Brevet FR2067207A1 — publié le 19710820

La présente invention se rapporte d'une façon générale aux procédés de fabrication de dispositifs enrobés de façon étanche et elle concerne plus particulièrement des procédés permettant d'enfermer ou enrober de façon étanche certains dispositifs dans des enveloppes, un tel procédé tant particulièrement avantageux lorsqu'on l'utilise pour la produc-tion de dispositifs électriques enfermés de façon étanche dans des enveloppes de verre. Dans la fabrication de dispositifs électriques hermétiquement clos, par exemple de dispositif; à semi-conducteurs enfermés dans des enveloppes de verre, on a déjà proposé de réaliser l'enveloppe ou boltier à partir d'un corps tubulaire en verre. On dispose ensuite l'ensemble à enfermer dans une position à peu près centrale à l'intérieur de cette enveloppe tubulaire et on effectue la fermeture hermétique de l'enveloppe par application d'une chaleur suffisante pour chauffer le verre à une température à laquelle il se ramollit à un degré tel que la tension superficielle du tube ou enveloppe de verre provoque son aplatissement vers l'intérieur de sorte qu'on obtient un ensemble unitaire. Lorsqu'on désire que l'enveloppe soit remplie, avant sa fermeture hermétique, avec de l'azote ou autre gaz inerte, que ce soit à la pression atmosphérique normale ou sous une pression élevée, on peut utiliser commodément un procédé similaire pour effectuer cette fermeture hermétique. Toutefois, on se heurté alors à plusieurs problèmes supplémentaires, à chaque fois qu'un gaz (qu'il s'agisse d'un gaz inerte ou de l'atmosphère ordinaire), doit être maintenu hermétiquement dans une enveloppe de verre grâce à la mise en oeuvre du procédé par chauffage, indiqué cidessus. Le procédé exige davantage de temps que lorsque le scellement est exécuté sous la pression atmosphérique ou sous vide et, d'autre part, on doit fournir davantage de chaleur en raison de la conduction calorifique du gaz, de la convection du gaz et de sa chaleur spécifique qui a pour effet de dissiper la chaleur de la zone de scellement, les problèmes de perte de chaleur devenant de plus en plus sérieux à mesure de l'élévation de la pression. Une autre difficulté à laquelle on se heurte lorsqu'on utilise le procédé précité de scellement thermique à une température élevée ainsi que la difficulté que l'on rencontre lorsqu'un gaz comprimé doit être hermétiquement enfermé dans l'enveloppe snnt dues à la détente du gaz dans l'enveloppe et à la dilatation entre le talon et l'enveloppe par suite de leur chauffage.En premier lieu, des bulles peuvent se former dans la jonction entre la talon et l'enveloppe, en raison des trajets de ventilation formés à cet endroit par le gaz en cours de détente, lorsque ce gaz est isolé pendant l'aplatissement de l'enveloppe provoqué par sa tension superficielle; d'autre part, lorsque le scellement est effectué, la détente du gaz dans l'enveloppe provoque fréquemment un gonflement de cette enveloppe à la suite de la pression interne accrue, si bien que ltenveloppe est affaiblie ou peut même parfois éclater.En outre, le degré de chauffage indispensable pour chauffer la zone de jonction à une valeur suffisante pour provoquer un aplatissement de l'enveloppe et une fusion correcte de ladite enveloppe, est très élevé dans les procédés' connus, nécessitant de prolonger la durée du cycle, augmentant le prix de l'opération et nécessitant un chauffage excessif aussi bien du dispositif de chauffage lui-même que des divers autres éléments. Un autre problème qui se pose pendant un tel chauffage à température élevée, ou meme en fait pendant n'importe quel chauffage, est ce que l'on appelle le dégazage ou l'échappement des gaz de l'élément ou de l'enveloppe, se traduisant par une contamination du dispositif et par une nouvelle augmentation de la pression interne et, par voie de conséquence, par un nouveau gonflement de l'enveloppe ramollie. Compte tenu des problèmes ci-dessus ainsi que de certains autres qui seront évidents pour les techniciens, l'invention a pour but principal de fournir un procédé de fermeture ou enrobage hermétique de certains éléments ou dispositifs dans des enveloppes ou boîtiers de verre par un procédé de chauffage et de pression, procédé qui est rapide, efficace d'une mise en oeuvre peu coûteuse suivant lequel on chauffe le verre à une température suffisante pour le ramollir et pour amorcer une contraction de l'enveloppe contre l'élément, on forme un joint initial, puis on applique du gaz sous une pression plus élevée sur l'extXrieur de l'enveloppe ou boltier pendant que le verre est encore ramolli afin d'effectuer ainsi un scellement plus poussé du verre contre l'élément de manière à -en assurer l'enrobage hermétique, au sein d'une atmosphère usuelle, d'une atmosphère d'azote ou autre atmosphère de gaz inerte, sous une pression normale, une pression réduisant ou en élevée, une pression réduite ou sous vide tout prati- quement le dégazage pendant l'opération de fermeture hermétique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va en être faite ci-après en se référant au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple et dans lequel la Fig.l est une vue à grande échelle de la forme initiale de l'enveloppe et d'un élément; vue la Fig.2 est une/a grande échelle de l'élément assemblé dans l'enveloppe, l'enveloppe ayant été chauffée et ramollie pour en effectuer un aplatissement partiel et pour assurer l'établissement d'un scellement initial, la Fig.5 est une vue à grande échelle montrant de façon dont on utilise la pression pour renforcer le scellement de l'ensemble ramolli représenté sur la Fig.2. En se référant plus particulièrement à la Fig.l, un dispositif 10 comprend un ensemble supérieur 12 et un ensemble inférieur 14 contenus dans une chambre de fermeture hermétique 15 délimitée par une enceinte 16 qui peut comprendre par exemple une cloche mobile avec l'ensemble supérieur et une base associée à l'ensemble inférieur.L'ensemble supérieur 12 comprend un contact 18, un conducteur supérieur 20 mécaniquement et électriquement associé à ce contact et un talon annulaire 22 en verre présentant une ouverture 24 qui le traverse à peu près axialement de part en part et qui est vissé sur le conducteur supérieur 20 et mécaniquement associé avec ce conducteur, de préférence à distance du contact 18, l'ensemble supérieur 12 étant mécaniquement associé, de façon provisoire, avec un ensemble mobile f6 de mandrin supérieur qui comprend, de préférence, un mandrin magnétique 28 comportant des moyens d'alignement, par exemple sous forme de rainures à peu près verticales 70 qui s'étendent dans le sens transversal du mandrin et des masses de serrage 52 qui coulissent dans ces rainures en alignement axial avec lesdites rainures 50, le conducteur supérieur 20 étant centré par les moyens d'alignement 50 du mandrin magnétique 28, ce dernier étant capable de retenir l'ensem- ble supérieur dans une orientation appropriée. L'ensemble inférieur 14 du dispositif 10 peut comprendre une enveloppe tubulaire en verre )3 dont la partie supérieure 74 est ouverte et dont la partie terminale inférieure D5, qui est annulaire, présente une ouverture 58 la traversant axialement de part en part, un corps de dispositif, par exemple un corps semi-conducteur 40 logé dans l'enveloppe tubulaire 55 et un conducteur infé rieur 42 associé électriquement et mécaniquement avec le corps 40 et vissé dans l'ouverture 38 de la partie terminale annulaire 36 de l'enveloppe tubulaire 33.En conséquence, le conducteur supérieur 30, le contact 18, le corps 40 et le conducteur inférieur 42 dé fi- nissent conjointement un ensemble qui doit être enfermé dans une enveloppe constituée par l'élément 55 et le talon en verre 22. Bien que sur le dessin et dans la deseription, on ait supposé que le conducteur inférieur 42 est en liaison mécanique avec la partie terminale annulaire D6, avec laquelle ce conducteur forme un ensemble unitaire, l'invention a également pour objet une jonction de scellement entre le conducteur inférieur 38 et l'enveloppe )3, en utilisant pour cela l'appareil et le procédé selon l'ihvention, ainsi que l'enrobage hermétique d'un élément dans l'enveloppe tubulaire mais sans utiliser le talon de verre 22. L'ensemble inférieur 14 est serré en place par un mécanisme inférieur de serrage 44 qui comprend un mors fixe 46 muni d'une partie de serrage 48 dont la construction t l'agencement permettent de serrer l'enveloppe tubulaire 33 et une surface ou partie de support 50 pour recevoir l'extrémité annulaire )6 de l'enveloppe tubulaire 3D, le mors fixe 46 présentant une ouverture transversale SP pour permettre le passage du conducteur inférieur 42.Un mors mobile 54 comprenant une partie 56 de serrage de l'enveloppe; peut être déplacé, au moyen de mécanismes d'actionnement (qui vont être décrits plus loin), vers une position de serrage et de transmission de chaleur par rapport à 11 enveloppe tubulaire 33, afin de serrer cet élément tubulaire D3 contre le mors fixe 46 de l'ensemble de serrage inférieur 44 et d'assujettir ainsi cet élément sur le mors fixe.La masse de serrage 52 est adaptée pour pousser l'ensemble supérieur 12 vers l'ensemble inférieur 14 pendant l'opération de scellement et le mors fixe 46 et le mors mobile 54 sont de préférence construits en un matériau, par exemple un métal, possédant une conductivité thermique élevée afin que l'ensemble inférieur de serrage 44 puisse fonctionner à la façon d'un dissipateur de chaleur pendant le scellement thermique ultérieur du dispositif 10, de manière à emsêEher un surchauffage de ce dispositif en des points autres que la zone de jonction lorsque le dispositif est serré par l'enveloppe tubulaire 55 du dispositif 10. L'ensemble inférieur 14, et en particulier son mors inférieur 46, peuvent également comporter (comme on le verra plus en détail dans la suite), des moyens de chauffage pou7 permettre de chauffer l'élément pendant son enrobage hermétique, si cela est nécessaire, pour permettre de procéder à certaines opérations auxiliaires de fabrication, par exemple des opérations de soudage ou autres,conjointement avec le scellement thermique. Par ailleurs, l'ensemble supérieur de mandrin 26 et l'ensemble inférieur de serrage 44 sont de préférence associés, de façon amovible, avec l'enceinte 16 en vue d'en permettre un remplacement facile lorsque les éléments 12 et 14 présentent des dimensions et des caractéristiques différentes. En se référant à la Fig.2, on voit que le mors mobile 54 a été amené dans une position dans laquelle les parties de serrage 56 et 48 des mors mobiles 54 et 46, respectivement, sont en contact de serrage ferme avec l'enveloppe tubulaire 3) de l'ensemble inférieur 14, afin que cet ensemble inférieur 14 soit solidement et positivement centré et retenu en position avec l'ensemble de serrage inférieur 44 et l'ensemble supérieur de mandrin 26 a été déplacé en direction de l'ensemble inférieur de serrage 44 pour réunir ainsi l'ensemble supérieur 12 du dispositif 10 avec l'ensemble inférieur 14 de sorte que le contact 18 est en contact électrique avec le corps 40 et est serré contre celui-ci par la masse 32 agissant par l'intermédiaire du conducteur supérieur 20, le talon de verre 22 étant concentriquement assemblé avec l'extrémi- té supérieure 54 de l'enveloppe tubulaire 3), la chaleur de ramollissement étant appliquée à l'extrémité ouverte 34 de l'enveloppe )3 et au talon de verre juxtaposé 22, par des moyens de chauffage tels qu'un élément électrique de chauffage 58, afin de ramollir l'extrémité 4 de l'enveloppe de verre 33 jusqu'au moment où sa tension superficielle provoque un aplatissement de la partie terminale ouverte 54 de l'enveloppe tubulaire 55, en établissant un contact initial de scellement avec le talon de verre 22;; l'ensem- ble inférieur de serrage 44 agissant à la façon d'un dissipateur de chaleur pour empêcher le chauffage du corps 40 du disposi- tif 10 pendant cette opération de chauffage. I1 n'est pas indispensable, lors de la mise en oeuvre de l'invention, de chauffer le verre de l'enveloppe 3D et le talon 22 à une température suffisamment élevée pour fondre le verre du talon 22 et l'enveloppe tubulaire 33 par le seul effet de la température, mais il suffit que le verre soit chauffé à une température à laquelle l'enveloppe 33 s'aplatit pour venir en contact avec le talon 22 et former ainsi un premier joint initial annulaire 59 entre eux. En se référant maintenant à la Fîg.5, une fois que l'enveloppe tubulaire 33 a été portée à une température suffisante pour ramollir le verre et aplatir l'enveloppe 33 en la mettant en contact avec le talon 22, on laisse entrer un gaz comprimé, qui peut être par exemple l'air comprimé, l'azote sous pression ou un autre gaz inerte comprimé, dans la chambre 15 pour appliquer une pression sur l'extérieur de l'enveloppe 33 et cette action combinée de chaleur et de pression provoque la fusion du talon de verre 22 et de l'enveloppe tubulaire 33 sans avoir besoin de surchauffer le verre au-dessus de la température de ramollissement précitée et sans exiger que le verre soit porté à uae température à laquelle le verre du talon 22 et de l'enveloppe 33 coule librement et fond. Bien que l'on ait supposé dans l'exemple décrit que le dispositif 10 est initialement assemblé sous la pression atmosphérique et qu'un gaz sous pression est admis dans la chambre 15 après le ramollissement du verre par l'action du dispositif de chauffage 58, l'enceinte .16 entoure entièrement la chambre 15 de sorte que l'assemblage initial et le ramollissement de l'enveloppe tubulaire 33 peuvent être réalisés dans une atmosphère quelconque composée d'un gaz ou d'un mélange gaeux,sous une pression désirée quelconque, la seule exigence étant que la pression finale soit suffisante pour travailler le verre ramolli et qu'elle soit, de préférence, supérieure à la pression initiale c'est-à-dire à la pression du gaz enfermé dans l'enveloppe 33, de sorte que l'envelop- pe 33 en verre ramolli ne gonfle9tsous l'action de la pression in- terne et que des bulles gazeuses ne se forment point dans le joint entre l'enveloppe 37 et le talon 22. En d'autres termes, l'invention établit un joint initial annulaire entre l'enveloppe et le talon ou entre l'enveloppe et le conducteur si le dispositif ne comporte pas de talon, après quoi une pression plus élevée, ou post-pression, est appliquée contre l'extérieur de l'enveloppe pour réaliser un scellement plus poussé de l'enveloppe sur le talon ou le conducteur. Cette postpression empêche le gonflement de l'enveloppe ramollie, empêche la formation de bulles gazeuses dans le joint et équilibre les pressions développées pendant le chauffage afin de reduire le dégazage. D'autre part, la post-pression contribue à 11 établissement du joint final ce qui permet de le réaliser à une température plus basse et avec un moindre chauffage de l'enveloppe et de l'élément, tout en permettant la formation d'un joint résistant et sûr en un temps plus court que celui qui était nécessaire avec les procédés et les appareils connus. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication de dispositifs enrobés de façon étanche, caractérisé en ce qu'on dispose une enveloppe en verre tubulaire dans une chambre pouvant être hermétisuement fermée on chauffe une extrémité ouverte de ladite enveloppe tubulaire Jusqu'à une température suffisante pour permettre à la tension superficielle d'aplatir ladite partie pour former ainsi un joint annulaire initial et on appliaue un fluide sous une nouvelle pression de scellement à ladite chambre sous une pression plus élevée que celle établie à l'intérieur du dispositif par ledit joint annulaire initial, afin de comprimer cette partie et de réaliser ainsi un joint résistant et sûr en ce point, de manière à équilibrer le dégazage, à empêcher le gonflement ou l'éclate- ment et à empêcher -la détente de tout gaz emprisonné dans le dispositif. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on soutient et on centre un élément muni d'un conducteur, de sorte que ce conducteur soit dirigé à peu près axialement à travers l'extrémité ouverte de l'enveloppe avant le chauffage, de sorte que ledit élément et l'enveloppe peuvent être assemblés et hermétiquement enfermés dans ladite chambre. 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce au'on soutient et on centre un élément muni d'un conducteur et un talon en verre disposé sur ce conducteur, ledit conducteur étant dirigé à peu près axialement à travers l'extrémité ouverte de l'enveloppe, et ledit talon étant disposé dans l'envelop- pe avant la mise en oeuvre du stade de chauffage, ce qui permet d'assembler et d'enfermer hermétiquement un dispositif complet dans ladite chambre. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le stade de centrage consiste à serrer une partie inférieure de l'enveloppe dans un support fixe, ladite enveloppe se trouvant à peu près verticale. 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on purge ladite chambre avec un gaz non-oxydant sous une première pression et on ferme hermétique- mett cette chambre pour établir à l'intérieur de celle-ci des conditions non-oxydantes, ledit fluide sous ladite nouvelle pression de scellement étant un gaz oui est sous une seconde pression plus élevée que ladite première pression. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce aue l'on ne chauffe aue l'extrémité ouverte de l'enveloppe et ce chauffage n'atteignant qu'une tem pérature inférieure à celle pour laquelle se produit un scellement total sans déformer en meAme temps le reste de l'enveloppe et sans surchauffer cette dernière. 7 - Dispositif enrobé de fac on étanche sous une envelop te de verre, caractérisé en ce ou'il est obtenu au moyen du procédé suivant l'une quelconoue des revendications 1 à 6.