L'invention concerne un procédé de fixation hermétique et électriquement isolante d'un conducteur électrique traversant une paroi métallique. Elle s'applique notamment à la fabrication de boîtiers hermétiques destinés à renfermer des composants électroniques.

L'invention concerne également les ensembles de jonction, les conducteurs électriques et les éléments intermédiaires permettant la mise en oeuvre de ce procédé, les jonctions obtenues par ce procédé ainsi que les boîtiers notamment pour composants électroniques, comportant au moins une jonction obtenue par ce procédé.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Il est connu de maintenir, au moyen d'une perle de verre, un conducteur électrique traversant une paroi métallique. La perle de verre occupe tout le volume du trou prévu dans la paroi métallique pour le passage du conducteur, maintient le conducteur électrique en son milieu et adhère à la surface intérieure dudit trou. L'isolation électrique entre la paroi métallique et le conducteur électrique est donc assurée par les propriétés isolantes de la perle de verre.

Deux techniques de réalisation différentes peuvent être utilisées : la technique du scellement verre-métal dit "accordé" et celle du scellement verre-métal dit "en compression". Ces techniques sont bien connues de l'homme du métier et sont décrites, notamment dans la demande de brevet français n° 2 613 171.

Ces techniques de scellement verre-métal présentent de nombreux inconvénients dont les principaux sont généralement les suivants : lors de la fusion du verre de scellement constituant la perle, il se produit une remontée du verre le long du conducteur métallique, ce qui conduit à la formation de ménisques. Ces ménisques de verre étant fragiles, ils se cassent où se fêlent très facilement, par exemple, lorsqu'on exerce une légère traction sur le conducteur latéralement, c'est- à-dire dans un sens non parallèle à son axe de symétrie. La rupture d'un ménisque situé à l'intérieur d'un boîtier produit en général des débris de verre de scellement qui risquent d'endommager les composants électroniques se trouvant à l'intérieur du boîtier ou de perturber leur fonctionnement.

En outre, lorsque le scellement verre-métal est du type accordé, ce qui constitue le cas le plus répandu, pour que le scellement puisse se faire de manière efficace, il est nécessaire que le conducteur métallique et la paroi soient recouverts d'une couche d'oxyde métallique avant le scellement. Une fois le scellement verre- métal effectué, on ôte généralement la couche d'oxyde métallique présente sur le conducteur électrique, afin de pouvoir le revêtir d'une fine couche de nickel destinée à le protéger contre la corrosion et éventuellement d'une couche d'or pour faciliter le soudage des connexions. Il s'ensuit que le conducteur métallique n'est pas revêtu de ladite couche de nickel aux endroits où il est en contact avec le verre de scellement, et en particulier sous les ménisques. Par conséquent, lorsqu'un ménisque se brise, une partie du conducteur métallique non protégée par ladite couche de nickel est mise à nu et est exposée aux d'agressions de la part de l'environnement.

Ainsi, les techniques de scellement verre-métal employées jusqu'à ce jour n'apportent pas suffisamment satisfaction et il semble nécessaire de concevoir de nouvelles techniques offrant la possibilité de réaliser des jonctions entre un conducteur électrique et une paroi métallique qui présentent une résistance mécanique, une résistance d'isolement électrique et une herméticité élevées.

EXPOSE SOMMAIRE DE L'INVENTION

La demanderesse est parvenue à mettre au point un procédé de fixation hermétique et électriquement isolante d'un conducteur électrique traversant une paroi métallique, qui ne présente plus les inconvénients précités. Ce procédé se caractérise en ce qu'on fixe le conducteur électrique au moyen d'un élément intermédiaire constitué d'une partie centrale en un matériau isolant munie d'au moins un trou de passage et d'au moins 2 couches métalliques disjointes revêtant partiellement ladite partie centrale aptes à donner lieu à un brasage, en brasant le conducteur électrique sur au moins une partie de l'une desdites couches de l'élément intermédiaire et en brasant ledit élément intermédiaire sur ladite paroi métallique par au moins une partie d'une autre de ses couches, les deux brasages pouvant être réalisés dans un ordre quelconque ou simultanément.

Le procédé selon l'invention permet un maintien ferme du conducteur électrique tout en lui permettant de conserver une certaine souplesse. On peut maintenant, en effet, exercer des tractions suivant l'axe de symétrie du conducteur électrique ou dans un sens différent, sans craindre de nuire à la résistance à la corrosion du conducteur, d'arracher ce dernier ou de porter atteinte à l'herméticité de la fixation.

De plus, il n'est plus nécessaire de revêtir le conducteur électrique d'une fine couche d'oxyde comme dans la technique du scellement accordé, car on ne fait plus appel aux techniques de scellement verre-métal. Dès lors, le revêtement du conducteur électrique par une fine couche de nickel protectrice peut être réalisé avant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

En outre, alors qu'auparavant les techniques de scellement verre-métal imposaient une adaptation rigoureuse de la nature du verre de scellement à la fois à la nature du métal constituant la paroi métallique et à celle du métal constituant le conducteur électrique, on dispose maintenant, d'une vaste gamme de matériaux pouvant constituer le conducteur électrique et la paroi métallique et permettant l'obtention d'une fixation très résistante et hermétique à long terme.

D'autres avantages et propriétés du procédé selon l'invention ne manqueront pas d'apparaître à la lecture de l'exposé détaillé de l'invention ainsi que des figures 1 à 8 données à titre illustratif.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES

La figure 1 représente schématiquement, en coupe, une jonction selon l'invention.

Les figures 2 et 3 représentent schématiquement, en vue de dessous et en perpective, des éléments intermédiaires que l'on peut utiliser pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention.

Les figures 4 et 5 représentent schématiquement, en coupe, des ensembles de jonction selon l'invention.

Les figures 6, 7 et 8 représentent schématiquement, des conducteurs électriques selon l'invention.

Les figures 9 et 10 représentent schématiquement, en coupe, des ensembles de jonction selon l'invention.

EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION

Selon l'invention dont la figure 1 illustre un des modes de réalisation, l'élément intermédiaire 1 comportant au moins un trou de passage 2 est constitué d'une partie centrale 3 en un matériau isolant et d'au moins deux couches métalliques 4 et 5 aptes à donner lieu à un brasage.

Ledit trou de passage 2 est destiné à laisser passer le conducteur électrique 6. Il peut être circulaire, ou polygonal.

Lesdites couches métalliques 4 et 5 de l'élément intermédiaire 1 sont situées sur deux faces différentes, de préférence planes, de l'élément intermédiaire 1 qu'elles recouvrent partiellement ou totalement. Les couches métalliques 4 et 5 sont en général planes. Bien entendu, comme elles doivent être électriquement isolées, elles ne peuvent pas être en contact l'une avec l'autre.

Une première de ces couches, la couche 4, est destinée à réaliser un brasage avec le conducteur électrique 6 et une seconde, la couche 5, à unir l'élément intermédiaire avec la paroi métallique 7 qui doit être traversée par le conducteur électrique 6. La couche 4 présente en général au moins une partie qui se situe à proximité ou autour du trou de passage 2.

H est avantageux que l'élément intermédiaire 1 comportant au moins un trou de passage 2 permette un maintien du conducteur électrique 6 de manière au moins essentiellement perpendiculaire à la paroi métallique 7 que ledit conducteur électrique 6 doit traverser.

La face 13 de l'élément intermédiaire 1 revêtue de la couche 5 destinée à réaliser le brasage avec la paroi métallique 7 peut ne pas être complètement recouverte par ladite couche 5. En effet, lorsque la couche 5 est inexistante à proximité du trou de passage 2, la distance entre le conducteur électrique 6 et ladite couche 5 de l'élément intermédiaire 1 est accrue, et il s'ensuit que la résistance d'isolement électrique entre le conducteur électrique 6 et la paroi 7 à traverser est augmentée. En outre, on diminue le risque de réaliser un faux contact entre ladite couche 5 et ledit conducteur électrique 6, si ce dernier est tordu, c'est-à-dire déplacé dans un sens non parallèle à son axe de symétrie.

Selon une variante illustrée par la figure 9, il est prévu une autre couche ou anneau métallique 4bis sur la face 13 de l'élément intermédiaire 1, autour du trou de passage 2. Cet anneau 4bis est isolé électriquement de la couche 5 par un espace 15. Le conducteur 6 peut ainsi être maintenu à la fois par le brasage sur la couche 4, ainsi que par un brasage sur l'anneau 4bis. La couche 5 peut alors se présenter sous la forme d'un anneau pouvant s'étendre depuis la phériphérie 16 de l'élément intermédiaire 1 vers le trou de passage 2, sur une distance limitée de façon à permettre l'existence dudit espace 15.

Selon une autre variante illustrée par la figure 10, la couche métallique 4 recouvre, outre une partie de l'une des faces de l'élément intermédiaire 1, au moins une partie de la paroi du trou de passage 2 et peut se prolonger sur la face 13 par une autre couche ou anneau métallique 17. Cette variante permet de réaliser un brasage entre le conducteur 6 et les parois du trou de passage 2 et éventuellement

entre le conducteur 6 et l'anneau 17, ce qui assure une répartition des contraintes engendrées par les différences de dilatation thermique entre le conducteur 6 et l'élément intermédiaire 1 sur une plus grande surface.

Un seul élément intermédiaire 1 peut éventuellement servir à maintenir plusieurs conducteurs électriques 6, lorsqu'il comporte plusieurs trous de passage 2. Il est toutefois souhaitable que l'élément intermédiaire 1 ne maintienne qu'un seul ou un nombre réduit de conducteurs électriques 6, c'est-à-dire qu'il ne comporte qu'un seul ou qu'un nombre réduit (par exemple trois ou cinq) trous de passage 2. Les dimensions de l'élément intermédiaire 1 peuvent alors être suffisamment petites pour que, lors de son brasage contre la paroi, les contraintes engendrées par les différences de dilatation thermique entre le matériau constituant l'élément intermédiaire 1 et le matériau constituant la paroi métallique 7 restent très limitées et ne risquent pas de porter atteinte à l'herméticité de la jonction entre l'élément intermédiaire 1 et la paroi métallique 7.

L'élément intermédiaire 1 peut présenter au moins essentiellement la forme d'un disque, comme illustré par la figure 2, ou d'un parallélépipède, comme illustré par la figure 3.

Chaque trou de passage 2, lorsqu'il est circulaire, peut être doté d'un chanfrein 14 (figure 4 ).

Le matériau isolant dont est faite la partie centrale 3 de l'élément intermédiaire 1 est en général une céramique isolante au moins essentiellement constituée d'un matériau tel que, par exemple, l'alumine, la mullite, la cordiérite, la zircone ou l'oxyde de béryllium. Ladite partie centrale 3 peut être d'un seul bloc ou constituée d'un empilement de couches obtenu selon la technique bien connue dite multicouche, comme illustré par la figure 5.

Le trou de passage 2 est réalisé de façon connue, par exemple par poinçonnage de la partie centrale 3 avant passage au four de la matière crue constituant ladite partie centrale 3, par découpe au laser après passage au four de ladite matière crue ou dès son pressage ou moulage.

Les couches métalliques 4,5 de l'élément intermédiaire 1 sont faites d'un métal qui peut être du tungstène, du molybdène ou un alliage molybdène/manganèse. Leur épaisseur est généralement de l'ordre de 5 à 30μ (microns ou micromètres). Lesdites couches métalliques 4,5 doivent adhérer fortement à la partie centrale 3 de façon à ce qu'elles ne puissent pas être séparées de cette dernière dans les conditions normales de mise en oeuvre du procédé selon l'invention et d'utlisation de la jonction obtenue par ce même procédé.

Lesdites couches métalliques 4,5 sont obtenues de façon connue, par exemple par sérigraphie, lors de la réalisation de la partie centrale 3. Elles peuvent également comprendre chacune une ou plusieurs autres couches d'épaisseurs égales ou différentes situées de préférence du côté opposé à la partie centrale 3 et qui peuvent être constituées par exemple d'un alliage tel que le nickel/bore, l'or, l'étain ou l'argent.

De préférence, les couches métalliques 4,5 sont composées chacune d'une couche de tungstène de 5 à 30μ d'épaisseur et d'une couche de nickel/bore de 0,5 à 2,5μ, cette dernière étant située sur la face extérieure de la couche métallique 4 ou 5, c'est-à-dire sur la face opposée à la partie centrale 3.

Selon l'invention, l'élément intermédiaire 1 est conçu pour maintenir un conducteur électrique 6 le traversant et traversant la paroi métallique 7. Ledit conducteur électrique 6 est généralement en forme de fil de section transversale quelconque, notamment circulaire ou polygonale, ou en forme de tube creux ou plein à extrémitées fermées, comportant une partie 8 présentant une forme quelconque et destinée à venir au moins partiellement en butée contre au moins une partie de la couche 4 de l'élément intermédiaire 1 et à permettre de réaliser un brasage entre une portion 9 de la surface totale de ladite partie 8 et au moins une partie de la couche 4 de l'élément intermédiaire 1. Ladite partie 8 peut, par exemple, revêtir la forme d'une collerette (figure 1), d'un tronc de cône (figure 4), d'un épaulement (figure 5), d'un parallélépipède (figures 6 ou 7), d'un tronc de cône (figure 8) ou d'une demie-sphère.

La forme de ladite partie 8 et la forme de l'élément intermédiaire 1 doivent être adaptées l'une à l'autre, de façon à ce que ladite portion 9 de la surface totale de ladite partie 8 soit au moins essentiellement parallèle à ladite couche 4 de l'élément intermédiaire 1 lorsque le conducteur électrique 6 traverse la paroi métallique 7.

Ladite portion 9 ainsi que ladite couche 4 peuvent être perpendiculaires à l'axe du conducteur électrique 6 (figure 1), ou former un angle avec cet axe (figure 4). Avantageusement, ladite portion 9 ainsi que l'axe dudit conducteur électrique 6 sont disposés de manière à ce qu'ils soient au moins à peu près à angle droit l'un par rapport à l'autre. Ainsi, ledit conducteur électrique 6 peut résister à des tractions très élevées dans le sens de son axe.

De préférence, la section transversale du conducteur électrique 6 est au moins essentiellement circulaire . Ladite portion 9 présente de préférence une aire élevée, de façon à rendre le maintien du conducteur électrique 6 très résistant mécaniquement et à assurer une bonne herméticité.

En outre, il est avantageux que le conducteur électrique 6 soit muni d'une partie 10 en forme de tronc de cône (figures 1, 4, 5 ou 8) ou de tronc de pyramide

(figure 7) propre à assurer son centrage par rapport à l'élément intermédiaire 1.

Cette partie 10 en forme de tronc de cône ou de pyramide peut être confondue avec ladite partie 8 (figure 4) ou en être distincte (figure 1, 5, 7 ou 8).

Le conducteur électrique 6 peut être d'un seul tenant ou composé de plusieurs parties assemblées de façon connue, par exemple par soudage. Il peut donc être fait d'un seul métal ou de plusieurs métaux, ledit ou lesdits métaux pouvant être du cuivre, des alliages cuivreux comme, par exemple, les alliages cuivre/béryllium, des alliages ferro-nickel comme, par exemple, l'alliage fer/nickel connu sous la dénomination commerciale INVAR ou d'autres alliages comme, par exemple, l'alliage fer/cobalt/nickel connu sous la dénomination commerciale KOVAR.

La paroi métallique 7 à traverser peut être pourvue d'un logement 11 à l'endroit où doit être brasé l'élément intermédiaire 1. Ce logement 11 (figure 5) présente des dimensions appropriées pour recevoir, l'élément intermédiaire 1. De préférence, ses dimensions sont telles qu'elles lui permettent également de positionner l'élément intermédiaire 1, c'est-à-dire de recevoir l'élément intermédiaire 1 avec un faible jeu. Toutefois, l'existence du logement 11 peut-être déconseillée dans le cas où sa profondeur réduit excessivement l'épaisseur de la paroi 7 et de ce fait, risque de la fragiliser.

La paroi métallique 7 peut être en alliage fer/cobalt/nickel connu sous la dénomination commerciale KOVAR, en acier, en molybdène, en aluminium, en un alliage de cuivre tel que les alliages cuivre/tungstène, cuivre/molybdène, en un matériau composite tel que les composites à matrice d'aluminium comme les aluminium/carbure de silicium, ou en un colaminé tel que le cuivre/invar/cuivre.

Le brasage du conducteur électrique 6 sur l'élément intermédiaire 1 et le brasage de l'élément intermédiaire 1 sur la paroi métallique 7 peuvent être effectués en deux étapes et dans n'importe quel ordre, ou bien simultanément. Dans ce dernier cas, on met en oeuvre le procédé selon l'invention, en préparant d'abord un ensemble de jonction comprenant le conducteur électrique 6, l'élément intermédiaire 1 et la paroi métallique 7, puis en effectuant les deux brasages.

Il va de soi que l'élément intermédiaire 1 peut être brasé soit à l'intérieur soit à l'extérieur du boîtier.

Les brasages sont réalisés de façon connue, c'est-à-dire en disposant, selon tout procédé approprié, un matériau de brasage appelé brasure entre les parties à braser maintenues par un outillage approprié dans la position qu'elles sont appelées à conserver, puis en effectuant un passage dans un four dans les conditions habituelles

de brasage connues de l'homme du métier et déterminées par les brasures mises en oeuvre.

Ces dernières sont en général du cuivre ou des alliages tels que les alliages argent/cuivre (Ag/Cu 72/28), or/étain (Au/Sn), argent/cuivre/indium (Ag/Cu/In), or/germanium (Au/Ge), ou tout alliage eutectique utilisé pour la fabrication des brasures du commerce.

Dans les cas illustrés par les figures 9 et 10, le brasage au niveau des couches 4bis ou 17 peut être réalisé par apport de brasure Ag/Cu. Une petite rondelle de brasure peut ainsi être positionnée au niveau des couches 4bis ou 17. Elle brasera, après passage au four, le conducteur 6 à l'élément intermédiaire 1.

Dans le cas illustré par la figure 10 où il y a une métallisation interne du trou de passage 2 de l'élément intermédiaire 1, il peut être suffisant d'apporter la brasure d'un seul côté de l'élément intermédiaire 1 (par exemple du côté de la couche 4). En effet, un jeu approprié peut être prévu entre le conducteur 6 et la paroi du trou de passage 2, pour que, lors de la fusion, la brasure coule et remplisse ce jeu.

En règle générale, les températures auxquelles sont réalisés les brasages sont généralement plus basses que celles nécessaires aux scellement verre-métal. Il s'ensuit que la mise en oeuvre du procédé selon l'invention permet des économies d'énergie par rapport aux techniques de scellement verre-métal.

En outre, le procédé selon l'invention permet de diminuer l'épaisseur de la paroi métallique 7 par rapport aux épaisseurs de paroi 7 nécessaires pour la mise en oeuvre des techniques de scellement verre-métal de l'état de la technique. En effet, les scellement verre-métal requièrent, pour garantir une herméticité satisfaisante, une épaisseur relativement importante de ladite paroi métallique 7.

Le procédé selon l'invention s'avère avantageux quelles que soient les dimensions des différents éléments. D'excellents résultats ont, par exemple, été obtenus lorsque :

- l'élément intermédiaire 1, tel que représenté à la figure 1, présentait un diamètre externe d'environ 1,89 mm, un trou de passage 2 d'environ 0,68 mm, une couche 5 de diamètre externe égal à environ 1,89 mm et un diamètre interne (supérieur à celui du trou de passage 2) égal à environ 1 mm, une épaisseur totale (partie centrale 3 plus couches 4 et 5) d'environ 0,5 mm,

- le conducteur 6 en KOVAR, tel que représenté à la figure 5, présentait un diamètre d'environ 0,46 mm, un épaulement 8 d'environ 0,9 mm de diamètre et d'environ 0,2 mm d'épaisseur, une partie tronconique 10 inclinée à 45 degrés environ et dont le diamètre au niveau du contact avec l'épaulement 8 était d'environ 0,65 mm, la longueur du conducteur 6 mesurée entre la face de l'épaulement 8

opposée à la partie tronconique 10 et l'extrémité du conducteur 6 située du côté de ladite partie tronconique 10 était d'environ 5 mm, et la longueur du conducteur 6 mesurée entre ladite face de l'épaulement 8 opposée à ladite partie tronconique 10 et l'autre extrémité du conducteur 6 était d'environ 5 mm dans certains cas, 3,49 mm et 2,60 mm dans d'autres cas.

Grâce au procédé selon l'invention, les efforts (torsions) exercés sur le conducteur électrique 6 dans un sens non parallèle à son axe de symétrie se répercutent sous forme de contraintes de cisaillement entre la portion 9 de la partie 8 du conducteur électrique 6 et la couche 4 de l'élément intermédiaire 1. Ces contraintes de cisaillement sont sans effet sur la jonction obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Au contraire, dans les jonctions par scellement verre-métal selon l'état de la technique, ces mêmes efforts risquent de rompre ou fêler un ménisque, et donc d'entraîner les conséquences évoquées plus haut.

Les jonctions obtenues grâce au procédé selon l'invention peuvent servir à la réalisation de boîtiers comme, par exemple, des boîtiers pour composants électroniques. De tels boîtiers peuvent comporter une ou plusieurs de ces jonctions grâce auxquelles ils présentent une très bonne résistance à la corrosion et une herméticité élevée et fiable à long terme.

Le procédé selon l'invention offre en outre l'avantage de pouvoir faire l'objet d'une automatisation. Il peut aussi être utilisé pour fixer plusieurs conducteurs électriques à l'aide d'un seul élément intermédiaire. Il va de soi que dans ce cas, chaque conducteur électrique traverse individuellement un trou de passage et que son brasage sur l'élément intermédiaire se fait individuellement sur une couche 4. Il y a donc au moins autant de trous de passages (isolés électriquement les uns des autres) et au moins autant de couches 4 (isolées électriquement les unes des autres) que de conducteurs à fixer car à chaque trou de passage correspond un seul conducteur électrique et une seule couche 4; il peut y avoir une seule couche 5 ou un nombre de couches 5 inférieur au nombre de conducteurs électriques à fixer.

Bien évidemment, l'invention n'est en aucune façon limitée par les particularités qui ont été précisées dans ce qui précède ou par les détails des modes de réalisation choisis pour l'illustrer. Nombre de modifications peuvent être apportées aux réalisations particulières qui ont été décrites à titre d'illustration et à leurs éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe par conséquent tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons.