7.1. Introduction
Certains procédés n'entrent pas dans le domaine de ceux décrits aux chapitres précédents, non pas parce qu'ils sont peu utilisés (anodic bonding notamment), mais en raison de leur caractère spécialisé.
- Le soudage anodique du silicium et du pyrex sert à assembler des microsystèmes structurés (MEMS). Il est notamment très répandu dans la fabrication de capteurs de pression.
- Une technique d'assemblage très simple consiste à écraser un métal mou (indium, plomb, étain, aluminium, or…) entre deux surfaces. Bien maîtrisé, ce procédé permet la réalisation de joints hermétiques. D'ailleurs le procédé est très important dans l'électronique pour le câblage des puces (wire bonding), avec des fils en or ou en aluminium.
- Une méthode permettant une bonne adhésion d'un métal sur une céramique est de passer par un eutectique avec son oxyde, son nitrure,… d'après à la céramique à métalliser. Cette méthode est surtout utilisée pour mettre des feuilles de Cu sur Al2O3 ou AlN.
- Notons encore l'assemblage par diffusion (analogue à la brasure réactive, mais sans passer par l'état liquide), non traité dans ce texte.
7.2. Soudage anodique (anodic bonding)
Introduction
Le soudage anodique (ou anodic bonding, fig. 7–1) est un procédé électrochimique qui permet l'assemblage à basse température d'un verre à un métal ou semiconducteur. Sa principale utilisation est l'assemblage de dispositifs micro-usinés en silicium36. Ce procédé présente plusieurs différences par rapport à un assemblage plus classique, où un verre est fondu sur un métal.
- Le verre reste à l'état solide, en dessous de sa température de transition vitreuse.
- Pour un verre donné, la température d'assemblage est nettement plus faible.
- Le verre doit contenir des ions mobiles à température modeste, sous champ électrique élevé, par exemple Na+ et K+.
- Les deux surfaces doivent être rigoureusement planes, et il est avantageux d'appliquer une certaine pression mécanique pour améliorer leur contact.
Mécanisme
- A la température de travail, le verre devient un conducteur ionique, et les ions mobiles lui confèrent une résistance électrique assez faible dans la masse.
- En appliquant un champ électrique élevé, la surface du verre est attirée par des forces électrostatiques par celle du métal ou semiconducteur. Afin d'aider à gommer les petites irrégularités et diminuer la porosité du joint, il est favorable d'appliquer un compression entre les deux pièces.
Assemblage des céramiques – Th. Maeder 41 7 – Procédés spéciaux
- A l'interface entre les deux pièces, le métal ou semiconducteur (anode) est oxydé et passe dans le verre. Le courant est ensuite transporté dans le verre par les ions mobiles (Na+, K+, etc.). Ce processus garantit une bonne adhérence à la liaison.
- Le transport ionique modifie la composition du verre ; il se crée à l'interface une zone de déplétion, pauvre en ions mobiles, et qui concentre donc l'essentiel de la tension électrique. Le champ électrique dans la zone de déplétion devient donc très intense, et d'autres ions moins mobiles participent alors au transport ionique.
- La création d'une zone de déplétion ralentit progressivement le processus (fig. 7–2), et modifie localement la structure et la chimie du verre à l'interface.
Figure 7–1. Soudage anodique (anodic bonding) d'un verre avec un métal ou un semiconducteur.
Figure 7–2. Evolution du courant en fonction du temps, pour un assemblage de silicium avec un verre borosilicate de sodium36. Soudage réalisé à 285°C avec une tension de 1 kV.
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7.3. Assemblage par (thermo)compression de métal mou
L'assemblage par thermocompression peut se réaliser directement sur verre ou matériaux analogues, et permet d'obtenir des joints hermétiques. Cette technique est souvent utilisée pour monter des fenêtres sur des équipements travaillant sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Les métaux utilisés sont In, Pb, Sn, Ag, Au et Al (avec une forte prédilection pour In) : doivent être mous pour permettre l'écrasement sans appliquer trop de contraintes sur la céramique. La procédure courante est la suivante (fig. 7–3).
1) Dans certains cas, on métallise les pièces (céramiques, verres) à assembler. Cette procédure est notamment souhaitable pour Au, qui a très peu d'affinité chimique pour les oxydes. On peut utiliser une métallisation en Au de type couche mince ou épaisse.
2) On assemble les parties en mettant une préforme du métal mou là où on désire avoir le joint.
3) On chauffe à une température où le métal est très mou (In : température ambiante). Pour les métaux autres que Au, il est préférable de faire le vide.
4) On comprime les deux surfaces à assembler. Comme le schématise la fig. 7–3, l'oxyde présent autour de la préforme ne peut suivre la grande déformation plastique du métal, et se fragmente, ce qui expose du métal "frais" au verre. On obtient ainsi une bonne adhésion, d'autant plus forte que le degré d'étalement latéral est élevé.
5) Finalement, on casse le vide et laisse refroidir. Le joint est réalisé.
Figure 7–3. Assemblage de deux plaques de verre par un cordon en In.
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7.4. Brasage eutectique direct du cuivre sur l'alumine
Il existe une méthode pour assembler directement un métal (pas forcément réactif) sur une céramique, sans ajouter de verre de scellement, de brasure ou de métallisation préalable : le brasage eutectique direct37, qui est très utilisé dans l'électronique de puissance, pour assembler des feuilles de cuivre sur des substrats en alumine ou en AlN (oxydé en alumine à la surface).
Le principe se base sur l'existence d'un eutectique entre le métal à assembler et son oxyde, son sulfure, phosphure, etc. Dans notre cas, il s'agit de l'eutectique entre Cu et Cu2O, à 1065°C, alors que la température de fusion du Cu est de 1083°C. On touche ici à la limitation principale de la méthode : la température de mise en œuvre est imposée par le système, à une valeur plutôt élevée…
Le processus est schématisé à la fig. 7–4. On pose une feuille de métal sur la céramique, puis on chauffe avec une pression partielle d'oxygène contrôlée, de sorte que l'oxyde désiré (ici Cu2O) soit formé. Une fois la température de l'eutectique atteinte, un eutectique en fusion se forme, mouille la céramique, et réagit partiellement avec elle. Au refroidissement, l'eutectique se solidifie, donnant une liaison forte, capable de supporter la grande différence de dilatation thermique entre le cuivre et l'alumine (env. 10 ppm/K).
Figure 7–4. Brasage eutectique direct du cuivre sur l'alumine.
Assemblage des céramiques – Th. Maeder 44 8 – Assemblage et packaging de capteurs