. De préférence, on chauffe la pièce en une céramique pourvue d'un dépôt du composé d'un métal M sous une pression partielle en gaz oxydant assurant l'étalement de la phase liquide de l'oxyde du métal M.
Avantageusement, le métal M est choisi parmi Cu, Ag, Ni, Fe, Si, Pb, Co, Zn, Mg, Sn, Be et les alliages de ces métaux entre eux.
Avantageusement, la céramique est choisie parmi les céramiques oxydes, et les céramiques différentes des céramiques oxydes et oxydées.
De préférence, la céramique est l'alumine AI2O3.
Le composé d'un métal M peut être déposé par toute technique de dépôt connue de l'homme du métier.
Avantageusement, le composé d'un métal M est déposé par une technique de dépôt choisie parmi les techniques de dépôt d'encre, de dépôt en phase vapeur, et de dépôt électrochimique.
Avantageusement, le composé d'un métal M est déposé sous la forme d'une couche. De préférence, l'épaisseur de la couche d'un composé d'un métal M déposée est supérieure à une distance de diffusion de l'oxyde d'un métal M dans la céramique.
Par exemple, l'épaisseur de la couche d'un composé d'un métal M déposée peut être de 1 μιη à 10 millimètres.
Le gaz oxydant est de préférence l'oxygène.
Le gaz de ladite atmosphère peut ainsi être de l'oxygène pur ; un mélange d'oxygène et d'un gaz inerte tel que l'argon, l'azote ou l'hélium, ledit mélange présentant une teneur en oxygène généralement de 100 ppm à 100% at., par exemple de 1% at. ou de 2% at. ; de l'air ; ou de l'air enrichi en oxygène.
Avantageusement, la couche de surface de l'oxyde d'un métal M est réduite sous une atmosphère d'un gaz comprenant un gaz réducteur, sous vide, par carboréduction, réduction au contact du titane ou du zirconium, ou par électrochimie.
Avantageusement, la couche de surface de l'oxyde d'un métal M est réduite dans une gamme de températures allant de 250°C à la température de fusion de la céramique, de préférence à une température de 250°C à 350°C. C'est là un des avantages du procédé selon l'invention que de pouvoir réaliser cette réduction de l'oxyde d'un métal M à une température peu élevée ou par électrochimie.
En effet, les contraintes thermomécaniques induites dans la pièce métallisée sont alors très faibles, et le procédé de métallisation est moins onéreux et moins contraignant.
L'oxyde d'un métal M est donc de préférence choisi parmi les oxydes qui peuvent être réduits à basse température ou par voie électrochimique tels que les oxydes de cuivre, (notamment dans le cas où l'on souhaite avoir une épaisseur finale de métal importante).
Le gaz réducteur est de préférence l'hydrogène.
Le gaz de ladite atmosphère peut ainsi être de l'hydrogène pur ; un mélange d'hydrogène et d'un gaz inerte tel que l'argon, l'azote ou l'hélium, ledit mélange présentant une teneur en hydrogène, généralement de 1% à 99% at., par exemple de 2% à 3% at., notamment 2% at. ou 3% at.
Le procédé selon l'invention présente une suite spécifique d'étapes spécifiques qui n'est décrite ni suggérée dans l'art antérieur tel que représenté notam ment par les documents cités plus haut.
Le procédé selon l'invention fait appel à des étapes simples réalisées généralement avec un faible apport d'énergie et à des températures peu élevées. En particulier, lors de l'étape c), l'oxyde de métal peut être très facilement réduit.
On peut dire que le procédé selon l'invention repose sur le principe général qui consiste à faire réagir un oxyde métallique avec une céramique de façon à ce que l'oxyde et la céramique interdiffusent sur une distance limitée, par exemple de 1 μιη à 10 millimètres, et réagissent pour former une couche d'un composé de réaction, ou couche de réaction, entre l'oxyde métallique et la céramique. Cette couche est une couche épaisse, par exemple d'une épaisseur supérieure ou égale à 1 μιη, de préférence de 1 à 50 μιη.
Ce composé de réaction est stable à la température et à la pression ambiante, à savoir
1 bar et 25°C.
Cette couche est recouverte d'une couche de surface d'oxyde métallique qui n'a pas réagi avec la céramique.
Le procédé selon l'invention ne présente pas les inconvénients des procédés de l'art antérieur tel que représenté notamment par les documents cités plus haut. En particulier, le procédé selon l'invention permet une bien meilleure adhésion des pièces métallisées lorsqu'elles sont mises en œuvre dans un assemblage que la technique de métallisation Mo-Mn habituellement utilisée et qui fait l'objet du document US-A-2,776,472.
En effet, dans le cas de la métallisation MoMn, il faut faire un dépôt de Ni ou Cu ou autre sur la métallisation. Ces deux étapes permettent de faire une brasure plus tard. Dans notre cas, le dépôt en Cu est direct et constitue la métallisation, d'où une simplification certaine.
L'invention concerne également un procédé d'assemblage d'une première pièce en une céramique avec une deuxième pièce en un métal ou en une céramique dans lequel on métallisé au moins une surface d'une première pièce en une céramique par le procédé selon l'invention, et on assemble la surface métallisée de la première pièce en une céramique avec une surface de la deuxième pièce en un métal ou en une céramique.
Avantageusement, la surface métallisée de la première pièce en une céramique est assemblée avec une surface de la deuxième pièce en un métal ou en une céramique par brasage ou par soudage diffusion.
Le procédé d'assemblage et la pièce assemblée ainsi préparée présentent tous les avantages inhérents à la pièce métallisée et au procédé de préparation de cette pièce qui ont été exposés plus haut.
L'invention concerne en outre un procédé d'assemblage d'une première pièce en une première céramique avec une deuxième pièce en une deuxième céramique, dans lequel on réalise les étapes successives suivantes:
a) on place un composé d'un métal M, choisi parmi un métal M, un alliage du métal M, ou un oxyde du métal M, entre une surface à assembler de la première pièce et une surface à assembler de la deuxième pièce ;
b) on chauffe les pièces et le composé d'un métal M, sous une atmosphère d'un gaz comprenant un gaz oxydant si le composé d'un métal M n'est pas un oxyde, ou sous une atmosphère d'un gaz inerte si le composé d'un métal M est un oxyde, pour former au moins un oxyde du métal M si le composé d'un métal M n'est pas un oxyde, et pour que l'oxyde du métal M et la première céramique diffusent entre eux (interdiffusent) et réagissent de façon à former une couche d'un composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la première céramique et pour que l'oxyde du métal M et la deuxième céramique diffusent entre eux (interdiffusent) et réagissent de façon à former une couche d'un composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la deuxième céramique, en laissant une couche de l'oxyde du métal M : MkOw, entre la surface à assembler de la première pièce et la surface à assembler de la deuxième pièce, moyennant quoi on obtient un assemblage de la première pièce en une première céramique et de la deuxième pièce en une deuxième céramique dans lequel entre la surface à assembler de la première céramique et la surface à assembler de la deuxième céramique, on rencontre successivement dans l'ordre, la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la première céramique, la couche de l'oxyde du métal M : MkOw, et la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la deuxième céramique, la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la première céramique présentant un gradient de composition dans le sens de son épaisseur, avec une teneur en métal M diminuant depuis la couche de l'oxyde du métal M : MkOw vers la première céramique ; et la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la deuxième céramique présentant un gradient de composition dans le sens de son épaisseur, avec une teneur en métal M diminuant depuis la couche de l'oxyde du métal M : MkOw vers la deuxième céramique.
La description qui a été faite plus haut des particularités des procédés de métallisation et d'assemblage s'applique aussi mutatis mutandis à ce procédé d'assemblage d'une première pièce en une première céramique avec une deuxième pièce en une deuxième céramique par exemple en ce qui concerne le métal M, les céramiques, les conditions de l'étape b) etc.
Avantageusement, à l'issue de l'étape b) on réduit en outre la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la première céramique, la couche de l'oxyde du métal M, MkOw, et la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la deuxième céramique, pour obtenir un assemblage de la première pièce en une première céramique et de la deuxième pièce en une deuxième céramique avec une couche du métal M entre la surface à assembler de la première céramique et la surface à assembler de la deuxième céramique. Cette réduction a généralement lieu à basse température, par exemple entre 200°C et 400°C sous une atmosphère de gaz réducteur.
Le gaz de ladite atmosphère peut ainsi être de l'hydrogène pur, un mélange d'hydrogène et d'un gaz inerte tel que l'argon, l'azote ou l'hélium ; ledit mélange présentant une teneur en hydrogène, généralement de 1 à 99% at ; par exemple de 2% à 3% at.
De préférence, le métal M est un métal conducteur de l'électricité tel que le cuivre. On obtient ainsi facilement une piste conductrice, par exemple en cuivre entre deux pièces en céramique.
Avantageusement, la première et la deuxième céramiques sont identiques et sont de préférence l'alumine.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail dans ce qui suit en liaison notamment avec des modes de réalisation particuliers. Cette description est faite en relation avec les dessins joints.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La Figure 1 est une vue en coupe schématique qui montre un revêtement à gradient de composition d'une pièce métallisée selon l'invention, préparée par le procédé selon l'invention.
- La Figure 2 est une image prise au microscope électronique à balayage d'une coupe de la céramique métallisée obtenue dans l'exemple 1, après réduction à une température de 275°C sous une atmosphère à 2% d'hydrogène.
L'échelle portée sur la Figure 2 représente 100 μιη.
La Figure 3 est une image prise au microscope électronique à balayage d'une coupe de la céramique métallisée obtenue dans l'exemple 2 après réduction à une température de 800°C sous une atmosphère à 3% d'hydrogène.
L'échelle portée sur la Figure 3 représente 50 μιη.
La Figure 4 est une image prise au microscope électronique à balayage d'une coupe de la céramique métallisée obtenue dans l'exemple 2 après réduction à une température de 400°C sous une atmosphère à 3% d'hydrogène. L'échelle portée sur la Figure 4 représente 40 μιη.
La Figure 5 est une image prise au microscope électronique à balayage d'une coupe de la céramique texturée obtenue dans l'exemple 3.
L'échelle portée sur la Figure 5 représente 20 μιη.
La Figure 6 montre le dépôt d'un oxyde de métal et sa fusion dans la porosité de surface de la céramique obtenue dans l'exemple 3.
L'échelle portée sur la Figure 6 représente 50 μιη.
La Figure 7 est une vue en coupe schématique qui montre l'assemblage de deux pièces en céramique liées ensemble obtenu dans l'exemple 7.
La Figure 8 est une image prise au microscope électronique à balayage qui montre l'assemblage de deux pièces en céramique liées ensemble obtenu dans l'exemple 7.
L'échelle portée sur la Figure 8 représente 100 μιη.
La Figure 9 est une image prise au microscope électronique à balayage qui montre l'assemblage de deux pièces en céramique liées ensemble obtenu dans l'exemple 7.
L'échelle portée sur la Figure 9 représente 1 mm.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La description détaillée qui suit est plutôt faite en relation avec le procédé selon l'invention pour métalliser au moins une surface d'une pièce en une céramique.
La céramique peut être choisie généralement parmi les céramiques oxydes, et les céramiques différentes des céramiques oxydes et oxydées.
Lesdites céramiques, différentes des céramiques oxydes, peuvent être choisies parmi les céramiques nitrures comme l'AIN, les céramiques carbures, et les céramiques borures.
Selon la première étape a) du procédé selon l'invention, on dépose un composé d'un métal M, choisi parmi un métal M, un alliage du métal M, ou un oxyde du métal M, sur ladite surface.
Ce dépôt est généralement réalisé sous la forme d'une couche. De préférence, l'épaisseur de la couche d'un composé d'un métal M, tel que le métal M ou l'oxyde du métal M déposée doit être suffisante pour que la céramique et l'oxyde du métal M déposé diffusent entre eux, interdiffusent en laissant une couche de l'oxyde d'un métal M en surface.
Autrement dit, l'épaisseur de la couche d'un composé d'un métal M déposée doit être supérieure à la distance de diffusion de l'oxyde du métal dans la céramique.
Par exemple, l'épaisseur de la couche d'un composé d'un métal M déposée peut être de 1 μιη à 10 millimètres.
C'est cette couche de l'oxyde d'un métal M qui reste en surface qui est ensuite réduite.
Le composé d'un métal M peut être déposé par une technique de dépôt d'encre, de dépôt en phase vapeur, ou de dépôt électrochimique, ou par tout autre procédé de dépôt connu de l'homme du métier.
Dans le cas d'une encre, elle est généralement préparée à partir d'une poudre du composé de métal M et on réalise généralement plusieurs dépôts successifs, de manière à atteindre l'épaisseur voulue.
Une telle encre comprend généralement un solvant et un liant.
Le composé du métal M peut être choisi notamment parmi les métaux M suivants : Cu, Ag, Ni, Fe, Si, Pb, Co, Zn, Mg, Sn, Be ou tout autre métal M, les alliages desdits métaux M entre eux, et les oxydes desdits métaux M.
Selon l'invention, on chauffe ensuite la pièce en une céramique pourvue d'un dépôt du composé d'un métal M, sous une atmosphère d'un gaz comprenant un gaz oxydant si le composé d'un métal M n'est pas un oxyde, ou sous une atmosphère d'un gaz inerte si le composé d'un métal M est un oxyde, pour former au moins un oxyde du métal M si le composé d'un métal M n'est pas un oxyde, et pour que l'oxyde du métal et la céramique diffusent entre eux (interdiffusent) et réagissent de façon à former une couche d'un composé de réaction stable entre l'oxyde d'un métal M et la céramique sous ladite surface, en laissant une couche de surface de l'oxyde du métal M sur ladite surface, la couche du composé de réaction présentant un gradient de composition, de préférence continu, dans le sens de son épaisseur, avec une teneur en métal M diminuant depuis ladite surface vers la céramique.
Le gaz oxydant est de préférence l'oxygène.
Le gaz de ladite atmosphère peut ainsi être de l'oxygène pur ; un mélange d'oxygène et d'un gaz inerte tel que l'argon, l'azote ou l'hélium, ledit mélange présentant une teneur en oxygène généralement de 100 ppm à 100 % at.; de l'air; ou de l'air enrichi en oxygène.
Le chauffage de la pièce en une céramique pourvue d'un dépôt du composé d'un métal M est généralement réalisé à une température suffisante pour faire fondre l'oxyde du métal M de façon à former une phase liquide de l'oxyde du métal M .
Cette température peut être par exemple de 800°C à 2000°C, notamment de 1100°C.
Si le composé d'un métal M n'est pas un oxyde, par exemple s'il s'agit d'un métal, il est tout d'abord oxydé lors du chauffage sous une atmosphère de gaz pour former au moins un oxyde du métal M .
Si le composé d'un métal M est un oxyde, un gaz neutre, inerte peut être utilisé à la place d'un gaz oxydant.
Selon la teneur en oxygène du gaz qui constitue ladite atmosphère, on peut obtenir des oxydes différents ou un mélange d'oxydes.
Ainsi, dans le cas où l'on dépose du cuivre métallique, si le chauffage est réalisé sous une atmosphère d'air, on forme alors du Cu20 et du CuO ; si l'on opère sous une atmosphère avec une P02 supérieure à PO2=10~2bar (soit 1%), on forme du CuO ; et si l'on opère sous une atmosphère avec une P02 inférieure à PO2=10~2bar (soit 1%), on forme du Cu20.
De préférence lors de l'étape b), on chauffe la pièce en une céramique pourvue d'un dépôt du composé d'un métal M à une température suffisante pour faire fondre l'oxyde du métal M déposé ou préalablement obtenu à partir du métal M, de façon à former une phase liquide de l'oxyde du métal M .
La formation d'une phase d'oxyde du métal liquide permet en effet d'accélérer les échanges et de faciliter la formation de la couche à gradient de composition d'un composé de réaction stable entre l'oxyde du métal M et la céramique à l'interface entre l'oxyde de métal et la céramique, sur une distance de plusieurs micromètres par exemple de 1 à 10 millimètres.
Toutefois, la formation d'une phase d'oxyde du métal liquide n'est pas obligatoire si l'interdiffusion entre la céramique et l'oxyde du métal sous l'effet du chauffage et de l'atmosphère oxydante, est déjà suffisante pour qu'une réaction se produise entre l'oxyde du métal et la céramique et crée ainsi la couche à gradient de composition.
De préférence, on chauffe la pièce en une céramique pourvue d'un dépôt du composé d'un métal M sous une pression partielle en gaz oxydant assurant un bon étalement de ladite phase liquide d'oxyde du métal.
Généralement, la température de chauffage et la teneur en gaz oxydant du gaz sont telles que se forme un eutectique à bas point de fusion de l'oxyde du métal et du gaz.
Ensuite, l'oxyde du métal déposé, ou formé à partir du composé d'un métal déposé, et la céramique diffusent entre eux (interdiffusent) et réagissent de façon à former une couche d'un composé de réaction stable entre l'oxyde d'un métal M et la céramique sous la surface, en laissant une couche de surface de l'oxyde du métal M sur ladite surface.
Cette couche de l'oxyde du métal M a généralement une épaisseur de 1 μιη à 50 μιη.
L'oxyde du métal M de cette couche répond généralement à la formule MkOw, par exemple CukOw où k va de 1 à 3 et w va de 1 à 4.
Selon l'invention, la couche du composé de réaction présente un gradient de composition dans le sens de son épaisseur, avec une teneur en métal M diminuant depuis ladite surface vers la céramique.
La couche du composé de réaction a généralement une épaisseur de 1 μιη à 50 μιη.
Ainsi, dans le cas où la céramique est de l'alumine, le composé de réaction stable formé entre l'oxyde d'un métal M et la céramique répond à la formule MxAlyOz où x vaut 1, y va de 1 à 2, et z va de 1 à 4, de préférence de 2 à 4.
Des exemples de mise en œuvre de l'étape b) du procédé selon l'invention avec un substrat en alumine, utilisant divers oxydes de métaux, directement déposés sur le substrat ou formés à partir du métal sont donnés plus bas. Ces exemples ne doivent en aucune manière être considérés comme limitatifs, et l'homme du métier pourra facilement mettre en œuvre l'étape b) du procédé selon l'invention avec d'autres oxydes et d'autres céramiques. - L'AgO fond à partir du point eutectique à 939°C à 2% at. d'oxygène et peut ainsi former un composé MxAlyOz M étant Ag, en guise d'interface de réaction entre AgO et AI2O3. Le composé est AgO formé en surface.
Le NiO fond à partir du point eutectique avec l'oxygène à 1440°C à environ 1% at. d'oxygène et peut ainsi former avec l'alumine un composé MxAlyOz, M étant Ni, en guise d'interface de réaction entre NiO et AI2O3 tandis que le composé NiO est formé en surface.
Les FexOy fondent à partir du point eutectique à 1371°C pour 50,92%at. d'oxygène et peuvent ainsi former un composé MxAlyOz, M étant Fe, en guise d'interface de réaction entre FeO et AI2O3. A partir de 1310°C, un mélange liquide de FeO et de MxAlyOz peut ainsi se former. Les composés FexOy sont formés en surface.
- Si du CoO (ou du Co) est déposé sur de l'alumine, le mélange AI2O3-C0O fond à partir du point eutectique à 1690°C à 82% mol de CoO et peut ainsi former un composé MxAlyOz, M étant Co, en guise d'interface de réaction entre CoO et AI2O3 tandis que le composé CoO est formé en surface.
Si du MgO est déposé, le mélange Al2Û3-MgO fond à partir du point eutectique à 1994°C à 82% at. de MgO et peut ainsi former un composé MxAlyOz en guise d'interface de réaction entre MgO et AI2O3 tandis que le composé MgO est formé en surface.
Ensuite lors de l'étape c) du procédé selon l'invention, on réduit en partie seulement la couche de surface de l'oxyde du métal M, de façon à obtenir une couche du métal M sur une couche de l'oxyde du métal M sur la couche du composé de réaction présentant un gradient de composition depuis ladite surface.
L'oxyde du métal M de surface doit pouvoir être réduit de façon à laisser en surface le métal M intérêt de la métallisation. Le composé de réaction tel que MxAlyOz à l'interface de la céramique et de l'oxyde du métal M n'est pas réduit par le traitement de réduction de l'oxyde du métal M. Autrement dit, c'est cet oxyde du métal M qui est réduit et seulement cet oxyde du métal M.
La couche de surface de l'oxyde du métal M est réduite en partie ce qui signifie que cette couche est transformée en surface en une couche du métal M et que sous cette couche du métal M subsiste une couche de l'oxyde.
La couche de surface de l'oxyde d'un métal M peut être réduite sous une atmosphère d'un gaz réducteur, sous vide, par carboréduction, réduction au contact du titane, par électrochimie ou par toute autre technique de réduction connue de l'homme du métier.
Selon l'épaisseur de la couche d'oxyde d'un métal M, sa stabilité vis-à-vis de la réduction, et la technique de réduction retenue, la réduction peut être réalisée dans une gamme de températures allant de 250°C à la température de fusion de la céramique, à savoir par exemple 2054°C pour AI2O3.
De préférence, la réduction est cependant réalisée dans une gamme de températures que l'on peut qualifier de basses, par exemple de 250°C à 350°C.
Avantageusement, le gaz réducteur est un gaz contenant de l'hydrogène, tel que de l'hydrogène pur ou un gaz contenant généralement de 1 à 99 % at. ; par exemple de 2% à 3% at. d'hydrogène.
Si l'oxyde d'un métal M est très stable et/ou l'épaisseur de la couche d'oxyde d'un métal M est trop faible pour que l'oxyde de métal soit présent en surface, la réduction de surface pourra se faire à plus haute température et/ou dans des conditions de réduction plus sévères, comme sous hydrogène pur à au-dessus de 1000°C par exemple.
A l'issue de la réduction, on obtient la pièce en une céramique comprenant au moins une surface externe métallisée, selon l'invention.
La Figure 1 montre un revêtement à gradient de composition de cette pièce dans lequel on passe d'un matériau (a) (métal tel que le cuivre) à un matériau (c) (céramique telle que l'alumine) par l'intermédiaire d'une transition progressive (b).
Le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre de préférence avec une céramique qui est de l'alumine, et du cuivre ou un oxyde de cuivre. Dans le cas du dépôt d'une encre à base de Cuivre ou de son oxyde CuO à la surface d'une pièce en céramique AI2O3, une cuisson sous air au-dessus du point eutectique Cu20- CuO qui est situé à 1091°C permet de faire fondre le l'oxyde de cuivre en surface de la céramique et de faire interagir les deux constituants, à savoir l'oxyde de cuivre et l'alumine pour former CuxAlyOz.
La pièce finale comprend, sur la céramique dont le coefficient de dilatation thermique (CDT) est de 8 ppm/K successivement une couche à gradient de formule CuxAlyOz (avec x valant 1, y variant de 1 à 2, et z variant de 1 à 4, par exemple de 2 à 4) et d'une épaisseur de 1 à 50 μιη dont le coefficient de dilatation thermique (CDT) est de 8 à 11 ppm/K, une couche de Cui<0 (avec k = 2) d'une épaisseur de 1 à 50 μιη dont le coefficient de dilatation thermique (CDT) est de 8 à 11 ppm/K et finalement une couche de Cu d'une épaisseur de 1 μιη à 10 mm dont le coefficient de dilatation thermique (CDT) est de 17 ppm/K.
On constate donc que l'écart des coefficients de dilatation est faible dans cette pièce.
Si l'épaisseur du dépôt est supérieure à 30μιη, pour un temps de réaction sous air de lh à 1100°C, il peut être réduit à partir de 250°C sous une atmosphère pauvre en H2 (2%). En diminuant le temps de réaction à 1100°C à quelques secondes, l'épaisseur de dépôt pouvant être réduit tombe à 5μιη.
En diminuant l'épaisseur de CuO déposé, la réduction peut se faire à plus haute température et/ou sous des conditions de réduction plus sévères comme par exemple sous hydrogène pur.
Le gradient de composition et de structure de la pièce métallisée selon l'invention peut être encore amélioré en mettant en œuvre les modes de réalisation particuliers suivants, ou variantes du procédé selon l'invention. Premier mode de réalisation particulier.
Dans ce mode de réalisation, on utilise une céramique qui présente une texturation de surface ou une porosité de surface, ce qui favorise la pénétration de l'oxyde du métal dans la céramique.
Ce premier mode de réalisation comprend les étapes suivantes : préparation d'une céramique crue. Cette céramique crue peut être préparée par exemple par compaction ou par coulage en bande de poudre non frittée.
réalisation d'un dépôt d'une céramique en poudre avec des agents porogènes sur la céramique crue, ou texturation de la céramique crue au laser ou par toute autre technique de texturation.
frittage de la céramique crue pourvue du dépôt de céramique ou de la céramique texturée, de façon à obtenir une céramique avec une porosité de surface ou une céramique texturée.
on effectue ensuite les étapes a) à c) du procédé selon l'invention, c'est-à-dire que l'on métallisé par le procédé selon l'invention, la céramique avec une porosité de surface ou à texturation de surface préparée comme on vient de le décrire.
Lors de l'étape b), on réalise généralement une cuisson sous une atmosphère contrôlée, de préférence de façon à faire fondre le dépôt d'oxyde de métal ou l'oxyde de métal créé par oxydation du dépôt d'un composé du métal, dans la porosité superficielle de la céramique de façon à faire réagir l'oxyde du métal avec la céramique, telle que l'alumine, et à faire diffuser entre eux l'oxyde du métal et de la céramique.
Second mode de réalisation particulier.
Dans ce mode de réalisation, on dépose sur la surface à métalliser de la céramique préalablement au dépôt du composé du métal, c'est à dire préalablement à l'étape a) du procédé selon l'invention, un matériau composite comprenant la même céramique que celle à métalliser et un composé du métal choisi parmi un métal M, un alliage du métal M, ou un oxyde du métal M, ce qui favorise, là-aussi, la gradation de l'oxyde de métal avec la céramique et leur réaction.
On utilise généralement une céramique dense, par exemple une céramique dense du commerce telle que de l'alumine.
Par céramique dense, on entend généralement que cette céramique est une céramique déjà frittée, qui a déjà subi un traitement de frittage. On mélange une poudre de la même céramique avec un composé du métal M, choisi parmi un métal M, un alliage du métal M, ou un oxyde du métal M, et on obtient ainsi un composite de la céramique et dudit composé du métal M. La proportion dudit composé du métal M (exprimée en métal M) dans ledit matériau composite est généralement de 10% à 70% en volume.
On dépose le composite ainsi préparé sur la surface externe à métalliser de la céramique.
On effectue ensuite les étapes a) à c) du procédé selon l'invention, c'est-à-dire que l'on métallisé la céramique par le procédé selon l'invention en déposant lors de l'étape a) un composé du même métal M que celui du matériau composite préalablement déposé.
Les pièces en céramique comprenant une surface métallisée selon l'invention avec une couche à gradient peuvent être utilisées notamment comme supports résistifs électriques ou thermiques soudables ou brasables par l'intermédiaire de la couche de surface en métal, par exemple en Cu comme on le décrit plus bas.
Les pièces en céramique comprenant une surface métallisée selon l'invention avec une couche à gradient peuvent aussi être utilisées comme supports thermiquement ou électriquement très conducteur (à cause de la couche de surface métallique) isolés par de la céramique comme de l'alumine, tels que les supports « DBC » utilisés dans l'électronique de puissance.
Les pièces en céramique comprenant une surface métallisée selon l'invention peuvent être utilisées pour réaliser des jonctions métal/céramique ou céramique/métal/céramique étanches.
La couche de surface constituée par un métal M pur, de la pièce en céramique comprenant une surface métallisée selon l'invention peut ensuite être facilement assemblée à un métal.
Par exemple, la pièce en céramique comprenant une surface métallisée selon l'invention peut être soudée par diffusion ou brasée à un métal en mettant en œuvre des techniques utilisant de préférence des basses températures, c'est-à-dire des températures où les contraintes thermomécaniques lors de l'assemblage sont suffisamment basses. En effet, la mise en œuvre de techniques à basses températures pour réaliser l'assemblage de la surface métallisée de la céramique avec une pièce en métal permet de limiter les contraintes thermo mécaniques, même si des techniques mettant en œuvre de plus hautes températures peuvent être utilisées.
Pour le brasage à basse température de la pièce en céramique comprenant une surface métallisée selon l'invention, avec une pièce en métal tel que le cuivre, on peut utiliser par exemple de l'étain Sn, en tant que métal de brasure.
L'étain permet en effet de réaliser par exemple une brasure de surface Etain-Cuivre (métal de la surface métallisée de la céramique et de la pièce) à 210°C.
Outre l'étain, d'autres métaux de brasure peuvent aussi être utilisés notamment l'argent, l'indium, l'aluminium, le zinc, ou des alliages de ces métaux.
D'autres métaux et alliages de brasures peuvent être utilisés.
Outre le brasage, on peut utiliser aussi les techniques de soudage-diffusion.
L'invention va maintenant être décrite en référence aux exemples suivants donnés à titre illustratif et non limitatif.
Exemples :
Exemple 1.
Dans cet exemple, on réalise la métallisation d'une céramique dense, à savoir de ΓΑΙ2Ο3, par du cuivre, conformément au procédé selon l'invention.
La céramique se présente sous la forme d'une plaque parallélépipédique dense.
Tout d'abord, on réalise un dépôt d'oxyde de cuivre CuO sur la surface de la céramique.
Pour cela, on prépare une encre, c'est à dire une suspension de poudre, à partir d'une poudre d'oxyde de cuivre CuO.
Cette encre est préparée en mélangeant de l'eau avec la poudre d'oxyde de cuivre, et du terpinéol ou tout autre produit permettant de disperser la poudre dans l'eau et d'obtenir ensuite avec l'encre ainsi préparée un dépôt d'une épaisseur connue. Il est à noter qu'on pourrait, au lieu de réaliser un dépôt d'une encre à base d'oxyde de cuivre, disposer une feuille de cuivre sur la surface de l'alumine et la faire fondre sur l'alumine sous air à 1100°C.
On réalise ensuite des dépôts successifs par sérigraphie ou par enduction centrifuge (« spin-coating ») de l'encre ainsi préparée sur la surface de la céramique de façon à obtenir sur cette surface une couche d'encre d'une épaisseur supérieure à 10 μιη.
Puis on réalise une cuisson à 1100°C sous air de la céramique m unie de la couche d'encre afin de faire fondre l'oxyde de cuivre et de faire réagir l'oxyde de cuivre CuO avec l'alumine AI2O3.
A l'issue de la réaction, la céramique est revêtue dans l'ordre d'une couche de CuxAlyOz à gradient de composition et d'une couche de surface d'oxyde de cuivre CuO (CuOw avec w = 1).
La céramique pourvue de ces couches est soumise à un traitement de réduction à une température de 275°C sous une atmosphère à 2% d'hydrogène.
A l'issue de ce traitement de réduction, on obtient une céramique revêtue dans l'ordre d'une couche de CuxAlyOz à gradient de composition, d'une couche d'oxyde de cuivre CuO , puis de Cu20, et enfin d'une couche de surface de cuivre métallique (Figure 2).
La conductivité électrique de la céramique métallisée a été vérifiée montrant qu'une couche de cuivre métallique a été effectivement préparée sur la céramique par le procédé selon l'invention.
Exem ple 2.
Dans cet exemple, on réalise la métallisation d'une céramique dense, à savoir de ΓΑΙ2Ο3, par du cuivre, conformément au procédé selon l'invention.
La céramique se présente sous la forme de d'une plaque parallélépipédique dense.
Tout d'abord, on réalise un dépôt d'oxyde de cuivre CuO sur la surface de la céramique.
Pour cela, on prépare une encre, c'est à dire une suspension de poudre, à partir d'une poudre d'oxyde de cuivre CuO. Cette encre est préparée en mélangeant de l'eau avec la poudre d'oxyde de cuivre, et du terpinéol ou tout autre produit permettant de disperser la poudre dans l'eau et d'obtenir ensuite avec l'encre ainsi préparée un dépôt d'une épaisseur connue.
Il est à noter qu'on pourrait, au lieu de réaliser un dépôt d'une encre à base d'oxyde de cuivre, disposer une feuille de cuivre sur la surface de l'alumine et la faire fondre sur l'alumine sous air à 1100°C.
On réalise ensuite des dépôts successifs par sérigraphie ou par enduction centrifuge (« spin coating ») de l'encre ainsi préparée sur la surface de la céramique de façon à obtenir sur cette surface une couche d'encre d'une épaisseur supérieure à 30 μιη.
Puis on réalise une cuisson à 1100°C sous Ar de la céramique munie de la couche d'encre afin de faire fondre l'encre et de faire réagir l'oxyde de cuivre CuO avec l'alumine Al203.
A l'issue de la réaction, la céramique est revêtue dans l'ordre d'une couche de CuxAlyOz à gradient de composition et d'une couche de surface d'oxyde de cuivre CuO.
La céramique pourvue de ces couches est soumise à un traitement de réduction sous différentes atmosphères réductrices à différentes températures.
Les traitements de réduction suivants ont été réalisés :
Température 250°C sous une atmosphère à 2% d'hydrogène ;
Température 400°C sous une atmosphère à 3% d'hydrogène ;
Température 800°C sous une atmosphère à 3% d'hydrogène.
A l'issue de ces traitements de réduction, on obtient une céramique métallisée revêtue dans l'ordre d'une couche de CuxAlyOz à gradient de composition, d'une couche d'oxyde de cuivre CuO, puis d'une couche de Cu20, et enfin d'une couche de surface de cuivre métallique.
La Figure 3 est une image prise au microscope électronique à balayage d'une coupe de la céramique métallisée obtenue après réduction à une température de 800°C sous une atmosphère à 3% d'hydrogène. On observe bien le revêtement à plusieurs couches obtenu avec le procédé selon l'invention. La Figure 4 est une image prise au microscope électronique à balayage d'une coupe de la céramique métallisée obtenue après réduction à une température de 400°C sous une atmosphère à 3% d'hydrogène.
On observe bien le revêtement à plusieurs couches obtenu avec le procédé selon l'invention
Pour confirmer la structure du revêtement obtenu et notamment l'obtention d'une couche à gradient, des analyses de composition élémentaire sont réalisées en divers points de la céramique métallisée depuis sa surface jusqu'à une profondeur de 70 μιη.
Ces points sont indiqués sur les Figures 3 et 4.
Les spectres obtenus respectivement pour la céramique métallisée obtenue après réduction à une température de 800°C sous une atmosphère à 3% d'hydrogène et pour la céramique métallisée obtenue après réduction à une température de 400°C sous une atmosphère à 3% d'hydrogène sont présentés respectivement dans les Tableaux I et II ci- dessous.
Spectre 0 (%at.) Al (%at.) Cu (%at.) Total (%at.)
Spectre 2 0,75 0,26 99,00 100,00
Spectre 3 17,65 25,22 57,14 100,00
Spectre 4 9,40 11,90 78,70 100,00
Spectre 5 31,19 30,77 38,05 100,00
Spectre 6 46,88 52,50 0,62 100,00
TABLEAU 1 (Réduction à 800°C)
Spectre O (%at.) Al (%at.) Cu (%at.) Total (%at.)
Spectre 1 16,53 3,08 80,39 100,00
Spectre 2 25,40 22,51 52,09 100,00
Spectre 3 34,58 24,03 41,39 100,00
Spectre 4 28,00 22,13 49,87 100,00
Spectre 5 55,32 43,99 0,69 100,00
TABLEAU II (Réduction à 400°C)
Les spectres des Tableaux I et II confirment bien qu'à l'issue du procédé selon l'invention, on obtient effectivement une céramique métallisée, avec la céramique AI2O3 revêtue dans l'ordre d'une couche de CuxAlyOz à gradient de composition, d'une couche d'oxyde de cuivre CuO, et enfin d'une couche de surface de cuivre métallique.
Les spectres des Tableaux I et I I montrent notamment qu'une couche de CuxAlyOz à gradient de composition est effectivement obtenue.
Exem ple 3.
Dans cet exemple selon l'invention, on réalise la texturation d'une céramique, à savoir de l'alumine puis on métallisé cette céramique texturée par le procédé selon l'invention (voir Figures 5 et 6). Précisons que dans cet exemple le métal M est le cuivre.
On réalise les étapes successives suivantes :
(1) Réalisation d'une alumine crue, par compaction d'une poudre non frittée ou par coulage en bande d'une poudre non frittée ;
(2) Réalisation d'un dépôt d'une encre d'alumine en poudre mélangée avec des porogènes ;
(3) Co frittage de l'ensemble à 1600°C pendant 3h sous air, de façon à réaliser un matériau céramique ayant une porosité de surface.
La figure 5 montre la texturation de surface, sous la forme d'une porosité de surface, de la céramique frittée ainsi obtenue ;
(4) Dépôt d'une encre d'oxyde métallique (CuO) sur la céramique frittée ayant une porosité de surface ;
(5) Cuisson sous Air à 1100°C, pendant 1 heure, de façon à faire fondre le dépôt dans la porosité superficielle de la céramique et à faire réagir l'oxyde de métal (CuO) avec l'alumine (Figure 6).
(6) Réduction en surface sous 2% H2 à 400°C.
A la place des étapes (2) et (3), on peut simplement effectuer une texturation au laser de la surface de la céramique crue, non frittée. Le revêtement final obtenu comprend la succession de couches suivantes depuis la surface : couche de métal (Cu), couche de MxO (CuxO), couche de MxAlyOz (CuxAlyOz); et enfin substrat en céramique (AI2O3). Exemple 4.
Dans cet exemple selon l'invention, on réalise les étapes successives suivantes : Précisons que dans cet exemple M est le cuivre.
(1) Préparation d'un mélange de céramique (AI2O3) en poudre avec de 10 à 70% vol. du métal M (le Cu) ou d'un oxyde du métal M (CuO). On obtient ainsi un composite de la céramique et du métal M, ou un composite de la céramique et de l'oxyde du métal M ;
(2) Préparation d'une encre du même métal M ou du même oxyde de métal M que dans l'étape (1) ;
(3) Dépôt d'une couche du composite sur une céramique dense commerciale (4) Dépôt du même métal M ou du même oxyde de métal M que dans l'étape (1) sur la couche du composite de l'étape (3) ;
(5) Cuisson (à 1100°C, pendant 1 heure sous air si on utilise le métal M, ou bien à 1100°C, pendant 1 heure sous Ar si on utilise l'oxyde MO) de la céramique avec les dépôts réalisés dans les étapes (3) et (4) sous atmosphère contrôlée, à savoir sous air ou sous argon, de façon à faire fondre les dépôts et faire diffuser les parties ;
(6) Réduction de l'ensemble (à 300°C, pendant 1 heure sous 2% H2) de façon à obtenir une gradation progressive du métal M en volume.
Le revêtement final obtenu comprend la succession de couches suivantes depuis la surface : couche de métal M (Cu), couche de MO, couche de MxAlyOz ; et enfin substrat en céramique (AI2O3).
Exem ple 5.
Dans cet exemple selon l'invention, on prépare un bi couche d'alumine métallisée résistant à des contraintes allant jusque lGPa (calculées par la résistance des matériaux) à l'interface par report via une brasure par l'Ai, le Sn, ou le Zn métalliques. En d'autres termes, dans cet exemple on démontre l'intérêt de la métallisation sur les propriétés mécaniques des ensembles préparés.
On réalise les étapes successives suivantes :
(1) Métallisation d'un bloc d'alumine de 250 μιη d'épaisseur, 10 mm de largeur et 50mm de longueur avec une encre d'oxyde métallique (CuO) ;
(2) Cuisson à 1100°C sous Ar ;
(3) Réduction de la couche d'oxyde à 300°C sous 2%H2, on obtient ainsi une céramique métallisée ;
(4) On empile la céramique métallisée, une feuille d'AI d'une épaisseur de 100 μιη et une plaque de Cu de 1 mm d'épaisseur, 10 mm de largeur et 50 mm de longueur ;
(5) Cuisson de l'empilement sous Ar+2H2 à 800°C.
L'ensemble s'est déformé durant l'assemblage à haute température, ce qui signifie qu'il existe des écarts de coefficient d'expansion thermiques entre les parties lors de l'étape (5). Cette déformation de l'ensemble est à l'origine de contraintes calculées de IGPa.
Exem ple 6 (Comparatif).
Dans cet exemple, on recuit un « DBC » (« Direct Bond Copper » en anglais) commercial CURAM IK® symétrique Cu/Al203/Cu à 800°C.
On observe une délamination des zones de Cuivre déposé sur l'alumine.
Ceci contraste avec l'exemple 5 selon l'invention dans lequel on n'observe pas de délamination.
Cet exemple, en liaison avec l'exemple 5, démontre que les propriétés des ensembles obtenus avec le procédé selon l'invention sont meilleures que celles d'un « DBC » commercial.
Exemple 7.
Dans cet exemple, on soude ensemble deux pièces en céramique par l'intermédiaire des phases CuAIOx et CuxO.
On réalise les étapes successives suivantes : (1) On place du Cu sous forme d'encre entre deux plaques d'alumine dense ;
(2) On réalise la cuisson de l'ensemble à 1100°C sous Air ;
(3) On effectue la réduction de l'ensemble à 300°C ou 400°C sous Ar+2%H2. Lors de la dernière étape se produit une réduction des oxydes de cuivre à basse température, qui conduit à la formation d'une piste conductrice en cuivre entre les deux pièces en alumine (voir Figure 7).
Les figures 8 et 9 sont des photos MEB qui montrent les céramiques (en noir) immergées dans une phase de Cu métallique obtenue par réduction à 300°C sous 2%H2. La figure 8 est un agrandissement de la Figure 9.

Claims

REVENDICATIONS
1. Pièce en une céramique comprenant au moins une surface externe métallisée, comprenant un revêtement à gradient de composition, ledit revêtement comprenant successivement depuis la surface externe vers la céramique dans le sens de l'épaisseur du revêtement :
une couche de surface constituée par un métal M ;
une couche d'un oxyde du métal M : MkOw où k va de 1 à 3 et w va de 1 à 4 ; une couche d'un composé de réaction entre l'oxyde d'un métal M et la céramique qui présente un gradient de composition, de préférence continu, dans le sens de l'épaisseur de ladite couche, avec une teneur en métal M diminuant, de préférence de manière continue, vers la céramique.
2. Pièce selon la revendication 1, dans laquelle la couche de surface constituée par un métal M a une épaisseur de 1 μιη à 10 mm; la couche d'un oxyde du métal M a une épaisseur de 1 μιη à 50 μιη ; et la couche d'un composé de réaction a une épaisseur de 1 μιη à 50 μιη.
3. Pièce selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le métal M est choisi parmi Cu, Ag, Ni, Fe, Si, Pb, Co, Zn, Mg, Sn, Be et les alliages de ces métaux entre eux.
4. Pièce selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la céramique est choisie parmi les céramiques oxydes, et les céramiques, différentes des céramiques oxydes et oxydées.
5. Pièce selon la revendication 4, dans laquelle la céramique est l'alumine AI2O3.
6. Pièce selon la revendication 5, dans laquelle le composé de réaction stable entre l'oxyde d'un métal M et la céramique répond à la formule MxAlyOz où x vaut 1, y va de 1 à 2, et z va de 1 à 4, de préférence de 2 à 4.
7. Pièce selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la céramique présente une porosité de surface ou une texturation de surface, ou bien la céramique est une céramique dense.
8. Procédé pour préparer une pièce en une céramique comprenant au moins une surface externe métallisée dans lequel on réalise les étapes successives suivantes :
a) on dépose un composé d'un métal M, choisi parmi un métal M, un alliage du métal M, ou un oxyde du métal M, sur ladite surface ;
b) on chauffe la pièce en une céramique pourvue d'un dépôt du composé d'un métal M, sous une atmosphère d'un gaz comprenant un gaz oxydant si le composé d'un métal M n'est pas un oxyde, ou sous une atmosphère d'un gaz inerte si le composé d'un métal M est un oxyde, pour former au moins un oxyde du métal M si le composé d'un métal M n'est pas un oxyde, et pour que l'oxyde du métal M et la céramique diffusent entre eux (interdiffusent) et réagissent de façon à former une couche d'un composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la céramique sous ladite surface, en laissant une couche de surface de l'oxyde du métal M : MkOw, sur ladite surface, la couche du composé de réaction présentant un gradient de composition dans le sens de son épaisseur, avec une teneur en métal M diminuant depuis ladite surface vers la céramique ;
c) on réduit en partie seulement la couche de surface de l'oxyde du métal M : MkOw de façon à obtenir une couche du métal M sur une couche d'au moins un oxyde du métal M : MkOw sur la couche du composé de réaction présentant un gradient de composition depuis ladite surface.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel lors de l'étape b) on chauffe la pièce en une céramique pourvue d'un dépôt du composé du métal M à une température suffisante pour faire fondre l'oxyde du métal M de façon à former une phase liquide de l'oxyde du métal M.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on chauffe la pièce en une céramique pourvue d'un dépôt du composé d'un métal M sous une pression partielle en gaz oxydant assurant l'étalement de la phase liquide de l'oxyde du métal M.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le métal
M est choisi parmi Cu, Ag, Ni, Fe, Si, Pb, Co, Zn, Mg, Sn, Be, et les alliages de ces métaux entre eux.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel la céramique est choisie parmi les céramiques oxydes, et les céramiques différentes des céramiques oxydes et oxydées.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la céramique est l'alumine AI2O3.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, dans lequel le composé d'un métal M est déposé par une technique de dépôt choisie parmi les techniques de dépôt d'encre, de dépôt en phase vapeur, et de dépôt électrochimique.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, dans lequel le composé d'un métal M est déposé sous la forme d'une couche.
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel l'épaisseur de la couche d'un composé d'un métal M déposée est supérieure à une distance de diffusion de l'oxyde du métal M dans la céramique.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 16, dans lequel le gaz oxydant est l'oxygène.
18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel le gaz de ladite atmosphère est de l'oxygène pur ; un mélange d'oxygène et d'un gaz inerte tel que l'argon, l'azote ou l'hélium, ledit mélange présentant une teneur en oxygène généralement de 100 ppm à 100% at. ; de l'air ; ou de l'air enrichi en oxygène.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 18, dans lequel la couche de surface de l'oxyde d'un métal M est réduite sous une atmosphère d'un gaz comprenant un gaz réducteur, sous vide, par carboréduction, réduction au contact du zirconium ou du titane, ou par électrochimie.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 19, dans lequel la couche de surface de l'oxyde d'un métal M est réduite dans une gamme de températures allant de 250°C à la température de fusion de la céramique, de préférence à une température de 250°C à 350°C.
21. Procédé selon la revendication 19, dans lequel le gaz réducteur est l'hydrogène.
22. Procédé selon la revendication 21, dans lequel le gaz de ladite atmosphère est de l'hydrogène pur ; un mélange d'hydrogène et d'un gaz inerte tel que l'argon, l'azote ou l'hélium, ledit mélange présentant une teneur en hydrogène, généralement de 1 à 99% at., par exemple de 2% à 3% at.
23. Procédé d'assemblage d'une première pièce en une céramique avec une deuxième pièce en un métal ou en une céramique dans lequel on métallisé au moins une surface d'une première pièce en une céramique par le procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 22, et on assemble la surface métallisée de la première pièce en une céramique avec une surface de la deuxième pièce en un métal ou en une céramique.
24. Procédé selon la revendication 23, dans lequel la surface métallisée de la première pièce en une céramique est assemblée avec une surface de la deuxième pièce en un métal ou en une céramique par brasage ou par soudage-diffusion.
25. Procédé d'assemblage d'une première pièce en une première céramique avec une deuxième pièce en une deuxième céramique, dans lequel on réalise les étapes successives suivantes : a) on place un composé d'un métal M, choisi parmi un métal M, un alliage du métal M, ou un oxyde du métal M, entre une surface à assembler de la première pièce et une surface à assembler de la deuxième pièce ;
b) on chauffe les pièces et le composé d'un métal M, sous une atmosphère d'un gaz comprenant un gaz oxydant si le composé d'un métal M n'est pas un oxyde, ou sous une atmosphère d'un gaz inerte si le composé d'un métal M est un oxyde, pour former au moins un oxyde du métal M si le composé d'un métal M n'est pas un oxyde, et pour que l'oxyde du métal M et la première céramique diffusent entre eux (interdiffusent) et réagissent de façon à former une couche d'un composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la première céramique et pour que l'oxyde du métal M et la deuxième céramique diffusent entre eux (interdiffusent) et réagissent de façon à former une couche d'un composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la deuxième céramique, en laissant une couche de l'oxyde du métal M : MkOw, entre la surface à assembler de la première pièce et la surface à assembler de la deuxième pièce, moyennant quoi on obtient un assemblage de la première pièce en une première céramique et de la deuxième pièce en une deuxième céramique dans lequel entre la surface à assembler de la première céramique et la surface à assembler de la deuxième céramique, on rencontre successivement dans l'ordre, la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la première céramique, la couche de l'oxyde du métal M : MkOw, et la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la deuxième céramique, la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la première céramique présentant un gradient de composition dans le sens de son épaisseur, avec une teneur en métal M diminuant depuis la couche de l'oxyde du métal M : MkOw vers la première céramique; et la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la deuxième céramique présentant un gradient de composition dans le sens de son épaisseur, avec une teneur en métal M diminuant depuis la couche de l'oxyde du métal M : MkOw vers la deuxième céramique.
26. Procédé selon la revendication 25, dans lequel à l'issue de l'étape b), on réduit en outre la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la première céramique, la couche de l'oxyde du métal M : MkOw, et la couche du composé de réaction entre l'oxyde du métal M et la deuxième céramique, pour obtenir un assemblage de la première pièce en une première céramique et de la deuxième pièce en une deuxième céramique avec une couche du métal M entre la surface à assembler de la première céramique et la surface à assembler de la deuxième céramique.
27. Procédé selon la revendication 26, dans lequel le métal M est un métal conducteur de l'électricité tel que le cuivre.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01201085A (ja) * 1988-02-04 1989-08-14 Japan Steel Works Ltd:The 電子部品用銅張りセラミック基板の製造方法
JPH02174145A (ja) * 1988-12-26 1990-07-05 Fujitsu Ltd 窒化アルミニウム構造体及びその製造方法
US6066219A (en) * 1996-02-02 2000-05-23 Curamik Electronics Gmbh Process for producing a ceramic substrate and a ceramic substrate

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01201085A (ja) * 1988-02-04 1989-08-14 Japan Steel Works Ltd:The 電子部品用銅張りセラミック基板の製造方法
JPH02174145A (ja) * 1988-12-26 1990-07-05 Fujitsu Ltd 窒化アルミニウム構造体及びその製造方法
US6066219A (en) * 1996-02-02 2000-05-23 Curamik Electronics Gmbh Process for producing a ceramic substrate and a ceramic substrate

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C.H. LEE ET AL: "Microstructure and Mechanical Properties of DBC on Sputter Deposited Copper on Alumina Substrate", MATERIALS SCIENCE FORUM, vol. 449-452, 1 January 2004 (2004-01-01), pages 677 - 680, XP055272619, DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.449-452.677 *
HE ET AL: "A new method for preparation of direct bonding copper substrate on Al2O3", MATERIALS LETTERS, NORTH HOLLAND PUBLISHING COMPANY. AMSTERDAM, NL, vol. 61, no. 19-20, 22 June 2007 (2007-06-22), pages 4131 - 4133, XP022130066, ISSN: 0167-577X *
LEE T W ET AL: "CHARACTERISTICS OF A COPPER COATING LAYER ON AN ALUMINA SUBSTRATE", JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE LETTERS, CHAPMAN AND HALL LTD. LONDON, GB, vol. 18, no. 7, 1 April 1999 (1999-04-01), pages 571 - 575, XP000851542, ISSN: 0261-8028, DOI: 10.1023/A:1006695015700 *

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