Brevet FR2480673A1 — publié le 19811023

L'invention a pour objet de réaliser, par des moyens les plus simples possibles, des couches portantes ou des éléments portants, par un procédé de la technologie des couches épaisses, permettant de réaliser, grâce à ces couches sur un substrat en forme de plaquette des structures en forme de pont, des structures en forme de tunnel, des espaces creux fermés ou accessibles par un tunnel, ou des languettes en porte-à-faux. Les montages à couche épaisse sont fabriqués, par exemple, sur des substrats céramiques, en forme de plaquettes, par application de pâtes dont les matières actives-sont consti- tuées par des poudres métalliques, des poudres de verre ou de céramique de verre, ou des mélanges de verre et d'oxydes métal- liques. Après cuisson des pâtes ainsi appliquées à des tempéra- tures d'environ 850'C en atmosphère oxydante, il se forme, suivant les pàtes que l'on aura utilisées, des couches métalli- ques, des couches de verre ou de céramique de verre, ou des couches formant résistance. Ces couches se lient au cours de la cuisson, par toute leur surface, sur la surface du substrat sur laquelle elles forment, ensuite, une couche adhérant for- tement. Il est également connu de superposer des couches fabri- quées de cette façon, alternativement métalliques et isolantes, en répétant le procédé décrit, ces couches se liant de meme les unes avec les autres au cours de la cuisson. L'invention a pour objet un procédé pour la fabri- cation de couches portantes sur un substrat résistant à des températures élevées, à l'aide de la technologique des couches épaissés, caractérisé en ce que sur la surface du substrat sur laquelle on doit poser la couche portante, on dépose une matière de charge, faite de préférence d'une substance qui peut se trans- former en gaz sous l'effet de la température, et ci1e l'on rap7te pour former la couche portante sur la matière de remplissage, en particulier par impression, sous la forme d'une pâte dont la partie constituante active est constituée, de la façon connue d'après la technique des couches épaisses, de céramique de verre et/ou de verre apte à cristalliser, la couche recouvrant, au moins partiellement, la matière de charge, et une partie au moins de la surface de la couche s'appliquant sur le substrat, et que, dans une première opération de cuisson, on fait solidi- fier la couche sous atmosphère protectrice, de préférence en atmosphère d'azote, et dans une seconde opération de cuisson, 2 2480673- de préférence en atmosphère oxydante, on transforme la matière de charge en gaz, en la consumant en particulier. L'invention prévoit aussi d'autres perfectionne- ments et améliorations de ce procédé:on pourra par exemple appliquer sur le substrat une couche métallique, par vaporisa- tion, par.impression, ou par placage, dans laquelle est incluse la matière de charge. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés, dans lesquels - les figures 1 à 6 représentent des exemples de réalisation de l'invention. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, on applique sur la surface d'un substrat 1, sur lequel doit se réaliser la couche portante 3 qu'on se propose d'établir, une matière de charge 2. La matière de charge 2 et/ou les parties de la couche de recouvrement 3 qui sont reliées avec la base (subs- trat 1> peuvent êetre imprimées sur le substrat 1 lui-même,- comme le montre la figure 1 mais peuvent aussi être imprimées sur des couches qui ont déjà été préalablement posées sur ce substrat 1. Comme matière de charge 2, on a avantage à utili- ser du noir de fumée qui forme, en commun avec la résine dissoute dans un solvant organique approprié, une pàte que l'on peut -25 imprimer par sérigraphie. Cette matière de charge imprimée est frittée dans un four, sous atmosphère protectrice, en particu- lier sous azote, pour "être amenée à son épaisseur finale, à peu près à la température à laquelle on doit ensuite cuire, après avoir opéré l'impression, la couche partiellement portante. Ces températures peuvent se situer, suivant la matière utilisée pour établir la couche 3, dans un ordre de grandeur de 800 à 10000C et notamment, dans une marge de 400 à 6000C environ. En renou- velant plusieurs fois l'impression et la cuisson subséquente, on peut renforcer la matière de charge frittée à l'épaisseur , désirée. On imprime, sur la matière de charge 2 et sur le' substrat 1, ou sur des couches appliquées précédemment, la matière qui doit former la couche 3 partiellement portante, de préférence en céramique de verre, ou en verres capables de cristalliser. Des pâtes appropriées se fritteront en une masse solide, aux températures mentionnées ci-dessus, sous atmosphère de gaz protecteur, d'azote de préférence. Cette masse se lie solidement avec le substrat 1 ou avec les couches précédemment appliquées, sauf dans la zone o se trouve la matière de charge 2. Un grand nombre des pâtes qui se trouvent sur le marché ne forment cependant des masses solides qui soient exemptes de résidus de carbone que si on les cuit en atmosphère oxydante. On peut cependant utiliser de telles pâtes comme matière pour la couche portante 3 si, pendant le chauffage du substrat jusqu'a environ 5000C, on régle, dans l'atmosphère de gaz protecteur du four, une teneur en oxygène bien définie, de 800 ppm (parties par million) environ, et si l'on obtient, dans le sens inverse à celui de la bande transporteuse qui fait passer les substrats dans le four, une vitesse d'écoulement élevée de l'atmosphère du four. On peut arriver ainsi à ce que les matières organiques qui se trouvent dans la pàte prévue pour la couche 3 se vaporisent, la matière de remplissage 2 frittée ne se consumant toutefois pas. Dans uneautre opération de cuisson, qui a lieu, contrairement à l'étape précédente, en atmosphère oxydante, on peut consumer, sans aucun résidu la matière de remplissage 2 de telle façon qu'il se forme une couche partiellement portante 3. Si l'épaisseur des couches qui, au cours de la première opération de cuisson se trouvent au-dessus de la matière de charge 2, n'est pas trop épaisse et présente par exemple une épaisseur de 30 microns, et si l'on a choisi une matière en céramique de verre d'une porosité appropriée, on peut arriver à ce que la matière de charge 2 soit consumée sans aucun résidu, à partir d'un espace qui est fermé de toutes parts par la couche de recouvrement 3, et puisse s'échapper par la couche poreuse 3. En variante du procédé décrit-ci-dessus, la couche partiellement portante peut posséder suivant la figure 5, sur sa face intérieure, une couche métallique ou une couche formant résistance 5, cette couche étant solidement reliée à la couche 3 en céramique de verre. On peut réaliser cette couche métalli- que 5 dans une opération de cuisson préalable, ou encore la cuire en commun avec la couche 3 de céramique de verre. Une couche formant résistance 5 sera toujours fabriquée dans une opération de cuisson préalable, et 8tre liée avec la couche de céramique de verre 3 lors de la cuisson de cette dernière. Dans le premier mode de réalisation représenté dans une vue en plan dans la figure 2, les dimensions en lar- geur A de la couche de recouvrement 3, et B de la matière de remplissage 2, doivent être sensiblement du meme ordre de gran- deur, de telle façon que la couche de recouvrement 3 forme une structure en pont. Dans une forme de réalisation modifiée suivant la figure 2, la largeur A de la couche de recouvrement 3 est nette- ment plus grande, par exemple cent fois plus, que la largeur B de la matière-de remplissage 2, de sorte qu'il se forme une structure en forme de tunnel. Comme, de la façon décrite plus haut, la combustion de la matière de remplissage s'opère à travers la matière de recouvrement de la couche 3, la hauteur du tunnel peut être très petite par rapport à sa longueur. Par exemple, la hauteur du tunnel peut s'élever à 10 microns, tandis que sa longueur sera de quelques centimètres. Le tunnel n'a pas non plus besoin d'être rectiligne, mais il peut offrir des branchements quelconques ou avoir la forme d'un labyrinthe. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le matériau de recouvrement de la couche 3 entoure de toutes parts la matière de charge 2, celle-ci pouvant avoir de son c8té une forme quelconque, pour que, après que cette matière 2 ait été consumée, on obtienne, entre le substrat et le matériau de recouvrement de la couche 3, un espace creux fermé de toutes parts ou accessible par un tunnel placé dans la zone 2a. Dans le mode de réalisation de la figure 4, le matériau de recouvrement de la couche 3 est relié d'un c8té seulement avec le substrat 1 ou avec une couche que l'on a appliquée précédemment, de sorte que la couche 3 forme une languette en porte-à-faux d'une forme quelconque. On peut renforcer l'épaisseur de la couche de recouvrement 3 par une ou plusieurs opérations successives d'impression et de cuisson. On peut aussi utiliser ici d'autres matières de céramique de verre ou verres cristallisants appro- priés qui différent de la pâte que l'on a mise en oeuvre lors- qu'on a établi la première couche. Sur la couche de recouvrement 3 à couches multiples, fabriquée de cette façon, on peut ensuite appliquer, par les procédés connus de la technologique des couches épaisses, des voies conductrices, des résistances ou des couches électriques, et les relier de façon conductrice de l'électricité avec les autres structures qui se trouvent sur le substrat 1. Pour fermer hermétiquement aux gaz les espaces creux et les tunnels obtenus suivant l'invention, on peut en- suite.appliquer une couche de verre amorphe sur la couche de recouvrement 3 et sur les structures rapportées sur cette cou- che de recouvrement. Exemple d'utilisation du premier mode de réalisation (p2onts On peutproduire ici des isolations par l'air entre des conducteurs qui se croisent dans des montages en couche épaisse, cette isolation pouvant être prévue au lieu de l'isolation produite couramment jusqu'ici par des couches de céramique de verre seulement. Dans la figure 6, le conducteur inférieur 6 est isolé du conducteur supérieur 7 par une fente d'air 8 et une couche de céramique de verre 3. L'avantage réside ici dans la diminution de la capacité parasite qui est formée par le croi- sement des conducteurs, cette diminution se montrant supérieure à un ordre de grandeur appréciable. En outre, on empêche ainsi la corrosion entre des conducteurs qui se croisent, lors du fonctionnement sous tension et dans une humidité de l'air rela- tivement élevée. La réalisation de commutateurs sur des montages en couche épaisse est un autre type d'utilisation du procédé sui- vant l'invention. Dans la figure 5, le conducteur 5 est relié électriquement avec le conducteur inférieur 6, et agit alors comme contact de commutation si la couche 3 en porte-à-faux est déformée suffisamment par des forces extérieures. Il est d'autre part possible de constrxire un détecteur rapide de température en disposant des résistances en couche épaisse sensiblq à. la chaleur sur les couches portantes suivant la figure 1 ou la figure 4. Du fait que l'on ne peut réaliser la couche 3 qu'avec une faible épaisseur jusqu'à microns, la capacité thermique est très faible et la vitesse d'échauffement s'élève en conséquent, Une utilisation recomman- dée s'obtient sous la forme de détecteur rapide de mesure de la température ou pour la surveillance de gaz, en particulier des gaz d'échappement, dans les moteurs à combustion interne. Une autre forme d'utilisation est obtenue sous la forme d'un pont comme système capable d'osciller pour la détec- 624a0673 tion d'oscillations dues à la pression ou de vibrations de la base avec laquelle est relié le substrat 1, dans le champ de la fréquence propre du pont. La transformation en un signal élec- trique peut se faire au moyen de résistances imprimées sur la couche portante 3, qui s'étendent ou se rétractent quand la couche portante 3 vient à osciller, ce qui peut modifier sensiblement leur valeur de résistance électrique, ou au moyen d'électrodes de condensateur appliquées sur la couche 3 suivant les figures 5 ou 6. Exemples d'utilisation pour la seconde forme d'utilisation (tunnel): Application avec fourniture de gaz sur des substratsen forme de plaquettes, notamment comme atmosphère de référence dans une sonde à plaquette lambda. - Utilisation de la résistance à l'écoulement des gaz dans des capillaires de faible ouverture, notamment comme canal de diffusion pour une sonde à courant marginal à pla- quettes pour la mesure de la teneur en oxygène de gaz. - Construction de montage à fluides simples, en commun avec des montages en couche épaisse. Utilisations du troisième type de réalisation (espaces vides clos): Détecteur de pression à couche épaisse avec espace o l'on a fait le vide. - Détecteur de température sans résistances dépen- dant de la température, mais avec espace creux rempli de gaz. Les deux détecteurs mentionnés ci-dessus possèdent tous deux des résistances de détection posées sur des montages en pont ou encore des couches métalliques qui forment un condensateur variable. - Interrupteur manométrique construit suivant la figure 5 dans lequel toutefois l'espace creux est clos et o la couche portante s'affaisse si fortement avec une pression extérieure minimale qu'un contact électrique s'établit-entre les couches métalliques 5 et 6. Utilisation du quatrième type de réalisation (lanquette en porte-à-faux): - Construction d'un oscillateur pour détecter les variations de pression ou les vibrations de la base avec la- quelle le substrat 1 est relié. L'accord de la fréquence propre peut se faire en diminuant la longueur de la languette au moyen d'un rayon laser. La transformation élastique de la lan- guette en un signal électrique est possible à l'aide de cou- ches formant résistances imprimées. Une utilisation recommandée est celle d'un détecteur de cognement pour déterminer la com- bustion avec cognement du moteur d'une automobile avec lequel on doit pouvoir constater des fréquences de cognements de kHz. Une languette accordée sur cette fréquence doit avoir une longueur d'environ 2 mm et peut par suite être facilement réalisée. - Utilisation comme détecteur d'accélération en posant une masse lourde 9 sur la languette en porte-à-faux de la figure 4, par exemple par impression d'or ou garniture d'un conducteur imprimé dans la zone 9 avec une soudure à haute teneur en plomb pour produire la masse 9. La transformation de la déformation élastique en signal électrique peut s'obtenir au moyen de résistances imprimées en couche épaisse. Cela permet l'utilisation technique comme détecteur pour déclencher la for- mation d'un "coussin d'air" en cas de tamponnement de véhicules. On peut aussi tirer parti de l'idée de l'invention en fabriquant la matière de charge indiquée dans les figures 1, 2 et 4 sous 2 à partir d'un métal ou d'une pàte métallifère, en particulier en cuivre, que l'on imprime spécialement et en appliquant ensuite la couche 3 comme il est décrit. Pour rendre cette couche portante, on peut ensuite éliminer le métal, le cuivre en particulier dans une opération d'érosion chimique. 8 2480673 R E V E N D I C A T I 0 N S ) Procédé pour la fabrication de couches portantes sur un substrat résistant à des températures élevées, à l'aide de la technologie des couches épaisses, caractérisé en ce que sur la surface du substrat (1) sur laquelle on doit poser la couche portante (3), on dépose une matière de charge (2), faite de pré- férence d'une substance qui peut se transformer en gaz sous l'ef- fet de la température, et que l'on rapporte pour former la couche (3) portant sur la matière de remplissage (2), en particulier par impression, sous la forme d'une pâte dont la partie constituante * active est constituée, de la façon connue d'après la technique des couches épaisses, de céramique de verre et/ou de verre apte à cristalliser, la couche (3) recouvrant, au moins partiellement, la matière de charge (2), et une partie au moins de la surface de la couche (3) s'appliquant sur le substrat, et que, dans une première opération de cuisson, on fait solidifier la couche (3) sous atmosphère protectrice, de préférence en atmosphère d'azote, et dans une seconde opération de cuisson, de préférence en atmos- phère oxydante, on transforme la matière de charge en gaz, en la consumant en particulier. 20) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de la cuisson de la couche (3) dans l'atmosphère de gaz protecteur du four jusqu'à des températures ne dépassant pas environ 5000C, on maintient une teneur définie en oxygène résiduel et utilise une vitesse découlement accrue. 30) Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'on applique sur le substrat (1), une sur- face métallique (6) en particulier par vaporisation, par impression ou par placage, la matière de remplissage (2) étant posée sur cette surface métallique de la couche. 40) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'avant d'appliquer la couche (3) établie en porte-à-faux, on pose sur la matière de charge (2), une couche conductrice de l'électricité, ou une couche formant résistance (5), et on applique sur cette couche (5) la couche portante à portée libre (3). ) Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que, pour former un canal d'accès à l'espace creux recouvert pour le reste par la couche (3) portante, 9 2480673 il est prévu que le dépôt de matière de charge soit pourvu d'un appendice (2a), sur au moins un de ses bords limites, cet appen- dice étant réservé quand on applique la couche (3) ou n'étant pas totalement recouvert par cette dernière. 60) Procédé pour la fabrication de couches portantes suivant la revendication 1, caractérisé en ce que comme matière de charge (2), on applique une substance à traiter par érosion chimique, notamment du cuivre. ) Couche portante sur substrat en forme de plaquette avec structures en forme de tunnel, d'espaces creux fermés ou acces- sibles par un tunnel, ou des languettes en porte-à-faux conforme à celles obtenues par un procédé suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 6.