! Lʼobjectif des travaux présentés dans ce manuscrit a consisté à étudier quantitativement lʼévolution des propriétés diélectriques des substrats céramiques en fonction des traitements post-frittage quʼils subissent avant insertion dans les modules de puissance. Le choix du matériau dʼétude sʼest porté sur lʼalumine-alpha polycristalline, très largement employée pour assurer cette fonction de substrat. Notre campagne dʼessais a été réalisée avec des échantillons industriels issus dʼun même lot de fabrication de manière à écarter toute mauvaise interprétation due à des différences de microstructure, de type et de quantité dʼajouts de frittage, dʼimpuretés,… qui impactent directement les propriétés de lʼalumine. Les traitements qui ont été ciblés sont le nettoyage chimique, le traitement laser de surface ou la découpe laser et les traitements thermiques. Il sʼest donc agi de déterminer si ces traitements détériorent, améliorent ou sont neutres vis-à-vis des propriétés diélectriques fondamentales de lʼalumine, ce qui constitue lʼoriginalité de ce travail.
! Les grandeurs que nous avons estimées avant et après traitement sont respectivement les pertes diélectriques, la conductivité diélectrique, la rigidité diélectrique et la conduction surfacique. Ces propriétés diélectriques conditionnent en effet directement le dimensionnement des substrats. Pour mener à bien ces travaux, nous avons reproduit en laboratoire certains des traitements industriels couramment employés. Afin de mettre en exergue les lois dʼévolution de ces grandeurs électriques avec les traitements subis, nous avons volontairement exagéré, dans certains cas, le niveau des traitements. Pour le nettoyage chimique nous avons choisi dʼutiliser une solution fortement basique (employée plutôt pour de lʼattaque chimique). En ce qui concerne les traitements laser, lʼeffet des trois types de dispositifs employés industriellement (Nd-YaG, CO2 et KrF) a été estimé et ceci pour plusieurs niveaux de fluence correspondant à des opérations sʼéchelonnant du traitement de surface à la découpe. Finalement, des traitements thermiques (recuits) ont été pratiqués pour des températures croissantes jusquʼà 1700°C pendant 24 heures. Les principales conclusions de nos travaux sont les suivantes :
! ➢ les traitements chimiques:
! ! Malgré lʼagressivité des traitements infligés à lʼalumine, aucune de ses propriétés nʼa été affectée. Les nettoyages chimiques, tels quʼils sont pratiqués industriellement, peuvent donc être considérés comme neutres.
! ➢ les traitements laser:
! Plutôt utilisés pour la découpe et le marquage, les traitements laser Nd-YaG et CO2 nʼont pas dʼeffet notable sur la conduction volumique, ni sur la rigidité diélectrique en 50 Hz et ceci même pour des fluences élevées. Ces traitements occasionnent néanmoins des dommages importants (ablation de matière, réseaux de fissures) et des modifications structurelles (changement de phase, réorientation cristalline) localisées en surface. Les pertes diélectriques ont été légèrement augmentées en basse fréquence, ce que nous avons attribué à lʼeffet des réseaux de fissures. Lʼécoulement des charges déposées en surface est dʼautant plus rapide que la fluence du faisceau est élevée. Pour les traitements laser CO2, la conduction de surface est la plus élevée. Les modifications de surface ne sont pas neutres pour les propriétés dʼécoulement surfacique et ce point doit être adressé lors de la conception de substrats ayant à subir ce type de traitement.
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! Plutôt utilisés pour le traitement de surface, les impacts laser KrF nʼengendrent pas de dommages tels que ceux observés avec les lasers Nd-YaG et CO2, de part la physique
diélectrique nʼont été affectés; lʼécoulement des charges en surface est légèrement augmenté.
! ➢ les traitements thermiques :
! Les traitements thermiques pratiqués ont fait apparaître une corrélation entre les modifications microstructurelles de lʼalumine avec toutes les propriétés diélectriques que nous avons suivies et ceci à partir dʼune température de recuit seuil située entre 1050 et 1400°C. En effet, les phénomènes de grossissement des grains, la réduction de la densité des joints de grains et la concentration des impuretés dans ceux-ci qui deviennent perceptibles à partir de cette température seuil, sʼaccompagnent dʼune réduction des grandeurs électriques mesurées. Pour un traitement à 1700°C pendant 24 heures, nous avons mesuré:
- une réduction des pertes diélectriques sʼapprochant dʼun ordre de grandeur
- une réduction de la conduction électrique sʼélevant à 2 ordres de grandeur à 130°C - une réduction de la rigidité diélectrique à 50Hz de 13 % et de 18,5 % en continu (à
20°C)
- une réduction de lʼaptitude à écouler les charges en surface.
Comme lʼindiquent nos résultats, si un traitement thermique est réalisé lors des étapes de préparation des substrats alumine, la température de recuit devra faire lʼobjet dʼune attention particulière de manière à trouver un bon compromis entre les gains et les pertes (notamment sur la rigidité diélectrique) quʼil occasionne.
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! Ces travaux nous ont également permis dʼapporter notre contribution à une meilleure compréhension des mécanismes de conduction électrique volumique et de rigidité diélectrique de lʼalumine alpha polycristalline. Les résultats obtenus après les différents traitements décrits précédemment, enrichis par des expériences complémentaires, nous ont permis, respectivement :
! ! ➢ de valider le modèle de conduction électrique limité par charge dʼespace et
! ! dʼexclure tout modèle de conduction lié à lʼinterface
! ! ➢ de confirmer que la rupture diélectrique était probablement dʼorigine
! ! électromécanique et que dans ce cas le mécanisme initiateur ne pouvait
! ! prendre naissance dans un défaut (fissure) localisé en surface de substrat. Dans les deux cas, nous avons confirmé le rôle essentiel de la microstructure de lʼalumine (taille des grains, densité des joints de grains, répartition des impuretés,…) sur ces deux mécanismes.
Dans les perspectives dʼétudes qui peuvent découler du travail que nous venons de présenter, deux axes de recherches pourront être développés. Il sʼagit de recherches dont les objectifs sont orientés respectivement vers la conception des substrats et vers une meilleure compréhension de la rupture diélectrique de ceux-ci.
Dans lʼoptique dʼune démarche dʼintégration de puissance, la réduction des dimensions des substrats va dépendre de lʼécartement entre les pistes supportant les composants et les connectiques. Ces écartements dépendent naturellement des propriétés de conduction et de rupture surfacique du substrat en association avec lʼencapsulant. Certains de nos résultats expérimentaux pourraient servir de points de départ à lʼétude plus approfondie de traitements spécifiques visant à réduire :
- la conduction surfacique intrinsèque de lʼalumine (traitements thermiques visant à ne modifier que la structure de la surface de lʼalumine sans en altérer le volume)
- la réduction des contraintes électriques en bordure de métallisation par le tracé de motifs semi-conducteurs (traitements laser).
En ce qui concerne le deuxième point, la justification physique de lʼaugmentation de conductivité surfacique après traitement laser a été évaluée mais non expliquée lors de notre étude. Des investigations sont donc nécessaires de manière à fournir un scénario décrivant la transformation structurelle de la surface de lʼalumine après interaction laser et ceci en vue de mettre en place un protocole industriel adapté.
Les fortes corrélations entre rupture mécanique et rupture diélectrique de lʼalumine ne sont plus à démontrer. Toutes les investigations réalisées sur le sujet tendent à démontrer que la rupture diélectrique de ce matériau est très probablement dʼorigine mécanique. Néanmoins, les observations réalisées lors de notre étude remettent sérieusement en question le scénario de rupture envisagé suggérant que la rupture est initiée par un défaut de surface. Une nouvelle approche du mécanisme prédisruptif de lʼalumine doit donc être développée.