Brevet FR2683936A1 — publié le 19930521

PROCEDE DE REALISATION DE TRAVERSEE ETANCHE PAR SCELLEMENT L'invention concerne les procédés de scellement d'un élément allongé, tel qu'un fil ou une tige, à une paroi qu'il traverse. Elle trouve une application particulièrement importante dans les dispositifs électriques ou électromécaniques qui nécessitent de faire passer des conducteurs électriques à travers une paroi métallique, appartenant par exemple à un boîtier, de façon étanche et en isolant électriquement le conducteur de la paroi. On connait déjà un procédé de fixation par scellement d'un élément métallique allongé à une paroi métallique qu'il traverse, suivant lequel : on place autour de l'élément une perle de verre ternaire ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui de la paroi et une température de ramollissement inférieure au point de fusion des matériaux constitutifs de la paroi et de l'élément ; et on soumet l'ensemble ainsi constitué à un cycle thermique comprenant un maintien à une température supérieure au point de ramollissement pendant plusieurs minutes dans un moule en un matériau non mouillable par le verre et un refroidissement dans le moule, dans des conditions telles que la mise en compression du verre par la paroi ne crée pas des contraintes permanentes. Jusqu'ici, on a estimé que l'accrochage du verre sur les matériaux constitutifs, de nature métallique, de l'élément allongé et de la paroi exigeait que des oxydes se forment dans ces matériaux, au contact du verre. En conséquence, le cycle thermique était effectué en atmosphère oxydante. Mais ce mode de traitement a des conséquences néfastes. Il y a oxydation superficielle des matériaux métalliques qui rend souvent nécessaire un traitement en surface avant utilisation (décapage ou même usinage). Dans le cas fréquent où l'un des matériaux constitutifs contient du chrome, il y a formation d'oxyde de chrome à éliminer. Une corrosion intergranulaire des éléments métalliques peut intervenir. Dans le cas fréquent où le moule est en graphite, il y a cémentation au cours du cycle thermique. La présente invention vise à fournir un procédé du type ci-dessus défini répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il rend possible une utilisation de l'ensemble scellé sans traitement ultérieur. L'invention part pour cela de la constatation que l'accrochage par formation d'oxyde n'est pas indispensable à une bonne tenue du scellement, la compression du verre lors du refroidissement permettant, à condition d'utiliser un verre ayant un coefficient de dilatation thermique nettement inférieur à celui du matériau constitutif de la paroi et des conditions de refroidissement évitant l'apparition de contraintes internes localisées permanentes, d'obtenir une liaison étanche et résistante. L'invention propose en conséquence un procédé caractérisé en ce qu'on effectue le cycle thermique dans une atmosphère suffisamment réductrice pour éviter l'oxydation des matériaux constitutifs de la paroi et de l'élément et un refroidissement suffisamment lent dans la plage de température qui intervient à la mise en compression pour éviter l'apparition de contraintes localisées permanentes. Les contraintes sur la nature de l'atmosphère seront plus ou moins sévères selon la nature des matériaux constitutifs et de la paroi. Dans le cas fréquent où l'un de ces matériaux contient du chrome, la teneur en oxygène doit rester suffisamment faible (même en cas de dégazage éventuel) pour qu'il n'y ait pas formation d'oxyde de chrome. Dans la pratique, une atmosphère constituée d'azote et d'hydrogène, ayant une proportion en hydrogène d'au moins 10% en volume, donne généralement des résultats satisfaisants. L'invention est notamment applicable en électromécanique, électricité et électronique, pour réaliser une liaison étanche entre une embase constituant la paroi et un élément allongé en ferro-nickel, alliage fer-nickel-cobalt (tel que celui connu sous l'appellation kovar), ferronickel colaminé, molybdène, tungstène, ou meme cuivre. I1 est nécessaire d'utiliser un matériau constitutif ayant un point de fusion nettement supérieur au point de ramollissement du verre utilisé ce qui, avec les verres habituels, conduit à choisir un matériau ayant un point de fusion supérieur à 1 000 C. Du fait que le scellement s'effectue sans utiliser un accrochage par formation d'oxyde, l'élément allongé peut être recouvert d'une pellicule de matériau non oxydable, tel que par exemple le platine. L'or est en revanche à écarter, dans la plupart des cas, du fait qu'il donne naissance à des composés intermétalliques. Le matériau constitutif de la paroi et le verre de scellement sont choisis en fonction l'un de l'autre, afin qu'il y ait mise en compression. Dans la pratique, on utilisera surtout, dans le cas d'une embase formant la paroi, l'acier inoxydable, le molybdène, le cuivre et les alliages de cuivre, ainsi que les alliages connus sous le nom de "mumétal" et "invar". Le point de fusion du matériau doit encore être très supérieur au point de ramollissement du verre. On utilisera en général des verres ternaires classiques d'enverrage, dont les constituants essentiels sont la Silice, l'oxyde de Baryum et l'Oxyde de potasium. Parmi ces verres, on peut citer ceux vendus par les sociétés CORNING et SCHOTT, respectivement sous les références 9013 et 8 250. Ces verres ont une température de ramollissement complet comprise entre 900 et 1 000 C. Le verre est totalement solidifié, dans le cas des verres les plus courants, dès 430" C.Leur coefficient de dilatation thermique à basse température, vers 200 C, est généralement compris entre 5 x 10-6 et 6 x 10-6. On peut les comparer au coefficient de dilatation thermique, dans la même plage, de certains des materiaux utilisables pour constituer la paroi cuivre : 17 x 10-6, béryllium : 11 x 10-6, . acier inoxydable : 17 x 10-6, . "kovar" : 5 x 10-6. L'ensemble constitué de la paroi, de la perle de verre et de l'élément allongé sera généralement soumis aux cycles thermiques dans un four continu à chauffage électrique, à circulation, bien qu'on puisse également utiliser un four à moufle. Le trajet parcouru par l'ensemble peut être prévu pour donner une montée lente en température, jusqu'au point de ramollissement, puis jusqu'à la température de travail choisie pour réduire la viscosité du verre jusqu'a une valeur comprise entre 104 poises et 105 poises. La durée de maintien au-dessus de la température de refroidissement sera généralement du même ordre que la durée de montée à la température de ramollissement. Ces durées dépendront dans une large mesure de l'inertie thermique du moule qui contient l'ensemble. Le refroidissement devra fréquemment être rapide au cours d'une première étape, jusqu'a une température de l'ordre de 500 C, (à laquelle la viscosité des verres habituels est très supérieure à celle que prend le verre à la température de travail) pour éviter la précipitation de carbure métallique aux joints des grains dans les matériaux constitutifs. En revanche, la baisse de température doit être ralentie et doit être progressive entre 500 C et une température à laquelle la compression est pratiquement complète (vers 300 C en général) afin de ne pas faire apparaître de contraintes localisées permanentes dans le verre. Le refroidissement final peut etre rapide sans inconvénient. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lequel La figure 1 est un schéma de principe montrant un appareillage utilisable pour la mise en oeuvre de procédés ; La figure 2 est une vue à grande échelle d'un fragment de la figure 1. Le procédé qui sera maintenant décrit est destiné à sceller à travers une paroi, constituée par une embase 10, un ou plusieurs fils 12 destinés à contituer des liasons éléctriques. De tels fils ont généralement un diamètre compris entre 0,5 et 1,5 millimètre. Pour cela, des trous de passage ayant un diamètre supérieur à celui du fil de 1 à 2 millimètres sont pratiqués dans l'embase. A titre d'exemple, il sera essentiellement fait référence à des fils en ferro-nickel destinés à être scellés à travers une embase 10 en acier inoxydable austénitique. L'embase est décapée et passivée et une perle 14 en verre de scellement ternaire, à bas coefficient de dilatation thermique, est interposée autour de chaque fil 12. Les perles peuvent notamment être en verre vendu sous la référence 9013 par la société SCHOTT. L'ensemble constitué de l'embase 10, des perles 14 et des fils 12 est placé dans un moule en graphite comprenant une plaque 16 percée de trous de passage des fils, destinée à retenir les perles, d'un fond 18 et d'un couvercle 19 L'ensemble est porté dans un four à chauffage électrique dans lequel on maintient une atmosphère réductrice, par exemple d'azote et d'hydrogène à environ 75 % d'hydrogène en volume. Ce four peut notamment être un four continu, comportant des zones qui sont parcourues successivement par le moule. Ce dernier présente une inertie thermique qui évite les variations brutales de températures et délimite également une chambre 20 où la température est relativement homogène.Le cycle thermique peut comporter une montée en température régulière jusqu'au point de ramollissement, puis jusqu a une température de travail qui, dans le cas du verre ci-dessus mentionné, est de l'ordre de 1 000" C. Le moule est ensuite maintenu à cette température pendant 10 minutes environ, ce qui provoque le ramollissement des perles 14 et le remplissage de tout l'intervalle compris entre les fils 12 et l'embase 10. Le moule parcourt ensuite une zone à température décroissante, d'abord rapide jusque vers 500 C environ pour éviter la précipitation de carbure de chrome aux joints de grains dans l'acier inoxydable.Puis elle est beaucoup plus lente de 500 C à une température de l'ordre de 300 C pour ne pas introduire de contraintes localisées permanentes à la suite de la mise en compression du verre par le métal. Les pièces finalement obtenues sont directement utilisables, sans traitement de nettoyage et de protection ou de réusinage, car elles ne sont pas oxydées. Il n'y a pas non plus de corrosion intergranulaire. Des soudages laser peuvent être directement effectues sur 1 'embase. Du fait que le procédé n'utilise pas l'oxydation superficielle des fils 12 pour réaliser l'accrochage, ces fils peuvent être revêtus d'une pellicule superficielle de matériau non oxydable. Dans le cas illustré sur la figure 2, chaque fil est, par exemple, revêtu d'une pellicule mince de platine 22, pouvant être obtenue par colaminage. Le scellement 24 provoqué par la fusion, puis la solidification des perles, adhère fortement par compression sur le fil et 1 'embase. L'invention est susceptible de très nombreuses applications. En particulier elle permet d'effectuer des scellements sur de très nombreux équipements électromécaniques, sur des circuits hybrides et même sur des ensembles purement mécaniques. REVENDICATIONS 1. Procédé de fixation par scellement d'un élément métallique allongé (12) à une paroi métallique (10) qu'il traverse, suivant lequel on place autour de l'élément une perle (14) de verre ternaire ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du matériau constitutif de la paroi (10) et une température de ramollissement très inférieure à la température de fusion des matériaux constitutifs de la paroi et de I'éiément allongé et on soumet l'ensemble à un cycle thermique comprenant un maintien à une température supérieure au point de ramollissement pendant plusieurs minutes dans un moule en un matériau non mouillable par le verre et un refroidissement, caractérisé en ce qu'on effectue le cycle thermique dans une atmosphère suffisamment réductrice pour éviter l'oxydation des matériaux constitutifs de l'embase et de l'élément, dans des conditions telles que la mise en compression du verre lors de sa solidification ne crée pas de contraintes permanentes localisées dans le verre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmosphère réductrice est constituée par un mélange hydrogène-azote ayant une proportion d'hydrogène en volume supérieure à 10% , avantageusement environ 75 t. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cycle thermique est parcouru dans un four électrique et comprend une montée à une température supérieure au point de ramollissement du verre et un maintien à ladite température pendant plusieurs minutes dans un moule en un matériau non mouillable par le verre et un refroidissement dans le moule, dans des conditions telles que la mise en compression du verre par la paroi ne crée pas des contraintes permanentes. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on porte l'ensemble à une température telle que la viscosité du verre fondu soit comprise entre 104 et 105 poises. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément métallique allongé est constitué en ferro-nickel, en alliage fernickel-cobalt dit "kovar", en matériau colaminé, métallique, en cuivre, en molybdène ou en tungstène. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément métallique est revêtu d'une pellicule superficielle de métal non oxydable, autre que l'or. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi est en acier inoxydable, en mumétal, en invar, en molybdène, en cuivre ou en alliage de cuivre.