La stratégie de l’étude

3.3.2.1 La nano structure comme interconnexion ... 131 3.3.2.2 L’intégration d’une puce semi-conductrice ... 133

3.4 La réalisation des prototypes ... 135

3.4.1 La préparation des échantillons ... 135 3.4.2 L’assemblage par feuille pré-imprégnée ... 136 3.4.2.1 L’évaluation de l’épaisseur des pré-imprégnés ... 136 3.4.2.2 Le choix de l’épaisseur du diélectrique ... 137 3.4.2.3 Le procédé d’assemblage d’une interconnexion ... 138 3.4.2.4 L’analyse électrique des prototypes assemblés ... 142 3.4.3 L’assemblage avec un laminé ... 143 3.4.3.1 La puce ou composant factice ... 143 3.4.3.2 La fabrication du laminé diélectrique ... 144 3.4.3.3 Le procédé d’assemblage avec une puce ... 147 3.4.3.4 L’analyse et comparaison électrique du prototype ... 149 3.4.3.5 L’examen et mesures par coupe micrographique ... 151

3.5 La caractérisation électrique ... 153

3.5.1 Les différentes combinaisons de mesure ... 154 3.5.2 La description du dispositif expérimental ... 156 3.5.3 L’élaboration du protocole de caractérisation... 157 3.5.3.1 La mesure de résistance par inversion de polarité ... 157 3.5.3.2 La thermalisation des échantillons ... 158 3.5.4 Les mesures de résistance ... 161 3.5.4.1 Les interconnexions ... 161 3.5.4.2 Les puces interconnectées ... 162 3.5.4.3 L’interprétation des résultats ... 163 3.5.5 La thermographie à détection synchrone ... 164

3.6 La caractérisation thermique ... 167

3.6.1 Le calcul de la résistance thermique surfacique ... 167 3.6.2 La première méthode avec les échantillons à substrats unitaires ... 168 3.6.2.1 Le principe de la mesure électrothermique ... 168 3.6.2.2 Le banc d’essai pour la caractérisation thermique ... 169 3.6.2.3 L’analyse du protocole expérimental ... 171 3.6.3 La seconde méthode par intégration d’une diode ... 173 3.6.3.1 Le substrat avec drains thermiques ... 173 3.6.3.2 L’intégration du composant actif ... 175

3.1 Introduction

La solution proposée s’appuie sur deux technologies que nous avons sélectionnées et présentées lors du premier chapitre : les circuits imprimés et les nano fils en cuivre. Au cours du second chapitre, la compatibilité de ces deux technologies a été démontrée par la faisabilité d’une nano structure sur substrat PCB et ce en utilisant uniquement des équipements usuels actuellement présents au sein des chaines de production de circuits imprimés, à l’exception de l’utilisation d’une membrane nano poreuse. Nous sommes en mesure de réaliser, à façon sur des substrats PCB, des plots en cuivre recouverts de nano fils de même matériau et d’une épaisseur donnée ce qui constitue une grande avancée dans nos travaux.

Cependant, ces substrats recouverts de leur nano structure sont initialement destinés à la fabrication de module de puissance et à l’intégration de composants actifs. Dorénavant, nous devons mettre en place un procédé d’assemblage permettant d’utiliser les nano structures sur leur substrat respectif, comme éléments d’interconnexion d’interrupteurs de puissance par enfouissement en environnement PCB. À cela s’ajoute la caractérisation de cette nouvelle architecture de module de puissance. Ces assemblages devront pouvoir nous permettre de déterminer les caractéristiques de la solution proposée. C’est à travers ce troisième chapitre que nous essayerons de répondre à ces questions.

3.2 La conception

Avant de développer l’assemblage des prototypes et leur caractérisation, nous allons expliquer, en détails, la conception de notre substrat précédemment utilisé pour le dépôt des nano structures. Lors du second chapitre, nous avons présenté le substrat en Figure 2.44 (c) avec ses deux arrivées de courant et sa zone de travail. Néanmoins, il doit également offrir la possibilité d’être assemblé en vue de caractériser notre structure en tant qu’interconnexion enfouie destinée aux modules de puissance.

3.2.1 Le design du substrat

Etudions la Figure 3.1 (a), on peut voir une piste, une constriction (R), sur laquelle une surface de cuivre nu, sans micro-gravure, est présente.

(a) (b)

Elle constitue notre zone de travail sur laquelle nous procédons à l’élaboration de notre interface structurée et est directement reliée aux connecteurs que nous utilisons pour polariser notre substrat (F1, F2). On visualise également deux pistes avec une empreinte en extrémité afin de réaliser nos futures mesures. Le cuivre restant est quant à lui micro-gravé afin d’augmenter sa rugosité et donc améliorer l’adhérence de la surface pour son assemblage via un pré-imprégné. Sont présents, par la même occasion, des perçages afin de permettre l’implémentation du substrat sur l’ensemble des supports de nos équipements et appareils de mesure. La Figure 3.1 (b) montre la face opposée, non fonctionnalisée et constituée de cuivre « plein » sans traitement par micro-gravure. Du point de vue électrique, la configuration de ce substrat nous permet de faire des mesures de résistance précises, par méthode quatre fils, de notre constriction (R).

Figure 3.2 – Schéma électrique équivalent du substrat PCB

Nous avons mesuré sa résistance électrique en fonction de la température que nous avons comparée aux données obtenues par simulation avec le logiciel COMSOL Multiphysics® et à son modèle analytique d’après les relations permettant de connaitre sa résistance en fonction de sa résistivité Figure 3.3 (b) et de la température Figure 3.3 (c).

(a) 𝑅25= 𝜌𝐶𝑢.^𝐿 𝑆 𝜌_𝐶𝑢= 17 ×  10−9 𝛺. 𝑚 @ 25 °𝐶 (b) 𝑅𝑇 = 𝑅25. (1 + 𝛼. [T − 𝑇0]) 𝑅_𝑇= 𝑅₂₅. (1 + 𝛼. ΔT) 𝛼 = 3.9 × 10-3 K-1 (c) (d)

Figure 3.3 – Courbes de la résistance de notre piste « R » en fonction de la température (a), loi physique de la résistance en fonction de la résistivité (b) et de la température (c) ainsi que

La Figure 3.3 (a) montre un écart d’environ 15 µΩ entre la théorie et notre mesure que nous expliquons par une géométrie de la piste légèrement différente et due au procédé de gravure chimique du cuivre ; en effet, généralement, le pied des pistes est légèrement sous-gravé en comparaison aux bordures en surface. Ce phénomène est bien connu dans la fabrication des circuits imprimés [306], [307] et fait l’objet de travaux spécifiques [308]. À cela s’ajoutent les incertitudes machines, de placement de masques, etc. Nous sommes donc en mesure de connaitre la température de notre piste en fonction de sa résistance et réciproquement. On peut facilement envisager d’utiliser notre constriction comme capteur de température mais aussi comme source de chaleur. Nous développerons cette caractéristique au cours de ce chapitre. Néanmoins, cette explication a pour objectif la bonne compréhension de la conception de notre substrat.

Revenons rapidement à l’élaboration de l’interface structurée. La répartition de la densité de courant de notre constriction, Figure 3.3 (d), a également été simulée en appliquant 1A en continu. Sachant que nous réalisons notre interface structurée sur celle-ci, il est pertinent d’observer ce paramètre. On s’aperçoit qu’elle est relativement homogène exceptée au niveau des angles. Pouvant contribuer aux effets de pointes lors du procédé de dépôt électrolytique, cela justifie l’arrondissement des angles de notre film photosensible ; voir Figure 2.47 (a).

3.2.2 Le principe d’assemblage

Maintenant que nous connaissons le design de notre substrat, nous pouvons aisément aborder sa fonctionnalité dans un assemblage en vue d’utiliser nos interfaces structurées comme interconnexion. Cependant, sa conception ne se limite pas aux caractéristiques présentées lors de la section précédente.

(a) (b)

Figure 3.4 – Deux substrats unitaires avec leur face fonctionnelle en regard l’un de l’autre (a) et principe d’assemblage avec seulement une nano structure (b)

Nous avons vu que pour réaliser un assemblage, d’une puce par exemple, nous devons thermo-compresser deux substrats équipés de leur nano structure de part et d’autre de cette dernière. L’avantage de notre substrat réside dans sa conception de façon à pouvoir réaliser des assemblages à partir d’un substrat unitaire.

(a) (b)

(c)

Figure 3.5 – Reprises de contact par languette pour appliquer le courant et empreintes pour la mesure de différence de potentiel avec le substrat « b » et le substrat « a » (a) après retournement de l’ensemble (b) ainsi que le circuit électrique équivalant du principe

De par leur symétrie avec une simple rotation de 180° d’un des deux substrats par rapport à l’autre et leur face fonctionnelle au regard l’une de l’autre, nous avons la possibilité de réaliser des interconnexions par nano structure en environnement PCB. La Figure 3.4 représente le principe de notre assemblage avec notre substrat unitaire. Par souci de simplification, nous nous affranchissons du matériau diélectrique permettant l’assemblage final et l’isolation électrique, de même pour la puce que nous verrons par la suite. À titre d’exemple pour notre explication, nous allons mettre au regard du substrat « a », équipé d’un plot recouvert de nano fils, un substrat « b » dit nu c’est-à-dire sans nano structure comme le montre la Figure 3.1 (a).

Regardons de plus près les connectiques de nos deux substrats. La Figure 3.5 (a) met en évidence l’accessibilité aux connectiques du substrat « a », à savoir les languettes pour appliquer le courant et les empreintes pour la mesure de différence de potentiel. On remarque que les deux orifices les plus excentrés sont réalisés afin de ne pas condamner, en enfouissant les empreintes, la mesure de tension vue précédemment. Grâce à cette symétrie, nous avons accès aux mêmes reprises de contacts pour le substrat « b » comme le montre la Figure 3.5 (b). Électriquement, le schéma équivalent de notre assemblage s’apparente à celui représenté en Figure 3.5 (c), dans le cas où nous utiliserons une polarité pour chacun des substrats. Plus précisément, en alimentant ce circuit entre les bornes FXa et FXb et mesurant la tension entre

SXa et SXb, nous pouvons mesurer la résistance de Rab qui représente la jonction entre les deux

substrats soit une interface structurée dans cet exemple. Nous verrons au cours de ce chapitre que cette configuration offre de nombreux avantages.

3.3 L’analyse préliminaire

Nous savons que la réalisation des assemblages consiste à évaluer la nano structure et son plot en cuivre en tant qu’interconnexion de composants actifs. La conception de nos substrats et leur principe d’assemblage nous permettent d’effectuer des mesures de résistances précises par méthode quatre fils mais également d’utiliser la piste de cuivre, sur laquelle est placée notre interface structurée, comme capteur de température et/ou source de chaleur. Ces caractéristiques laissent envisager de nombreuses possibilités quant à la caractérisation. Néanmoins, nous devons définir ce que l’on souhaite caractériser et comment procéder à l’assemblage de nos prototypes.

3.3.1 La stratégie de l’étude

Nous devons, en toute logique, mettre en place un second type d’assemblage intégrant un composant à structure verticale comme représenté en Figure 3.6 (a). Il permettra de conclure sur la pertinence de la solution proposée. Beaucoup d’aspects sont à envisager, le premier étant que nous ne connaissons pas davantage les caractéristiques mécaniques qu’électriques de nos nano structures. Nous espérons bénéficier de nano fils « flexibles » afin de réduire les contraintes thermomécaniques au cours de la vie des modules de puissance, cependant nous ne savons pas si nos structures seront source de ruptures des puces lors de l’assemblage par thermo-compression.

En section 3.2.2, nous avons présenté le principe d’assemblage en s’affranchissant de la thermo-compression du matériau diélectrique intermédiaire aux substrats ainsi que de la puce pour laisser place à une seule interface structurée, soit une seule interconnexion entre substrats.

Cet exemple, permettant de simplifier notre précédente explication, se révèle être notre solution afin d’évaluer notre nano structure ; voir Figure 3.6 (b).

(a) (b)

Figure 3.6 – Schémas représentatifs en vue de coupe des structures étudiées : une puce interconnectée (a) et une interconnexion (b)

Dans un premier temps, nous traiterons les assemblages intégrant uniquement une interconnexion puis ensuite l’intégration de puce et ses deux interconnexions. Bien que connaitre la faisabilité de l’intégration d’une puce et le comportement de notre interconnexion soient tous deux capital, nous préférons commencer par enfouir uniquement une interconnexion ayant l’avantage de permettre d’ajuster nos paramètres d’assemblage afin de réduire tout risque de rupture de la puce.