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Soutenance de thèse de doctoratMaxime VINCENT
7 mai 2010
Ecole doctorale EEATS
Spécialité « Génie Electrique »
Etude des mécanismes de défaillancedu contact électrique
dans un micro-interrupteuren technologie MEMS
2Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Thèse CIFRE, mars 2007Schneider Electric + CEA-Leti
LGEP + G2ELab
Développement d’un micro-interrupteur MEMS (DC)Début du projet chez =S= : 2004
Maintenant au stade pré-industriel
Applications: Contrôle industriel, Automobile, Médical…
Durée de vieAdaptée à certaines applications Limitée par la dégradation du contact électrique
Sujet de cette thèse: fiabilité du micro-contact électrique
Contexte
Micro-interrupteur =S= / Letipackagé
Micro-interrupteur =S= / LetiSur une pièce d’1 cent d’euro
3Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Les MEMS: Micro Electro Mechanical Systems 1er MEMS: 1967 1er relais MEMS: 1979
Introduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
4Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Introduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Les micro-relais MEMS
Micro-relais OMRON
Micro-relais RadantMEMS
Quasiment le seul micro-relais commercial
Applications militaires principalement
Avantages Taille réduite (<10 mm3)
Isolation galvanique
LinéaritéPrix réduit
LimitationsPuissance admissible limitée Fiabilité à démontrer
1µm
5Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Introduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Le micro-interrupteur Schneider / CEA-LetiActionnement extérieur : aimant mobile ou bobine La membrane ferromagnétique s’aligne avec les lignes de champ
OFF
OFF
ON
ON
SN
OFF
OFF
SN
6Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Introduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Le micro-interrupteur Schneider / CEA-Leti
7Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
(vidéo)
8Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Introduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Le contact électrique
66.7 µm
27.3 µm
Double contact: 2 contacts en
parallèle – simple coupure
Paramètres importants
Dynamique de commutation
Forme du contact
Matériau de contact
Tension/courant à commuter
Résistance de contact (Rc) initiale
Au-Au ~1 Ω
Ru-Ru ~1.5 Ω
Contact mobile
Contact fixe
Membrane
9Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Introduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Le micro-contact électrique
27.3 µmSurface de contact
apparenteØ 50µm
Surface de contactréelle
< 1µm²
FC 100-500 µN
Comportement dominé par la
rugosité
Peu d’études, comportement différent
Et pourtant, point faible des micro-relais
10Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Problématique des travaux de thèse : durée de vie des micro-relais
Limitée par la dégradation du contact électrique
Limite les applications industrielles
Enjeu : Augmentation de la durée de vie et des performances
Faible puissance
Durée de vie satisfaisante
Compréhension mécanismes défaillance, mécanismes ± connus partie 2
Puissance élevée
Durée de vie extrêmement limitée
Nouveaux matériaux de contact partie 3
Compréhension mécanismes défaillance, mécanisme nouveau partie 4
Introduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Sommaire
11Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Endurance du contact électrique
sur le micro-interrupteur
Schneider / CEA-Leti
IntroductionIntroduction | Analyse modes défaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
12Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Composant pré-industriel
Caractérisation de la durée de vie du micro-interrupteur
IntroductionIntroduction | Analyse modes défaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
R
106 cycles sous 5V/1mA
108 cycles sous 3V/10µA
U 3 – 5 V DC
i 10µA – 1mA
MEMS
Remplit le cahier des charges pour les faibles puissances
Etude des mécanismes de défaillance
13Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Augmentation Ron1 Ω 100-300 Ω
Collage définitif des contacts
2 modes de défaillance
Ecrouissage Polymères de friction
Carbone Hillocks Transfert de matière
5 mécanismes de défaillances
Contacts Au Contacts Ru
2 matériaux de contact
Mécanique 3V/10µA 5V/1mA 14V/10mA
4 types de test d’endurance
IntroductionIntroduction | Analyse modes défaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
14Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Endurance mécanique (0V) – 100 millions de cycles
IntroductionIntroduction | Analyse modes défaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Contacts Au-Au
Ecrouissage
Contacts Ru-Ru
Polymères de friction
Contact mobile
Contact fixe
15Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Polymères de friction
Contamination carbonée CxHy (process)
Matériau catalytique (Ru)
Action mécanique d’un contact sur l’autre
« Polymères de friction » fortement isolants
IntroductionIntroduction | Analyse modes défaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Analyse surfacique (EDX) Contacts Ru
Caractérisation SSRM des polymères de friction
Image AFM (topographie) Image SSRM (résistance)
0 5 10 µm 0 5 10 µmR*10x
(nm)
0
100
16Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Contamination carbonée – Tests en hot switching (3V & 5V), Au & Ru
IntroductionIntroduction | Analyse modes défaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Contacts Au
5V/1mA
106 cycles
Contact mobile Contact fixe
0.1
1
10
100
1000
0 200000 400000 600000 800000 1000000
Cycles
RO
N (
ohm
s)
0.1
1
10
100
1000
0 200000 400000 600000 800000 1000000
Cycles
RO
N (
ohm
s)200-300 Ω
17Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Croissance d’hillocks – Tests en hot switching (3V & 5V), Au & Ru
IntroductionIntroduction | Analyse modes défaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
750nm
Contacts Au, 5V/1mA, 106 cyclesContact fixe
Contacts Ru, 5V/1mA, 106 cycles
18Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Croissance d’hillocks – Mécanisme d’apparition
IntroductionIntroduction | Analyse modes défaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
AuRu
Au
Ru
Etat initial
Après un recuit à 350°C
Croissance d’hillocks sur l’or sous l’effet de la température
(1) Libération des contraintes du film sous l’effet de la température
Hillock σσ
(2) Déplacement de matière par électromigration
e-
voidHillock
AnodeCathode
19Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Transferts de matière – Phénomène inexpliqué
IntroductionIntroduction | Analyse modes défaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Phénomène limité à 5V, principal à puissance élevée (14V)
Contact mobile
Contact fixe
3.33µm 4.3µm
5µm 3.33µm
Anode (+)
Anode (+)
Cathode (-)
Cathode (-)
20Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Conclusions sur les modes de défaillances du micro-interrupteur
Faible puissance (3V & 5V)
Cahier des charges rempli, performances ≥ état de l’art mondial
Mécanismes de défaillances bien identifiés
Améliorations simples possibles
Puissance élevée (14V)
Durée de vie limitée
Mécanisme de défaillance nouveau : transfert de matière
Nécessité d’un nouveau matériau de contact
Compréhension mécanisme transfert de matière indispensable
IntroductionIntroduction | Analyse modes défaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
21Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | Développement banc nouveaux matériaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Développement d’un banc
dédié à évaluer l’endurance
de nouveaux
matériaux de contact
22Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Conception du contact électrique expérimental : contact sphère/plan
Contact mobile : lamelle prélevée sur un relais reed Ferromagnétique
Surfaces propres
Contact fixe : aiguille de prober Rayon de courbure contrôlé: 3-20 µm
Surfaces propres
10µm
2.5 mm
0.5 mm
0.6 mm
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | Développement banc nouveaux matériaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
23Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Actionneur piézoélectriqueNewport(résolution 10nm)
Capteur de forceSMD Sensors(résolution 10µN)
Electroaimant
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | Développement banc nouveaux matériaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Composants principaux
24Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Force de contact OK
Electroaimant
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | Développement banc nouveaux matériaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Actionneur piézoélectriqueNewport(résolution 10nm)
Capteur de forceSMD Sensors(résolution 10µN)
Ajustement de la force de contact « Contact normalement fermé »
25Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Réalisation et assemblage
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | Développement banc nouveaux matériaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
Pilotage Labview
Mesure Rc 4 fils
Fréquence de cyclage > 50Hz
> 4 millions de cycles par jour
26Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Evaluation du tungstène – Endurance hot switching 5V/1mA
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | Développement banc nouveaux matériaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 10000 20000 30000 40000
Cycles
Rés
ista
nce
de c
onta
ct (Ω
)Contact Au-Au
Contact W-W
27Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Evaluation du tungstène – Endurance hot switching 5V/1mAObservation des contacts à l’issue des tests
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | Développement banc nouveaux matériaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
1 µm
W-W contact mobile
SiO2
Contact Au-Au: carbone + fonte locale
Mécanisme de défaillance similaire au micro-interrupteur
Contact W-W: érosion, aucun polymère de friction
Au-Au contact mobile
Carbone
28Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Conclusions sur le banc de test
Banc de test se démarquant de l’état de l’art Fréquence de test élevée
Etude sous différentes atmosphères gazeusesSimplicité
Reproduit le comportement du micro-interrupteurMise en évidence des mêmes modes de défaillance
Intérêt évident, mais très dépendant de l’état de surface
Nécessiterait plus de tempsEtude de procédés de nettoyage des contactsCouches de protection
Influence de l’atmosphère
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | Développement banc nouveaux matériaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | PerspectivesPerspectives
29Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Emission électronique et
transfert de matière à l’échelle
nanométrique
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
30Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Contexte de l’étude
Transferts de matière observés systématiquementSous 5V/1mA limités, sous 14V/10mA prépondérants
Toujours dirigés de l’anode vers la cathode
Problème: inexplicables à tension/courant si faibles
Etude grâce à un microscope à force atomique (AFM) modifiéContrôle de la cinématique de commutation
anode - contact fixe 3.33µm cathode - ct. mobile 3.33µm
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
31Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Problématique – La commutation sous courant
Ouverture : arc électriqueAu: 12,5V / 350mA nécessaires
Vérification expérimentale sur le micro-interrupteur
Fermeture : claquage diélectrique
Anode
Cathode
++
+
++
+
++
++
++
+
N2N2
N2N2
-
-
--
-
-
--
Passage d’un courant àtravers un milieu isolant
0
100
200
300
400
500
600
0 5 10 15 20 25 30
Distance inter-électrodes (µm)
Ten
sion
de
claq
uage
(V
)
Claquage dans le vide
Courbe de Paschen
Courbe de Paschen modifiée
Avalanche de Townsend3,6 V/µm
Effet de champ~75 V/µm
Plateau~330 V
(air à pression atmosphérique)
Loi de Paschen non valable
pour gaps < 5µm
Comportement similaire
claquage dans le vide
Mais aucune étude à tensions
si faibles (et gaps si réduits)
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
32Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Utilisation en mode approche/retrait
Levier (sans pointe) et substrat métallisés
Contrôle vitesse de commutation : nm/s
Utilisation d’un AFM à pointe conductrice modifié
= commutation micro-contact électrique
Piézo Z
Substrat
LaserDétecteur
Ouverture/fermeturedu contact
Mesure du gapinter-électrodes
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
10 kΩ
10 kΩ
U2
i
U=10 V
VA
GPIB NanoScope
Données recueillies : U, I et le déplacement vertical du levier (gap)
33Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Analyse d’un cycle de commutation
-100
-50
0
50
100
150
0 1000 2000 3000 4000
Déplacement du piézo Z (nm)
For
ce d
e co
ntac
t (µN
)
1
10
100
1000
10000
100000
Rés
ista
nce
de c
onta
ct (
ohm
s)
Fc (µN)Rc (ohms)
1000 00
I
II III
IV
V
(F =
k.x
)
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
34Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Reproduction des transferts de matière observés précédemmentEnchainement de 300 cycles sous 5V/1mA, contact Au/Au, 100 nm/sObservation du levier AFM à l’issue des tests
Polarité 1
Levier : cathodeGain de matière
Polarité 2 Levier : anode
Perte de matière
Phénomène similaire à celui observé sur le micro-interrupteur Transfert de matière anodecathode
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
600nm 750nm
996nm 1.2µm
35Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Etude de la phase de fermeture du micro-contact (6 nm/s)
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
0
1
2
3
-40 -30 -20 -10 0 10
Espacement inter-contacts (nm)
Cou
rant
(µA
)
0
2
4
6
Ten
sion
(V
)
Courant (µA)Tension (V)
Fermeture du contact (gap en nm)
Courant ~20 nm avant la fermeture du contact !
36Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Phénomène physique
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
Emission électronique Fowler-Nordheim
Possible uniquement grâce à effet de pointe (facteur de forme β)
Comportement identique à la coupure du courant dans le vide
Cathode
Anode
E =
~10
8V
/m
Elocal = β*EX
37Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Tracé en coordonnées Fowler-Nordheim
2E
iLn E
1vs.
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
Φ=
E
yBEASi
.
).(.exp.).(.
2
3
2
βνβ
Tracé linéaire, de pente négative. Reproductible.
Phénomène d’émission électronique Fowler-Nordheim confirmé
y = -5E+09x - 40.525
-57
-56
-55
-54
-53
-52
2.3E-09 2.5E-09 2.7E-09 2.9E-09
1/E (m/V)
Ln(i/
E²)
38Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Les électrons émis entrent en collision avec le contact opposé (anode)
Emission 1µA, polarisation 5V
Surface d’impact de quelques nm²Densité d’énergie énorme ! (1011 W/m²)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 50 100 150 200
Temps (ns)
Tem
péra
ture
de
l'ano
de (K
)
WAuRu
Températures d’évaporation
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
Carslaw, H. S. & Jaeger, J. C. (1959), ‘Conduction of heat in solids’,Clarendon Press, 510 p.
39Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Vérification expérimentale
Séries de 100 cycles (30 nm/s)
Fermeture sous 5V
Ouverture à vide (0V)Cathode : substrat Au
Anode : levier AFM (Au)
Observations MEB du levier à l’issue des 100 fermetures sous 5V
Impacts des électronsémis depuis la cathode
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
40Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Evaporation du matériau de l’anode
Front d’évaporation
Perpendiculaire au plan
Vitesse atomes évaporés : 300-900 m/s
Libre parcours moyen atomes dans l’air : 400 nm
Gap : ~20nm
Aucune interaction gaz environnant / atomes (analogie avec le vide)
En quelques picosecondes la majorité des atomes évaporés atteint le
contact opposé
Transfert de matière anodecathode
Anode
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
41Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Evaporation du matériau anodique – Vérification expérimentale
Test avec les 3 matériaux 100 cycles en hot switching 5V (30 nm/s)
Cathode: Leviers AFM (Au)
Anode: Au, Ru ou W
Contact dissymétrique: permet de s’assurer qu’un transfert a bien lieu
Anode
Au, Ru, W
Au (cathode)
Au Ru W
Observation MEB des leviers après chacun des tests
AuAu Au
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
42Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Description du mécanisme complet de transfert de matière
Cathode
Anode
Fermeture du contact
(a)
EElocal = β.E
β
(b)
ÉmissionFowler-Nordheim
e-
(c)
Echauffementlocal
e-
(d)
Evaporation
(e)
Transfert de matièreanodecathode
Anode
Cathode(f)
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
43Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matière nanométriques | ConclusionsConclusions
Conclusion sur les transferts de matière
Mise en évidence et description d’un nouveau mécanisme de dégradation
des micro-contacts
Phénomène similaire à la phase pré-disruptive d’un claquage dans le vide
Durée du mécanisme complet 50ns maximum
Influence vitesse / temps dans la zone critique
Sur le micro-interrupteur, temps critique sous 5V : 5µs
Vitesse nécessaire pour éviter transferts de matière: > 10 m/s
Paramètres à ajuster pour limiter ces transferts de matière
Cathode : Φ élevé, β faible
Anode : Tf et K élevées
Vitesse de commutation la plus élevée possible (~20 mm/s actuellement)
44Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Conclusionset
perspectives
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | Conclusions
45Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | Conclusions
Recommandations pour un micro-contact fiable
Faible puissance (3V & 5V) : Amélioration du procédé actuel
Pas d’or (collages). Ru en couche unique
Nettoyage des surfaces et packaging dans même chambre
Ou désactivation des surfaces de Ru (oxydation)
Puissance élevée 14V: Suppression des transferts de matière
Supprimer les reliefs de la cathode (bumps, rodage mécanique ?…)
Augmenter la vitesse de commutation du composant à plusieurs m/s
Revêtement protecteur ou gaz limitant l’émission électronique
Matériau de contact : alliage adapté ? (Φ, K, Tf)
46Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | Perspectives
Bilan de la thèse
Compréhension complète des mécanismes de défaillance du contact
électrique sur un micro-interrupteur pré-industriel
Au & Ru
4 calibres de test
Développement de deux bancs d’étude du micro-contact
Banc endurance nouveaux matériaux
Tests d’endurance, grand nombre de cycles
Tests comparatifs de matériaux et d’atmosphères
Banc étude fine des phases de commutation
Contrôle très précis de la cinématique de commutation
47Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Champ d’investigation encore vaste
Poursuite des travaux CEA-Leti / LCFM : sujet de thèse
Etude des mécanismes de coupure et d'établissement d'un courant
électrique dans un commutateur en technologie MEMS
Thématique abordée au LGEP depuis de nombreuses années, mais
volonté de renforcement cette année
Etude de micro- & nano- contacts grâce à un AFM à pointe conductrice
Personnellement, suite dans le cadre d’un post-doc
UC Berkeley, micro-commutateurs en carbure de silicium (SiC)
IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | Perspectives
48Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
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Contact: Maxime VINCENT ([email protected])
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