Brevet FR2519625A1 — publié le 19830718

L.4 2519625 COMPOSITION CERAMIQUE A BASE D'ALUMINE ET SUBSTRAT OBTENU A L'AIDE DE CETTE COMPOSITION La présente invention concerne une composition céramique à base d'alumine ainsi qu'un substrat obtenu par pressage à l'aide de cette composition. Les substrats céramiques sont actuellement très utilisés dans l'industrie électronique notamment pour la réalisation de supports de circuits intégrés ("chip-carrier" selon la dénomination anglo-saxon- ne) ou comme supports de circuits hybrides On réalise sur ces substrats des réseaux de connexions électriques qui permettent de relier les composants, tels que les circuits intégrés, aux éléments électriques de l'appareil dans lequel est monté ce substrat céra- mique Ces réseaux de connexions électriques sont généralement réalisés soit selon la technique dite en "couche épaisse" (par une méthode de sérigraphie, par exemple) soit selon la technique dite en "couche mince" (par une méthode du type dépôt sous vide, par exemple) La première de ces techniques peut être utilisée dans tous les cas mais plus particulièrement lorsque la rugosité moyenne du substrat est assez élevée (supérieure à 10 micro-inchs), tandis que la seconde ne peut être utilisée que pour les substrats de faible rugosité La première technique est plus facile et plus économique à mettre en oeuvre, mais ne permet pas l'obtention de motifs fins. Parmi les solutions industrielles de mise en oeuvre des com- positions céramiques pour la réalisation des substrats, à savoir principalement le coulage, le pressage mécanique et le pressage isostatique, le second est le plus recherché pour sa simplicité en particulier lorsqu'il s'agit de réaliser directement des pièces prêtes à être frittées dans un four En effet, la pièce étant moulée direc- tement, l'étape de découpe existant soit dans le procédé de coulage, soit dans le procédé de pressage isostatique est ainsi évitée, de même que les éventuelles opérations de perçage de la pièce en concevant le moule de façon adéquat Il suffit de prévoir dans le moule des broches correspondant aux trous du substrat Ce procédé particulièrement économique, ne permet pas toutefois de fabriquer directement des substrats céramiques du type "couches minces" avec les compositions céramiques bien connues de l'homme de métier En effet, les pièces obtenues ont une rugosité beaucoup trop élevée et il est nécessaire de pratiquer alors une opération de rectification sur la surface du substrat pour rendre celui-ci apte au dép 8 t de couches minces. Il est connu du brevet français 1388 155 d'utiliser des agents défloculants dans les compositions céramiques à base d'alumine afin de les rendre aptes au pressage mécanique ou isostatique Il est également connu de ce brevet français d'ajouter une certaine 1 S quantité de liants pour permettre à l'objet pressé d'avoir une certaine "tenue" et ne pas se déformer au cours de l'opération de frittage Toutefois, les compositions décrites dans ce brevet ne permettent pas de réaliser des pièces de forme compliquée ayant une faible rugosité après frittage, inférieure à 10 micro-inchs, sans opération de rodage mécanique En particulier, on a constaté que l'utilisation des différentes compositions décrites dans ce brevet ne permettait pas d'obtenir des substrats céramiques de faible rugosité, substrats percés de trous obtenus directement par pressage méca- nique. La composition céramique selon l'invention permet de résoudre le problème posé et d'obtenir directement des pièces pressées mécaniquement ayant une faible rugosité La composition céra- mique, selon l'invention, est caractérisée en ce qu'elle est consti- tuée, en extrait sec, de 95 à 99 % en poids d'un mélange d'une première alumine de granulométrie inférieure à 2 microns, apte à fritter une température inférieure à 16001 C pour une densité en cru inférieure à 2,3 et d'une seconde alumine de granulométrie infé- rieure à 3 microns, apte à fritter à une température inférieure à 1650 'C pour une densité en cru inférieure à 2,4 et de 1 à 5 % en poids de produits organiques comportant au moins un défloculant et au moins un liant acrylique. De préférence, la première alumine aura une granulométrie comprise entre 0,4 et 0,8 micron, une densité en cru comprise entre 2,00 et 2,20, une densité en cuit comprise entre 3,85 et 3,96 et une température de frittage comprise entre 1450 'C et 1580 'C, tandis que la seconde alumine aura une granulométrie comprise entre 1,2 et 1,6 microns, une densité en cru comprise entre 2,20 et 2,30, une densité en cuit comprise entre 3,85 et 3,96 et une température de frittage comprise entre 15800 C et 1650 'C (Par granulométrie égale à une certaine valeur, on entend que 90 % des grains environ ont une dimension inférieure à cette valeur). De préférence, on obtient de meilleurs résultats (faible rugo- sité, facilité de mise en oeuvre de la composition), en utilisant de 97 à 98,5 % en poids du mélange d'alumine et de 1,5 à 3 % en poids de produits organiques Le mélange d'alumine comportera généralement de 65 à 95 % en poids de la première alumine et de 35 à 5 % en poids de la seconde, les meilleurs résultats du point de vue de la rugosité du substrat étant obtenus pour un mélange d'alumine comportant de 70 à 80 % en poids de la première alumine et de 30 à 20 % en poids de la seconde. Pour pouvoir réaliser un pressage mécanique de la composition selon l'invention, il est nécessaire que celle-ci comporte des liants organiques du type acrylique tels que ceux qui sont utilisés dans les peintures, ces liants devant être compatibles avec l'eau car les barbotines utilisant les compositions céramiques sont toujours à base d'eau On a, en effet, constaté que l'utilisation de liants acryliques tels que les homo ou copolymères à base de polyacrylates d'alkyle en général et plus particulièrement le polyacrylate de butyle sous forme d'homopolymère ou copolymérisé avec l'acrylonitrile permet- taient d'obtenir des compositions pressables mécaniquement sans difficultés, tout en utilisant le mélange d'alumines cité plus haut les substrats obtenus après frittage étant de faible rugosité Les meil- leurs résultats de pressage mécanique sont obtenus avec une quan- tité de liants acryliques comprise entre I et 3 % en poids par rapport au poids total de la composition. Les compositions céramiques selon l'invention pourront com- porter également de O à 5 % en poids d'ajouts minéraux habituel- lement utilisés en céramique tels que les oxydes de calcium, magnésium, les oxydes métalliques, la silice, etc, oxydes ayant des propriétés bien connues de l'homme de métier Les meilleurs résul- tats du point de vue rugosité sont obtenus en additionnant aux compositions ci-dessus de O à 1 % en poids de ces ajouts minéraux. La granulométrie sera de préférence inférieure à 2 microns Pour plus de précision concernant les compositions céramiques habituel- lement utilisées et leur mise en oeuvre ainsi que les adjuvants utilisés, on pourra se reporter au brevet français 1 388 155. Pour réaliser un substrat céramique du type "couche mince" par pressage mécanique à l'aide de la composition selon l'invention, on réalise tout d'abord un granulé de manière connue en soi On utilise généralement un broyeur à billes d'alumine dans lequel on mélange de façon homogène les différents constituants de l'inven- tion Cette quantité d'eau sera telle que la composition en extrait sec représente de 50 à 75 % en poids de la barbotine obtenue Après une période de broyage suffisamment longue pour mélanger l'en- semble de façon homogène la barbotine est ensuite introduite dans un atomiseur de manière à réaliser un granulé qui est ensuite tamisé pour obtenir un diamètre maximum de particules de granulés infé- rieur à 500 microns et de préférence inférieur à 300 microns Ce granulé est ensuite directement introduit dans le moule en quantité suffisante et pressé, la pièce obtenu étant frittée à une température de l'ordre de 16001 C Dans le cas de réalisation de substrats céramiques du type "couche mince", ceux-ci sont ensuite soumis à un rodage en tonneau dans lequel se produit une autoabrasion en milieu aqueux des différents substrats. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent: la figure 1, une vue schématique d'un substrat céramique obtenu par pressage mécanique avec une composition de l'invention, la figure 2, des vues de détail du moule permettant d'obtenir le substrat de la figure 1. S Sur la figure 1, on a représenté un substrat céramique de type connu mais qui ne pouvait être obtenu jusqu'à présent par pressage mécanique avec une faible rugosité. Le substrat 1 comporte deux faces parallèles 2 et 3 percées d'une pluralité de trous 4 Ces trous 4, dans l'art antérieur sont obtenus par perçage d'un substrat brut obtenu par coulée puis découpage Ces trous 4 peuvent être obtenus dans le cas de l'invention directement au cours du moulage Pour cela, il suffit d'utiliser par un exemple un moule ayant la forme représentée sur la figure 2. Sur la figure 2, sont représentés différents détails du moule permettant d'obtenir un substrat selon l'invention et les différentes étapes de pressage Sur ces figures 2 A, 2 B et 2 C, Il représente l'empreinte supérieure du moule, 12 l'empreinte inférieure, 14 et 15, respectivement les ergots mâle et femelle du moule, complémen- taires l'un de l'autre et 13 la composition céramique selon l'inven- tion Celle-ci est disposée dans la partie basse 12 du moule comportant des parois latérales 16, 17 qui retiennent la composition céramique La hauteur de celle-ci, avant pressage, est inférieure à celle des ergots mâles 14 de manière à créer les trous dans le substrat au cours du pressage La partie supérieure Il du moule vient coulisser par ses parois latérales 18, 19 le long des parois 16, 17 de la partie inférieure 12 du moule Sur la figure 2 C, les butées schématisées par 20 et 21 stoppent le mouvement relatif des parties supérieure et inférieure, déterminant la fin du pressage On constate que le granulé de céramique se répartit correctement dans le moule au cours du pressage avec la composition selon l'invention, sans porosité dans le substrat. Les compositions qui permettent d'obtenir un tel résultat vont être illustrées ci-dessous: EXEMPLE 1: On mélange dans un broyeur à bille d'alumine, pendant 10 heures, les composés suivants: Première alumine de granulométrie inférieure à 2 microns, apte à fritter à 77,4 % en poids une température de 1450 C à 1590 C pour une densité en cru de 2,00 à 2,20: Seconde alumine de granulométrie inférieure a 3 microns, apte à fritter à une température 19 % de 1580 C à 1650 C pour une densité en cru de 2,20 à 2,30: Polyacrylate de butyle (en dispersion 1,1 % aqueuse à 50 %): Alcool polyvynilique (en solution 20 %): 0,1 % Polyéthylène (en dispersion aqueuse à 20 %): 0,4 % Défloculants de type organique: 0,5 %. On ajoute de l'eau au mélange de façon à obtenir un rapport matière sèche sur barbotine de l'ordre de 65 % à 70 % Le mélange doit être fait en veillant à tout moment à l'équilibre de la préparation. La barbotine ainsi obtenue est ensuite atomisée et l'on obtient un granulé après tamisage de granulométrie comprise entre 80 et 250 microns. Ce granulé est utilisé pour presser mécaniquement dans un moule un substrat de 2,54 cm x 2,54 cm comportant 48 trous calibrés (figure 1), ce substrat pour une densité en cru de 2,45 frittant à une température de 158 ÈVC La durée du palier de frittage est d'environ 0,5 heure, le profil de température du four passant de C à 1580 C puis à 20 C ce qui donne une durée de frittage d'environ 15 heures La densité en cuit du substrat est de 3,90 Après auto-polissage dans un tonneau contenant de l'eau pendant 6 heures, on obtient des substrats ayant une rugosité moyenne mesurée à l'aide d'un rugosimètre selon la méthode habituelle, d'environ 0,2 micron ( 8 i inch). EXEMPLE 2: On procède de la même façon que dans l'exemple 1 en utilisant la composition suivante en extrait sec, en poids: Première alumine: 70 % Deuxième alumine: 22 % Polyacrylate de butyle (en dispersion à 50 %): 0,9 % Carboxyméthyl cellulose: 0,9 % Alcool polyvynilique (en solution à 20 %) : 0,2 % Défloculants de type organique: 0,5 % Talc: 3 % En procédant comme précédemment, on obtient des substrats de rugosité sensiblement égale à 0,2 micron (Ra), avec des densités en cru et en cuit respectivement de 2,45 et 3,87. REVENDICATIONS 1 Composition céramique comportant notamment en cru de l'alumine, un agent défloculant et au moins un liant organique, caractérisée en ce qu'elle est constituée en extrait sec, de 95 à 99 % en poids d'un mélange d'une première alumine de granulométrie inférieure à 2 microns, apte à fritter à une température inférieure à 16001 C pour une densité en crue inférieure à 2,3 et d'une seconde alumine de granulométrie inférieure à 3 microns, apte à fritter à une température inférieure à 16501 C pour une densité en crue inférieure 2,4 et de 1 à 5 % en poids de produits organiques comportant au moins un défloculant et au moins un liant acrylique. 2 Composition céramique selon la revendication 1, caracté- risée en ce que la première alumine a une granulométrie comprise entre 0, 4 et 0,8 micron, une densité en cru comprise entre 2,00 et 2,20, une densité en cuit comprise entre 3,85 et 3,96 et une température de frittage de 14501 C à 15800 C, tandis que la seconde alumine a une granulométrie comprise entre 1,2 et 1,6 microns, une densité en cuit comprise entre 3,85 et 3,96 et une température de frittage de 1580 'C à 1650 C. 3 Composition céramique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte de 97 % à 98,5 % en poids d'un mélange d'alumine et de 1,5 à 3 % en poids de produits organiques. 4 Composition céramique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le mélange d'alumine comporte de 65 à 95 % en poids de la première alumine et de 35 à 5 % en poids de la seconde. Composition céramique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le mélange d'alumine comporte de 70 à 80 % en poids de la première alumine et de 30 à 20 % en poids de la seconde. 6 Composition céramique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus de O à 5 % en poids en extrait sec de produits minéraux de granulométrie inférieure à 2 microns, capables de fritter à une température inférieure à 1620 C pour une densité en crue inférieure à 2,45. 7 Composition céramique selon l'une des revendications I à 5, caractérisée en ce que le liant est choisi parmi les alcools polyvy- niliques et les polyacrylates d'alkyles et leurs copolymères en disper sion aqueuse. 8 Composition céramique selon la revendication 7, caracté- risée en ce que le liant est choisi parmi les polyacrylates de butyle et leurs copolymères. 9 Substrat céramique, caractérisé en ce qu'il est réalisé par pressage dans un moule ( 11, 12) à partir d'une composition ( 13) conforme à l'une des revendications précédentes. 10 Substrat céramique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moule est muni de broches ( 14, 15) permettant de créer les trous dans le substrat au cours du pressage de celui-ci