Brevet FR2920785A1 — publié le 20090313

Procédé de réduction de la porosité d'un dépôt métallique par bombardement ionique . Domaine de l'invention L'invention a pour objet un procédé par bombardement ionique pour réduire voire supprimer la porosité de dépôts métalliques. L'invention trouve des applications dans le secteur de la connectique 10 ou l'on cherche à augmenter la durée de vie des connecteur en supprimant les risques de corrosion. Cette corrosion est due à la porosité des couches d'or qui laisse passer des agents corrosifs présents dans l'air et qui attaquent des substrats en cuivre, nickel ou zinc 15 Etat de la technique L'or est un métal connu pour ses qualités d'inoxydabilité, son insensibilité aux agents corrosifs comme par exemple l'acide sulfurique. L'eau régale compte parmi les rares mélanges permettant l'attaque de l'or. 20 L'or est un bon conducteur électrique. Sa conductivité est à peine moins bonne que celle du cuivre. En raison de ses qualités, l'industrie de la connectique utilise massivement l'or comme un revêtement anti-corrosion pour protéger les 25 connecteurs tout en maintenant leur aptitude à laisser passer le courant. Certains connecteurs sont fabriqués à partir de bandes plates de cuivre de zinc ou de nickel préalablement revêtu d'un dépôt d'or d'environ 0,8 pm. 30 Le dépôt d'or se présente sous la forme d'une structure lamellaire traversée par endroits par des pores débouchant qui ont pour effet de détruire son pouvoir d'anticorrosion. La formation de ces pores est inhérente au procédé de déposition de l'or. Ces pores se forment d'autant plus facilement que l'épaisseur d'or est faible. Actuellement, les dépôts d'or sont d'environ 0,8 pm et ont une porosité se traduisant par des pores dont les diamètres peuvent atteindre 1 pm. Les connecteurs fonctionnent dans de l'air contenant généralement de faible quantité de SO2, du NO2 et de Cl2. La porosité des dépôts d'or laisse passer ces agents corrosifs qui finissent par former sur la surface des connecteurs des produits de corrosion constitués de nitrure, de sulfate et de chlorure de cuivre, de nickel ou de zinc. L'apparition de ces produits de corrosion provoque un dysfonctionnement du connecteur. Pour une question économique l'industrie de la connectique cherche à réduire l'épaisseur des dépôts. Passer l'épaisseur d'or de 0,8 pm à 0,2 pm revient à diviser par 4 le coût du dépôt. Cet objectif se heurte à des contraintes techniques : une diminution de l'épaisseur du dépôt entraîne une plus grande porosité, ce qui a pour effet de réduire la durée de vie du connecteur. L'industrie de la connectique est aujourd'hui en attente d'une solution qui perrnette de réduire l'épaisseur des dépôts d'or et de réduire voire supprimer la perméabilité de ceux ùci aux agents corrosifs. Exposé de l'invention L'invention a pour but de remédier aux limites, inconvénients et problèmes techniques exposées précédemment. Il est notamment visé par la présente invention de proposer un 10 procédé permettant de réduire voire supprimer la porosité des dépôts d'or dont sont revêtues les bandes de cuivre, de nickel ou de zinc utilisées dans la connectique. Il est visé par la présente invention de proposer un procédé de 15 traitement de la porosité des dépôts d'or qui conserve les propriétés électriques, thermiques et mécaniques initiaux. Il est visé par la présente invention de proposer un procédé de traitements des dépôts d'or qui préserve la couleur initiale. II est visé par la présente invention de proposer un procédé de traitement des dépôts d'or qui ne nécessite pas des temps de traitement qui soient longs. 25 II est enfin visé par la présente invention de proposer un procédé de traitement des dépôts d'or qui soit peu coûteux pour permettre son utilisation dans un cadre industriel, son coût ne devant pas être rédhibitoire par rapport aux coûts d'autres procédés. 30 Lorsqu'un ion accéléré entre dans un matériau il cède par collision atomique une partie de son énergie aux atomes situés sur son passage. Ces 3 20 atomes provoquent à leur tour des collisions qui assurent sous forme de cascade un brassage balistique du matériau. Ce brassage balistique est d'autant plus efficace que l'ion incident est 5 lourd. On évalue ce brassage balistique par le nombre de collisions par unité de parcours qu'un ion incident peut provoquer dans un matériau donné. Par exemple pour un ion d'hélium implanté avec une énergie de 70 Kev dans de l'or, on estime ce nombre à 0,015 atomes/Angstrom. Comme 10 son parcours est de 4000 Angstrom dans l'or, l'ion d'hélium bouscule 60 atomes sur son passage. Un ion d'azote implanté avec une énergie de 70 Kev dans de l'or bouscule 0,35 atome/Angstrom sur un parcours de 1800 Angstrom, soit 630 atornes. On constate que pour une même énergie, l'efficacité de l'ion d'azote est 10 fois supérieure à celle de l'hélium mais 15 toutefois sur un parcours deux fois moins important. En s'appuyant sur ces chiffres on estime qu'une dose de 10 16 ions d'hélium /cm2 suffisent à bousculer 4 fois chaque atome d'or situé dans une épaisseur d'implantation de 4000 Angstrom. Pour la même dose d'ions 20 d'azote on bouscule quarante fois chaque atome situé dans une épaisseur de 2000 Angstrom. Dans les deux cas ces doses sont suffisantes pour permettre brasser totalement la couche d'implantation et combler partiellement ou totalement les pores présents dans le dépôt d'or. Ces doses ne modifient pas la composition du dépôt d'or dans la mesure ou elles ne 25 représentent qu'environ 1 pourcent des atomes d'or. La porosité des dépôts d'or se présente comme une distribution de pores dont le diamètre peut varier de 0 à 1 pm au travers d'une épaisseur d'environ de 0,8 pm . On cherche à réduire ces épaisseurs à 0,2 pm. 30 D'une façon générale, le procédé de l'invention propose de traiter le dépôt d'or avec une dose d'ions qui permette de brasser au moins une fois l'épaisseur d'implantation. Les ions ont une énergie qui doit leurs permettre de traverser partiellement ou totalement le dépôt. Le traitement est d'autant plus efficace que la profondeur d'implantation, donc l'énergie des ions est élevée. II est même souhaitable de réduire l'épaisseur d'or pour permettre à des ions d'azote de traiter non seulement le dépôt par brassage balistique mais également le substrat . En effet les ions d'azote implantés dans le substrat peuvent par leur action retarder la corrosion. A titre d'exemple on pourrait traiter avec des ions d'azote de 70 Kev. On aurait alors un brassage balistique pour imperméabiliser le dépôt d'or de 0,1 pm et une barrière anticorrosion de 0,1 pm dans le substrat. Pour optimiser l'efficacité du brassage balistique, le procédé de l'invention propose de traiter le dépôt d'or avec quatre doses, sous un même angle d'incidence et successivement selon quatre directions qui se déduisent par une rotation de 90° par rapport à l'axe perpendiculaire à la surface. Chaque dose doit permettre de bousculer au moins une fois les atomes contenus dans l'épaisseur du dépôt. L'angle d'incidence minimum du faisceau doit être tel que sa tangente est égale au rapport du rayon des pores par l'épaisseur du dépôt d'or. Par exemple si le rayon est de 0,5 pm et que l'épaisseur du dépôt est de 0,5 pm, le faisceau doit avoir un angle d'incidence d'au moins 45°. Le procédé de l'invention préconise la stratégie d'implantation suivante : • Pour les angles d'incidence trop élève, autrement dit rasant par 30 rapport à la surface, il est préférable d'utiliser des ions légers comme l'hélium qui présente l'avantage de pénétrer plus profondément dans l'épaisseur apparente du dépôt et d'éviter tous risques de pulvérisation. II faut veiller à ceux que la dose d'ions d'hélium n'excède pas quelques pourcents pour éviter la modification de la composition du dépôt d'or d'un point de vue électrique, mécanique ou encore esthétique. • Pour les angles d'incidence plus faibles il est préférable de prendre des ions plus lourds comme l'azote compte tenu de l'efficacité dont ils font preuve pour brasser le dépôt d'or. On réduit ainsi les temps de traitement. Dans ce cas les doses nécessaires sont faibles et il y a peu de risque de modifier les caractéristiques électriques, mécaniques ou encore esthétiques des dépôts. • En diminuant l'épaisseur des dépôts d'or on augmente le rayon moyen des pores. Pour le traitement on évoluera progressivement de l'utilisation d'ions d'azote à des ions d'hélium dans la mesure ou l'on augmente les angles d'incidences. Pour augmenter l'efficacité du traitement tout en diminuant son coût, le procédé de l'invention préconise l'utilisation de sources à résonance cyclotronique dite RCE. Ces sources ont pour particularité d'être compactes et de produire des ions multichargés, donc plus énergétiques pour une même tension d'extraction. De plus ces sources sont robustes et peu consommatrices en électricité. Compte tenu de leur taille, ces sources peuvent être disposées en série ou en parallèle pour multiplier la capacité de traitement des machines. Leurs intensités, de l'ordre de 10 mA, permettent des bandes de quelques mm de large à des vitesses de l'ordre de quelques mètres par minute. Ces vitesses de traitement sont acceptables pour l'industriie. Le procédé de l'invention propose de traiter les porosités de dépôts d'or. Il peut être étendu à d'autres métaux qui connaissent les mêmes problèmes de porosité. Brève description des dessins La figure 1 représente le traitement d'un pore avec un faisceau (5) incliné selon un même angle d'incidence (1) mais dans deux directions opposées à 180° par rapport à l'axe perpendiculaire à la surface. L'angle d'incidence minimum (1) a pour tangente le rapport du rayon du pore (2) par l'épaisseur du dépôt (3). Sous forme pointillée, on représente le profil du pore comblé (4) par les atomes qui ont été brassés sur les bords du pore lors de l'implantation. Si l'angle d'incidence est supérieur à l'angle d'incidence minimurn, on comble avec plus d'efficacité le fonds du pore mais il faut en contrepartie que l'énergie des ions soit suffisante pour traverser l'épaisseur apparente qui du même coup augmente. La figure 2 représente les courbes potentiometriques obtenues pour un dépôt d'or vierge (1), d'un dépôt d'or traité par un faisceau d'azote perpendiculaire (2), d'un dépôt d'or traité par un faisceau d'hélium (3) sous un angle de 45° et selon quatre directions perpendiculaires. La solution utilisée est du H2SO4 à 0,5 M. On constate la diminution du courant de corrosion d'un facteur 2 pour l'azote, d'un facteur 3 à 4 pour l'hélium. Dans les deux cas, cette diminution du courant de corrosion traduit la diminution de la porosité due au traitement. La dose implantée en azote est quatre fois supérieure à celle en l'hélium. On remarque toutefois une plus grande efficacité du traitement avec l'hélium. Ceci s'explique par l'optimisation du brassage balistique obtenu sous quatre directions perpendiculaires, et sous un même angle d'incidence de 45 °. La figure 3 représente une machine de traitement par défilement de bande. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Pour une machine de traitement par défilement de bande, il faut placer une colonne de vide différentiel (6) entre la source RCE (5). En effet, un vide de 10-6 mbar est nécessaire à la production du plasma dans la source et un vide de 104 mbar est suffisant pour traiter la bande dans la chambre (9). La colonne de vide différentielle à pour fonction de laisser passer le faisceau f tout en empêchant les remontées de gaz dans la chambre à plasma. La colonne de vide différentielle est équipé d'un système de pompage turbomoléculaire permettant de piéger ces remontées de gaz. Deux sas, l'un en entrée, l'autre en sortie, sont équipés d'un système de pompage primaire (1) et (4) et turbomoléculaire (2) et (3) permettant de laisser passer la bande (7) et de créer un vide dans la chambre de traitement. La vitesse de déroulement de la bande sur le dérouleur/enrouler (8) est calculée de manière à obtenir la dose requise pour traiter le dépôt d'or supportée par la bande. Pour éviter un risque d'échauffement qui pourrait créer une rupture de la bande, on doit augmenter la vitesse de défilement et multiplier proportionnellement le nombre de passes en marche avant et marche arrière. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement ionique de la porosité d'un dépôt métallique 5 caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre la surface d'un dépôt métallique à un faisceau d'ions émis par une source d'ions de type RCE. 2. Procédé de traitement selon la revendication 1 caractérisé en ce l'angle d'incidence minimum du faisceau d'ions dépend du rayon des pores et de l'épaisseur du dépôt métallique. 10 3. Procédé de traitement selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on traite avec un faisceau d'ions légers lorsque l'angle d'incidence minimum est élevé et d'ions plus lourds lorsque l'angle d'incidence minimum est faible. 4. Procédé de traitement selon la revendication 3 caractérisé en ce 15 que le faisceau est orienté successivement selon un même angle d'incidence et selon quatre directions qui se déduisent par une rotation de 90° par à l'axe perpendiculaire à la surface. 5. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la dose totale d'ions implantés est 20 calculée de manière à permettre au moins une fois le déplacement de chaque atome de métal dans la profondeur d'implantation. 6. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les ions émis sont de l'hélium et de l'azote. 25 7. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dépôt métallique est un dépôt d'or.