TECHNOLOGIE ET MAÎTRISE DES ASSEMBLAGES MÉTAL/CÉRAMIQUE

 HISTORIQUE DES LIAISONS MÉTAL-CÉRAMIQUE 

Bien que l’émaillage soit appliqué depuis plus de trois millénaires, c’est seulement depuis l’apparition des céramiques techniques (Al2O3, ZrO2, AlN…) et leur utilisation dans l’électronique que les recherches sur la liaison entre un métal et une céramique se sont développées. Parmi les applications visées, on peut citer les tubes électroniques, les isolateurs électriques, les valves à vide, les condensateurs, etc…. Les deux caractéristiques principales demandées à la liaison sont l’étanchéité et une tenue mécanique correcte. Depuis une trentaine d’années, les céramiques thermomécaniques (Al2O3, ZrO2, SiC, Si3N4…) sont étudiées en vue d’applications dans les turbines à gaz et les moteurs thermiques afin d’en améliorer le rendement grâce à une augmentation de la température de fonctionnement. C’est ainsi que plusieurs programme d’étude et de développement ont vu le jour dans divers pays [5] : -1972, U.S.A. « DARPA » moteur turbine pour véhicule terrestre. -1976, U.S.A. « NAVSEA » et « GARRET » céramisation de turbine 200 CV. -1980, R.F.A. moteur céramisé pour automobile avec la collaboration des Sociétés Volkswagen, Feldmühle, Rosenthal… -1984, Japon. Projet « moonlight », turbine à gaz à haut rendement. Devant l’échec des programmes concernant les moteurs « tout céramique », les grands programmes nationaux ont été en nombre plus limités. Plus récemment d’autres applications sont apparues, par exemple : Composite céramique-métal pour EHT et SOFC 2006, France. Projet ANR « CERAMAT » : composite céramique-métal pour EHT (Electrolyseur haute température) et SOFC (Solid Oxide Fuel cell). Cette introduction ne serait pas complète si nous ne mentionnions pas les liaisons métal- céramique utilisées dans le génie biologique et médical. Dans le domaine dentaire, avec l’utilisation des barbotines comme revêtement sur les prothèses métalliques, mais aussi récemment avec les prothèses articulaires, l’emploi des céramiques appelées biocompatibles (Al2O3 et ZrO2 essentiellement) offre de réels espoirs pour la chirurgie osseuse.

TECHNIQUE DE FORMATION DES LIAISONS MÉTAL-CÉRAMIQUE

 L’assemblage des métaux massifs avec des céramiques massives reste toujours un problème d’actualité. Il est en effet relativement délicat de créer des liaisons entre des matériaux aux propriétés si différentes. Cependant, tout un éventail de techniques est proposé dans la littérature [6,7,8,9,10]. Ceci confère souvent à cette technologie un caractère empirique.  

Les principales techniques de liaison métal/céramique sont les suivantes : – métallisation brasage Mo-Mn (cf. Annexe I), – brasage à basse température (cf. Annexe I), – brasage à haute température (cf. Annexe I), – liaisons par soudage diffusion et en particulier thermocompression, – méthode de l’eutectique gaz-métal. Nous ne présenterons ici que les techniques utilisées dans ce travail. 

L’assemblage par soudage diffusion

C’est une technique largement utilisée industriellement pour de nombreuses applications [5,6] . Le principe de ce procédé consiste à mettre en contact les surfaces de deux pièces à assembler, correctement préparées (sur le plan de leur physico-chimie, de la micro géométrie et de l’ajustement des surfaces). Puis à chauffer l’ensemble, éventuellement sous vide ou sous une atmosphère protectrice, à une température déterminée en fonction des caractéristiques physico-chimiques des matériaux, ainsi que des contraintes techniques, pendant une durée suffisante, en fonction des autres paramètres opératoires et du résultat souhaité. 

L’assemblage par thermocompression

Bien que des nuances existent dans les termes anglo-saxons, c’est sous les noms de « diffusion bonding », « pressure bonding », « pressure welding », « roll bonding » et plus souvent « solid state bonding » que cette technique peut être rencontrée dans la littérature [5,6,11]. Tout comme le soudage diffusion, la thermocompression est une technologie qui permet d’assembler des matériaux hétérogènes sous l’action simultanée de la température et de la pression sans qu’aucune phase liquide ne se forme au cours du processus d’assemblage, le tout dans une atmosphère variable selon les cas (Figure I.1). Le contact des deux surfaces à lier est assuré par l’application d’une pression uniaxiale. Entre les deux surfaces à lier, est intercalé un joint métallique malléable pour favoriser l’adhérence métal/céramique. De nombreuses précautions doivent alors nécessairement être apportées dans le choix du joint. Ainsi, sa température de fusion doit être supérieure à la température d’utilisation du couple et inférieure aux températures de transformation de phase de la céramique et du métal. Il faut éviter d’utiliser des métaux ou des alliages susceptibles de former des composés définis ou intermétalliques avec les substrats à relier, pour ne pas risquer de fragiliser les jonctions aux interfaces de liaison. De nombreuses études ont été effectuées pour déterminer l’influence des différents paramètres de réalisation, en particulier sur la tenue mécanique de la liaison selon le cycle de la figure I.1 : – la température, – la pression, – l’atmosphère, – le temps du palier, – la vitesse de chauffage et de refroidissement.

La variété des joints utilisés s’étend des métaux nobles (Au, Pt)   aux métaux avides d’oxygène (Nb, Zr, Ta, Al)  . Les sections des joints utilisés pour former une liaison de bonne qualité sont de formes assez variables. Si la section radiale circulaire est couramment utilisée, on trouve cependant plusieurs formes allant de la feuille à l’ellipse en passant par des sections complexes. Le joint peut être plein ou évidé  . Les recherches portent surtout sur les liaisons avec les oxydes réfractaires (Al2O3 principalement)  . Les liaisons sur des carbures et sur des nitrures sont à l’étude au Japon, Etats Unis  et en France . La thermocompression est une technique très universelle puisqu’elle permet les assemblages les plus variés, du plomb sur du verre, à du platine sur de la zircone par exemple. Dans certaines applications c’est la seule méthode qui soit viable notamment lorsque les matériaux à assembler ont une température de fusion inférieure à celle des brasures des méthodes décrites en Annexe I . Cette technique est non seulement intéressante pour la réalisation des assemblages métal/céramique mais elle contribue à l’étude fine des réactions à l’état solide. La thermocompression est une technique qui permet de réaliser des liaisons métal/céramique présentant des énergies de rupture interfaciale jusqu’à 2100 J/m2 [19] et une tenue à chaud bien supérieure à celle des liaisons obtenues par métallisation ou autre. Les applications industrielles sont également nombreuses (fabrication de thermocouples, de composants électrotechniques, etc…) grâce au caractère plus général de cette méthode, qui possède en outre une bonne reproductibilité et une technologie de mise en œuvre relativement simple. Son principal inconvénient est la difficulté de réaliser des grandes séries. I.2.3. Mécanismes de liaison à l’état solide Lorsqu’on met en contact deux surfaces solides, elles subissent des forces d’attraction de différentes natures (Figure I.2)   : – des forces à longue portée, d’origine électrostatique, qui sont reliées aux mécanismes de polarisation (micrométrique), Céramique Alliage Temps (h) Pression (MPa) Joint métallique Température (°C) Vitesse de Chauffage Vitesse de refroidissement Temps du palier Atmosphère Chapitre I Technologie et maîtrise des assemblages métal/céramique 9 – des forces à moyenne portée, qui correspondent à des interactions de type van der Waals (quelques nanomètres), – des forces de courte portée, qui correspondent aux liaisons chimiques de type intra moléculaire (ionique, covalente, métallique) de l’ordre de 0,1-0,2 nm.La force d’adhésion ainsi définie est mesurable directement par des « machines de force » [21]. Ce point sera vu au chapitre II. Dans les assemblages métal-céramique, les trois niveaux de force sont à rechercher pour obtenir un contact intime entre les deux surfaces solides. De plus, il faut tenir compte de la formation possible de produits de réactions entre les deux matériaux à associer. En l’absence de réaction chimique avec formation de phases nouvelles, nous utilisons le terme « système non réactif ». A l’inverse, si des nouvelles phases sont formées, nous parlerons de système réactif. La formation d’une interface entre un métal et une céramique par thermocompression à l’état solide passe par les étapes schématisées sur la figure .

 Etape 1 : – mise en contact des deux matériaux sans pression (a), – sous l’effet de la pression et de la température, les contraintes locales déforment les aspérités initialement en contact faisant apparaître un réseau de pores interconnectés qui se comblent à la fin de l’étape (b,c). (2) (1) (3) Chapitre I Technologie et maîtrise des assemblages métal/céramique 10 Les mécanismes de liaisons de ces deux premières étapes sont à rapprocher de ceux du frittage : – déformation plastique entraînant le contact initial des aspérités, – diffusion superficielle, – diffusion en volume, – évaporation-condensation, – diffusion aux joints de grains, – fluage. 

Etape 2 : – création de liaisons chimiques avec formation d’une nouvelle phase (e) ou simplement d’une liaison non réactive (d). 

Étape 3 : – cette 3éme étape, correspond à l’évolution des propriétés des matériaux, liée à la formation de la liaison et aux contraintes résiduelles générées, entre autres, par la différence de coefficient de dilatation des deux matériaux. Sachant que la céramique est le plus souvent un solide rigide indéformable, les deux forces principales qui peuvent promouvoir la liaison sont : – la pression utilisée pour maintenir les deux matériaux en contact pendant le soudage, – la force induite par la réduction de surface pendant la formation de l’interface. Pour avoir une très bonne liaison, nous partons de l’hypothèse selon laquelle l’amélioration de l’assemblage peut s’opérer par l’optimisation de chacune de ces trois étapes.