PhD presentation (in French)

Etude des mécanismes de défaillance
du contact électrique
dans un micro-interrupteur
en technologie MEMS
Soutenance de thèse de doctorat
Maxime VINCENT
7 mai 2010

Ecole doctorale EEATS
Spécialité « Génie Electrique »

Contexte
● Thèse CIFRE, mars 2007
● Schneider Electric + CEA-Leti
● LGEP + G2ELab Micro-interrupteur =S= / Leti
Sur une pièce d’1 cent d’euro

● 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 vie
● Adaptée à certaines applications
● Limitée par la dégradation du contact électrique Micro-interrupteur =S= / Leti
packagé

Sujet de cette thèse: fiabilité du micro-contact électrique

2
Maxime Vincent – Soutenance de thèse – 7 mai 2010

Introduction | Analyse modes défaillances | Développement banc nouveaux matériaux | Transferts de matière nanométriques | Perspectives
dé maté matiè nanomé

● Les MEMS: Micro Electro Mechanical Systems
● 1er MEMS: 1967
● 1er relais MEMS: 1979

3


● Les micro-relais MEMS

1µm

Micro-relais OMRON

● Avantages
● Taille réduite (<10 mm3)
● Isolation galvanique
● Linéarité
● Prix réduit
● Limitations Micro-relais RadantMEMS
● Puissance admissible limitée Quasiment le seul micro-relais commercial
● Fiabilité à démontrer Applications militaires principalement

4


● Le micro-interrupteur Schneider / CEA-Leti
● Actionnement extérieur : aimant mobile ou bobine
● La membrane ferromagnétique s’aligne avec les lignes de champ

N
S

OFF

OFF

N
S

ON
OFF

ON
OFF

5


● Le micro-interrupteur Schneider / CEA-Leti

6

(vidéo)

7


● Le contact électrique

Membrane ● Double contact: 2 contacts en
parallèle – simple coupure
● Paramètres importants
66.7 µm ● Dynamique de commutation
● Forme du contact
● Matériau de contact
Contact mobile
● Tension/courant à commuter

● Résistance de contact (Rc) initiale
● Au-Au ~1
27.3 µm
● Ru-Ru ~1.5
Contact fixe

8


● Le micro-contact électrique FC 100-500 µN

27.3 µm
Surface de contact Surface de contact
apparente réelle
Ø 50µm < 1µm²

● Peu d’études, comportement différent
Comportement
dominé par la
● Et pourtant, point faible des micro-relais rugosité

9


● 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 Sommaire
● 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

10

maté matiè nanomé

Endurance du contact électrique
sur le micro-interrupteur
Schneider / CEA-Leti

11


● Composant pré-industriel
● Caractérisation de la durée de vie du micro-interrupteur

106 cycles sous 5V/1mA
108 cycles sous 3V/10µA

MEMS
i 10µA – 1mA
R

U 3 – 5 V DC

● Remplit le cahier des charges pour les faibles puissances
Etude des mécanismes de défaillance
12


Contacts Au Contacts Ru

2 matériaux de contact

Mécanique 3V/10µA 5V/1mA 14V/10mA

4 types de test d’endurance

Collage définitif Augmentation Ron
des contacts 1 100-300

2 modes de défaillance

Ecrouissage Polymères Carbone Hillocks Transfert de
de friction matière

5 mécanismes de défaillances
13


● Endurance mécanique (0V) – 100 millions de cycles

Contact mobile

Contact fixe

Contacts Au-Au Contacts Ru-Ru
Ecrouissage Polymères de friction
14


● Polymères de friction
● Contamination carbonée CxHy (process)

● Matériau catalytique (Ru)

● Action mécanique d’un contact sur l’autre

« Polymères de friction » fortement isolants

Image AFM (topographie) Image SSRM (résistance)

100
Analyse surfacique (EDX)
(nm) Contacts Ru

0

0 5 10 µm 0 5 10 µm
R*10x

Caractérisation SSRM des polymères de friction
15


● Contamination carbonée – Tests en hot switching (3V & 5V), Au & Ru
1000

200-300
100
RON (ohms)

10

1

0.1
0 200000 400000 600000 800000 1000000
Cycles

Contacts Au
5V/1mA
106 cycles

Contact mobile Contact fixe

16


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

750nm

Contacts Au, 5V/1mA, 106 cycles
Contact fixe

Contacts Ru, 5V/1mA, 106 cycles

17


● Croissance d’hillocks – Mécanisme d’apparition
Hillock
void

Cathode e- Anode
σ Hillock σ

(1) Libération des contraintes du film (2) Déplacement de matière par
sous l’effet de la température électromigration

Ru Au Après un recuit à 350°
C

Ru

Etat initial

Croissance d’hillocks
Au sur l’or sous l’effet de la
température
18


● Transferts de matière – Phénomène inexpliqué

Cathode (-) Anode (+)

Contact mobile

3.33µm 5µm

Anode (+) Cathode (-)
Contact fixe

3.33µm 4.3µm

● Phénomène limité à 5V, principal à puissance élevée (14V)
19


● 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

20

dé matiè nanomé

Développement d’un banc
dédié à évaluer l’endurance
de nouveaux
matériaux de contact

21

dé matiè nanomé

● Conception du contact électrique expérimental : contact sphère/plan

● Contact mobile : lamelle prélevée sur un relais reed
● Ferromagnétique
● Surfaces propres
2.5 mm

0.5 mm

● Contact fixe : aiguille de prober
● Rayon de courbure contrôlé: 3-20 µm
● Surfaces propres

0.6 mm

10µm

22

dé matiè nanomé

● Composants principaux

Electroaimant

Actionneur piézoélectrique
Newport
(résolution 10nm)

Capteur de force
SMD Sensors
(résolution 10µN)

23

dé matiè nanomé

● Ajustement de la force de contact « Contact normalement fermé »

Electroaimant

Actionneur piézoélectrique
Newport Force de
(résolution 10nm) contact OK

Capteur de force
SMD Sensors
(résolution 10µN)

24

dé matiè nanomé

● Réalisation et assemblage

● Pilotage Labview
● Mesure Rc 4 fils
● Fréquence de cyclage > 50Hz
> 4 millions de cycles par jour

25

dé matiè nanomé

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

5000 Contact Au-Au
Contact W-W
4000
Résistance de contact ( )

3000

2000

1000

0
0 10000 20000 30000 40000
Cycles

26

dé matiè nanomé

● Evaluation du tungstène – Endurance hot switching 5V/1mA
● Observation des contacts à l’issue des tests
SiO2

Carbone

1 µm

Au-Au contact mobile W-W contact mobile

● Contact Au-Au: carbone + fonte locale
Mécanisme de défaillance similaire au micro-interrupteur
● Contact W-W: érosion, aucun polymère de friction
27

dé matiè nanomé

● 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 gazeuses
● Simplicité

● Reproduit le comportement du micro-interrupteur
● Mise en évidence des mêmes modes de défaillance
● Intérêt évident, mais très dépendant de l’état de surface

● Nécessiterait plus de temps
● Etude de procédés de nettoyage des contacts
● Couches de protection
● Influence de l’atmosphère

28

Introduction | Analyse modes défaillances | Développement banc nouveaux matériaux | Transferts de matière nanométriques | Conclusions
dé maté

Emission électronique et
transfert de matière à l’échelle
nanométrique

29

dé maté

● Contexte de l’étude

● Transferts de matière observés systématiquement
● Sous 5V/1mA limités, sous 14V/10mA prépondérants
● Toujours dirigés de l’anode vers la cathode

anode - contact fixe 3.33µm cathode - ct. mobile 3.33µm

● Problème: inexplicables à tension/courant si faibles

Etude grâce à un microscope à force atomique (AFM) modifié
Contrôle de la cinématique de commutation
30

dé maté

● Problématique – La commutation sous courant Anode
+ -+
-
N2 N2
+ -+ +
+ +-
● Ouverture : arc électrique N2
+ +- +
- N2
+ -+ +
-
● Au: 12,5V / 350mA nécessaires
Cathode
● Vérification expérimentale sur le micro-interrupteur Passage d’un courant à
travers un milieu isolant

● Fermeture : claquage diélectrique
600
(air à pression atmosphérique)

500 ● Loi de Paschen non valable
pour gaps < 5µm
Tension de claquage (V)

400
Avalanche de Townsend
3,6 V/µm ● Comportement similaire
300
Plateau
~330 V claquage dans le vide
200

Effet de champ
● Mais aucune étude à tensions
~75 V/µm Claquage dans le vide
100
Courbe de Paschen si faibles (et gaps si réduits)
Courbe de Paschen modifiée
0
0 5 10 15 20 25 30
Distance inter-électrodes (µm)

31

dé maté

● Utilisation d’un AFM à pointe conductrice modifié
i
Ouverture/fermeture
du contact

10 k
Mesure du gap
inter-électrodes
U=10 V
Détecteur Laser Piézo Z
A

10 k
V U2

Substrat
GPIB NanoScope

● Utilisation en mode approche/retrait
= commutation micro-contact électrique
● Levier (sans pointe) et substrat métallisés

● Contrôle vitesse de commutation : nm/s
● Données recueillies : U, I et le déplacement vertical du levier (gap)
32

dé maté

● Analyse d’un cycle de commutation

150 100000

100 10000

Résistance de contact (ohms)
Force de contact (µN)

II III

50 1000
(F = k.x)

I V
0 100
IV

-50 10

Fc (µN)
Rc (ohms)
-100 1
0 1000 2000 1000
3000 00
4000
Déplacement du piézo Z (nm)

33

dé maté

● Reproduction des transferts de matière observés précédemment
● Enchainement de 300 cycles sous 5V/1mA, contact Au/Au, 100 nm/s
● Observation du levier AFM à l’issue des tests

● Polarité 1
● Levier : cathode
Gain de matière

996nm 1.2µm

● Polarité 2
● Levier : anode
Perte de matière

600nm 750nm

● Phénomène similaire à celui observé sur le micro-interrupteur
● Transfert de matière anode cathode
34

dé maté

● Etude de la phase de fermeture du micro-contact (6 nm/s)
3 6
Courant (µA)
Tension (V)

2 4
Courant (µA)

Tension (V)
1 2

0 0
-40 -30 -20 -10 0 10

Fermeture du contact (gap (nm)nm)
Espacement inter-contacts
en

● Courant ~20 nm avant la fermeture du contact !
35

dé maté

● Phénomène physique

Anode

E = ~108 V/m
Elocal = β*E
X

Cathode

● 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
36

dé maté

 3

 B.ν ( y ).Φ 2 
● Tracé en coordonnées Fowler-Nordheim i = S . A.( βE ) . exp
2

 β .E 
 
-52

-53

-54  i  1
Ln  2  vs. E
Ln(i/E²)

E 
-55 y = -5E+09x - 40.525

-56

-57
2.3E-09 2.5E-09 2.7E-09 2.9E-09
1/E (m/V)

● Tracé linéaire, de pente négative. Reproductible.
Phénomène d’émission électronique Fowler-Nordheim confirmé
37

dé maté

● Les électrons émis entrent en collision avec le contact opposé (anode)
● Emission 1µA, polarisation 5V
Densité d’énergie énorme ! (1011 W/m²)
● Surface d’impact de quelques nm²

6000
Température de l'anode (K)

5000

4000

3000

2000
Températures d’évaporation W
1000 Au
Ru
0
0 50 100 150 200
Temps (ns)

Carslaw, H. S. & Jaeger, J. C. (1959), ‘Conduction of heat in solids’,
Clarendon Press, 510 p. 38

dé maté

● Vérification expérimentale

● Séries de 100 cycles (30 nm/s)
● Fermeture sous 5V
● Ouverture à vide (0V)
● Cathode : substrat Au
Impacts des électrons
● Anode : levier AFM (Au)
émis depuis la cathode

Observations MEB du levier à l’issue des 100 fermetures sous 5V

39

dé maté

● Evaporation du matériau de l’anode

● Front d’évaporation
● Perpendiculaire au plan
Anode
● 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 anode cathode
40

dé maté

● Evaporation du matériau anodique – Vérification expérimentale

● Test avec les 3 matériaux Au (cathode)

● 100 cycles en hot switching 5V (30 nm/s)
● Cathode: Leviers AFM (Au) Au, Ru, W
● Anode: Au, Ru ou W

Anode

● Contact dissymétrique: permet de s’assurer qu’un transfert a bien lieu

Au Ru W

Au
Au Au
Observation MEB des leviers après chacun des tests
41

dé maté

● Description du mécanisme complet de transfert de matière

Anode

Fermeture du contact e- Émission
E Fowler-Nordheim
Elocal = β.E

β

Cathode
(a) (b) (c)

Anode

e- Echauffement Transfert de matière
local Evaporation
anode cathode

Cathode
(d) (e) (f)
42

dé maté

● 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)

43


Conclusions
et
perspectives

44


● 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)

45


● 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

46


● 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)

47

Merci de votre attention !

Contact: Maxime VINCENT (maxime2vincent@gmail.com)

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

48

PhD presentation (in French)

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Destaque

Destaque (20)

PhD presentation (in French)