Brasage fort réactif

Le principe de la brasure réactive consiste à ajouter à une brasure forte existante classique, par exemple, Ag72–Cu28 (eutectique à 780°C), un élément réactif à l'oxygène, au carbone et à l'azote, par exemple le Ti. Lors du brasage, cet élément réagit avec la surface de la céramique, permettant le mouillage et l'adhérence de celle-ci directement par la brasure, sans métallisation préalable.

L'existence d'un élément réactif dans la brasure nécessite une atmosphère inerte (Ar), ou préférentiellement un four à vide, ce qui peut limiter la productivité et peser sur le prix de production. De plus, il est limité à de hautes températures, nécessaires pour assurer une bonne réactivité entre brasure et céramique. Ces restrictions peuvent rendre ce procédé incompatible avec certains types de produits. En revanche, le fait qu'on s'épargne le besoin de métalliser les céramiques avant le brasage est un plus considérable, surtout si la forme du joint à métalliser n'est pas plane, ce qui rend la métallisation difficile.

Pour le brasage réactif, le titane est l'élément le plus utilisé. En effet, il combine une réactivité élevée avec l'oxygène (voir partie suivante), l'azote et le carbone avec une faculté (pour O et N) d'inclure dans sa maille cristalline ces éléments comme interstitiels. Cette réactivité permet son utilisation avec les oxydes, les nitrures et les carbures, ce qui en fait un élément réactif "universel".

Les composés probables formés par la réaction du titane avec un oxyde, un nitrure ou un carbure sont donnés par le diagramme d'équilibre correspondant (figures 5–1 à 5–3).

Assemblage des céramiques – Th. Maeder 28 5 – Brasage avec brasure métallique

Figure 5–1. Diagramme d'équilibre Ti–O²⁸.

Figure 5–2. Diagramme d'équilibre Ti-N²⁸.

Assemblage des céramiques – Th. Maeder 29 5 – Brasage avec brasure métallique

Figure 5–3. Diagramme d'équilibre Ti–C²⁹.

Pour savoir si le mouillage réactif est possible, il faut connaître les enthalpies libres de réaction. Par exemple, sur un verre de silice (ou sur un wafer de silicium oxydé), on obtiendrait la réaction suivante pour un transfert total de l'oxygène au titane.

SiO2 + Ti " Si + TiO₂

Le diagramme d'Ellingham (fig. 5–4) permet de déterminer grosso modo que cette réaction est possible. Il faut cependant encore déterminer quelque points.

1) L'activité de Ti dans la brasure n'est pas 1 ; Ti représente env. 2%, ce qui réduit la force motrice pour la réaction.

2) En pratique, on ne forme pas TiO2, mais un oxyde inférieur (TiO, Ti2O3,…) voire une solution solide de O dans Ti, réactions pour lesquelles l'enthalpie libre est plus négative.

3) Le Si ne reste pas seul, mais peut entrer en solution dans la brasure ou former un intermétallique, ce qui favorise aussi la réaction, car son activité est réduite en conséquence.

Ces considérations font, par exemple, qu'une brasure au Ti peut même mouiller l'alumine, même si Al se trouve sous Ti dans le diagramme d'Ellingham.

Assemblage des céramiques – Th. Maeder 30 5 – Brasage avec brasure métallique

Figure 5–4. Diagramme d'Ellingham (oxydes). M, B = fusion, évaporation du métal respectivement.

Assemblage des céramiques – Th. Maeder 31 5 – Brasage avec brasure métallique

5.3. Métallisation (pour brasures non réactives)

Les brasures non réactives ne mouillant en général pas les céramiques ou les verres il faut métalliser les pièces au préalable. Différentes méthodes sont disponibles :

- Les couches minces : métal réactif + métal plus noble brasable. La déposition des couches minces sur une céramique utilise en général le même principe d'adhésion que les brasures réactives. On dépose une séquence métal réactif – métal noble par déposition sous vide (préférentiellement pulvérisation, sputtering), sans casser le vide entre les deux et en passant le plus vite de l'un à l'autre.

- Les couches épaisses : métal noble (surtout base Ag, mais aussi Au et Pt), ou Cu, Ni, avec oxydes solides ou verres comme promoteurs d'adhésion. La déposition est réalisée à partir d'une pâte par seringue ou sérigraphie (chapitre 3), voire au pinceau, et est suivie d'une cuisson dans l'air (métaux nobles) ou en atmosphère contrôlée (Cu et Ni) entre environ 450 et 1000°C (température standard : 850°C).

- Le procédé molybdène – manganèse (+verre), ou "moly-manganèse". C'est une variante de couche épaisse, appliquée par les mêmes méthodes, et cuite en atmosphère contrôlée à haute température (env. 1400°C).

- La métallisation par brasage eutectique direct.Une feuille ou une préforme est brasée directement à la céramique, en utilisant l'eutectique métal – anion comme promoteur d'adhésion. Cette méthode spéciale est utilisée surtout pour assembler le Cu sur l'alumine (Al2O3) ou sur le nitrure d'aluminium (AlN). Elle est décrite au chapitre 7.

Les couches minces

La déposition des couches minces sur une céramique utilise le même principe d'adhésion que les brasures réactives. Le métal réactif (Ti, Zr, Ta, Nb, Cr : grande affinité pour O, N ou C) assure l'accrochage de la métallisation du subtrat, et le métal noble (normalement Au ou Pt) protège la surface contre l'oxydation après déposition et permet donc son brasage ultérieur même dans l'air. Bien qu'il soit aussi possible de déposer un mélange, la brasabilité de celui-ci n'est pas garantie sous air, car le métal réactif formera alors une couche d'oxyde à la surface de la métallisation. Le fait que le processus de déposition soit atomique, ainsi que l'énergie des espèces arrivant sur le substrat (préférer en général la pulvérisation à l'évaporation³⁰) permet une adhésion et une déposition à très basse température – on peut obtenir des résultats satisfaisants à température ambiante déjà! Les couches minces, en conjonction avec les métallisation par dissolution, on peut en augmenter l'épaisseur par déposition électrochimique de Ni, Cu ou Ag, ce qui est nettement plus pratique et avantageux que de tout faire par évaporation ou pulvérisation.

- On peut remplacer le métal noble par Cu ou Ni. Cependant, il est préférable de finir avec une surface de métal noble (p.ex. flash Au), ce qui évite l'altération dans l'air de la métallisation.

Assemblage des céramiques – Th. Maeder 32 5 – Brasage avec brasure métallique

Les couches épaisses

Les métallisations en couches épaisses sont généralement appliquées par sérigraphie (autres : peinture, spray, électrophorèse,…), puis cuites à haute température. Comme dans le cas des verres de scellement déposés par sérigraphie, elles contiennent des substances organique qui servent de solvants et de liants temporaires, et qui sont ensuite brûlées lors du processus de cuisson. Elles diffèrent considérablement des brasures réactives et des métallisations par films minces par leur mécanisme d'adhésion au substrat. En effet, elles sont basées sur des métaux nobles ou assez nobles (Ag, Au, Cu, Ni, Pt), qui ne peuvent adhérer réactivement sur la plupart des céramiques. De plus, leurs conditions de cuisson (Ag, Au et Pt sont cuits dans l'air, Cu dans l'azote pas très pur) ainsi que l'exigence d'une surface métallique interdisent l'utilisation d'éléments réactifs.

Pour assurer l'adhésion de ces métallisations, deux principes sont donc utilisés, qui cependant ne permettent pas d'obtenir les mêmes performances maximales que les brasures réactives ou les films minces.

1) Frittes de verre. Un verre en poudre à bas point de fusion est mélangé au métal. Ce verre

"scelle" ensuite la métallisation au substrat. Ce procédé est très facile, et permet de déposer des métallisations à faible température (jusqu'à env. 450°C). En revanche, la fritte diminue la conductivité de la métallisation, et peut gêner son aptitude au brasage ultérieur – elle doit être bien dosée. Si on veut assurer une bonne qualité de surface, on peut déposer sur la métallisation contenant de la fritte une 2^e couche sans fritte de verre.

2) Oxydes. On inclut certains oxydes tels que Bi2O3, NiO et CoO dans la métallisation, qui mouillent les particules de métal tout en réagissant avec le substrat. On obtient ainsi des métallisations beaucoup plus "propres" que celles chargées avec de la fritte de verre. En revanche, la température de mise en œuvre est plutôt élevée (env. "700°C).

Il faut encore mentionner quelques faits sur les couches épaisses.

- La plupart des couches épaisses ont été développées pour l'alumine, mais une bonne partie de ces couches "standard" fonctionne bien sur d'autres oxydes.

- Des compositions spécifiques ont été développées pour le verre, le nitrure d'aluminium (AlN) et les électrocéramiques (piézoélectriques, condensateurs, varistors…). contrôler la pression partielle d'oxygène³¹. A la cuisson, le verre fond, couvre la céramique, remplit les pores de la métallisation en Mo et incorpore le MnO. Le verre, toujours présent, peut provenir de la métallisation (fritte de verre incluse) ou de la céramique à métalliser (phase vitreuse). La pression d'oxygène agit sur l'équilibre entre Mn et MnO (voir diagramme d'Ellingham à la fig. 5–4).

Mn[Mo] + H2O[gaz] = MnO[verre] + H2[gaz]

Assemblage des céramiques – Th. Maeder 33 5 – Brasage avec brasure métallique

Si on a saturation locale en Mn du verre, on satisfait la condition de bon mouillage chimique définie à la section 4.5. l'alumine : on peut co-fritter substrat et conducteur.