Caractérisation de l’adhérence par essais de cisaillement

Pour caractériser l’adhérence entre la plaque de silicium et la structure polymère, l’essai de cisaillement a été choisi. En effet, celui-ci permet de déterminer la force à la rupture du système ou de l’assemblage, et met en évidence les mécanismes de rupture mis en jeux.

Pour cette étude, l’équipement Condor 250 – Xyztec a été utilisé. Afin que les essais soient comparables, nous avons appliqué un protocole d’étude défini par la norme JEDEC JESD22-B117B (92). Cette norme utilisée en micro-électronique définit un protocole pour caractériser les interfaces d’un plot soudé sur un substrat et déterminer les modes de rupture. Elle donne également, les conditions d’essais tels que le maintien des échantillons, le positionnement de l’outil ainsi que les paramètres à adapter en fonction des objectifs.

Les échantillons étudiés sont représentatifs des échantillons décrits dans la norme. Ils sont composés de plots cubiques de 5x5x5 mm3 _{directement imprimés}

sur une plaque de silicium. Leur forme cubique permet d’avoir un contact plan, de dimension suffisante, avec l’outil de cisaillement.

-100- Les essais de cisaillement se sont déroulés en plusieurs étapes :

- La mise en place de l’échantillon dans les mors de l’équipement (Figure II-37a)

- Le positionnement de la pointe de cisaillement lors du contact avec un cube

- Le lancement du programme :

o Calibration de la hauteur de la pointe par rapport à la plaque de silicium

o Mise en contact de la pointe sur le cube à tester

o Avancée de la pointe pour pousser le cube jusqu’à la rupture (Figure II-37b)

Si la force à la rupture est donnée par l’équipement de caractérisation, le mode de rupture est déterminé en analysant la morphologie de l’interface et des composants après l’essai. Il existe deux principaux modes de rupture décrient ci- dessous et que nous pouvons illustrer par la Figure II-38 (64):

- Le mode de rupture adhésif : la rupture se situe à l’interface des deux matériaux. Dans ce cas, les composants (substrat et cube) ne sont pas endommagés.

- Le mode de rupture cohésif : la rupture se situe dans au moins un des composants constituant le système. Dans ce cas, au moins un des composants est endommagé.

a. b.

Figure II-37 : a. échantillon dans l’équipement de cisaillement, b. Schéma de fonctionnement du test de cisaillement

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Figure II-38 : Schéma des principes de rupture – adhésif et cohésif

v Paramétrage de l’équipement

Lors de la réalisation des essais, il est important de régler l’équipement utilisé en fonction des échantillons. Dans le cas de la Condor 250, il est possible de jouer sur plusieurs paramètres, tels que :

- Gamme de mesure du capteur

- Distance parcourue par la pointe pendant la poussée et après la rupture - Hauteur de la pointe par rapport au substrat

- Vitesse d’avance de la pointe

Les paramètres de gamme du capteur ainsi que la force maximale appliquée lors de la poussée sont choisis en fonction de la gamme de force nécessaire à la rupture de l’échantillon. Dans le cas des cubes imprimés, nous utilisons la plus grande gamme de mesure. Celle-ci est déterminée entre 2.5 et 40 kgf (25 N à 392N). La distance de poussée de la pointe est ajustée suivant la taille du cube à cisailler. Le cube mesurant 5 mm de côté, nous avons choisi de pousser sur 4 mm. Cette valeur permet d’obtenir la rupture entre le cube imprimé et la plaque de silicium.

Les paramètres de hauteur de pointe et de vitesse d’avance de l’outil, sont plus délicats à déterminer car ils ont un impact direct sur la force à appliquer et sur les mécanismes de rupture (92). En effet, le positionnement en hauteur de l’outil par rapport au substrat impacte la zone caractérisée. Pour caractériser l’interface, l’outil doit être au plus proche de celle-ci. En augmentant l’écart outil/substrat, un moment est appliqué à l’interface cube/substrat (théorème de Saint Venant (93)), et les contraintes induites dans le cube sont davantage réparties dans son épaisseur. Cela a pour effet d’augmenter les efforts de traction au niveau de l’interface (pelage), mais aussi d’entrainer une déformation du cube sous la pression de la pointe. De plus, comme le montre les travaux de L. Rabemananjara (94), la vitesse d’avance de la pointe influence le comportement du matériau (élasto-viscoplastique du cube polymère). Ainsi, en augmentant la vitesse de déplacement, l’établissement du contact apparait plus franc, et la vitesse de déformation se trouve augmentée. Cela a pour effet d’augmenter la dureté du

-102- matériau. Afin de déterminer le meilleur compromis entre ces deux paramètres, trois hauteurs et deux vitesses d’avances ont été testées. Pour choisir les hauteurs, nous avons découpé le cube en trois parties :

- H = 10 µm, une hauteur très proche de l’interface afin de la caractériser au mieux en cisaillement,

- H = 2 mm, l’outil va venir se positionner au milieu du cube - H = 4 mm, une hauteur en haut du cube

Les vitesses d’avances de l’outil ont été choisies en tenant compte de la norme JEDEC JESD22-B117B. En effet, nous avons sélectionné une vitesse plutôt basse 500 µm/s (100-800 µm/s), et vitesse haute de 1000 µm/s afin de voir la différence entre les deux.

Afin de tester toutes les combinaisons possibles, un plan d’expériences a été mis en place :

Paramètre Valeurs à tester

Hauteur de pointe par rapport au substrat

10 µm 2 000 µm 4 000 µm Vitesse de déplacement de la pointe 500 µm/s 1000 µm/s

Tableau II-4 : Valeurs à tester en fonction des paramètres de cisaillement

L’observation de l’impact d’un paramètre par rapport à l’autre (hauteur/vitesse) a été réalisée avec une variation indépendante de chaque paramètre. Dans ce cas, seul un paramètre varie, créant six combinaisons de test. Afin de faire de la statistique pour chaque combinaison, nous avons testé six cubes par combinaison. Les cubes ont été construits sur des substrats indépendants les uns des autres. Les résultats des essais seront décrits dans le chapitre IV.

D’après l’étude menée précédemment, les réglages déterminés, et utilisés pour l’ensemble des essais de cisaillement sont :

- Gamme de mesure du capteur : 2.5 à 40 kgf (25 à 392 N) - Distance de la poussée : 4 000 µm – test destructif

- Hauteur de la pointe lors de la poussée : 10 µm - Vitesse d’avancement de la pointe : 500 µm/s

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