Brevet FR2115254A1 — publié le 19720707

La présente invention concerne des structures composites comportant au moins un élément en carbone de structure microcristalline et essentiellement imperméable. L'inventian vise également le procédé de fabrication de ces structures composites Les matériaux en carbone qui sont de structure microcristalline et essentiellement imperméables, tels par exemple les carbones de forme dite vitreuse ou pyrolytique, sont conducteurs électriquement, très résistants méc niquement et résistant à la corrosion vis-à-vis de nombreux produits chimiques. Ils sont chimiquement, biologiquement et physiologiouement compatibles avec les tissus humains et sont de ce fait utilisables dans de nombreuses applications dans des domaines tels que l'électronique, le génie biochimique et le génie chimique.Toutefois, il est. dans la pratique difficile de créer une liaison entre un élément constitué dans un carbone de ce type et un autre élément constitué dans un matériau identique ou différent, principalement en raison de l'inertie chimique de ce carbone. Suivant leinvention, la structure composite est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément en carbone de structure microcristalline et essentiellement imperméable ayant une surface ou des surfaces liées avec une surface ou des surfaces d'un autre élément au moyen d'une couche d'un élément formant un carbure disposé entre les surfaces de l'élément en carbone et ledit autre élément. Un revetement métallique est disposé entre la couche de l'élément formant un carbure et cet autre élément lorsque ce dernier est en métal. Suivant l'invention également, le procédé de fabrication d'une structure composite est caractérisé en ce quton utilise au moins un élément en carbone de structure microcristalline et essentiellement imperméable, ce procédé comprenant les étapes consistant à appliquer une couche d'un élément formant un earbure sur une surface ou des surfaces de cet élément en carbone et à lier une surface ou des surfaces d'un autre élément avec cette couche. Lorsque ledit autre élément est métallique et que l'on veut lier sa surface ou ses surfaces avec la couche de l'élément formant un carbure au moyen de soudure, brasure ou procédé similaire, la couche de l'élément formant un carbure est revetue par un métal tel que le nickel. De préférence, le matériau en carbone utilisé est un carbone de forme vitreuse et, de préférence également, ltélément formant un carbure est le silicium. D'autres particularités de l'invention apparaîtront encore dans ia description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés a' titre indicatif, on a repré sente à la figure 1 une vue schématique d'une coupe en élévation latérale d'une partie d'une structure composite conforme à l'invention à la figure 2 une vue schématique d'une coupe en élévation latérale d'une partie itune autre structure composite conforme à l'invention ;.et à la figure 3 une vue schématique d'une coupe en élévation latérale d'une partie d'une troisième structure composite conforme à l'invention. Suivant une version préférée du procédé conforme à l'invention, la structure composite dont une partie est représentée schématiquement à la figure 1 par une coupe en élévation latérale est fabriquée en utilisant en premier lieu un élément de forme désirée provenant d'un matériau en carbone de structure microcristalline et essentiellement imperméable, comme par exemple le carbone de forme vitreuse, le carbone de forme pyrolytique. Un élément 1 de carbone solide de forme vitreuse ou hyaline est obtenu par dégradation thermique de substances organiques. Un procédée fabrication d'éléments en carbone imperméable est décrit dans le brevet des Stats-Unis d'Amérique ne 3 109 712 et dans le brevet britannique n 956 452, Sous la forme d'une masse compacte, les carbones de forme vitreuse ont une densité approximativement égale à 1,5, leur fracture est conchoïdale et ils ne sont pas poreux. Un élément de carbone solide pyrolytique est obtenu par carbonisation de certains composés organiques simples Une couche 2 d'un élément formant un carbure est alors appliquée suivant une méthode connue, comme par exemple par dépôt en phase vapeur sur une surface ou des surfaces de l'élément en carbone 1. Les éléments formant des carbures utilisables peuvent entre, par exemple, le silicium, le tungstène, le bore et le titane. Dans le cas du procédé par dépôt en phase vapeur, une couche 2 de silicium est appliquée sur une surface ou des surfaces de l'élément en carbone 1 en masquant la surface ou les surfaces de façon à ce que seules les zones de ces dernières où le dépot doit être effectué soient exposées et en chauffant l'élément de carbone i dans une atmosphère de silane à une température de l'ordre de 1.000 C. Une couche de silicium se forme ainsi lors de la mise en oeuvre de ce procédé de dépôt sur les zones exposées de la surface ou des surfaces de l'élément 1 et la couche de silicium ainsi obtenue est liée au carbone sousjacent. On live ensuite une surface ou des surfaces dgun élément 3 avec la couche 2 en élément formant un carbure. Lorsque l'été ment 3 est constitué par un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique comparable à celui du matériau en carbone de l'élément 1, ce qui est le cas du verre pyrex, l'élément 1 tel que représenté à la figure 1, est directement lié avec la couche 2 La liaison entre l'élément 3 en verre pyrex et la couche 2 en silicium qui est réalisée à température élevée forme un assemblage solide, étanche au vide et capable de résister à d'importantes contraintes thermiques.Il a été montré qu'un tel scellement, soumis à une différence de pression de l'ordre de 1 bar pe-ndant 15 heures, entraînait un débit de fuite d'air in 3 férieur à 0,00005 cm par heure. Un exemple de structure composite de ce type est représenté schématiquement à la figure 2, en coupe en élévation latérale. Cette structure comporte un %dément en carbone 4, par exemple en carbone de forme vitreuse, dont l'une des extrémités est liée avec une extrémité d'un tube 5 en verre pyrex au moyen d'une couche 6 en siliciums le silicium ayant été appliqué sur ladite extrémité de l'élément 4, suivant une méthode décrite précédemment, avant de lier l'élément 4 avec ladite extrémité du tube 5.Cette structure composite peut etre utilisée en vue de nombreuses applications ; c'est ainsi par exemple qu'une énergie électrique peut être appliquée ou extraite d'une substance contenue dans le tube en verre 5 au moyen de l'élément 4 qui, ainsi qu'il a été indiqué précédemment, est conducteur électriquement et est résistant à la corrosion vis-à-vis de nombreuses substances. Lorsque l'élément 3 est en métal et si l'on désire réaliser la liaison de ce type d'élément avec l'élément 1 par soudure, brasure ou procédé similaire, il est nécessaire, comme indiqué à la figure 3 des dessins, de revêtir la couche 2 avec un revêtement métallique 7, tel qu'un revêtement de nickel, avant de mettre l'élément 3 en liaison avec l'élément 1. Suivant une version avantageuse de mise en oeuvre d'un procédé de revêtement de nickel sur une couche 2 en silicium, on nettoie la couche 2 pendant une période oe temps de l'ordre de 5 minutes dans une solution contenant 5 volumes de H2S04 pour i valume de H O l'élément 1 étant disposé au préalable sur une 2 value 2' plaque chaude. La surface de la couche de silicium 2 est ensuite lavée dans de l'eau désionisée. La surface de la couche de silicium ainsi lavée est préalablement activée avant l'immersion de l'élément 1 comportant la couche 2 dans un bain de nickel sans effet électrique qui est maintenu à une température de l'ordre de 90oC. La surface de la couche 2 est immergée dans le bain de nickel pendant une durée dépendant de lZépaisseur requise pour le revêtement 7, mais en pratique, il a été trouvé qu'une durée de 5 minutes donnait un revêtement d'épaisseur convenable. A la fin de l'opération de revêtement, on sort l'élément 1 du bain, lequel est ensuite lavé Une surface ou des surfaces d'un élément en céramique, par exemple un élément en alumine, peut également être liée avec une surface ou des surfaces d'un autre élément en appliquant selon une méthode décrite précédemment une couche de silicium sur la surface ou les surfaces de l'élément en céramique avant ltopéra tion de liaison. En plus des structures décrites précédemment, on peut encore disposer une oeuche métallique entre la couche de silicium et ledit autre élément quand cet autre élément est en métal Ce type de structure est également utilisable dans de nombreuses applications, l'une d'elles étant notamment l'emballage des unités comprenant des semi-conducteurs Ainsi, dans cette application, l'unité comprenant des semi-conducteurs~est disposée sur un substrat en céramique et un élément de couverture est placé sur 11 unité comprenant des semi-conducteurs et est lié au substrat en céramique qui peut comporter une couche en silicium et en métal pour faciliter les opérations de liaison avec une soudure fusible à basse température Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits dans la description ci-dessus, ceux-ci n'étant donnés qu'à titre indicatif et illustratif. REVENDICATIONS 1 - Structure composite, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément en carbone de structure microcristalline et essentiellement imperméable ayant une surface ou des surfaces liées avec une surface ou des surfaces d'un autre membre au moyen d'une couche d'un élément formant un carbure- disposé entre les surfaces de l'élément en carbone et ledit autre élément. 2 - Structure composite conforme à la revendication 1, ca rsctérisée en ce que le matériau en carbone est choisi parmi les carbones de forme dite vitreuse ou pyrolytique. 3 - Structure composite conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément formant un carbure est choisi parmi le silicium, le tungstène, le bore et le titane. 4 - Structure composite conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit autre élément est métallique et en ce que la structure comporte une couche métallique disposée entre ledit autre élément et la couche en élément formant un carbure pour faciliter la liaison entre les deux éléments. 5 - Structure composite conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément en carbone de forme dite vitreuse ayant une surface ou des surfaces liées à une surface ou des surfaces d'un autre élément au moyen d'une couche de silicium disposée entre les surfaces de l'élément de forme dite vitreuse et ledit autre élément. 6 - Structure composite conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit autre élément est un tube en pyrex, en ce que l'élément en carbone est en forme de baton, la couche en élément formant un carbure étant disposée autour de l'une des extrémités de cet élément en forme de pâton et en ce que ladite extrémité de l'élément en forme de bâton est scellée avec 1'une des extrémités du tube de façon à ce que le reste de l'élément en forme de bâton s'étende à l'intérieur et soit contenu à l'intérieur du tube 7 - Procédé de fabrication d'une structure composite conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce quton utilise au moins un élément en carbone de structure microcristalline et essentiellement imperméable, ledit procédé comprenant les étapes consistant à appliquer une couche d'un élément formant un carbure sur une surface ou sur des surfaces dudit élément en carbone et à lier une surface ou des surfaces d'un autre élément avec ladite couche. 8 - Procédé conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément formant un carbure est appliqué surla surface ou sur les surfaces de l'élément en carbone suivant un procédé de dépôt en phase vapeur. 9 - Procédé conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément formant un carbure utilisé est du silicium et en ce que le procédé de dépôt en phase vapeur comprend les étapes consistant à masquer la surface ou les surfaces de ltélément en carbone pour n'exposer que les zones de ces dernières devant être revetues et à chauffer l'élément en carbone à une température de l'ordre do 1000 C dans une atmosphère de silane. 10 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit autre élément utilisé est métallique et en ce que le procédé comprend l'étape consistant à revetir la couche en dément formant un carbure avec un métal avant l'étape consistant à effectuer la liaison. 11 - Procédé conforme à la revendicationlO, caractérisé en ce que le revêtement métallique utilisé est en nickel et en ce que le procédé comprend les étapes consistant à nettoyer la surface ou les surfaces de la couche en élément formant un carbure à laquelle ledit autre élément doit etre lié, à activer la surface ou les surfaces nettoyées, à former une couche de nickel sans effet électrique, sur la surface ou les surfaces nettoyées et à laver la structure obtenue 12 - Procédé conforme à la revendication 11, caractérisé en ce que l'opération de nettoyage de la surface ou des surfaces de la couche en élément formant un carbure comprend les étapes consistant à placer la structure sur une plaque chaude, à immerger ladite surface ou lesdites surfaces dans une solution contenant 5 volumes de H2S04 et 1 volume de H202 pendant une durée de l'ordre de 5 minutes et à laver ladite surface ou lesdites surfaces avec de l'eau désionisée.