Brevet FR2006218A1 — publié le 19691226

La présente invention concerne des matériaux de brasâge permettant d'effectuer des liaisons céramique-céramique et céramique-métal, et elle concerne également des structures composites comportant de telles liaisons. 5 Dans les diverses techniques industrielles, il est fréquem ment désirable de lier des masses céramiques les unes aux autres ou à ion organe métallique pour former une structure isolée,comme par exemple pour un dispositif électrique à décharge, un condensateur, une fenêtre de guide d'ondes, une enveloppe pour lampe,ou 10 autres dispositifs analogues. Il est généralement prévu un matériau de liaison ou de bra-sage pour former la liaison désirée . Un tel matériau doit convenablement mouiller les deux masses à assembler, de telle façon qu'une liaison intime se trouve établie. Au cours de ces derniè-15 res années, on a eu recours à divers alliages pour constituer de tels matériaux de liaison, des alliages préférés comportant des proportions prédéterminées de titane ou d'un hydrure de titane, parce que ces matériaux et des matériaux similaires se sont révélés capables de constituer des liaisons satisfaisantes avec des 20 surfaces de substances céramiques. Par exemple, dams le brevet E.U.A. n° 3.001.269, Moore et al. décrivent et revendiquent des structures comportant des liaisons métal-céramique dans lesquelles le matériau de liaison peut être un alliage fusible comprenant essentiellement, en poids, d'environ 2 à 10 % de titane ou 25 de zirconium, environ 10 à 85 % de plomb, le reste étant un métal choisi parmi le groupe constitué par cuivre, argent, nickel ou des alliages d'au moins deux de ces métaux . Bien que le zinc, le bismuth, le cadmium, l'indium et l'étain soient décrits dans le susdit brevet E.U.A. comme des métaux de remplacement possibles 30 pour tout ou partie du composant .plomb de l'alliage, les alliages utilisés industriellement pour réaliser des liaisons métal-céramique ont généralement été constitués par du plomb, du cuivre et du titane avec ou sans de faibles proportions d'argent. Dans ces alliages, le composant plomb a été utilisé comme étant le mé-35 tal ductile le plus efficace pour abaisser le point de fusion et augmenter la fluidité de l'alliage et son effet mouillant. Même avec la présence du composant plomb, un inconvénient majeur des matériaux de brasage présentement disponibles réside dans le fait qu'une température relativement élevée est nécessai-40 re au cours de l'opération de réalisation de la liaison, en par 69 00466 2 2006218 ticulier quand du titane ou des hydrures de ce métal sont incorporés comme constituants du matériau de brasage. Pour des matériaux de brasage cuivre-titane, par exemple, une température située dans le voisinage de 1000°C est nécessaire. Bien entendu, 5 quand il faut recourir au brasage en vue de la production de composants électroniques sensibles et délicats, la nécessité d'opérer à des températures aussi élevées peut avoir pour conséquence des effets hautement nuisibles sur des éléments adjacents et,d?r-" de telles conditions, l'utilisation de tels matériaux de brasage 10 devient hautement indésirable. Un but de la présente invention est donc de réaliser un ne veau matériau de brasage utilisable pour constituer une liaison, et de réaliser une nouvelle structure assemblée ou composite comportant au moins une telle liaison entre des structures cérami-15 ques adjacentes ou entre une substance céramique et une structure mé tal1ique. Un autre but de l'invention est de réaliser un nouveau matsi riau de brasage permettant d'opérer à une température de brasage sensiblement inférieure aux températures qu'exigent les matériel 20 de la technique antérieure. La présente invention a pour objet des matériaux de brasserr utilisables pour lier ensemble des masses céramiques ou pour lifei une masse céramique à une structure métallique, caractérisés &. ce qu'ils comprennent essentiellement des alliages aluminium- : 25 cuivre, aluminium-magnésium, et cuivre-magnés-ium. On réalise 1' , pération de brasage à des températures comprises entre environ 450 et 550°C, très sensiblement inférieures à celles nécessaire-avec les matériaux de brasage de la technique antérieure. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à 1* 30 aide du complément de description qui suit ainsi que du dessin annexé, lesquels complément et dessin concernent différents moc? de réalisation de l'invention choisis à titre d'exemples non limitatifs et sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. 35 La figure unique, de ce dessin, représente en perspective partiellement en coupe et portions arrachées, un ensemble coiftpre— nant une masse céramique et des organes métalliques, deux desdits organes étant liés entre eux et à la masse céramique au moyen â" un matériau de brasage selon la présente invention. 40 Ainsi qu'on l'a indiqué ci-dessus, un problème particulier BAD ORIGINAL 69 00466 3 2006218 surgit quand on doit lier des masses céramiques ensemble ou quand on doit lier une masse céramique à une masse métallique : c'est de réaliser un matériau de brasage qui mouille suffisamment la surface de la céramique pour former une liaison intime et for-5 tement adhérente entre les éléments à assembler et qui mouille aussi la surface de la masse métallique afin de constituer la liaison. Conformément à la présente invention, on prévoit des mélanges cuivre-aluminium, magnésium-aluminium et magnésium-cuivre formant des alliages qui mouillent suffisamment les deux types de 10 surface (céramique et métallique) pour établir une forte liaison. On peut réaliser un premier matériau de brasage, conformément à la présente invention, comprenant un mélange pulvérulent cuivre-aluminium dans les proportions de 1 * eutectique , soit approximativement, en poids, 67 % d'aluminiuifc et environ 33 % de 15 cuivre. La température eutectique pour cet alliage est d'environ 548#C. Un deuxième matériau de brasage établi conformément à 1' invention peut être constitué à;partir d'un mélange pulvérulent magnésium-cuivre dans les proportions de 1'eutectique, soit approximativement Cu 30,7 % et Mg 69,3 %, en poids. La température 20 eutectique pour cet alliage est d'environ 485*C. Les mélanges pour constituer ces deux types de matériau de brasage sont préparés par lots de dix grammes que l'on brasse pendant 10 à 12 heures dans de l'acétate d'amyle pour assurer la formation d*un mélangé intime. 25 On réalise ensuite des liaisons entre les types suivants de surfaces î (a) céramique-céramique ; et (b) céramique-alliage d' aluminium disponible dans le commerce et contenant environ 98 % de Alj le reste étant du manganèse et d'autres impuretés qui, pour autant qu'on le sache, n'ont pas à être prises en considéra-30 tion du point de vue de la présente invention. On applique les mélanges humides à la brosse ou au pinceau sur des disques en une matière céramique qui est de la forstérite. On ne se sert pas d* autre liant. On réalise des assemblages brasés céramique-céramique et céramique-aluminium en se servant respectivement de chacun 35 des deux mélanges sus-spécifiés pour matériaux de brasage, l'opération de brasage étant effectuée en plaçant des échantillons, appliqués à la brosse ou au pinceau, dans vin montage sous une force d'environ 2270 grammes et en chauffant à environ 560°C pendant environ trente minutes dans le vide. Tous les échantillons, 40 quand ils sont refroidis jusqu'à la température ambiante ordinai 69 00466 4 2006218 re, présentent des liaisons effectives entre les masses constitutives, le deuxième alliage de brasage (comprenant du cuivre et du magnésium) se révélant plus particulièrement comme étant capable de constituer une liaison exceptionnellement forte entre cérami-5 que et céramique et entre céramique et métal. La résistance mécanique des liaisons ainsi réalisées est indiquée par le fait que tout effort appliqué pour séparer physiquement la céramique à partir de la céramique ou la céramique à partir du métal a pour résultat une rupture de la masse céramique dans une zone éloignée 10 de la région de la liaison. Se référant au dessin ci-annexé, on y a représenté une structure composite 1 formée entre un ruban conducteur électrique 3 en aluminium, un dessin conducteur 5 en aluminium établi sur vin support 7 en une céramique qui est de l'alumine (Àl203), et ledit 15 support en alumine. On forme aussi des structures composites similaires, mais dans lesquelles le support 7 est en titafiate de baryum, ou en zircone stabilisée, ou en zirconate-titanate de plomb. Conformément à la présente invention, on commence par former par évaporation une couche 9 en magnésium sur la portion du ruban 20 conducteur 3 à lier du support 7. La température eutectique pour l'alliage magnésium-aluminium est d'environ 437°C. On réalise le brasage du conducteur 3 en plaçant l'ensemble dans un montage sous une pression de 2270 grammes pendant 10 minutes à 550°C dans le vide. On observe qu'une liaison fortement adhérente se trouve 25 ainsi constituée entre le conducteur 3 et le support 7 en céramique. La formation d'une telle liaison intervient pour chacun des supports s us-mentionné s. On place ensuite les supports,, avec les conducteurs liés par une liaison magnésium-aluminium, dans une étuve à vide à 350°C pendant environ 14 heures. Les liaisons res-30 tent intactes comme le prouve un essai de traction indiquant qu' aucun composé intermétallique fragile ne s'est ainsi formé. Dams chaque essai éprouvant la résistance mécanique de la liaison, le conducteur 3 se trouve rompu sous un effort de traction d'environ 455 grammes, la liaison elle-même restant intacte. 35 Dans un autre exemple, on constitue préliminairement, sur des portions de conducteurs en aluminium en forme de rubans où doivent s'établir les liaisons, vin revêtement en cuivre (et non plus en magnésium comme dans l'exemple précédent) par mise en oeuvre d'une technique analogue. Deux supports différents, sur 40 la face supérieure desquels sont établis des dessins en aluminium 69 00466 5 2006218 en couche mince, sont prévus : le premier support est un disque en une céramique qui est de la zircone stabilisée, et le second support est un disque en zirconate-titanate de plomb. Dans chaque cas, les dessins en aluminium en couche mince sont analogues 5 au dessin 5 sus-spécifié. On réalise le brasage en plaçant les supports à essayer et les conducteurs en aluminium revêtus de cuivre qui y sont associés dans un montage sous une pression de 2270 grammes et en chauffant l'empilement dans le vide pendant environ 10 minutes à environ 5 70°C. Dans ce cas encore, des es-10 sais de traction prouvent qu'une liaison effective a bien été réalisée sur les deux types de supports avec chacun des conducteurs en aluminium revêtus de cuivre. Les supports avec les conducteurs liés sont ensuite soumis à une température de 350°C pendant 16 heures dans le vide. Des essais de traction effectués 15 après ce traitement en étuve à vide prouvent que les liaisons sont restées intactes, ce qui indique ici encore 1 * absence de formation de tout composé intermétallique fragile et confirme donc la stabilité de telles liaisons. De tout ce qui précède, il ressort donc clairement que les 20 températures mises en oeuvre pour assembler par brasage une masse céramique à une autre masse céramique, ou une masse céramique à une masse métallique, avec les nouveaux matériaux de brasage faisant l'objet de la présente invention, sont considérablement inférieures à celles nécessaires avec les matériaux de brasage 25 de la technique antérieure. Bien que quelques-uns des matériaux de brasage en question aient été prévus dans les proportions de 1'eutectique correspondant, il n'est pas impérativement nécessaire de se placer dans de telles conditions car d'autres proportions sont également 30 efficaces pour réaliser un matériau de brasage que l'on peut chauffer pour produire une liaison effective à des températures sensiblement inférieures à celles nécessaires avec des matériaux de la technique antérieure. Ainsi, par exemple, quand il est prévu un excès d'aluminium comme c'est le cas des réalisations sus-35 spécifiées comportant l'utilisation de conducteurs en forme de rubans en aluminium revêtus de magnésium au de cuivre, la composition réelle de l'alliage correspondant dans la zone de liaison est déterminée par le degré auquel le magnésium ou le cuivre, selon le cas, entre en solution dans l'aluminium. De même, bien 40 que l'on, ait décrit ci-dessus un certain nombre de matières céra 69 00466 6 2006218 miques spécifiques, il ne faut pas perdre de vue que n'importe laquelle des matières céramiques classiques peut être liée en utilisant le nouveau matériau de brasage faisant l'objet de la présente invention. 5 II convient encore d'insister sur le fait que le spécialis te peut facilement imaginer de nombreuses autres variantes et mo difications de compositions et modes opératoires, et ce sans ë'è carter pour autant de l'esprit ni de la portée de la présente in vention. BAD ORIGINAL 69 00466 7 2006218 REVENDICATIONS 1. Matériau de brasage, pour lier des masses céramiques les unes aux autres ou à des masses métalliques, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement au moins deux métaux choisis parmi 5 le groupe constitué par l'aluminium, le cuivre, le magnésium et des alliages d'au moins deux de ces métaux. 2. Structure composite caractérisée en ce qu'elle comprend des masses céramiques liées l'une à l'autre ou une masse céramique liée à une masse ou à un organe métallique, la liaison étant réa- 10 lisée par un matériau de brasage formé par fusion d'au moins deux métaux choisis parmi le groupe constitué par l'aluminium, le cuivre, le magnésium et des alliages d'au moins deux de ces métaux. 3. Procédé, pour lier au moins une masse céramique à une autre masse céramique ou à au moins une masse métallique, caractérisé 15 en ce qu' il consiste essentiellement : à préparer tin mélange de brasage comprenant au moins deux métaux choisis parmi le groupe constitué par l'aluminium, le cuivre et le magnésium ; à appliquer le mélange de brasage sur la région desdites masses à lier ; et à chauffer lesdites masses et le mélange de brasage jusqu'à 20 une température inférieure à 600°C. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on opère à une température de brasage égale à environ 550°C. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que 1' on chauffe sous vide lesdites masses et ledit mélange de brasage. 25 6. En combinaison, un support en substance céramique, ion dessin conducteur en couche mince formé sur ledit support, et un conducteur connecté audit dessin et audit support, l'ensemble étant caractérisé en ce que le conducteur est connecté au moyen d'une liaison comprenant un alliage formé d'au moins deux métaux 30 choisis parmi le groupe constitué par l'aluminium, le cuivre et le magnésium.