Brasage de la céramique et des métaux

1. Brasabilité

Le brasage de composants céramiques entre eux, ou entre céramique et métal, est complexe. La majeure partie de la brasure forme une goutte à la surface de la céramique, avec un mouillage insuffisant, voire inexistant. Le métal d'apport, capable de mouiller la céramique, a tendance à former divers composés fragiles (carbures, siliciures et composés ternaires ou multivariés) à l'interface de brasage. La présence de ces composés affecte les propriétés mécaniques du joint. De plus, en raison de la grande différence de coefficients de dilatation thermique entre la céramique, le métal et la brasure, des contraintes résiduelles apparaissent dans le joint après refroidissement à température ambiante, ce qui peut engendrer des fissures.

L'adhérence de la brasure à la surface céramique peut être améliorée par l'ajout d'éléments métalliques actifs à la brasure classique ; un brasage à basse température et de courte durée permet de réduire l'effet de la réaction interfaciale ; les contraintes thermiques du joint peuvent être réduites en concevant une forme de joint appropriée et en utilisant une couche métallique monocouche ou multicouche comme couche intermédiaire.

2. Souder

L'assemblage de la céramique et du métal se fait généralement dans un four sous vide ou sous atmosphère d'hydrogène et d'argon. Outre les caractéristiques générales, les métaux d'apport pour le brasage des dispositifs électroniques sous vide doivent répondre à des exigences spécifiques. Par exemple, la brasure ne doit pas contenir d'éléments générant une pression de vapeur élevée, afin d'éviter les fuites diélectriques et l'empoisonnement de la cathode. Il est généralement spécifié que, pendant le fonctionnement du dispositif, la pression de vapeur de la brasure ne doit pas dépasser 10⁻³ Pa et que la teneur en impuretés à haute pression de vapeur ne doit pas excéder 0,002 % à 0,005 %. La teneur en eau (ou en oxygène) de la brasure ne doit pas dépasser 0,001 %, afin d'éviter la formation de vapeur d'eau lors du brasage sous hydrogène, qui pourrait provoquer des projections de métal en fusion. De plus, la brasure doit être propre et exempte d'oxydes de surface.

Lors du brasage après métallisation céramique, on peut utiliser comme métal d'apport le cuivre, le cuivre de base, le cuivre argenté, le cuivre doré et d'autres alliages.

Pour le brasage direct des céramiques et des métaux, il convient de choisir des métaux d'apport contenant du titane (Ti) et du zirconium (Zr). Les métaux d'apport binaires sont principalement TiCu et TiNi, utilisables jusqu'à 1100 °C. Parmi les brasures ternaires, AgCuTi(W)(Ti) est la plus couramment employée pour le brasage direct de diverses céramiques et métaux. Ce métal d'apport ternaire peut se présenter sous forme de feuille, de poudre ou d'eutectique AgCu avec de la poudre de titane. Le métal d'apport B-Ti49Be2 offre une résistance à la corrosion similaire à celle de l'acier inoxydable et une faible pression de vapeur. Il est particulièrement adapté aux joints étanches sous vide, grâce à sa résistance à l'oxydation et aux fuites. Dans la brasure Ti-V-Cr, la température de fusion est minimale (1620 °C) pour une teneur en W(V) de 30 %, et l'ajout de chrome permet de réduire efficacement la plage de températures de fusion. La brasure B-ti47.5ta5 sans chrome a été utilisée pour le brasage direct de l'alumine et de l'oxyde de magnésium, et son joint peut être utilisé à une température ambiante de 1000 °C. Le tableau 14 présente le flux actif pour la connexion directe entre la céramique et le métal.

Tableau 14 Métaux d'apport actifs pour le brasage de la céramique et des métaux

2. Technologie de brasage

Les céramiques pré-métallisées peuvent être brasées sous atmosphère inerte de haute pureté, sous hydrogène ou sous vide. Le brasage sous vide est généralement utilisé pour le brasage direct des céramiques non métallisées.

(1) Procédé de brasage universel Le procédé de brasage universel de la céramique et du métal peut être divisé en sept étapes : nettoyage de surface, revêtement de pâte, métallisation de surface de la céramique, nickelage, brasage et inspection après soudage.

Le nettoyage de surface a pour but d'éliminer les taches d'huile, de transpiration et la couche d'oxyde présentes sur le métal de base. Les pièces métalliques et les soudures doivent d'abord être dégraissées, puis la couche d'oxyde éliminée par un lavage acide ou alcalin. Après rinçage à l'eau courante, les pièces sont séchées. Les pièces exigeant une haute précision sont traitées thermiquement sous vide ou sous hydrogène (le bombardement ionique peut également être utilisé) à une température et une durée appropriées afin de purifier leur surface. Les pièces nettoyées ne doivent pas entrer en contact avec des objets gras ni avec les mains nues. Elles doivent être immédiatement intégrées à l'étape suivante ou placées dans un séchoir. Elles ne doivent pas être exposées à l'air libre de façon prolongée. Les pièces en céramique sont nettoyées à l'acétone et aux ultrasons, rincées à l'eau courante, puis bouillies deux fois pendant 15 minutes dans de l'eau déminéralisée.

Le revêtement en pâte est une étape importante de la métallisation des céramiques. Il consiste à appliquer la pâte sur la surface céramique à métalliser à l'aide d'un pinceau ou d'une machine à appliquer la pâte. L'épaisseur du revêtement est généralement de 30 à 60 mm. La pâte est généralement préparée à partir de poudre métallique pure (avec parfois l'ajout d'oxyde métallique approprié) d'une granulométrie d'environ 1 à 5 µm et d'un liant organique.

Les pièces en céramique en pâte sont envoyées dans un four à hydrogène et frittées avec de l'hydrogène humide ou de l'ammoniac craqué à 1300 ~ 1500 ℃ pendant 30 ~ 60 min. Pour les pièces en céramique revêtues d'hydrures, elles doivent être chauffées à environ 900 ℃ pour décomposer les hydrures et réagir avec le métal pur ou le titane (ou le zirconium) restant à la surface de la céramique afin d'obtenir un revêtement métallique sur la surface de la céramique.

Pour la couche métallisée Mo-Mn, afin d'assurer le mouillage par la brasure, une couche de nickel de 1,4 à 5 µm doit être déposée par électrolyse ou par application de poudre de nickel. Si la température de brasage est inférieure à 1 000 °C, la couche de nickel doit être préfrittée dans un four à hydrogène. La température et la durée du frittage sont de 1 000 °C pendant 15 à 20 minutes.

Les pièces en céramique traitées sont des pièces métalliques qui doivent être assemblées à l'aide de moules en acier inoxydable ou en graphite et en céramique. Des soudures doivent être appliquées aux joints, et la pièce doit rester propre tout au long de l'opération et ne doit pas être touchée à mains nues.

Le brasage doit être effectué dans un four sous argon, hydrogène ou sous vide. La température de brasage dépend du métal d'apport. Afin d'éviter la fissuration des pièces en céramique, la vitesse de refroidissement ne doit pas être trop rapide. De plus, une certaine pression (environ 0,49 à 0,98 MPa) peut être appliquée lors du brasage.

Outre le contrôle de la qualité de surface, les assemblages brasés doivent également être soumis à des essais de choc thermique et à des contrôles de leurs propriétés mécaniques. Les pièces d'étanchéité des appareils à vide doivent également faire l'objet d'un test d'étanchéité conformément à la réglementation en vigueur.

(2) Brasage direct : lors d’un brasage direct (méthode du métal actif), nettoyer d’abord la surface des pièces à souder en céramique et en métal, puis les assembler. Afin d’éviter les fissures dues aux différents coefficients de dilatation thermique des matériaux, une couche tampon (une ou plusieurs feuilles de métal) peut être intercalée entre les pièces à souder. Le métal d’apport doit être maintenu entre les deux pièces à souder ou placé de manière à remplir au mieux l’espace entre elles, puis le brasage est effectué comme un brasage sous vide classique.

Si l'on utilise une brasure Ag-Cu-Ti pour le brasage direct, il convient d'opter pour le brasage sous vide. Lorsque le vide dans le four atteint 2,7 fois la pression nominale, le chauffage commence à 10⁻³ Pa ; la température peut alors monter rapidement. À l'approche du point de fusion de la brasure, la température doit être augmentée lentement afin d'homogénéiser la température de l'ensemble soudé. Une fois la brasure fondue, la température doit être rapidement portée à la température de brasage et maintenue pendant 3 à 5 minutes. Lors du refroidissement, celui-ci doit être lent jusqu'à 700 °C, puis s'effectuer naturellement dans le four au-delà de cette température.

Lors du brasage direct avec une brasure active Ti-Cu, celle-ci peut se présenter sous forme de feuille de cuivre et de poudre de titane, ou de pièces en cuivre et de feuille de titane. La surface céramique peut également être revêtue de poudre de titane et de feuille de cuivre. Avant le brasage, toutes les pièces métalliques doivent être dégazées sous vide. La température de dégazage du cuivre exempt d'oxygène doit être de 750 à 800 °C, et celle du titane, du niobium, du tantale, etc., de 900 °C pendant 15 minutes. Le vide doit alors être d'au moins 6,7 × 10⁻³ Pa. Pendant le brasage, les composants à souder sont assemblés dans le dispositif de fixation, puis chauffés dans le four sous vide à une température de 900 à 1120 °C pendant 2 à 5 minutes. Durant toute la durée du brasage, le vide doit être maintenu à au moins 6,7 × 10⁻³ Pa.

Le processus de brasage de la méthode Ti Ni est similaire à celui de la méthode Ti Cu et la température de brasage est de 900 ± 10 ℃.

(3) Le brasage à l'oxyde est une méthode permettant d'obtenir une liaison fiable grâce à l'infiltration de la phase vitreuse formée par la fusion de la brasure d'oxyde dans la céramique et son mouillage de la surface métallique. Il permet d'assembler des céramiques entre elles et des céramiques avec des métaux. Les métaux d'apport pour le brasage à l'oxyde sont principalement composés d'Al₂O₃, de CaO, de Bao et de MgO. L'ajout de B₂O₃, d'Y₂O₃ et de Ta₂O₃ permet d'obtenir des métaux d'apport présentant différents points de fusion et coefficients de dilatation linéaire. Par ailleurs, les métaux d'apport pour le brasage au fluorure, à base de CaF₂ et de NaF, peuvent également être utilisés pour assembler des céramiques et des métaux et obtenir des joints à haute résistance mécanique et thermique.