Alumine Al2O3

L’alumine est à l’heure actuelle la céramique technique type oxyde la plus répandue. Elle trouve ses applications dans des domaines variés : mécanique, thermique, thermomécanique, électronique…. Ces dernières années elle subit la concurrence de céramiques plus performantes (ZrO2, SiC, Si3N4, SiALON…) mais aussi plus onéreuses et plus délicates à mettre en œuvre. Elle est aussi utilisée comme matrice pour d’autres céramiques (alumine-zircone, alumine-oxynitrure….). Mais c’est dans l’industrie électronique qu’elle garde toute sa compétitivité malgré des recherches vers d’autres matériaux pour certaines applications (nitrure d’aluminium et carbure de silicium). Deux types d’alumine ont été utilisés du fait de leur disponibilité sur le marché et leur large emploi dans l’industrie. L’alumine standard notée ‘S’ et l’alumine AL23 de Degussit. L’alumine standard S est une alumine de pureté 96 %, alors que l’AL23 est une alumine de pureté 99.7 %. Le taux d’impureté dans l’AL23 est inférieur à 6000 ppm. L’analyse chimique montre la présence, en très faible quantité, des composés suivants : MgO CaO Na2O Fe2O3 SiO2 ≈ 3000 ≈ 500 ≈ 1000 ≈ 400 ≈ 1000 Tableau III.1 : Teneurs en impureté de AL23 (ppm). Il faut noter que ces impuretés sont des ajouts de frittage qui conduisent à la formation de phases intergranulaires souvent partiellement vitreuses, si bien que la teneur en impuretés dans le volume des grains est inférieure à 1000 ppm. Les deux alumines retenues sont polycristallines et du type alpha (α-Al2O3) corindon aussi bien en volume qu’en surface, après polissage, comme le montrent les diagrammes de diffraction X sous incidence rasante (Figure III.1).La taille des grains de l’alumine AL23 est hétérogène de l’ordre de 10 à 20 µm en moyenne, avec des grains plus gros dépassant ces valeurs (Figure III.2). L’alumine standard présente une microstructure beaucoup plus fine, de l’ordre de 5 µm, mais vu le fort ressuage des phases vitreuses aux joints de grains lors de l’attaque thermique, ces derniers sont peu visibles. Ceci est à rapprocher des observations par microscopie électronique à transmission de Drillet [32], qui prouvent que sous l’effet de la température, des phases vitreuses de type silico-alumineux, situées aux points triple de l’alumine, peuvent remonter par capillarité vers l’interface Ni/Al2O3, l’épaisseur du film vitreux formé à l’interface est inférieure au micromètre. Nous vérifions ce point plus loin.

Carbure de silicium SiC 

Les matériaux hautes températures peuvent se concurrencer entre eux. Dans de nombreuses applications, la tendance est au remplacement des aciers et alliages réfractaires par des céramiques thermomécaniques. Par exemple : tubes radiants dans les fours industriels où le carbure de silicium (SiC) gagne du terrain sur les aciers réfractaires, qui limitent les températures de process autour de 1000 °C. Le SiC est utilisé pour des applications thermomécanique, électrique, électronique, nucléaire et chimique. Il est connu pour sa légèreté, sa haute stabilité, sa grande dureté et de bonnes conductivités thermiques et électriques. Par contre, il est très fragile. De plus, il est prédisposé à subir l’attaque de l’atmosphère et présente une réactivité sévère avec les métaux à haute température [68,130]. Le SiC utilisé est une céramique à grain fin (≈ 5µm), de nomination industrielle EKasic® F et de pureté 99.2 %. Le diagramme de diffraction X sous incidence rasante montre qu’elle est de type SiCα 6H (Figure III.3).  Ses caractéristiques sont : – résistance à des températures élevées, – bonne conductivité thermique, – résistance à la corrosion, – excellente résistance aux chocs thermiques.

Préparation

 Les céramiques sont découpées dans des plaques de façon à obtenir des éprouvettes de dimension (15 x 5 x 5) mm3 . Ces échantillons ont un état de surface brut de frittage d’une rugosité de l’ordre de Ra ≈ 1.5 µm. Ils sont ensuite polis au feutre diamanté 3 µm afin d’obtenir une rugosité moyenne de 0.5 µm (Figure III.4). 

La méthode de métallisation par procédé Jet-MétalTM 

La technique de métallisation par procédé Jet-MétalTM est une technique développée par Stremsdorfer à partir de 1997. Cette technique de métallisation permet d’amorcer directement le dépôt après un dégraissage et un éventuel conditionnement de la surface (selon les applications et l’épaisseur finale du film métallique). L’épaississement par un dépôt électrochimique classique est possible sur ce film métallique élaboré par cette technique. Appelée méthode de dépôt chimique dynamique, elle permet d’élaborer des films métalliques ou d’alliages ayant des épaisseurs allant de quelques nanomètres à plusieurs dizaines de microns sur la plupart des matériaux conducteurs ou isolants (céramiques et polymères). Cette technique a fait l’objet d’un dépôt de brevet international et de marque portant le nom de Jet MetalTM  .. Le principe général consiste en la réduction contrôlée d’un cation métallique par des électrons. Grâce à un pistolet pneumatique double buse utilisant de l’air comprimé, deux solutions aqueuses sont projetées sur le substrat à métalliser. Une des solutions contient le ou les sels métalliques de cuivre, nickel, argent et l’autre contient la réserve d’électrons sous forme d’un réducteur (borohydrure de potassium). Le schéma de principe de cette nouvelle technique de dépôt est présenté sur la figure III.5. Grâce au dispositif, les deux solutions oxydantes et réductrices sont projetées sous forme de gouttelettes. La coalescence des gouttelettes de ces deux solutions ne peut Ra = 0.48 µm Rq = 0.75 µm Rt = 15.6 µm nm Ra = 0.56 µm Rq = 0.85 µm Rt = 18.4 µm nm mm mm a)Al2O3 Polissage feutre (3µm) b) SiC Polissage feutre (3µm) Chapitre III Matériaux étudiés et techniques expérimentales 68 pas se faire dans le cône de projection du dispositif mais il s’effectue, avec des proportions adéquates, à la surface du substrat (métal, céramique, polymère). La coalescence rapide des gouttelettes conduit ainsi à la formation d’un film liquide qui recouvre et mouille toute la surface exposée à la projection.

Les joints de liaisons

 Le choix du cuivre et du nickel comme joints métalliques pour la thermocompression se justifie d’une part pour l’intérêt industriel, et d’autre part par leur réactivité avec l’alumine en présence d’oxygène à haute température ou inversement par leur non réactivité en absence de ce dernier. Pour le cuivre, l’intérêt pratique dans les composants électroniques n’est plus à démontrer. Son excellente aptitude au brasage et son prix en font un métal très employé en connectique ; son couplage avec l’alumine dans les circuits hybrides hautes fréquences est recherché afin de dissiper les calories de l’ensemble. Il est aussi l’un des composants de nombreuses brasures (Ag-Cu, Cu-Zn…) utilisées dans les liaisons métal/céramique comme nous l’avons vu au chapitre I. Son utilisation peut être intéressante comme joint d’étanchéité. Il présente des propriétés mécaniques, métallurgiques et physicochimiques adaptées aux techniques que nous voulions employer : point de fusion modéré (1083 °C), grande plasticité à chaud, miscibilité totale à l’état solide avec le nickel dans le cas de l’utilisation de multi-joints Cu-Ni (technique dont nous démontrerons l’efficacité pour des applications hautes températures). De plus il permet de former un eutectique avec son oxyde Cu2O et donc d’utiliser la méthode de l’eutectique (cf. chapitre I, § I.2.5). Signalons enfin que ce choix correspond aussi à la poursuite des travaux entrepris dans notre laboratoire [2,3] sur ce couple et de la diversité des nombreuses études sur les liaisons Cu/Al2O3, que nous avons cité au chapitre I.