Dommages mecaniques

Sur 20 puces fabriquees, 5 ont ete mis en bo^tier, les autres ont ete detruites durant le trans-port ou la manipulation. Nous nous sommes interesse aux dechets, pour essayer de conna^tre les points faibles du composant. Apres une etude au microscope electronique et au microscope optique (voir images 5.15) il est apparu que la structure cassait toujours aux m^emes endroits. La gure 5.14 localise le depart des ssures. Ces zones de fractures sont au nombre de trois :

a. la ssure commence dans le coin rentrant du premier coude, b. la ssure commence dans le coin rentrant du deuxieme coude,

5.2. TESTS MECANIQUES 2 1 3 Points de renforts Structure renforcée

Départ des fissures

Masse en Silicium

Figure 5.14: a) Les cercle donne la zone ou des fractures naissent. b) Solution pour renforcer les bras. fracture 1 fracture 2 fracture3

7/21 10/21 4/21

Tableau 5.1: Occurrence selon le type de fractures. c. le long de la masse.

Le tableau 5.1 donne l'occurrence des ssures sur les trois points mentionnes dans la gure 5.14). Les simulations par elements nis indiquent que les contraintes sont importantes dans les coins, mais l'explication la plus probable est que les coins rentrant amorcent des micro-ssures qui vont se propager a la moindre sollicitation. De plus les bras sont soumis a une contrainte residuelle qui a tendance a amplier ce phenomene. Un moyen pour limiter ce phenomene consisterait a remplacer l'angle droit par un chanfrein qui limitera la formation de ssures. La deuxieme solution, ou complement de solution, consiste a former le chanfrein avec toutes les couches disponibles. Ce bourrele plus epais aura la m^eme fonction que la chanfrein, mais reduira au maximum la formation de ces micro-ssures.

5.2.4.1 Pointes de Renforts

La deuxieme solution pour soulager les bras lors d'un choc serait de mettre des pointes sous la masse. Ces pointes ne seraient pas en contact avec la masse, mais a une tres faible distance (< 15m) . Lorsqu'un choc ou acceleration surviendrait la masse irait se poser sur ces pointes et sauvegarderait ainsi le systeme. Il en est de m^eme pour les frequences de resonances. Les pointes emp^echeraient la masse de diverger a la resonance.

Les pointes seraient realisees dans une autre plaquette puis collees sur les deux faces du con-vertisseur. La gure 5.16 presente une vue en coupe du systeme de protection. Des pointes en quartz ou silicium seraient faciles a fabriquer a partir d'une plaquette. La premiere operation

CHAPITRE 5. CARACTERISATION

(a) (b)

(c) (d)

Figure 5.15: a) Rupture dans le premier coude rentrant. Le stress favorise la rupture. b) La masse a disparu, il reste que les bras. Les dierents types de fracture sont presents sur la photo. c) Rupture au niveau de la masse et du deuxieme coude. d) Rupture au niveau de la masse, la pointe formee par la masse en silicium doit ^etre a l'origine de la fracture.

consiste a deposer une couche d'oxyde, puis de faire des ouvertures pour atteindre le substrat. La deuxieme operation est la gravure du substrat par la face avant pour former la cavite et les pointes. Le collage du capot a pointes sur la puce se ferait par wafer-bonding. Plusieurs techniques et interfaces de collage existent [93] [117] [53] [79], mais on abandonnera toutes les techniques qui requierent des temperatures trop elevees (collage Si-Si : 1000C). La temperature maximale autorisee ne devra pas depasser 500C car au-dela, les pistes d'aluminium du con-vertisseur fondraient [97] [13] [48] [12] .

Certaines techniques de wafer-bonding permettent de sceller des cavites sous vide [87] [19] . Si on utilise ce type de collage avec des capots integrant les pointes, on fait un grand pas vers la viabilite du composant et son industrialisation. Le composant serait un bloc de silicium facile a manipuler et dont le type de bo^tier serait sans importance.

Du point de vue radiatif les capots-pointes sont interessants si on recouvre leurs cavites d'une couche re echissante aux infrarouges. Cette couche (de l'or) re echirait le rayonnement in-frarouge emis par la masse et minimiserait ainsi les fuites thermiques par rayonnement. Le procede de fabrication des pointes serait alors le suivant :

5.2. TESTS MECANIQUES

oxyde silicium colle

masse

a)

b)

c)

Figure 5.16: Principe de fabrication des pointes. a) masquage, b) gravure, c) assemblage. a. dep^ot d'une couche epaisse d'oxyde,

b. lithographie et gravure HF pour former les ouvertures de mise a nu du silicium,

c. gravure KOH ou TMAH pour le silicium ou NH4F ,HF pour le quartz,

d. dep^ot de l'or par evaporation,

e. gravure HF pour eliminer la couche d'oxyde et de metal3 en dehors des cavites.

Inconvenients des pointes

L'utilisation des pointes pour renforcer mecaniquementla struc-ture pose quelques dicultes qui sont :

{ on ne peut contr^oler de facon precise la distance entre la pointe et la masse. Le probleme se situe essentiellement au niveau des contraintes residuelles dans les bras de la masse car ceux-ci ont tendance a soulever la masse. Les photographies 5.15 a, b, c de bras casses montrent bien ce phenomene. Du point de vue thermique, si la pointe venait a toucher en permanence le masse, on modierait la constante de temps de facon importante. Le tableau 5.2 montre les eets sur la constante de temps du convertisseur lors d'un contact prolonge entre la pointe et la masse,

{ on ne bloque la masse que sur une direction (Z),

{ la reproductibilite n'est pas garantie car les contraintes residuelles varient d'une plaquette a l'autre.

Dans le document Conception et réalisation d'un convertisseur électro-thermique à grande constante de temps en technologie microsystème pour un disjoncteur thermique (Electro-thermal converter with long time constant in microsystem technology for thermal breaker) (Page 131-134)