Brevet FR2744658A1 — publié le 19970814

L'invention concerne une pièce composite comprenant au moins un élément en substance non métalli- que et au moins un autre élément en métal ou en substance non métallique, ces éléments étant liés l'un à l'autre au moyen d'une matière de liaison. Jusqu'à présent, de telles pièces composites ont été maintenues assemblées au moyen d'une colle déposée entre les différents composants pendant l'assem- blage. Cela ne permet toutefois d'obtenir qu'une faible résistance de liaison insuffisante pour de nombreux cas d'appli-cation, notamment à des températures assez élevées. Par ailleurs, le transfert thermique à travers la couche de colle est mauvais et le coefficient de dilatation thermique est considérablement plus élevé en comparaison du métal et de la substance non métallique, comme par exemple une céramique. Les procédés de brasage constituent une autre possibilité fournissant une meilleure qualité de liaison. A cet effet toutefois, il convient de soumettre à un traitement préalable, à savoir une métallisation, les surfaces de céramique qui doivent être brasées avec un métal, cette étape de métallisation exigeant des températures élevées de passage au feu. Si on utilise ce qu'il est convenu d'appeler des brasures actives, il est possible d'omettre une métallisation de la surface de céramique, mais l'opération de brasage proprement dite demande alors elle-même des moyens très importants. Un procédé de brasage doit donc constamment faire appel à des moyens plus complexes qu'un procédé de collage, mais il offre encore souvent des résultats insuffisants en ce qui concerne la résistance mécanique de la liaison. Un autre procédé est le Collage de Cuivre Direct (Direct Copper Bonding ou DCB). Ce procédé ne permet toutefois de déposer que du cuivre métallique sur une céramique. C'est pourquoi la présente invention a pour but de supprimer les inconvénients ci-dessus et de fournir un corps composite, du type défini au préambule, dont les différentes parties constitutives, à savoir les parties en substance non métallique et les parties en métal, sont liées solidement l'une à l'autre. La présente invention a en outre pour but d'assurer des propriétés thermiques plus favorables dans la pièce composite, comme par exemple une conductibilité thermique plus élevée et des différences de dilatation thermique plus faibles entre les éléments. Conformément à l'invention, ce but est atteint par le fait que la matière de liaison est déposée entre les éléments par un procédé de coulée, comme par exemple coulée sous pression, infiltration ou analogue. Un tel procédé de coulée peut être exécuté en faisant appel à des moyens réduits et assure de bonnes liaisons; notamment, les éléments en métal et en substance non métallique sont liés entre eux beaucoup plus solidement que dans le cas du procédé connu par l'état de la technique. En outre, le nombre des étapes de fabrication est réduit d'une manière spectaculaire, de sorte que les moyens de fabrication sont réduits à un minimum. La substance composite complète constituées des différents éléments est produite en une étape unique de fabrication. Une forme préférée de mise en oeuvre de la présente invention peut prévoir que la matière de liaison soit formée d'un métal, comme par exemple Al, Cu, Zn, Mg, Ag, Au, Si, Fe, Ti, Ge, Sn ou analogue ou d'un alliage de ces métaux. Ces métaux possèdent une température de ramollissement relativement basse, de sorte qu'il peuvent être coulés avec une consommation d'énergie relativement faible. Il peut par ailleurs être prévu que les éléments en substance non métallique soient constitués d'une substance céramique telle qu'oxydes, comme par exemple A1203; nitrures, comme par exemple AlN; sili- ciures; carbures, comme par exemple SiC; céramique à coefficient de température négatif (NTC) ou à coefficient de température positif (PTC), ou de diamant, graphite ou analogue, ou de mélanges desdites substances. De telles substances possèdent une résistance mécanique élevée, ainsi que de bonnes propriétés de conductibilité thermique. Par ailleurs, à cet égard, il peut être prévu que les éléments en métal soient constitués de A1, Cu, Fe, Ni, Ag, Mo, W, Co, Nb ou analogue ou d'alliages de ceux-ci. Ces matières possèdent une bonne conductibi- lité thermique, de sorte qu'un corps composite contenant de tels métaux possède aussi une bonne conductibilité thermique. Une autre particularité de l'invention peut être fournie au moyen d'un corps formé de la matière de liaison et relié par coulée à la pièce composite. De telles parties coulées peuvent être réalisées en même temps que la phase de la liaison des éléments de pièce composite, ce qui permet de supprimer une étape supplémentaire de fabrication. Une forme préférée de mise en oeuvre de l'invention peut prévoir que la pièce composite soit constituée d'un élément en substance non métallique poreux, d'un élément en substance non métallique dense disposé sur cet élément poreux et d'un élément en métal disposé sur cet élément dense. Un tel agencement permet de fabriquer une pièce composite à matrice métallique (MMC) qui est combinée à un métal et est isolée électriquement de l'élément en métal par la céramique dense. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé de fabrication d'une pièce composite, du type mentionné au préambule, qui puisse être mis en oeuvre d'une manière particulièrement simple. Conformément à l'invention, cela est obtenu par le fait qu'on pose l'un à côté de l'autre des éléments en substance non métallique et des éléments en métal et qu'on coule une matière de liaison autour de ceux- ci. Lors d'une telle opération de coulée, la matière de liaison pénètre entre les différents éléments et lie donc ceux-ci particulièrement bien. Suivant un développement de l'invention, il peut être prévu qu'avant de poser les éléments l'un à côté de l'autre, on rende rugueuse au moins l'une des surfaces d'éléments voisins qui se font face. Cela facilite l'infiltration de la matière de liaison entre les différents éléments et accroît la résistance mécanique de liaison. A cet égard, il peut être prévu qu'on rende les surfaces rugueuses en ménageant des canaux en forme de rainures. Ainsi, d'une manière simple, une plus grande quantité de matière de liaison peut être placée entre deux éléments de la pièce. Un autre variante de l'invention peut prévoir que l'on pose les éléments l'un à côté de l'autre en interposant entre eux des éléments-entretoises. Il est ainsi possible de placer entre deux éléments de la pièce une couche de matière de liaison s'étendant sur toute la surface et ayant une épaisseur qui peut être fixée à l'avance. Une forme préférée de mise en oeuvre de l'invention peut prévoir qu'une partie en substance non métallique soit réalisée poreuse au moins par endroits, de préférence sur sa surface tournée vers un élément en métal. On produit ainsi en une opération de coulée unique une matière à matrice en métal qui est en même temps assemblée à d'autres éléments pour former une pièce composite. Une forme particulièrement préférée de mise en oeuvre de l'invention peut prévoir qu'on pose un élément en substance non métallique dense sur un élément en substance non métallique poreux et on pose un élément en métal sur ledit élément dense et qu'on coule une matière de liaison autour de cet agencement ou on l'y place par infiltration. Une pièce composite obtenue par ce procédé possède des propriétés particulièrement bonnes, notamment une résistance mécanique élevée, tout en présentant en même temps une conductibilité thermique élevée. Il peut être avantageux que, lorsqu'on procède à la coulée autour des éléments de la pièce composite, on coule sur la pièce composite au moins un corps formé de la matière de liaison. Il est ainsi possible de réunir en une seule étape de fabrication deux opérations, à savoir la liaison des différents éléments de la pièce et la mise en place par coulée d'une autre partie de la pièce. Suivant une autre forme de mise en oeuvre de l'invention permettant la fabrication d'un contact électrique de connexion, il peut être prévu qu'on pose un noyau en métal sur une partie en céramique densifiée par cuisson servant de support de circuit et on coule une matière de liaison autour de ce noyau. Ainsi, d'une manière simple, c'est-à-dire en une étape unique de fabrication, il est possible de réaliser un support de circuit comportant des pistes conductrices et des bornes de connexion. L'invention est exposée ci-après en détail à l'aide de modes de réalisation représentés aux dessins. On voit: à la figure 1, en vue en élévation et en coupe, un corps composite substance non métallique-métal conforme à l'invention, aux figures 2a-2c, en vue en perspective, des éléments en substance non métallique ou en métal, pourvus de canaux, faisant partie d'un corps composite conforme à l'invention, à la figure 3, en vue en élévation, une possibilité de juxtaposition d'éléments en substance non métallique et en métal, à la figure 4, en vue en perspective, un élément en substance non métallique à surface poreuse, aux figures 5a,b, en vue en élévation et vue en perspective, différentes possibilités de réalisation pour des pièces composites conformes à l'invention, à la figure 6, en vue en élévation et en coupe, une forme particulièrement préférée de réalisation du corps composite conforme à l'invention, à la figure 7, en vue en perspective, un développement de la forme de réalisation de la figure 6, aux figures 8a,b, en vue en élévation et en coupe, une autre forme de mise en oeuvre de l'invention, à la figure 9a, en vue en élévation, une autre forme préférée de mise en oeuvre de l'invention et, aux figures 9b,c, en vue en élévation et en vue de dessus, une application de la pièce composite de la figure 9a. On se reporte d'abord à la figure 1. Il y est représenté, sous une forme générale, une pièce composite conforme à l'invention. Un certain nombre d'éléments en substance non métallique 1 de forme quelconque et d'autres éléments 2 de forme quelconque, lesquels éléments 2 peuvent être formés aussi bien d'une substance non métallique que d'un métal, sont assemblés suivant un agencement quelconque, les éléments étant maintenus assemblés au moyen d'une matière de liaison 3 qui est mise en place entre les éléments 1, 2 par un procédé de coulée, comme par exemple coulée sous pression, infiltra- tion ou analogue. Si les éléments 2 doivent être en métal, il peut par exemple s'agir pour ceux-ci de A1, Cu, Fe, Ni, Ag, Mo, W, Co, Nb ou analogue ou d'alliages de ceux-ci. Des exemples de la matière des éléments en substance non métallique 1, 2 sont des oxydes, comme par exemple A1203; nitrures, comme par exemple AlN; sili- ciures; carbures, comme par exemple SiC; céramique NTC ou PTC, ou diamant, graphite ou analogue, ou mélanges desdites substances. Comme matière de liaison 3, on utilise de préférence un métal, comme par exemple Al, Cu, Zn, Mg, Ag, Au, Si, Fe, Ti, Ge, Sn ou analogue ou un alliage de ces métaux. La fabrication des pièces composites confor- mes à l'invention s'effectue en posant les différents éléments 1, 2 directement l'un à côté de l'autre ou l'un au-dessus de l'autre d'une manière serrée et en procédant à une coulée autour d'eux. A cette occasion, du fait de la fine rugosité de surface des éléments 1, 2 qui existe toujours, la matière de liaison 3 peut migrer entre ces éléments et donc les lier entre eux d'une manière inséparable. Afin d'accroître la quantité de matière de liaison 3 pénétrant entre deux éléments 1, 2, l'une des surfaces 11, 21, en regard l'une de l'autre, de deux éléments 1, 2 adjacents l'un à l'autre, ou aussi l'une et l'autre de ces surfaces sont rendues rugueuses. Cette rugosité peut s'obtenir au moyen d'un simple rodage ou bien, comme représenté aux figures 2a-c, en ménageant des canaux 4 en forme de rainures. Ceux-ci peuvent présenter des profondeurs, sections transversales et tracés quelconques, mais, pour tenir compte d'une fabrication économique, les plus judicieux sont les canaux 4, représentés aux dessins, qui ont un tracé rectiligne et une section transversale rectangulaire. Les canaux 4 peuvent être d'une part produits par usinage des éléments 1, 2 par enlèvement de copeaux, par exemple par fraisage, meulage ou analogue, mais être aussi d'autre part déjà prévus par conception - lorsque cela est possible - lors de la fabrication des éléments 1, 2, grâce à un façonnage approprié des outillages de presse ou des moules. Les canaux 4 peuvent être réalisés jusqu'à atteindre le bord des éléments 1, 2, de façon aussi bien à servir à la fois à l'acheminement et à l'évacuation de la matière de liaison 3 qu'à ne s'étendre aussi U qu'à l'intérieur À des éléments 1, 2, de sorte qu'ils peuvent uniquement contenir de la matière de liaison 3, mais qu'en revanche, son acheminement doit là encore s'effec- tuer par l'intermédiaire des espaces séparant deux éléments 1, 2 qui sont formés par la rugosité de surface. La figure 3 représente une pièce composite conforme à l'invention dans laquelle une couche épaisse et continue de matière de liaison doit être formée entre deux éléments 1 et 2. Pour obtenir une telle couche, les éléments 1, 2 sont posés non pas d'une manière serrée l'un à côté de l'autre, mais moyennant l'interposition d'éléments-entretoises 5. De tels éléments-entretoises 5 peuvent être formés de métaux, comme Al, Cu, Zn, Mg, Ag, Au, Si, Fe, Ti, Ge, Sn ou analogue, ainsi que de céramiques poreuses ou denses, de courtes fibres cérami- ques ou de comprimés poreux de poudre. La poudre compri- mée elle-même est par exemple formée de carbures, nitrures, siliciures ou de métaux tels que par exemple W, Ag, Ni, Mg, Co, Nb ou analogue. Une autre possibilité d' accroître l'adhérence de la matière de liaison 3 sur des éléments en substance non métallique 1 est illustrée à la figure 4. Dans ce cas, l'élément en substance non métallique 1 est réalisé poreux du côté de sa surface 11 qui fait face à un élément en métal 2. La matière de liaison 3 peut alors pénétrer dans la surface 11 et donc se fixer particuliè- rement bien à l'élément en substance non métallique 1. Si on utilise un métal en tant que matière de liaison 3, il se forme, du fait de la traversée des pores de la surface 11 de la substance non métallique, ce qu'il est convenu d'appeler une matière à matrice de métal, laquelle possède notamment des valeurs de résistance mécanique élevée et une conductibilité thermique élevée. Ainsi que cela a déjà été indiqué dans le préambule, tous les éléments 1 et 2 peuvent présenter des dimensions et formes quelconques. A titre d'exemple, la figure 5a représente un élément en substance non métalli- que 1 qui est réalisé en forme de cuvette, dans laquelle cuvette sont disposés un élément en métal 2 et un autre élément en substance non métallique 1. Si une telle pièce composite doit servir de boîtier pour un circuit électri- que ou électronique, des passages ou contacts traversants conducteurs peuvent être prévus aux emplacements convena- bles des éléments en substance non métallique 1 et en métal 2. La pièce composite de la figure 5b est constituée d'une plaque de base 1 en céramique sur laquelle sont disposés des éléments en métal 2 en forme de plaquette dont la surface est notablement inférieure à celle de la plaque de base 1 en céramique. Une forme de mise en oeuvre particulièrement préférée de l'invention ressort de la figure 6. Cette pièce composite métal-substance non métallique est formée de la juxtaposition dos-à-dos d'un élément en substance non métallique poreux 12, d'un élément en substance non métallique dense 13 et d'un élément en métal 22. Cet agencement est entouré d'une matière de liaison 3 par coulée, de sorte que la matière de liaison 3 d'une part pénètre entre les différents éléments et d'autre part s'infiltre dans l'élément en substance non métallique poreux 12 et forme avec ce dernier une matière composite à matrice métallique (MMC). Dans ce cas, comme matières pour les éléments en substance non métallique 12, 13, on peut de préférence utiliser des céramiques poreuses ou denses, par exemple en oxydes, nitrures, siliciures, carbures ou analogues, mais aussi diamant, graphite ou analogue. Dans ce cas aussi, comme dans les exemples précédents, les différents éléments peuvent présenter des formes géométriques quelconques. C'est ainsi qu'on peut imaginer un agencement conforme à la figure 7, dans lequel l'élément en cérami- que 1 situé sur le dessus est en une matière poreuse, l'élément 1' situé au-dessous est en une céramique densifiée par cuisson et l'élément 2 situé tout au- dessous est en un métal. En plaçant l'agencement repré- senté dans un moule de forme appropriée, il est possible que, pendant qu'on procède à la coulée autour des éléments ou pendant l'infiltration dans l'élément en céramique 1, des plots 10 soient formés par coulée sur ce dernier. De tels plots 10 servent à accroître la surface de la pièce composite et donc à réduire la résistance au transfert thermique entre la pièce et l'air environnant. Toutefois, il serait aussi possible, à cet effet, de réaliser des nervures longitudinales ou transversales, des rainures ou analogues, à la coulée sur la pièce. Il est de même possible de remplacer l'élément en céramique 1 par des éléments en graphite ou diamant. La figure 8a représente une autre forme de mise en oeuvre de l'invention. Cette figure montre un contact de connexion électrique 7, produit par le procédé conforme à l'invention, qui est disposé sur une pièce en céramique 13 densifiée par cuisson qui sert de support de circuit. Le contact de connexion 7 comprend un noyau métallique 220 qui est disposé sur la pièce en céramique 13. On coule ensuite une matière de liaison 3 autour de la pièce en céramique 13 et du noyau en métal 220; de ce fait, d'une part, le noyau en métal 220 est fixé à la pièce en céramique 13 et, d'autre part, il est entouré de matière de liaison 3. D'une manière avantageuse, on utilise en tant que matière de liaison 3 une matière électriquement bonne conductrice, étant donné que cela permet aussi de réaliser en même temps, au cours de l'opération de coulée, les pistes conductrices 8 du support de circuit. Un développement de cette forme de réalisa- tion peut consister à prévoir que le noyau en métal 220 soit réalisé en plusieurs parties, à savoir en deux parties 220', 220'' comme cela est représenté à la figure 8b. Une forme de mise en oeuvre encore différente de l'invention est illustrée à la figure 9a. Ce corps composite est formé de deux éléments en substance non métallique 1 qui sont là encore liés l'un à l'autre au moyen d'une matière de liaison 3. En une opération unique, il est procédé aussi bien à la liaison des deux éléments 1 qu'à la formation d'au moins un corps 30 par coulée sur la pièce composite. Un élément chauffant constitue par exemple une application d'une telle pièce composite. Pour réaliser un tel élément de chauffage, on utilise en tant que matière de liaison 3 un métal conducteur chauffant, une céramique conductrice chauffant ou une céramique NTC ou PTC. Après l'opération de coulée, la matière de liaison 3 fait l'objet d'un enlèvement par usinage ainsi que cela est représenté aux figures 9b,c. On obtient ainsi un dispositif chauffant comportant une surface métallique 31, une plaque de type caloporteur 32 et un élément chauffant 34 qui est isolé électriquement de la plaque de type caloporteur 32 par la couche intermédiaire non métallique 33 et dont les amenées de courant sont constituées par le corps 30 formé par coulée. Dans un tel élément chauffant, il est particulièrement avantageux que, pour sa fabrication, il suffise de deux opérations, la liaison des différents éléments et la suppression de la matière de liaison superflue par usinage. REVENDICATIONS 1. Pièce composite comprenant au moins un élément en substance non métallique (1) et au moins un autre élément en métal ou en substance non métallique (2), ces éléments (1, 2) étant liés l'un à l'autre au moyen d'une matière de liaison (3), caractérisé en ce que la matière de liaison (3) est déposée entre les éléments (1, 2) par un procédé de coulée, comme par exemple coulée sous pression, infiltration ou analogue. 2. Pièce composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière de liaison (3) est formée à partir d'un métal, comme par exemple Al, Cu, Zn, Mg, Ag, Au, Si, Fe, Ti, Ge, Sn ou analogue ou d'un alliage de ces métaux. 3. Pièce composite selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les éléments en substance non métallique (1, 2) sont constitués d'une substance céramique telle qu'oxydes, comme par exemple A1203; nitrures, comme par exemple AlN; siliciures; carbures, comme par exemple SiC; céramique NTC ou PTC, ou de diamant, graphite ou analogue, ou de mélanges desdites substances. 4. Pièce composite selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que les éléments en métal (2) sont constitués de Al, Cu, Fe, Ni, Ag, Mo, W, Co, Nb ou analogue ou d'alliages de ceux-ci. 5. Pièce composite selon l'une des revendica- tions 1 à 4, caractérisée par un corps (30) formé de la matière de liaison (3) et relié par coulée à la pièce composite. 6. Pièce composite selon l'une des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un élément en substance non métallique poreux (12), d'un élément en substance non métallique dense (13) disposé sur cet élément poreux et d'un élément en métal (22) disposé sur cet élément dense. 7. Procédé de fabrication d'une pièce composite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on pose l'un à côté de l'autre des éléments en substance non métallique (1) et des éléments en métal (2) et qu'on coule une matière de liaison (3) autour de ceux-ci. 8. Procédé selon la revendication 7, caracté- risé en ce qu'avant de poser les éléments l'un à côté de l'autre, on rend rugueuse au moins l'une des surfaces (11, 21) d'éléments voisins (1, 2) qui se font face. 9. Procédé selon la revendication 8, caracté- risé en ce qu'on rend les surfaces (11, 21) rugueuses en ménageant des canaux (4) en forme de rainures. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'on pose les éléments (1, 2) l'un à côté de l'autre en interposant entre eux des éléments-entretoises (5). 11. Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'une partie en substance non métallique (1) est réalisée poreuse au moins par en- droits, de préférence sur sa surface (11) tournée vers un élément en métal (2). 12. Procédé selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'on pose un élément en subs- tance non métallique dense (13) sur un élément en substance non métallique poreux (12) et on pose un élément en métal (22) sur ledit élément dense et en ce qu'on coule une matière de liaison (3) autour de cet agencement ou on l'y place par infiltration. 13. Procédé selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que, lorsqu'on procède à la coulée autour des éléments de la pièce composite, on coule sur la pièce composite au moins un corps (30) formé de la matière de liaison (3). 14. Procédé selon l'une des revendications 7 à 11, permettant la fabrication d'un contact électrique de connexion (7), caractérisé en ce qu'on pose un noyau en métal (220, 220', 220'') sur une partie en céramique (13) densifiée par cuisson servant de support de circuit et on coule une matière de liaison (3) autour de ce noyau.