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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


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



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



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



Le micro-interrupteur Schneider / CEA-Leti


(vidéo)



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



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


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


Sommaire


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


Composant pré-industriel

Caractérisation de la durée de vie du micro-interrupteur


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


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



Endurance mécanique (0V) – 100 millions de cycles


Contacts Au-Au

Ecrouissage

Contacts Ru-Ru

Polymères de friction

Contact mobile

Contact fixe


Polymères de friction

Contamination carbonée CxHy (process)

Matériau catalytique (Ru)

Action mécanique d’un contact sur l’autre

« Polymères de friction » fortement isolants


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


Contamination carbonée – Tests en hot switching (3V & 5V), Au & Ru


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


Croissance d’hillocks – Tests en hot switching (3V & 5V), Au & Ru


750nm

Contacts Au, 5V/1mA, 106 cyclesContact fixe

Contacts Ru, 5V/1mA, 106 cycles


Croissance d’hillocks – Mécanisme d’apparition


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


Transferts de matière – Phénomène inexpliqué


Phénomène limité à 5V, principal à puissance élevée (14V)

Contact mobile

Contact fixe

3.33µm 4.3µm

5µm 3.33µm

Anode (+)

Anode (+)

Cathode (-)

Cathode (-)


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 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


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



Actionneur piézoélectriqueNewport(résolution 10nm)

Capteur de forceSMD Sensors(résolution 10µN)

Electroaimant


Composants principaux


Force de contact OK

Electroaimant


Actionneur piézoélectriqueNewport(résolution 10nm)

Capteur de forceSMD Sensors(résolution 10µN)

Ajustement de la force de contact « Contact normalement fermé »


Réalisation et assemblage


Pilotage Labview

Mesure Rc 4 fils

Fréquence de cyclage > 50Hz

> 4 millions de cycles par jour


Evaluation du tungstène – Endurance hot switching 5V/1mA


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


Evaluation du tungstène – Endurance hot switching 5V/1mAObservation des contacts à l’issue des tests


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


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



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


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



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)



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


10 kΩ

10 kΩ

U2

i

U=10 V

VA

GPIB NanoScope

Données recueillies : U, I et le déplacement vertical du levier (gap)


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

)



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


600nm 750nm

996nm 1.2µm


Etude de la phase de fermeture du micro-contact (6 nm/s)


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 !


Phénomène physique


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


Tracé en coordonnées Fowler-Nordheim

2E

iLn E

1vs.


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)


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


Carslaw, H. S. & Jaeger, J. C. (1959), ‘Conduction of heat in solids’,Clarendon Press, 510 p.


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



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



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



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)




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)


Conclusionset

perspectives

IntroductionIntroduction | Analyse modes dAnalyse modes dééfaillancesfaillances | DDééveloppement banc nouveaux matveloppement banc nouveaux matéériauxriaux | Transferts de matiTransferts de matièère nanomre nanoméétriquestriques | Conclusions


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)


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


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


Merci de votre attention !

Contact: Maxime VINCENT ([email protected])

Manuscrit de thèse: http://www.amazon.fr/gp/product/6131537658ou sur demande

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