Brevet FR2536686A1 — publié le 19840601

Precede de soudure et d'tanchÉit P pour la réalisation de capteurs. La présente invention a pour objet un proc'd' de reali- sation de capteurs de pression et autres dispositifs ana- logues dans lesquels doit être obtenue une liaison intime entre un verre de scellement et un autre mat-riau sous l'effet de la chaleur Le procede s'applique particulière- ment au cas o un champ 4 lectrique de quelques dizaines à quelques milliers de volts est applique entre le verre et l'autre mat'riau placgs à très faible distance l'un de l'autre pour r'aliser ce que l'oo appelle une soudure Plectrostatique. Le cas le plus connu est celui de la soudure verre sur silicium, cas dans lequel il y a toujours prgsence d'une couche plus ou moins Ppaisse de bioxyde de silicium à la surface d e celui-ci Cette couche modifie plus ou moins, suivant son epaisseur, les conditions de soudure et notam- ment la température. La presente invention permet de r 4 aliser cette soudure dans une large gamme de température sans déformation des pièces même à une température qui est celle du ramollisse- ment du verre Le proc Pde convient particulièrement à l'uti- lisation d'un verre très mince. Il consiste à faire flotter l'ensemble è souder sur un bain de m'tal fondu et notamment d'étain, sous vide ou sous faible pression d'un gaz rducteur, pendant l'opÉration de soudage Le metal de choix est l'étain. L'utilisation d'un bain d'$tain pour la fabrication en continu de verre plat est bien connue depuis la mise au point du proc Adg par la societg anglaise PILKINGTON. / 2 - L'objet de la pr'sente demande est different en ce sens qu'il s'agit non d'plaborer un verre mais de réaliser une soudure sous vide entre du verre et un mat 4 riau différent, les pièces soud Pes restant adhérentes entre elles après l'opiration De plus, dans le procdm d 6 crit ci-après le verre n'est pas ngcessairement en contact direct avec le métal fondu. L'invention sera maintenant drcrite en se rf'rant aux figures annexées non limitatives du procédé et donn 6 es a titre indicatif. La figure 1 est un exemple-de pièces de capteur à assembler par soudure électrostatique Les pièces reprsent'es en coupe sont celles d'un canteur à variation de capacit% suivant la pression ambiante. La figure 2 est la coupe d'un dispositif mettant en oeuvre le proc Ad A objet de l'invention pour une fabrication dis- continue. La figure 3 est un exemple de pièces à assembler différent de celui de la figure I en ce sens que le verre de scelle- ment ne sera pas en contact avec le mptal liquide. La figure 4 est la coupe d'un dispositif mettant le proc AdÉ en oeuvre pour une fabrication en continu. *Les pièces de capteur ' assembler de la figure I se com- posent d'une plaque de verre I portant des métallisations 2 ayant des prolongements 3 En regard de cette plaque est dpos'e une tranche de silicium 4 portant de multiples cavit's 5 8 6 ainsi que des cales 7 qui peuvent être en oxyde de silicium L'ensemble des pièces à assembler cons- titue le sous ensemble 8 Après soudure, chaque Plpment 9 portant une cavitp de la pièce 8 sera separé des autres par sciage, d'coupe au diamant, etc pour donner autant de capteurs. * / 3 2536686 L'ensemble 8, éventuellement recouvert d'un poids plat sera place ' la surface d'un bain d,étain 11 lui-même situn dans une enceinte 12 qui peut être vid'e d'air par une conduite 13 Un l'ment 15 amine le bain d'étain a la température d Psirpe Une source de tension 16 est reliée d'une part au bain d''tain 11 par une connexion 17 et par une autre connexion 18 a un moyen 'lectrique 19 de liaison entre l'ensemble 8 et la connexion 18 Ce moyen peut être un contact électrique, un fil d'or soude, une pointe émet- trice d'ions, un canon à électrons,etc L'enceinte 17 peut être remplie par un gaz réducteur sous faible pression, azote hydrog'np pnr exemple, pour r'duire les oxydes presents et éviter la creation de nouveaux tant sur lps pièces 3 assembler que sur le bain d'étain. Un bras manipulateur 20 orientable permet le cas échéant de sortir l'ensemble 8 du bain d''tain ou de verser le contenu d'un récipient 42 contenant du verre à la surface du bain d'étain avantl'apport d'$ 11 ments à assembler. La figure 3 est un exemple d'un autre capteur dans lequel la plaque de verre 1 est placee en sandwich entre deux plaques de silicium 21 et 22 S'il y a lieu, ces plaques sont protèges: l'extérieur par une couche d'oxyde de silicium 23 dans laquelle sont pratiques des d'coupes 74 ' 25 pour assurer des liaisons Plectriques Le cas éch 6 ant, la plaque de verre 1 comporte des d'coupes 26 au droit des cavits 6. La figure 4 est la représentation d'une machine permettant la réalisation de capteurs en fabrication continue. Sur une S 3 ole légèrement inclinde composé de 3 sections 27, 28, 29 a des températures différentes, coule un bain d' tain 30 alimente par une pompe 31 qui peut être du type electromagnmtique Une tr'mie 32 contenant du verre en poudre 33 permet la flottation d'une couche de verre fondu 34 a la surface du bain d'étain 30 Un manipulateur 35 permet de déposer les éléments à assembler 36, 37, 38 sur 4 2536686- le bain de verre fondu Un séparateur 39 permet d'isoler des sections de verre portant l'l"ment assemblé 40, tandis oue l'etin retourne dans un bac 41 Des moyens de liaison Électrique 19 sont prvus. Le fonctionnement de l'quipement d'crit figure 2 est très simple en ce sens ou'il suffit d'introdjire soit le vide, soit une faible pression de gaz réducteur l'en- ceinte, de rrgler la température du bain de motal liquide a la ou les températures voulues tout en appliquant la tension électrique nécessaire entre le bain de m Stal et l'agent de liaison électrique 19. Le bain de mrtal liquide sert a la fois de support parfai- tement horizontal souple, de moyen de liaison thermique, de moyen de liaison électrique Il autorise l'utilisation de feuilles de verre extrêmement minces ou même la fabri- cation de cette feuille au moyen de poudre ou de morceaux déposes par le bras manipulateur 20 sur le bain d'étain 11. Il est donc loisible de régler les compositions du verre suivant les besoins et notamment pour ajuster le coeffi- cient de dilatation thermique en mélangeant des produits différents dans le bac 42 On pourra avec bonheur utiliser des produits vitrocristallins à la place du verre. Le capteur décrit figure 3 peut notamment être r 4 alis' de la manière suivante: fabrication d'une couche de verre mince à la surface du bain d'étain, pose de la plaque de Silicium 22, retournée par rapport à la figure 3, soudure Électrostatique du verre I sur 22, retournement, pose de la plaque de silicium 21 dans la position d'crite figure 3, plaque 21 eu dessus. Le fonctionnement de l'équipement d Acrit figure 4 est très voisin de celui de l'équipement correspondant à la figure ? avec des phases successives de réalisation d'une feuille de verre, pose de l'i 1 rment i souder, passage par des zones de température avec application du champ %lectrique, découpe de la plaque,stockage, le tout sous vide ou faible pression. / 2536686 Le même équipement peut aussi être utilise de façon différente en remplaçant le verre en poudre 33 dans le trémie 32 par un rouleau de verre plat et même aussi dans une technologie futuriste en remplaçant les plaques 36, 37, 38 par un ruban de silicium du type de ceux qui sont expé- rimentis pour les piles photo-voltalques. Le même bain d'étain ou de métal fondu peut être utilisé pour la soudure de capteurs dans lesquels le verre n'est pas en contact direct avec l'1 tain Ces capteurs peuvent être par exemple de type d'crit figure 3. On notera que pour la réalisation de capteurs de pression le vide est obtenu directement en même temps que le scel- lement. / 1. 6 - 253668 '5 REVENDICATIONS 1 Proc'd' d'assemblage d'lments de capteurs du type dans lesquels la soudure est assurée entre Éléments ppr un matbriau du type verre ou vitro-cristallin,carac- t'risé en ce qu'il est prÉvu un bain de m-tal fondu, rece- vant les pièces à assembler qui flotteront à sa surface, ledit bain Ètant plac% dans une chambre ( 12) à l'intrieur de laquelle règne un vide partiel. 2 Proc'd' selon 1,caract'ris' en ce que le metal fondu est de l''tain. 3 Proc'de selon 1 & 2,caracteris A en ce qu'un gaz rp'duc- teur sous faible pression est prgsent dans la chambre ( 12). 4 Procéde selon 1, 2, 3,caract Prisé en ce qu'une tension Plectrique d'au moins quelques dizaines de volts est appli- qu Ae entre les pièces à assembler par l'intermpdiaire du bain dt étain et d'au moins un moyen de connexion électrique de nature métallique, ionique ou électronique avec le côt' opposé des pièces a assembler. Procède selon 1, 2, 3, 4,caractprisp en ce que le bain est parfaitement horizontal et reçoit une ou plusieurs pi-ces à assembler qui sont chargées ou dcharges suivant un pro- cessus discontinu. 6 Proc Lde selon 1, 2, 3, 4,caractprisé en ce que le bain pr Osente une lmgère déclivité et que les pièces assemblées s'*coulent en même temps que le bain suivant un processus continu. 7 Proc'd' selon 1, 2, 3, 4, 5 ou 6,caract'ris' en ce que le matpriau verre apport' à l''quipement sous forme de poudre ou de dÉbris est reconstitu' sous forme de plaque par l'effet de la température à la surface du bain de metal fondu avant assemblage des 'lpments du capteuro /I