Malgré de constantes améliorations en terme de conceptions et de performances micro-ondes, divers aspects ne sont pas encore maîtrisés et sont en cours d’investigations. C’est notamment le cas de la fiabilité. Nous allons détailler dans cette partie les différents problèmes conditionnant la durée de vie des MEMS RF.
Défaillances dues aux conditions environnementales
Un MEMS, comme tout composant électrique, doit pouvoir fonctionner dans des conditions environnementales très difficiles : températures, chocs, humidité. Ces différentes agressions ont un impact d’autant plus grand sur le fonctionnement du micro-commutateur que ce type de composant possède une partie mobile dont le comportement est susceptible d’être modifié par l’environnement dans lequel il est placé. Il est alors nécessaire de protéger le MEMS en le mettant en boîtier, évitant ainsi tout risque d’altération de sa fonctionnalité. Le packaging doit donc être hermétique et ne doit pas dégrader les propriétés avantageuses du microsystème en terme de poids, de volume, de coût et de performances hyperfréquences.
La mise en boîtier se décompose en 2 parties : l’anneau de scellement qui doit réaliser la cavité hermétique dans laquelle sera placée le MEMS et les interconnexions qui doivent amener le signal micro-onde.
Un exemple de cavité réalisée grâce à un anneau de scellement est montré en Figure 80. Ce niveau de packaging est réalisé au moyen de la technique IRS (Indent Reflow Sealing) mise au point par l’IMEC. Cette technique permet de réaliser le vide ou d’insuffler un gaz inerte à l’intérieur de la cavité pour optimiser le fonctionnement du MEMS dans une ambiance neutre.
Cependant, il est difficile d’obtenir une cavité totalement hermétique. Des études sont actuellement en cours pour améliorer l’herméticité comme par exemple le dépôt d’un matériau par-dessus le boîtier évitant toute craquelure de l’anneau de scellement ou encore l’ajout de « getters », matériaux absorbeurs d’humidité.
Figure 80 : Réalisation d’une cavité par Indent Reflow Sealing, gaz inerte ou vide à l’intérieur de la cavité (a), fermeture de l’anneau de scellement (b)
Les interconnexions micro-ondes sont un point critique car elles doivent présenter le moins de pertes possibles. En faisant passer les lignes de signal sous la cavité, une capacité est créée ayant pour effet d’introduire une fréquence de résonance inférieure à 10GHz selon les dimensions de la transition. Il est donc nécessaire de mettre au point de nouveaux types d’interconnexions. L’université du Michigan a développé des interconnexions par trous métallisés traversant le substrat. Le signal est amené par la face arrière du substrat, passe par
les vias et arrive au niveau du MEMS (Cf. Figure 81). Ce type d’interconnexions représente cependant un challenge sur les plans technologique et micro-onde.
Figure 81: Type d’interconnexions : arrivée du signal par la face arrière du substrat et par trous métallisés
Défaillances dues à la puissance micro-onde
Certaines applications nécessitent des micro-commutateurs optimisés pour la puissance. Le passage d’un fort signal micro-onde peut engendrer deux modes de défaillance : structurel et fonctionnel.
L’électromigration est un mécanisme de défaillance pouvant engendrer des modes de défaillances structurels. Ce phénomène se produit sous de fortes densités de courant pour lesquelles des atomes du matériau conducteur sont arrachés entraînant localement des circuits ouverts. Des simulations à l’aide du logiciel HFSS permettent d’observer les densités de courant sur les lignes et sur le pont et d’optimiser la conception des structures.
L’auto-activation est un mode de défaillance fonctionnel. Sous l’effet d’une forte puissance micro-onde, le pont peut s’abaisser sans l’application d’un signal DC. Pour éviter ce mode de défaillance spécifique aux fortes puissances, il est nécessaire d’optimiser la conception du micro-commutateur. Il est notamment possible de placer des contre-électrodes au dessus des électrodes d’activations (Cf. Figure 82) et d’y appliquer une polarisation DC pour maintenir le pont à l’état haut même lors du passage d’un fort signal hyperfréquence. Comme dans le cas des interconnexions pour le packaging, ceci représente un développement technologique difficile à mettre en place.
Figure 82: Micro-commutateur optimisé pour la tenue en puissance micro-onde avec contre-électrodes
Défaillances dues à la fatigue mécanique
Le fluage est un lent mouvement d’atomes sous l’effet d’une contrainte mécanique. Ceci crée une fatigue mécanique du métal se traduisant par une modification des contraintes internes, une diminution de l’élasticité et de la dureté et pouvant aller jusqu’à l’apparition de fissures.
Ces différentes étapes mécaniques sont présentées sur la Figure 83 sur laquelle sont tracées en ordonnée les contraintes appliquées à un matériau et en abscisse les déformations subies par ce dernier. On peut observer 3 zones :
- une zone élastique pour laquelle le matériau se déforme sous l’action des contraintes mais revient ensuite à son état initial.
- une zone plastique pour laquelle les déformations du matériau sont irréversibles, le pont ne revenant pas à son état initial après contraintes.
- une zone de rupture, c’est en ce point qu’intervient le fluage.
Figure 83: Courbe des déformations d’un matériau
Défaillances dues au chargement du diélectrique
Le chargement du diélectrique est le principal mécanisme de défaillance des MEMS RF capacitifs. Rappelons que pour abaisser le pont, il est nécessaire d’appliquer une polarisation DC d’au moins 20V. L’épaisseur du diélectrique placé sur la ligne afin d’éviter tout court-circuit étant de l’ordre de 0.2µm, ce dernier est alors soumis à un champ électrique supérieur à 100MV/m ce qui entraîne l’apparition de mécanismes de conduction engendrant une injection de charges et/ou un stockage de charges dans le diélectrique. Cette accumulation de charges se traduit par une perte de contrôle de la commande des MEMS RF et donc par une défaillance. Ce phénomène a fait l’objet d’une description dans ce manuscrit.
Ainsi, différents phénomènes physiques doivent être étudiés afin de comprendre et d’améliorer la fiabilité des MEMS RF. De nouveaux outils d’analyse expérimentaux ont été développés et adaptés aux spécificités des composants à investiguer.