Brevet FR2123301A1 — publié le 19720908

La présente invention concerne des substrats fluorescents. Par exemple, de tels substrats sont destinés à la réalisation de circuits modulaires, par exemple des plaques de circuits imprimés ou des plaques de circuits à couche mince, dans les-5 quels un substrat en matière céramique diélectrique supporte un circuit. On peut aussi utiliser les substrats fluorescents pour vérifier le circuit, notamment ceux qui concernent la précision des dimensions, la présence de courts-circuits, de circuits ouverts et d'autres défauts. 10 La miniaturisation des circuits électroniques progresse au fur et à mesure que les techniques progressent et qu'on utilise des tensions de plus en plus faibles. Par exemple, on réalise des circuits comprenant des condensateurs, des résistances, des conducteurs et analogues par des procédés de la 15 technique antérieure^par exemple par métallisation à la surface de substrats diélectriques. Pour des raisons concernant les propriétés électriques, mécaniques et thermiques, les compositions à teneur élevée en alumine trouvent de plus en plus d'applications. 20 Les problèmes qu'on rencontre lorsqu'on réalise les circuits miniaturisés concernent le maintien d'un réglage très précis des dessins réalisés, ainsi que la détection des défauts tels que les courts-circuits, les circuits ouverts et analogues. La vérification des circuits modulés est souvent réalisée soit 25 par des procédés électriques soit par observation, ces deux procédés étant, dans les conditions actuelles de production, à la fois ennuyeux et longs. L'utilisation d'un dispositif électronique capable de détecter les défauts cités par analyse d'un substrat diélectrique fluorescent exposé à des radiations 30 ultraviolettes a été proposée par la demande de brevet des Etats-Uni§&'Amérique nS 838 259 du 1er Juillet 1969. La préparation des substrats diélectriques fluorescents de la technique antérieure, ayant une teneur élevée en alumine, pose le problème de la réalisation d'une fluorescence suffi-35 samment intense dans les compositions à teneur élevée en alumine. On a observé qu'une espèce fluorescente, connue pour présenter en général d'excellentes propriétés de fluorescence, 3 ad original ^ 72 00069 2 2123301 3+ par exemple TTr , perd ses propriétés dans une grande mesure lorsqu'on l'incorpore à de l'alumine alpha. Ce problème est discuté par exemple par S. Gescliwind et J.P. Remeika, volume 122, N0 3, Physical Review, 1961, pages 757-761 et par I. 5 Adams et J.W. Mellichamp, volume 36, n° 9, Journal of Chemical Physics, 1962, pages 2456-2459. le problème de la préparation de substrats fluorescents en alumine est résolu selon l'invention qui concerne un procédé de réalisation d'un tel substrat par mélange de la matière du 10 substrat qui donne de l'alumine lors du chauffage et qui contient 0,2 % en poids au maximum d'éléments du Groupe VIII de la classification périodique et au maximum 0,8 °fo en poids d'autres éléments par rapport à la composition, avec un mélange intime d'europium et d'au moins un des ions trivalents du groupe formé 15 par l'yttrium, le lanthane, le gadolinium et le terbium, et par chauffage du mélange de manière que le substrat fluorésce lorsqu'on l'expose à des radiations électromagnétiques. On peut régler la couleur de la fluorescence en choisissant une atmosphère oxydante ou réductrice au cours de la cuis-20 son finale du substrat contenant l'europium, une atmosphère oxydante donnant une coloration rouge orange et une atmosphère réductrice, une coloration allant du blanc au bleu, suivant la sévérité des conditions réductrices. Il faut noter qu'on peut utiliser l'invention pour faci-25 liter la production des circuits à couche mince. On expose alors le substrat à des radiations ultraviolettes et on observe les fissures et les défauts du circuit à l'aide d'un dispositif visuel ou électronique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res-30 sortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel ; la figure 1 est une vue en plan d'un circuit modulaire à couche mince ; et la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la 35 figure 1. Sur les figures 1 et 2, un substrat céramique diélectrique 10 porte un circuit métallique 11 sur ses deux faces, BAD ORIGINAL. 72 00069 3 2123301 supérieure et inférieure,de manière à former des circuits modulaires 12 destinés à être associés à d'autres circuits modulaires ou à d'autres circuits électriques. Le circuit 11 comprend des éléments métalliques 13 de formes différentes qui 5 comprennent des composants tels que des résistances, des condensateurs et des conducteurs à couche mince. Le substrat 10 est formé d'une plaquette céramique 14 en alumine comprenant une seconde phase 15 dispersée formée d'une matière telle que de l'europium, traitée et ajoutée à la 10 céramique. Les épaisseurs du substrat, des diverses parties du substrat et du circuit sont nettement exagérées sur la figure 2, par raison de clarté. Les épaisseurs réelles sont celles qu'on utilise habituellement dans la technique. 15 Le substrat fluorescent est par exemple une céramique polycristalline qui ne contient pratiquement pas de phase vitreuse (moins de 4 en volume). On peut l'obtenir à partir de compositionqâe matières de départ contenant 96 à 100 parties en poids ' d'alumine et 0 à 4 parties en. poids au to-20 tal de magnésie, de silice et d'oxyde de calcium. Dans certaines compositions, on utilise jusqu'à 99,5 % en poids d'alumine, le reste étant de la magnésie. On ajoute à ces compositions 0,1 à 2 parties (pour 100 parties en poids de la composition citéejd'un mélange de terres rares,préalablement fritté. 25 Les composés préférés sont des oxydes d'europium avec de l'yttrium et/ou du lanthane et/ou du gadolinium, bien qu'on puisse aussi utiliser du terbium. Bien que l'yttrium, le lanthane et le gadolinium, ainsi que des quantités limitées de terbium (jusqu'à 50 fo en poids du mélange de terres rares accroissent 30 l'intensité de la fluorescence de l'europium dans l'alumine, on préfère normalement l'yttrium au lanthane et au gadolinium ainsi qu'au terbium pour des raisons d'économie et de rendement de la fluorescence. On fabrique alors le substrat fluorescent. La couleur 35 observée par fluorescence dépend de l'atmosphère à laquelle est exposée la céramique au cours de la cuisson finale. Ainsi, les atmosphères oxydantes, l'air par exemple, tendent^ donner un substrat qui, exposé aux radiations ultraviolettes, apparaît BAD ORIGINAL 72 00069 -» 2123301 rouge orangé, alors que des atmosphères moyennement réductrices, c'est-à-dire contenant 95 parties d'azote et 5 parties d'hydrogène par exemple, ont tendance à donner un substrat qui apparaît blanc. Dejî atmosphères^reductrices, par exemple 5 l'hydrogène sec, ont tendance à donner un substrat qui apparaît bleu. On va décrire rapidement un exemple de procédé, mais on peut utiliser d'autres techniques qui donnent aussi un corps cuit satisfaisant. La présence d'impuretés ou d'ingrédients modificateurs 10 dans les matières du substrat doit être minimale. Les impuretés présentes doivent être en général en concentration in-férieure à 1,0 fo en poids du total, avec au maximum 0,2 fo en poids au total d'éléments du Groupe VIII de la Classification Périodique (fer, cobalt, nickel, ruthénium, rhodium, palla-15 dium, osmium, iridium et platane), de manière à éviter la réduction de l'intensité de la fluorescence. Les matières de départ du mélange de terres rares sont des oxydes et autres composés, par exemple les carbonates, qui, lors de la cuisson, donnent les oxydes. On mélange soi-20 gneusement les matières pour être sûr que les réactions ont lieu complètement et uniformément. On réalise habituellement le mélange en formant une suspension dans l'eau ou dans lin solvant organique dans un broyeur à boulets.On sèche alors la matière, on la granule et on la fait réagir préalablement par 25 calcination, en général à une température de l'ordre de 500 à 8002C pendant 1/2 heure à 4 heures. D'autres exemples de procédés de préparation du mélange de terres rares comprennent la co-précipitation des oxydes ou composés appropriés donnant les oxydes, par exemple des ear-30 bonates, avant la phase de calcination. Selon une variante, on sèche par congélation les oxydes, nitrates, halogénures, carbonates, sulfates, etc., appropriés, suivant les procédés connus dans la technique, avant la phase de calcination. Enfin, 3+ 2+ on peut remplacer Eu par Eu dans l'un des procédés cités. 35 Après calcination, on pulvérise la matière de manière à briser les agglomérats formés au cours de cette opération. Bien que cela ne soit pas nécessaire, on cuit de préférence la poudre obtenue (par frittage) dans-une atmosphère très réduc 72 00069 5 2123301 trice, par exemple dans de l'hydrogène sec, à une température de l'ordre de 1200 à 1500^0 pendant 1/2 heure à 6 heures, de manière à assurer un mélange intime des oxydes. Lorsque tou-autres tes les/conditions de traitement sont par ailleurs égales, un 5 frittage dans l'hydrogène donne un produit final ayant l'intensité la plus élevée de la fluorescence qu'on puisse observer, alors qu'un frittage dans un-mélange d'azote et d'hydrogène (92 à 98 parties en poids d'azote, le reste étant de l'hydrogène) donne un produit final ayant une fluorescence d'inten-10 site inférieure. Le frittage dans l'air donne un produit final qui a une intensité encore plus faible ; cependant, ce produit est supérieur à ceux qu'on réalise par addition de Eu^O^ seul dans le substrat d'alumine» On ajoute alors le mélange de terres rares,suivant le 15 rapport désiré, aux ingrédients initiaux, comprenant l'alumine avec la magnésie, la silice et l'oxyde de calcium éventuellement, la totalité étant placée dans un broyeur à boulets avec un ou plusieurs additifs, par exemple des liants, des lubrifiants et des plastifiants, et un véhicule aqueux ou organi-20 que destiné à former une suspension. L'additif particulier choisi et sa quantité ajoutée dépendent du procédé choisi pour la mise en forme des corps ayant la résistance à l'état cru. On peut préférer utiliser le pressage à sec ou le raclage lorsqu'on veut une surface plane ayant une surface lisse dé-25 tectable mécaniquement. Dans le pressage à sec, on assure le dégazage de la suspension, son séchage et sa mise en poudre, de manière que cette dernière ait des particules de dimension inférieure à 0,074 mm par ^exemple. On la verse alors dans, des moules et on la comprime à une pression comprise entre 210 ét 30 4200 kg/cm^. Lors du raclage ou de la coulée soas forme d'une feuille, la suspension, après dégazage, est mise en général sous forme d'une fine feuille de céramique humide par introduction sur un support déplacé à une vitesse constante sous une lame de 35 raclage dont le bord est parallèle à la surface du support. Après séchage à l'air, la feuille à l'état cru est prête pour la cuisson. COPY 72 00069 2123301 Une fois le corps formé, ayant une résistance à l'état cru, on traite thermiquement la matière dans l'air (500 à 8002C) pendant une période comprise entre 1/2 heure et 2 heures de manière à chasser l'additif. Ensuite, on cuit le corps 5 à une température comprise entre 1500 et 1650^0 pendant 2 à 8 heures. On peut choisir l'atmosphère de manière à obtenir la couleur de fluorescence voulue par exposition à des rayons ultraviolets. La fluorescence observée lors de l'exposition du produit final aux rayons ultraviolets dépend de l'état d'oxy- 3+ 10 dation de l'europium. Eu paraît rouge sous les radiations 2+ ultraviolettes, alors que Eu apparaît bleu. La combinaison 2+ 3+ de diverses proportions de Eu et Eu donne diverses nuances allant du bleuâtre au rouge orangé. On obtient Eu^+ en cuisant le produit final (c'est-à-dire le mélange de terres 15 rares et des ingrédients initiaux) en atmosphère oxydante, 2+ par exemple dans l'air ou l'oxygène. Eu , qu'on obtient par frittage du mélange des terres rares dans l'hydrogène, reste aprèsjLa cuisson du produit final dans l'atmosphère réductrice, par exemple dans de l'hydrogène sec. On obtient une couleur 2+ 3+ 20 bleuâtre indiquant la présence de Eu et Eu par cuisson du produit fina]/lans une atmosphère moyennement réductrice, par exemple contenant 92 à 98 ^ en poids d'azote, le reste étant de l'hydrogène (ce mélange étant aussi connu comme gaz formateur) . 25 Dans les trois conditions d'atmosphère citées pour le traitement du produit final, le rapport Eu:Y et/ou La et/ou Gd donnant les résultats optimaux est compris entre 1 :3 et 1i25 parties en poids. Cependant, on obtient l'intensité maximale de la fluorescence lorsque ce rapport est voisin de 1:4 30 pour Eu:Y et Eu:0rd et de 1:20 pour Eu:La. L'expérience montre qu'en modifiant les conditions de l'atmosphère de cuisson du produit final, la cuisson dans le gaz formateur donne l'intensité la plus élevée pour l'émission, la cuisson dans l'air donnant une intensité plus faible et la 35 cuisson dans l'hydrogène donnant la plus faible intensité. Le traitement dans l'une de ces trois conditions donne cependant un produit final ayant une intensité de fluorescence bien supérieure à celle qu'on obtient par addition de ^2^3 seul dans bad origimai 72 ÛÔÔ69 7 2123301 la composition à teneur élevée en alumine avant la mise en forme du substrat. Ceci indique que l'utilisation de l'yttrium (ou du lanthane ou du gadolinium) comme diluant de l'europium, permet à l'addition d'europium dans l'alumine de 5 donner un produit plus fluorescent. Exemple. On combine des matières de départ chimiquement pures pour obtenir un mélange de terres "rares ayant, en pourcentage en poids?la composition suivante : 72,5 de ^^3 ^7,5 d'Ë^O^, 10 et on mélange avec de l'acétate de cellosolve dans un broyeur à boulets pendant 6 heures. On filtre, sèche et calcine à 6002C, pendant 2 heures^à l'air, la suspension résultante. On cuit alors à 13502C pendant 2 heures dans l'hydrogène sec la poudre obtenue après broyage. On ajoute alors la poudre en quan-15 tité de 1 $ en poids/un mélange de 99,5 % en poids d'alumine, le reste étant de là magnésie, dans un broyeur à boulets avec un solvant (constitué de trichloréthylène et de méthanol), un liant (butyral de polyvinyle) et un plastifiant ainsi qu'un défloculant (glycol polyalcalin) en vue d'une préparation par 20 raclage ; le mélange est broyé avec des boulets .pendant 6 heures. Après le raclage, la céramique crue est préalablement frittée à 500^0 dans l'air pendant 1/2 heure, puis cuite à 1520^0 pendant 2 heures en atmosphère moyennement réductrice contenant 95 parties en poids d'azote, le reste étant de l'hy-25 drogène. Le substrat obtenu a une couleur bleuâtre d'intensité voulue lorsqu'on l'expose aux radiations ultraviolettes. Il faut noter qu'on peut utiliser le substrat fluorescent pour faciliter la fabrication des circuits à couche mince. Après la production d'un circuit comprenant des condensateurs, 30 des résistances, des conducteurs et des composants analogues, suivant un procédé quelconque de la technique antérieure, par exemple par métallisation, on peut vérifier la présence de défauts, par exemple de courts-circuits, de circuits ouverts, ou de variations de dimensions et analogues, par comparaison 35 d'un dessin standard avec le dessin réellement formé. L'illumination du substrat par les radiations ultraviolettes présente alors ces défauts. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra 40 apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. ORIQfNAt- .,72 00069 8 . - 2123301 REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un substrat fluorescent, caractérisé en ce qu1 on,mélange la matière du substrat qui donne dé l'alumine après chauffage et qui contient au maximum 0,2 fi 5 en poids d'éléments du Groupe "VIII de la Classification Périodique et au maximum 0,8 en poids "d'autres éléments, par rapport au poids de -la composition du substrat, avec un mélange intime contenant de l'europium et au moins un ion trivalent choisi parmi l'yttrium, le lanthane, le gadolinium et le ter-10 bium, puis on chauffe le mélange de manière que le substrat ' fluoresce lorsqu'on l'expose à des radiations électromagnétiques. . 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'yttrium, le lanthane, le gadolinium ou le terbium sont 15 présents sous forme d'oxydes ou de composés qui forment des oxydes par chauffage. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport du mélange intime de terres rares est d'une partie d'europium pour 3 à 25 parties d'yttrium, de 20 lanthane, de gadolinium ou de terbium. 4- Procédé selon la revendication 3j caractérisé en ce que le rapport de l'europium à l'yttrium est de 1:4» et en ce que le rapport de l'europium au lanthane est de 1:20. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications pré-23 cédentes, caractérisé en ce que la concentration totale du mélange intime de terres rares est comprise entre 0,1 et 2 parties en poids du substrat. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, " caractérisé en ce que le substrat comprend au moins 30 96 a/° en poids d'alumine, le reste étant de la magnésie, de la silice et de 1.'oxyde de calcium. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5» caractérisé en ce que le substrat contient au moins 99 >5 ?<> en poids d'alumine, le reste étant de la magnésie. 35 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce que le mélange de la matière du 72 00069 9 substrat et du mélange de terres rares contenant de l'europium et de l'yttrium, du lanthane, du gadolinium ou du terbium est cuit soit en atciosphère oxydante soit en atmosphère réductrice, . la réduction étant à une température comprise entre 1200 et 5 1500°C pendant 0,5 à 6 heures. . 9» Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'atmosphère est constituée par de l'hydrogène sec, un mélange d'azote et d'hydrogène,, de l'oxygène ou de l'air. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce 10 que le mélange d'azote et d'hydrogène contient 92 à 98 i* en poids d'azote, le reste étant de l'hydrogène. f 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange intime d'europium et d'yttrium, dè lanthane, de gadolinium ou de terbium 15 est mélangé avec la matière du substrat et mis sous forme d'une suspension qui est broyée avec des boulots, séchée, granulée et calcinée à une température comprise entre 500 et 800°C pendant 0,5 à 4 heures. 2123301