phd presentation (in french)
TRANSCRIPT
![Page 1: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/1.jpg)
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
![Page 2: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/6.jpg)
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
![Page 7: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/7.jpg)
7Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
(vidéo)
![Page 8: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/8.jpg)
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
![Page 9: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/9.jpg)
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
![Page 10: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 11: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/11.jpg)
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
![Page 12: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![Page 13: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/19.jpg)
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 (-)
![Page 20: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/20.jpg)
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
![Page 21: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/21.jpg)
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
![Page 22: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/22.jpg)
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
![Page 23: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/23.jpg)
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
![Page 24: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/24.jpg)
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 »
![Page 25: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/25.jpg)
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
![Page 26: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/26.jpg)
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
![Page 27: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 28: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/28.jpg)
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
![Page 29: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/29.jpg)
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
![Page 30: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/30.jpg)
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
![Page 31: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/32.jpg)
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)
![Page 33: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/33.jpg)
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
![Page 34: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/35.jpg)
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 !
![Page 36: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/36.jpg)
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
![Page 37: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/37.jpg)
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)
![Page 38: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/38.jpg)
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.
![Page 39: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 40: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/40.jpg)
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
![Page 41: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/41.jpg)
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
![Page 42: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/42.jpg)
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
![Page 43: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/43.jpg)
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)
![Page 44: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/44.jpg)
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
![Page 45: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/45.jpg)
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)
![Page 46: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/46.jpg)
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
![Page 47: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/47.jpg)
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
![Page 48: PhD presentation (in French)](https://reader031.vdocuments.fr/reader031/viewer/2022012403/55873817d8b42a18238b46d7/html5/thumbnails/48.jpg)
48Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010
Merci de votre attention !
Contact: Maxime VINCENT ([email protected])
Manuscrit de thèse: http://www.amazon.fr/gp/product/6131537658ou sur demande