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Timestamp: 2019-09-19 21:33:24+00:00
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Matched Legal Cases: ['art 20', 'arts 20', 'arts 10', 'art 20', 'art 20', 'art 10']

CH711295A1 - Method of Fixing by Anodic Assembly. - Google Patents
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CH711295A1
CH711295A1 CH00977/15A CH9772015A CH711295A1 CH 711295 A1 CH711295 A1 CH 711295A1 CH 00977/15 A CH00977/15 A CH 00977/15A CH 9772015 A CH9772015 A CH 9772015A CH 711295 A1 CH711295 A1 CH 711295A1
CH00977/15A
Cartier Int Ag
2015-07-06 Application filed by Cartier Int Ag filed Critical Cartier Int Ag
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2017-01-13 Publication of CH711295A1 publication Critical patent/CH711295A1/en
G04B39/002—Watch crystals; Fastening or sealing of crystals; Clock glasses made of glass
L'invention prévoit un procédé d'assemblage anodique entre deux éléments avec une couche intermédiaire (23), notamment, mais pas exclusivement, les deux éléments étant un élément métallique et un élément hétérogène, comme par exemple un verre, un saphir synthétique, ou une céramique. The invention provides an anodic joining method between two elements with an intermediate layer (23), in particular, but not exclusively, the two elements being a metallic element and a heterogeneous element such as a glass, synthetic sapphire, or a ceramic. La spécificité et le but de la présente invention est de produire un assemblage étanche aux gaz et aux liquides sans soudure, sans brasure ou soudure et sans composé organique (colle). The specificity and the object of the present invention is to produce a tight connection gas and liquid seamless, without brazing or welding and without organic compound (glue). Parmi ses multiples applications industrielles, le présent procédé permet de fixer une glace de montre (10) pouvant être typiquement en verre minéral, saphir ou autres céramiques transparente ou translucide, à une lunette (20) ou carrure-lunette d'une boîte de montre par la technique de l'assemblage anodique. Among its many industrial applications, the present method allows to set a watch glass (10) being typically made of mineral glass, sapphire or other transparent or translucent ceramics, a bezel (20) or middle cum bezel unit of a watchcase by the technique of anodic bonding. L'invention concerne également une composante de pièce d'horlogerie, un produit de maroquinerie, un article décoratif, un bijou, des lunettes ou un instrument d'écriture, comprenant un élément assemblé par le procédé d'assemblage ci-dessus. The invention also relates to a timepiece component, a leather product, a decorative article, jewelry, glasses or a writing instrument comprising an assembled element by the assembly method above.
[0001] La présente invention se rapporte à un procédé d'assemblage anodique entre deux éléments avec une couche intermédiaire, notamment, mais pas exclusivement, la présente invention concerne un procédé d'assemblage anodique entre un élément métallique et un élément hétérogène, comme par exemple un verre, un cristal de synthèse, tel que par exemple un saphir, ou une céramique. [0001] The present invention relates to an anodic bonding method between two elements with an intermediate layer, in particular, but not exclusively, the present invention relates to an anodic bonding process between a metal component and a heterogeneous component, such as example, a glass, a crystal synthesis, such as for example sapphire, or ceramic.
[0002] La spécificité et le but de la présente invention est de produire un assemblage étanche aux gaz et aux liquides sans soudure, sans brasure et sans composé organique (colle). [0002] The specificity and the object of the present invention is to produce a tight connection gas and liquid seamless, without solder and without organic compound (glue).
[0003] Parmi ses multiples applications industrielles, le présent procédé permet de fixer une glace de montre pouvant être typiquement en verre minéral, saphir ou autres céramiques transparentes ou translucides, à une lunette ou carrure-lunette d'une boîte de montre par la technique de l'assemblage anodique (anodic bonding). [0003] Among its many industrial applications, this process allows to set a watch glass being typically mineral glass, sapphire or other transparent or translucent ceramic, a bezel or case-bezel of a watch case by technology the anodic bonding (anodic bonding). La zone de la boîte de montre sur laquelle est fixée la glace est typiquement en acier inoxydable, en platine, en or, en titane ou en un des alliages associés à ces matériaux. The area of ​​the watch casing on which is fixed the ice is typically stainless steel, platinum, gold, titanium or alloys associated with these materials. Les matériaux précités peuvent indifféremment être revêtus de rhodium ou toute autre matière utilisée pour la fabrication de boîtes de montres ou de produits de bijouterie ou de joaillerie. The above materials can either be coated with rhodium or any other material used for making boxes or watches or jewelry products. La glace peut être totalement ou en partie revêtue d'une couche antireflet, sans que cela interfère avec le procédé d'assemblage. Ice can be completely or partly coated with an antireflection layer, without interfering with the assembly process.
[0004] La présente invention permet aussi la fixation des glaces de fond. [0004] The present invention also allows the attachment of bottom ice. On peut également, par le procédé de l'invention, joindre des éléments d'entraînement à une lame transparente, réalisant ainsi un engrenage invisible, ou une montre mystérieuse. It is also possible by the process of the invention, contact of the drive elements in a transparent plate, thereby providing an invisible gear, or a mysterious watch.
[0005] Le procédé d'assemblage anodique (anodic bonding) est utilisé dans le domaine général de la microtechnique, plus particulièrement dans les secteurs biomédicaux, aérospatiaux et en électronique. [0005] The anodic bonding process (anodic bonding) is used in the general field of microtechnology, especially in the biomedical sector, aerospace and electronics. Dans ces domaines, notamment en microélectronique et les domaines voisins, les assemblages anodiques sont surtout utilisés pour les films et couches minces et plates notamment comme des wafers de métal, de verre et de silicium. In these areas, including microelectronics and related fields, the anode assemblies are used primarily for movies and thin and flat metal such as wafers, glass and silicon. Le procédé nécessitant de températures relativement élevées, il est en général utilisé pour assembler des matériaux avec des coefficients de dilatation thermique proches, afin de limiter les contraintes liés aux différences de contraction. The method requiring relatively high temperatures, it is generally used to join materials with close thermal expansion coefficients, to limit the stresses associated with contraction differences.
[0006] Dans la technique connue, l'assemblage anodique est principalement réservé au jointage du verre, notamment du verre Pyrex® ou borofloat® (verres au borosilicate). [0006] In the prior art, the anode assembly is mainly reserved for the jointing of glass, including glass Pyrex or borofloat® (borosilicate glasses).
[0007] Par le même principe de limitation des contraintes, des assemblages anodiques de petites tailles et de faible masse ou des éléments non soumis à des forces mécaniques externes, ont été décrits dans le secteur horloger dans le document JP 08 166 469 A, pour fixer une plaque de verre sur un cadran métallique ou en silicium. [0007] By the same principle of limitation constraints, anode assemblies of small size and low mass or not dealt with external mechanical forces, have been described in the watch industry in JP 08166469 A, for setting a glass plate on a metal dial or silicon. Le brevet JP 05 080 163 A décrit également la fixation d'index en silicium apposés sur une plaque en verre du cadran par l'assemblage anodique. JP 05080163 A also discloses attaching silicon index dial affixed to a glass plate by anodic bonding. Les procédés connus ne permettent toutefois pas l'assemblage de composantes massives, soumises à des contraintes mécaniques élevées, et devant résister aux chocs, notamment lorsque les pièces à joindre sont réalisés avec des matériaux hétérogènes, avec des coefficients de dilatation dissimilaires, comme c'est le cas pour l'acier inoxydable et le saphir utilisé pour réaliser les glaces de montre. Known methods, however, do not allow the assembly of mass components subject to high mechanical stresses, and to withstand shocks, particularly when the parts to be joined are made with dissimilar materials with dissimilar coefficients of expansion, such as c ' is the case for stainless steel and sapphire used to make the watch glasses.
[0008] Un but de la présente invention est de proposer un procédé d'assemblage exempt des limitations des procédés d'assemblage anodique connus, en particulier un procédé permettant d'obtenir des liaisons plus solides et étanches. [0008] An object of the present invention is to provide an assembly method free from the limitations of the known anode assembly methods, particularly a method for obtaining stronger and tight connections. Avantageusement, le procédé se déroule à basse température, bien inférieure aux températures de transition ou de fusion des matériaux employés. Advantageously, the process takes place at low temperature, well below the transition temperature or melting of the materials used.
[0009] Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé d'assemblage anodique qui permette l'union de matériaux hétérogènes, sans être limité aux verres au borosilicate. [0009] Another object of the present invention is to provide an anode assembly method that allows the union of heterogeneous materials, without being limited to borosilicate glasses. L'assemblage décrit permet de réaliser des liaisons métal sur métal, métal sur non-métal et non métal sur non métal. The assembly described makes it possible to realize the metal bonds on metal, metal on non-metal and non-metal on non-metal.
[0010] On peut par exemple assembler des éléments en acier inoxydable, titane, or, platine ou tout autre métal, des éléments de verre ordinaire, verre minéral, quartz, saphir synthétique (AI2O3), silicium, ou de céramique transparente ou translucide basés sur des compositions d'alumine, yttria, spinelle, ou autres compositions monocristallines, poly cristallines, ou amorphes. [0010] elements can be for example assembled in stainless steel, titanium, gold, platinum or any other metal, ordinary glass elements, mineral glass, quartz, synthetic sapphire (Al2O3), silicon, or a transparent or translucent ceramic based on alumina compositions, yttria, spinel, or other single-crystal compositions, poly crystalline or amorphous. Les faibles températures impliquées par le procédé de l'invention permettent aussi son application à des assemblages comportant des éléments en matériaux synthétique et/ou composite. Low temperatures involved by the process of the invention also allows its application to assemblies having elements made of synthetic materials and / or composite.
[0011] Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen de l'objet de la revendication 1. [0011] According to the invention, these aims are achieved in particular by the subject of claim 1.
[0012] Contrairement aux réalisations conventionnelles, l'assemblage proposé par la présente invention permet la liaison d'un grand nombre de matériaux par le biais de couches intermédiaires, ceci dans l'objectif de consolider le lien, augmenter la vitesse de diffusion et de permettre l'assemblage pour une plus grande gamme de matériaux et des pièces plus massives, soumises à de fortes contraintes et devant résister aux chocs. [0012] Unlike conventional embodiments, the assembly proposed by the present invention allows the binding of a variety of materials through intermediate layers, this in order to consolidate the link, increase the diffusion rate and allow assembly for a wider range of more massive materials and parts subjected to high stress and to withstand shocks.
[0013] Préférablement, la couche intermédiaire est une couche isolante ou semi-conductrice. [0013] Preferably, the intermediate layer is an insulating or semiconducting. Elle peut être une pièce rapportée (par exemple une mince lame de verre) ou, préférablement, une couche déposée par un procédé de déposition physique ou chimique (PVD, PE-CVD, Sol-gel, galvanoplastie). It can be an insert (e.g. a thin glass plate) or, preferably, a layer deposited by a physical or chemical deposition method (PVD, PE-CVD, sol-gel, electroplating). En alternative, la couche intermédiaire peut être une couche de passivation naturelle ou forcée, par exemple une couche d'oxyde sur un élément métallique en acier ou titane. Alternatively, the intermediate layer may be a layer of natural or forced passivation, for example an oxide layer on a metal element of steel or titanium.
[0014] Les éléments de l'assemblage sont amenés en contact intime au niveau atomique par un champ électrique d'intensité suffisante. [0014] The elements of the assembly are brought into intimate contact at the atomic level by an electric field of sufficient intensity. On croit, sans vouloir être limité par la théorie, que l'application d'un champ électrique permet la migration d'atomes et ions dans et de la couche intermédiaire, ainsi que la création de gradients chimiques et de charge, donnant ainsi lieu à des liens covalents et/ou ioniques entre les éléments de l'assemblage. It is believed, without being bound by theory, that the application of an electric field enables the migration of atoms and ions in and the intermediate layer, and the creation of chemical gradients and load, thus giving rise to links covalent and / or ionic between the elements of the assembly. De manière importante, le champ électrique comporte une composante variable, puisée ou alternée, et un une composante continue. Importantly, the electric field has a variable component, pulsed or alternating, and a DC component. De préférence, les fréquences caractéristiques de la composante variable puisée ou alternée sont essentiellement au-dessus de la fréquence de relaxation diélectrique des matériaux utilisés et se situent entre 0.1 et 100 kHz. Preferably, the characteristic frequency of the pulsed or alternating variable component are substantially above the dielectric relaxation frequency of the materials used and are between 0.1 and 100 kHz.
[0015] La stabilité et la force du lien anodique peuvent être améliorées considérablement en fonctionnalisant les surfaces avant l'application du champ électrique par un bombardement au plasma, notamment par des plasmas riches en oxygène. [0015] The stability and strength of the anode connection can be improved considerably by functionalizing surfaces before application of the electric field with a bombardment plasma, including rich plasma oxygen.
[0016] Bien que la présente description ait présenté des exemples liés à la fabrication de montres, la présente invention admet aussi d'autres applications à l'horlogerie, et aussi à la bijouterie, à la maroquinerie, à la lunetterie, et à la production d'instruments d'écriture. [0016] While this disclosure has provided examples related to the manufacture of watches, the present invention also admits other applications to watchmaking, and also to jewelry to leather goods, to eyewear, and production of writing instruments. L'invention n'est pas non plus limitée à la production d'éléments décoratifs, mais permet également l'assemblage d'éléments techniques composites pour des mouvements de montre, des instruments d'optique, des dispositifs médicaux, et une grande variété d'articles et produits qui utilisent du verre ou des céramiques. The invention is not limited to the production of decorative elements, but also allows the assembly of composite technical components for watch movements, optical instruments, medical devices, and a wide variety of articles and products that use glass or ceramic.
[0017] Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles: <tb>Les fig. [0017] Examples of implementation of the invention are indicated in the description illustrated by the appended figures in which: <tb> The Fig. 1a et lb<SEP>illustrent schématiquement deux dispositifs d'assemblage permettant de mettre en œuvre le procédé de l'invention. 1a and lb <September> schematically illustrate two connecting devices for implementing the method of the invention. <tb>La fig. <Tb> Fig. 2<SEP>illustre des étapes du procédé inventif. 2 <September> illustrates steps of the inventive method. <tb>Les fig. <Tb> The fig. 3a et 3b<SEP>montrent des procédés de masquage sélectif. 3a and 3b <September> show selective masking methods. <tb>La fig. <Tb> Fig. 4<SEP>montre schématiquement et de façon simplifiée la section d'un assemblage réalisé par le procédé de l'invention et les profils de concentration certains éléments chimiques. 4 <September> shows diagrammatically and schematically the section of an assembly made by the method of the invention and the concentration profiles of certain chemical elements.
[0018] Dans un mode de réalisation qui sera décrit en détail par la suite, le procédé de l'invention est appliqué à la fixation d'une glace de montre sur une boîte ou sur une lunette de montre. [0018] In an embodiment which will be described in detail below, the method of the invention is applied to attaching a watch glass on a box or on a watch bezel. Il faut toutefois comprendre que l'invention peut aussi être appliquée à l'assemblage de tout autre objet ou composant. It should however be understood that the invention can also be applied to the assembly of any object or component. La description sera mieux comprise avec référence à la fig. The description will be better understood with reference to FIG. 1a qui représente, en section, un assemblage tel que décrit dans un dispositif d'assemblage anodique. 1a which shows, in section, an assembly as described in an anodic bonding device.
[0019] On choisit une pièce d'une boîte de montre devant recevoir la glace, par exemple la lunette ou la carrure; [0019] We choose a piece of a watch case to receive the ice, for example the bezel or the middle part; cette pièce 20 peut être fabriquée avec tous les matériaux utilisés normalement pour la réalisation de montres. this part 20 can be manufactured with all materials normally used to make watches. On peut citer, par exemple: • acier inoxydable, • or, ou alliages à base d'or, • platine, • titane, • céramique, cette liste n'est pas exhaustive. There may be mentioned, for example: • stainless steel, • gold, or alloys of gold, • platinum, • titanium • ceramics, this list is not exhaustive.
[0020] La pièce destinée à recevoir la glace peut être réalisée par n'importe quel procédé connu, par exemple par usinage, étampage, laminage, impression 3D, ou tout autre procédé. [0020] The part for receiving the ice can be accomplished by any known method, for example by machining, pressing, rolling, 3D printing, or any other method. Il est important que la face en contact avec la glace soit parfaitement plane et exempt d'aspérités à l'échelle microscopique, afin de permettre un contact intime. It is important that the side in contact with the ice is completely flat and free of unevenness at the microscopic scale, to allow intimate contact. Selon les besoins et la nature des matériaux employés cela peut être obtenu par polissage mécanique et/ou électrochimique, par exemple. Depending on the needs and nature of the materials employed this may be achieved by mechanical polishing and / or electrochemical, for example.
[0021] La glace 10 est réalisée par un matériau transparent idoine, par exemple: <tb>•<SEP>Saphir synthétique (AI2O3), <tb>•<SEP>Verre minéral, <tb>•<SEP>Quartz (Si02), <tb>•<SEP>Céramique transparente, par exemple: <tb><SEP>–<SEP>comprenant des oxydes d'Yttrium (Yttralox®) ou des composés binaires Yttria/Magnesia, <tb><SEP>–<SEP>basés sur des spinelles d'oxynitrures d'Aluminium (Alon®) ou d'oxydes de Magnésium et Aluminum, <tb><SEP>–<SEP>autres céramiques optiques. [0021] The mirror 10 is carried by a suitable transparent material, for example: <tb> • <September> Sapphire (Al2O3), <tb> • <September> mineral glass, <tb> • <September> Quartz (Si02 ), <tb> • <September> Ceramics transparent, for example: <tb> <September> - <September> comprising oxides of yttrium (Yttralox®) or binary compounds Yttria / Magnesia <tb> <September> - <September> based on spinels of aluminum oxynitrides (Alon®) or oxides of Magnesium and Aluminum <tb> <September> - <September> other optical ceramics.
[0022] La surface de contact de la glace est polie chimiquement ou mécaniquement afin d'épouser parfaitement la surface correspondante de la lunette et/ou du cran de glace. [0022] The contact surface of the ice is chemically or mechanically polished in order to perfectly match the corresponding surface of the bezel and / or ice notch.
[0023] On développe ensuite une couche intermédiaire 23 sur la surface de contact de la lunette 20, et/ou de la glace 10. De préférence celle-ci est une couche mince déposée par un procédé de déposition physique ou chimique (PVD, PE-CVD, Sol-gel, galvanoplastie). [0023] It then develops an intermediate layer 23 on the contact surface of the bezel 20, and / or ice 10. Preferably it is a thin film deposited by a physical or chemical deposition method (PVD, PE -CVD, Sol-gel, electroplating). Des résultats très satisfaisants ont été obtenus par des couches métalliques déposées par un procédé PVD, par exemple des couches de titane oxydé, ou par des couches d'oxydation naturelle fonctionnalisées par plasma riche en oxygène. Very satisfactory results have been obtained by metal layers deposited by a PVD process, such as oxidized titanium layers, or by natural oxidation layers functionalized with oxygen-rich plasma.
[0024] On a constaté que le procédé de l'invention ne requiert pas une composition chimique homogène de la couche intermédiaire 23. Bien au contraire, des couches présentant un gradient chimique et/ou d'oxydation ont fourni des résultats supérieurs en termes d'adhérence, solidité de la liaison et rapidité d'assemblage. [0024] It was found that the process of the invention does not require a homogeneous chemical composition of the intermediate layer 23. On the contrary, films having a chemical gradient and / or oxidation gave superior results in terms of adhesion, bond strength and rapid assembly. Selon un exemple, la couche intermédiaire 23 présente une épaisseur entre 1 nm et 10 µm et sa composition varie du titane pur, dans les régions plus profondes, à l'oxyde TIO2en surface, en passant par toutes les stœchiométries intermédiaires. In one example, the intermediate layer 23 has a thickness between 1 nm and 10 microns and its composition varies from pure titanium, in the deepest regions, with the TIO2en oxide surface, through all the intermediate stoichiometries. Comme on le verra par la suite, il est avantageux accentuer ce gradient chimique avec des expositions à un plasma réactif. As we will see later, it is advantageous that accentuate chemical gradient with exhibitions in a reactive plasma.
[0025] Plusieurs matériaux se prêtent à la déposition de la couche intermédiaire 23. Des couches de titane, comme on dit, ont donné des excellents résultats, mais l'invention peut être répliquée avec d'autres matériaux, par exemple Zr, Hf, Fe, Si, Al, Cr, Ni, invar parmi d'autres. [0025] Several materials are suitable for deposition of the intermediate layer 23. The titanium layers, as said, have given excellent results, but the invention can be replicated with other materials such as Zr, Hf, Fe, Si, Al, Cr, Ni, invar among others. Le gradient chimique peut être obtenu par oxydation, nitruration, carburation, par exemple, en sorte que la composition de la couche peut être de type TixOy, SixOy, SixNy, ou AlxOy. The chemical gradient can be obtained by oxidation, nitriding, carburizing, for example, so that the composition of the layer may be of type TixOy, SixOy, SixNy, or AlxOy. La couche intermédiaire peut être enrichie par des atomes / ions mobiles tels que Li, Na, K, Ca, Be, ou halogènes. The intermediate layer may be enriched with carbon / mobile ions such as Li, Na, K, Ca, Be, or halogens.
[0026] Lorsque le substrat est métallique, comme c'est le cas d'une lunette 20 en acier inoxydable, la couche intermédiaire 23 peut être une couche d'oxyde naturelle, se développant spontanément suite à l'exposition à l'air, ou forcée, par exposition à une atmosphère ou à un plasma réactif. [0026] When the substrate is metal, as is the case of a bezel 20 of stainless steel, the intermediate layer 23 may be a natural oxide layer, growing spontaneously following the air exposure, or forced, by exposure to an atmosphere or a reactive plasma.
[0027] La couche intermédiaire 23 peut être obtenue, dans des variantes de l'invention, par un procédé de déposition physique en une atmosphère réactive de composition variable. [0027] The intermediate layer 23 may be achieved in variants of the invention, by a physical deposition process in a reactive atmosphere of variable composition. On peut par exemple déposer une couche par pulvérisation cathodique, en atmosphère inerte, dans une première phase, et avec une concentration progressivement croissante de gaz réactif (typiquement oxygène) ensuite. It is for example depositing a layer by sputtering in an inert atmosphere, in a first phase, and with a gradually increasing concentration of reactive gas (typically oxygen) then. En cette variante, la couche 23 est activée par exposition à un plasma chimiquement en même temps qu'elle est déposée. In this variant, the layer 23 is activated by exposure to a plasma chemically at the same time it is deposited. Par ce procédé on peut obtenir des couches présentant le gradient chimique souhaité. By this method one can obtain films having the desired chemical gradient.
[0028] Dans des variantes possibles, la couche intermédiaire peut être une pièce rapportée, par exemple une mince lame de verre. [0028] In possible embodiments, the intermediate layer may be an insert, for example a thin glass plate.
[0029] La Figure 1a représente très schématiquement un dispositif d'assemblage permettant de réaliser le procédé inventif. [0029] Figure 1a schematically shows an assembly device for carrying out the inventive method. La glace 10 est positionnée sur la face supérieure de la lunette 20 dans une enceinte 40. Des moyens de chauffage 45 permettent de maintenir les pièces à une température voulue. Crystal 10 is positioned on the upper face of the bezel 20 in a chamber 40. Heating means 45 are used to hold the parts to a desired temperature. Caractéristiquement, l'invention se déroule à des températures inférieures à celles des procédés d'assemblage anodique conventionnels. Characteristically, the invention takes place at lower temperatures than conventional anodic bonding processes. La température est préférablement inférieure à 250 °C. The temperature is preferably less than 250 ° C. Des résultats très satisfaisants ont été obtenus à des températures de 200 °C, 150 °C, 100 °C, et même de 75 °C. Very satisfactory results have been obtained at temperatures of 200 ° C, 150 ° C, 100 ° C and even 75 ° C. En aucun cas la température ne sera proche de celle de fusion ou de transition vitreuse des matériaux employés. In no case the temperature will be close to the melting point or glass transition temperature of the materials used.
[0030] La glace est connectée à une électrode 31 et la lunette est connectée à une contre électrode 32, auxquels on connecte une source de tension 30. La source tension produit un champ électrique qui engendre une migration d'ions entre la pièce 20, la couche 23 et la pièce 10. [0030] The ice is connected to an electrode 31 and the bezel is connected to an electrode 32 against to which is connected a voltage source 30. The voltage source produces an electric field which generates an ion migration between the workpiece 20, layer 23 and the workpiece 10.
[0031] De préférence, la tension générée par la source 30 comporte une composante continue (sa valeur moyenne ou tension DC offset) dans les limites de ce qui est généralement employé dans les procédés d'assemblage anodique, soit dans l'intervalle 0.1-15 kV, selon l'épaisseur des pièces à joindre et la rigidité diélectrique de l'assemblage. [0031] Preferably, the voltage generated by the source 30 includes a DC component (the average value or DC voltage offset) within the limits of what is generally used in the anodic bonding process, is in the range 0.1- 15 kV, depending on thickness of the parts to be joined and the dielectric strength of the assembly. Selon l'invention, on a constaté que la qualité de l'assemblage s'améliore considérablement lorsqu'une composante AC ou puisée est superposée à la composante continue. According to the invention, it was found that the quality of the assembly is significantly improved when an AC or pulsed component superimposed on the DC component. L'amplitude de la composante AC ou la hauteur des impulsions est de préférence comparable à celle de la composante continue, et la fréquence caractéristique sera supérieure à 100 Hz, par exemple de 1 kHz, 10 kHz, ou plus. The amplitude of the AC component or the height of the pulses is preferably comparable to that of the DC component, and the characteristic frequency will be greater than 100 Hz, for example, 1 kHz, 10 kHz or more. Caractéristiquement, la fréquence caractéristique de la composante AC ou des impulsions est également de préférence supérieure aux fréquences de relaxation diélectrique des matériaux utilisés. Typically, the characteristic frequency of the AC component or pulses is also preferably greater than the dielectric relaxation frequency of the materials used.
[0032] Si requis, les pièces 20, 10 peuvent être compressés mécaniquement. [0032] If required, the parts 20, 10 can be compressed mechanically. On a toutefois constaté que si les surfaces de contact sont méticuleusement polies et propres, un tel plaquage est souvent superflu. However, it was found that if the contact surfaces are meticulously polished and clean, such plating is often superfluous. Les vitesses d'assemblage sont de l'ordre de quelques mm<2>/minutes. The assembly speeds are of the order of several mm <2> / minutes.
[0033] Entre la couche intermédiaire 23 et le substrat 20 on peut déposer des couches minces avec une fonction esthétique ou physique tels que les fonctions antireflets (si le substrat 20 est transparent, par exemple), ou pour améliorer l'adhésion, ou pour tout autre but. [0033] Between the intermediate layer 23 and the substrate 20 can be deposited thin film with an aesthetic or physical function such as anti-reflection functions (if the substrate 20 is transparent, for example) or to improve adhesion, or any other purpose. Ces couches supplémentaires ne sont pas représentées sur les figures. These additional layers are not shown in the figures. La transition entre les matériaux des couches peut être discontinue ou graduelle. The transition between the layers of material can be discontinuous or gradual.
[0034] Le procédé de l'invention n'est pas limité à l'assemblage de deux éléments. [0034] The process of the invention is not limited to the assembly of two elements. La fig. Fig. 1b illustre schématiquement un assemblage avec un substrat intermédiaire 15 ente le premier élément 10 et le second élément 20. Des couches intermédiaires 13, 23 sont présentes à chaque interface. 1b schematically shows a joint with an intermediate substrate 15 ente the first member 10 and second member 20. Intermediate layers 13, 23 are present at each interface. Le nombre d'éléments superposés peut être augmenté à loisir. The number of stacked elements can be increased at will.
[0035] Toute particule chargée placée sous l'influence d'un champ électrique uniforme se déplace à une vitesse proportionnelle à ce champ, le facteur de proportionnalité étant appelé la mobilité électrique de la particule. [0035] Any charged particle under the influence of a uniform electric field is moving at a speed proportional to this field, the proportionality factor is called the electric mobility of the particle. Cette migration va s'effectuer de l'anode vers la cathode pour les particules chargées positivement, dans le sens opposé pour les particules chargées négativement. This migration will be performed from the anode to the cathode for the positively charged particles, in the opposite direction to the negatively charged particles. Sous l'effet de la migration des ions, on observe une différence de potentiel entre les pièces 10, 20, ce qui engendre un plaquage entre les partenaires induit sous l'effet de forces électrostatiques. Under the effect of the migration of ions, a potential difference is observed between the parts 10, 20, which generates a tackle between partners induced under the influence of electrostatic forces. La perturbation de l'équilibre thermodynamique influence les populations de porteurs de charge localisés au sein des pièces à assembler et de la couche intermédiaire. The disruption of the thermodynamic equilibrium influence charge carriers localized populations in the parts to be assembled and the intermediate layer. Les origines des perturbations peuvent être: les inhomogénéités de dopage, d'impuretés, de défauts structuraux et les déformations locales (principalement au voisinage de surface), des contacts et des jonctions les forces de champ électrique les gradients de température. The origins of the disturbances can be: inhomogeneities doping impurities, structural deformations and local defects (mainly the surface vicinity), contacts and junctions electric field forces the temperature gradients. La fréquence appliquée au champ électrique The frequency applied to the electric field
[0036] Lorsque le champ électrique ainsi que la température sont interrompues, les porteurs de charges tendent vers un état d'équilibre correspondant à des régimes permanents définis par des conditions initiales et aux bords, selon des mécanismes typiques: la diffusion des porteurs dans des gradients de concentration le déplacement des porteurs dans des champs électriques internes la génération et la recombinaison de porteurs qui peuvent être intrinsèques ou faire intervenir des centres de recombinaison et des pièges. [0036] When the electric field and temperature are interrupted, the charge carriers tend to an equilibrium state corresponding to steady states defined by the initial conditions and at the edges according to the typical mechanisms: diffusion of carriers in concentration gradients of the displacement of the carriers in the internal electric field generation and recombination of carriers which can be intrinsic or involve recombination centers and traps.
[0037] Les propriétés relatives aux courants électriques et aux déplacements de porteurs de charge sous l'influence de forces appliquées sont appelées phénomènes de transport. [0037] The properties related to electric currents and charge carrier movement under the influence of applied forces are called transport phenomena. Parmi les phénomènes de transport, la mobilité, qu'elle soit par exemple des lacunes, des impuretés, des porteurs de charges (les matériaux sont différentiés par la longueur de Debye des porteurs majoritaires et leur comportement est notamment décrit par l'équation de continuité) ainsi que la diffusion (basée sur les lois de Fick) sont les mécanismes clés d'assemblage anodique. Among the transport phenomena, mobility, whether, for example, gaps, of impurities, charge carriers (the materials are differentiated by the Debye length of the majority carriers and their behavior is in particular described by the continuity equation ) and broadcast (based on Fick's laws) are the key mechanisms of anodic bonding.
[0038] Les paramètres qui influencent le plus la mobilité des porteurs de charge sont la température et le nombre volumique d'impuretés. [0038] The parameters that influence most the electron mobility are the temperature and the volume number of impurities. Parmi les défauts on peut distinguer les impuretés et les lacunes. Among the defects can be distinguished impurities and gaps. Il s'agit de ces mêmes lacunes, défauts de Schottky ou de Frenkel entre autres qui facilitent la diffusion des porteurs de charges et qui définissent l'énergie nécessaire à leur diffusion. It is these same shortcomings, Schottky defects and Frenkel among others that facilitate the diffusion of the charge carriers and define the energy required for their dissemination. De plus déplacer une lacune à travers un cristal demande beaucoup moins de travail que de contraindre union à se déplacer à travers un réseau d'ions dense d'un cristal. Also moving a gap through a crystal requires a lot less work than to force union to move through a dense network of ions in a crystal. La conduction ionique dépend du mouvement des lacunes. The ionic conduction depends on the movement gaps. Les impuretés qui contribuent à la densité de porteurs de charge sont appelées «donneurs» si elles apportent des électrons supplémentaires et «accepteurs» si elles apportent des trous supplémentaires. Impurities that contribute to the charge carrier density are called "donor" if they provide additional electrons and "acceptor" if they provide additional holes. A noter que la vitesse du phénomène de l'assemblage anodique dépend de la quantité de défauts et de la température notamment. Note that the speed of the phenomenon of anode assembly depends on the amount of defects and the particular temperature.
[0039] Le choix de la ou des couches intermédiaires dépend fortement des «propriétés» des porteurs de charge. [0039] The choice of the intermediate layer depends strongly on the "properties" of the charge carriers. La composition chimique de la ou des couches est naturellement importante puisque les phénomènes de transport dépendent des caractéristiques des liaisons atomiques. The chemical composition of the layer is naturally important as transport phenomena depend on the characteristics of atomic bonds. Les liaisons créées lors du processus d'assemblage anodique sont des liaisons de type covalentes majoritairement. The links created during the anodic bonding process are covalent type bonds mostly. Ces liaisons fortes s'établissent par la mise en commun d'une paire d'électrons issus de chacun des porteurs de charges. These strong bonds are established by sharing a pair of electrons from each of the charge carriers.
[0040] D'autres paramètres ont leurs importances telles que l'épaisseur des pièces à assembler ainsi que l'épaisseur de la zone de déplétion. [0040] Other parameters have their magnitudes such that the thickness of the workpieces as well as the thickness of the depletion zone. Les limitations d'épaisseurs dépendent des tolérances au plan des lunettes et des glaces et sont comprises entre 1-1000 nm. The thicknesses of limitations dependent on the tolerances in terms of glasses and ice, and are between 1-1000 nm.
[0041] La fig. [0041] FIG. 2 représente schématiquement une succession d'étape du procédé inventif. 2 schematically shows a step sequence of the inventive method. La pièce 20, usinée et polie est d'abord nettoyée (étape a) par des bains de lessivages, ou par ultrason, ou par toute procédé de lavage 50 approprié. The part 20, machined and polished is first cleaned (step a) with baths of leaching, or by ultrasound, or by any suitable washing method 50. Ensuite (étape b) on crée une couche intermédiaire d'assemblage par déposition PVD 55, comme on a discuté plus haut, ou par tout autre procédé idoine. Then (step b) creates a joining intermediate layer 55 by PVD deposition, as discussed above, or by any other appropriate method. L'étape c) représente l'élément 20 avec la couche intermédiaire 23 activée (l'élément 10 avec une autre couche intermédiaire 13 ne sont pas montrés dans l'étape c) de la figure). Step c) is the element 20 with the activated intermediate layer 23 (the element 10 with a further intermediate layer 13 are not shown in step c) of the figure).
[0042] La surface ou les surfaces à joindre sont préférablement activées par un bombardement de plasma réactif 60 (étape d). [0042] The surface or surfaces to be joined are preferably activated by a reactive plasma bombardment 60 (step d). Les caractéristiques chimiques et physiques du plasma seront choisies en fonction de la chimie souhaitée pour la couche intermédiaire. The chemical and physical characteristics of the plasma will be chosen depending on the desired chemistry for the intermediate layer. Par exemple, des plasmas d'oxygène appliqués à des couches de titane ou d'acier ont donné des assemblages très satisfaisants en termes de solidité et rapidité. For example, oxygen plasma applied to titanium or steel layers have given very satisfactory assemblies in terms of strength and speed. L'activation a lieu si possible, dans le même réacteur dans lequel on réalise la déposition 55. The activation takes place if possible, in the same reactor wherein the deposition is carried out 55.
[0043] Les surfaces activées sont sensibles à l'air, pour cette raison il est préférable compléter l'assemblage rapidement après l'étape d). [0043] The activated surfaces are sensitive to air, for this reason it is preferable complete the assembly shortly after step d). Les éléments 10 et 20 sont mis en contact et chauffée (étape e), puis le champ électrique est appliqué par les électrodes 31, 32 (étape f) pour un temps déterminé, jusqu'à l'obtention du lien anodique. The elements 10 and 20 are contacted and heated (step e), then the electric field is applied by electrodes 31, 32 (step f) for a specified time, until the anode link.
[0044] Il est souvent nécessaire d'appliquer les couches intermédiaires 23, 13 sélectivement sans couvrir entièrement la surface des pièces à joindre. [0044] It is often necessary to apply the intermediate layers 23, 13 selectively without completely cover the surface of the parts to be joined. Il ne serait pas envisageable d'appliquer une couche de Ti/TiO2sur toute la surface d'une glace de montre, par exemple, car ces matériaux ne sont pas transparents. It would not be possible to apply a layer of Ti / TiO2sur entire surface of an ice shows, for example, because these materials are not transparent. Des assemblages sélectifs sont requis par beaucoup d'autres applications. Selective assemblies are required by many other applications.
[0045] La fig. [0045] FIG. 3a illustre une possibilité d'obtenir un tel assemblage. 3a shows one possibility to obtain such an assembly. La pièce 20 est initialement couverte partiellement par un revêtement protecteur ajouré 70 qui couvre partiellement la surface, en laissant exposé seulement les régions devant être jointes. The part 20 is initially partially covered by a perforated protective coating 70 which covers part of the surface, leaving exposed only the regions to be joined. Le revêtement protecteur ou masque 70 peut être réalisé par l'application de résines photosensibles, ou par tout autre procédé approprié. The protective coating or mask 70 may be achieved by the application of photoresists, or any other suitable method.
[0046] A l'étape suivante, une couche mince 84 est déposée sur l'ensemble de la pièce. [0046] In the next step, a thin layer 84 is deposited over the entire piece. Préférablement la couche 84 a aussi la fonction de couche intermédiaire pour liaison anodique. Preferably the layer 84 also has the intermediate layer function for anodic bonding. Elle peut être homogène ou comprendre plusieurs couches empilées de composition chimique hétérogène. It may be homogeneous or include multiple stacked layers of heterogeneous chemical composition. La dissolution ou l'attaque chimique du masque 70 laisse sur la surface des régions en saille 90 qui serviront d'encrage à l'assemblage. The dissolution or etching of the mask 70 leaves on the surface of the projecting regions 90 that will serve as inking assembly.
[0047] L'élément 10 est superposé, et l'assemblage est réalisé par application d'un champ électrique et de chaleur, comme expliqué plus haut. [0047] The element 10 is superposed and the assembly is achieved by application of an electric field and heat, as explained above. Préférablement le champ électrique comporte une composante continue et une composante alternée ou puisée. Preferably the electric field comprises a DC component and an alternating or pulsed component.
[0048] La fig. [0048] FIG. 3b illustre une variante du procédé de l'invention dans laquelle la sélection des régions à traiter est réalisée par un procédé d'attaque sélectif du substrat. 3b illustrates a variant of the inventive method wherein the selection of the regions to be treated is performed by a selective etching process of the substrate. Initialement, l'élément 20 est masqué par un revêtement protecteur 70 qui couvre uniquement les régions destinées à être jointes. Initially, the element 20 is masked by a protective coating 70 which covers only the regions intended to be joined. Les régions non protégées subissent un attaque sélectif, par exemple par un bain chimique corrosif, un plasma, un bombardement ionique, un faisceau laser, ou tout autre moyen approprié, laissant en saille les régions 90. Unprotected areas undergo a selective etch, for example by a corrosive chemical bath, a plasma, ion bombardment, a laser beam, or any other appropriate means, leaving projecting regions 90.
[0049] La liaison est complétée par la superposition de la pièce 10 et l'application d'une tension électrique à température contrôlée, comme dans les exemples précédentes. [0049] The connection is completed by the superposition of the part 10 and the application of a voltage-controlled, like in the previous examples. Préférablement le champ électrique comporte une composante continue et une composante alternée ou puisée. Preferably the electric field comprises a DC component and an alternating or pulsed component.
[0050] Dans l'exemple représenté, la couche intermédiaire 13 est déposée sur l'élément 10 et couvre toute sa surface. [0050] In the example shown, the intermediate layer 13 is deposited on the element 10 and covers its entire surface. En un mode de réalisation alternatif, non représenté sur la figure, elle pourrait être déposée sélectivement sur la pièce 20, par exemple avant la déposition du masque 70. In an alternative embodiment, not shown in the figure, it could be selectively deposited on the workpiece 20, for example prior to the deposition of the mask 70.
Exemple d'assemblage Fitting example
[0051] La fig. [0051] FIG. 4 représente de façon simplifiée une section d'un assemblage entre un lame 10 de verre de 500 µm d'épaisseur et une lame de saphir 20. Préalablement à l'assemblage, une couche intermédiaire de titane 23 a été déposée par un procédé de pulvérisation cathodique sur le saphir, pour une épaisseur total d'un micromètre environ. 4 shows schematically a section of a joint between a blade 10 of glass 500 microns thick and a sapphire blade 20. Prior to assembly, a titanium intermediate layer 23 was deposited by a sputtering method cathode on sapphire, for a total thickness of about a micrometer.
[0052] La déposition de la couche intermédiaire 23 a eu lieu d'abord en atmosphère inerte (par exemple argon), et en présence d'une concentration progressivement croissante d'oxygène ensuite. [0052] The deposition of the intermediate layer 23 occurred first in an inert atmosphere (e.g. argon), in the presence of a progressively increasing concentration of oxygen then. La composition chimique de la couche intermédiaire change avec continuité du titane pur à l'oxyde de Titane TIO2 (région 25), en passant par toutes les stœchiométries intermédiaires. The chemical composition of the intermediate layer varies with continuity of pure titanium oxide TiO2 Titanium (region 25), passing through all intermediate stoichiometries.
[0053] L'assemblage a été ensuite obtenu par l'application d'un champ électrique comprenant une composante continue -2.4 kV (polarité de l'électrode appliquée à la lame de verre 10) superposée à une composante puisée en onde carrée de 1.2 kV à 1 kHz pour 12.5 minutes à 200°C. [0053] The assembly was then obtained by the application of an electric field comprising a DC component -2.4 kV (polarity of the electrode applied to the glass slide 10) superimposed on a pulsed square wave component of 1.2 kV at 1 kHz to 12.5 minutes at 200 ° C.
[0054] La fig. [0054] FIG. 4 a été obtenue à partir d'une analyse SEM-EDX (Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray analysis) d'une tranche de l'assemblage. 4 was obtained from a SEM-EDX analysis (Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray analysis) of a wafer assembly. Cette technique permet d'obtenir des informations sur la nature chimique des couches analysées. This technique provides information on the chemical nature of the analyzed layers. Le cadre sur la droite de la fig. The frame on the right of Fig. 4 montre les profils de concentration de différentes espèces atomiques. 4 shows the concentration profiles of different atomic species. Il est à noter que les diagrammes de concentration ne sont pas tous à la même échelle, et ont été décalés pour améliorer la lisibilité. Note that the concentration charts are not all to the same scale, and have been shifted to improve readability.
[0055] Les diagrammes montrent clairement la présence d'un gradient chimique d'oxydation à l'intérieur de la couche intermédiaire 23 et une zone riche en sodium, due à la migration des ions Na dans le verre sous l'effet du champ électrique, ce qui est caractéristique des liaisons anodiques. [0055] The diagrams clearly show the presence of a chemical gradient oxidation inside the intermediate layer 23 and an area rich in sodium, due to the migration of Na ions in the glass under the effect of the electric field , which is characteristic of the anodic bonds.
[0056] <tb>10<SEP>premier élément <tb>13<SEP>couche intermédiaire du premier élément <tb>15<SEP>substrat intermédiaire <tb>16<SEP>couche enrichie en sodium <tb>17<SEP>couche appauvrie en sodium <tb>20<SEP>deuxième élément <tb>23<SEP>couche intermédiaire du deuxième élément <tb>25<SEP>gradient d'oxydation <tb>30<SEP>source de tension <tb>31<SEP>électrode <tb>32<SEP>électrode <tb>40<SEP>enceinte <tb>45<SEP>chauffage <tb>50<SEP>lavage <tb>55<SEP>déposition <tb>60<SEP>activation de surface <tb>70<SEP>masque <tb>84<SEP>déposition <tb>86<SEP>ablation <tb>90<SEP>site active <tb>100<SEP>ligne de scansion [0056] <tb> 10 <September> first member <tb> 13 <September> intermediate layer of the first member <tb> 15 <September> Intermediate <tb> substrate 16 <September> sodium enriched layer <tb> 17 <September > sodium-depleted layer <tb> 20 <September> second member <tb> 23 <September> intermediate layer of the second element <tb> 25 <September> oxidation gradient <tb> 30 <September> voltage source <tb> 31 <September> electrode <tb> 32 <September> electrode <tb> 40 <September> chamber <tb> 45 <September> heating <tb> 50 <September> washing <tb> 55 <September> deposition <tb> 60 < September> surface activation <tb> 70 <September> mask <tb> 84 <September> deposition <tb> 86 <September> removal <tb> 90 <September> active site <tb> 100 <September> line scansion
1. Procédé d'assemblage par liaison anodique entre un premier substrat et un second substrat comprenant: • interposition d'une couche intermédiaire entre le premier et le second substrat; 1. An assembly method by anodic bonding between a first substrate and a second substrate comprising: • insertion of an intermediate layer between the first and second substrate; • assemblage des substrats à une température d'assemblage déterminée; • assembly of the substrates at a given assembly temperature; • Application d'une tension électrique entre le premier et le second substrat, caractérisé en ce que ladite tension électrique comporte une composante puisée ou AC. • Application of an electrical voltage between the first and second substrate, characterized in that said voltage has an AC or pulsed component.
2. Procédé d'assemblage selon la revendication précédente, dans lequel la ladite tension électrique comporte une composante DC. 2. An assembly method according to the preceding claim, wherein said voltage includes a DC component.
3. Procédé d'assemblage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite température d'assemblage est inférieure à 300 °C, préférablement non supérieure à 200 °C. 3. An assembly method according to one of the preceding claims, wherein said joining temperature is less than 300 ° C, preferably not higher than 200 ° C.
4. Procédé d'assemblage selon la revendication précédente, dans lequel ladite composante puisée ou AC a une fréquence supérieure à 50 Hz, préférablement supérieure à 100 Hz. 4. An assembly method according to the preceding claim, wherein said pulsed or AC component has a frequency greater than 50 Hz, preferably greater than 100 Hz.
5. Procédé d'assemblage selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite couche intermédiaire est une couche en verre. 5. An assembly method according to one of the preceding claims wherein said intermediate layer is a glass layer.
6. Procédé d'assemblage selon la revendication précédente, dans lequel la couche intermédiaire présente un gradient chimique et/ou un gradient d'oxydation. 6. An assembly method according to the preceding claim, wherein the intermediate layer has a chemical gradient and / or an oxidation gradient.
7. Procédé d'assemblage selon l'une des revendications de 1 à 3, dans lequel ladite couche intermédiaire est une couche d'oxyde de titane. 7. The assembly method according to one of claims 1 to 3, wherein said intermediate layer is a titanium oxide layer.
8. Procédé d'assemblage selon la revendication précédente, comprenant une étape de déposition d'une couche mince oxydable sur un des substrats, suivie d'une étape d'oxydation. 8. The assembly method according to the preceding claim, comprising a step of depositing an oxidizable thin layer on a substrate, followed by an oxidation step.
9. Procédé d'assemblage selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape de fonctionnalisation de ladite couche intermédiaire par un plasma réactif, par exemple un plasma riche en oxygène. 9. A method of assembly according to one of the preceding claims, comprising a step of functionalizing said intermediate layer by a reactive plasma, eg an oxygen-rich plasma.
10. Procédé d'assemblage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit premier substrat est métallique, par exemple un substrat en acier, acier inoxydable, titane, or, aluminium, platine ou en un des alliages associés à ces matériaux et ledit second substrat est une céramique, ou un verre, ou un matériau isolant cristallin, notamment un saphir synthétique. 10. A method of assembling according to one of the preceding claims, wherein said first substrate is metal, e.g., a steel substrate, stainless steel, titanium, gold, aluminum, platinum or alloys associated with these materials and said the second substrate is a ceramic, or a glass, or a crystalline insulating material, in particular a synthetic sapphire.
11. Composante pièce d'horlogerie, produit de maroquinerie, article décoratif, un bijou, lunettes ou instrument d'écriture, comprenant un élément assemblé par le procédé d'assemblage selon l'une des revendications précédentes, par exemple: • verre de montre; 11. Component timepiece, leather product, decorative article, jewelry, glasses or writing instrument, comprising a member assembled by the assembly method according to one of the preceding claims, for example: • watchglass ; • verre de fonds de montre; • shows funds glass; • index de cadran; • Dial index; • engrenage invisible comprenant une lame transparente assemblée à un élément d'entraînement. • invisible gear including a transparent blade assembly to a drive element.
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