Pâtes à braser à base d'oxalate d'argent pour applications électroniques fortement dissipatives : de l'intérêt des particules nanométriques issues de la décomposition de l'oxalate d'argent

Texte intégral

(1)THÈSE En vue de l'obtention du. DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l'Université Toulouse III - Paul Sabatier Discipline ou spécialité : Sciences et Génie des Matériaux. Présentée et soutenue par Kateryna Kiryukhina Le 24/01/2014 Pâtes à braser à base d’oxalate d’argent pour applications électroniques fortement dissipatives : de l’intérêt des particules nanométriques issues de la décomposition de l’oxalate d’argent.. JURY M. Dominique de Caro M. Sylvain Jouanolle M. Yannick Champion M. André Ayral M. Philippe Tailhades M. Jacques Lacaze M. Frédéric Courtade Mme Sophie Dareys M. Olivier Vendier Mme Lidwine Raynaud. (Président du Jury) (Examinateur) (Rapporteur) (Rapporteur) (Invité) (Invité) (Invité) (Invitée) (Invité) (Invitée). Ecole doctorale : Sciences de la Matière Unité de recherche : CIRIMAT UMR CNRS 5085 Directeur(s) de Thèse : M. Philippe Tailhades, M. Jacques Lacaze Rapporteurs : M. Yannick Champion, M. André Ayral.

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(4) Remerciements Cette thèse a été réalisée au service Assurance Qualité et Laboratoire d’Expertise du Centre National des Etudes Spatiales (CNES) de Toulouse, ainsi qu’au Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT), en collaboration avec Thales Alenia Space Toulouse. Elle n’aurait pu être menée à terme sans l’aide de nombreuses personnes, qui ont encouragé ce travail en y apportant leur soutien scientifique et leur dimension humaine. A ce titre, je tiens à remercier Monsieur Philippe Tailhades et Monsieur Jacques Lacaze du CIRIMAT pour la direction de cette thèse, leur accompagnement sur ses différents aspects et leur enthousiasme critique. Des remerciements tout particuliers vont également à Monsieur Frédéric Courtade du CNES pour son encadrement, ses conseils et sa disponibilité tout au cours de cette étude, ainsi qu’à Madame Sophie Dareys pour son suivi et ses encouragements. Au sein du CNES, j’aimerais remercier également Monsieur Francis Pressecq, pour l’excellent accueil que j’ai reçu dans son service au cours de ces trois années. Je tiens à exprimer ma reconnaissance à Monsieur André Ayral et Monsieur Yannick Champion pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail en acceptant de rapporter ce manuscrit. Dans l’équipe CNES, un grand merci à Guy Perez pour ses discussions enrichissantes, à Patrick Nguyen pour sa recherche de structures cristallographiques exotiques, à Philippe Perdu pour ses conseils, ainsi qu’à Guillaume Bascoul, Fréderic Bourcier, Kevin Sanchez, Nicolas Courjault et Nina Menant, et également à tous les stagiaires rencontrés au cours de ces trois années, pour l’ambiance conviviale au quotidien et les nombreuses discussions, scientifiques ou non. Dans l’équipe FIALAB, je tiens à remercier Cédric Seguineau, Jérèmie Dhennin, Djemel Lellouchi, Romain Petre-Bordenave et Magali Barènes pour leur disponibilité, leurs indispensables conseils et leur bonne humeur. Un grand merci à Hélène Chauvin, Vanessa Chazal, Christophe De Nardi et Maryline Olle et Fabien Messager de l’équipe Thales pour leur aide sur les aspects expérimentaux. Enfin, mes remerciements s’adressent à l’ensemble des personnes que j’ai côtoyé au Laboratoire d’Expertise durant ces trois années, des sociétés CNES, THALES, FIALAB et INTRASPEC TECHNOLOGIES. Dans l’équipe CIRIMAT, des remerciements tout particuliers vont à Hoa le Trong pour la richesse de sa collaboration scientifique et son enthousiasme contagieux. Merci également à Benjamin Duployer et Christophe Tenailleau pour leur aide. Un grand merci à Olivier Vendier de Thales Alenia Space pour l’encadrement de cette thèse. Je remercie également Lidwine Raynaud, Antoine Renel et Michel Picard pour leur aide et leurs idées originales.. 1.

(5) Au Center for Device Thermography and Reliability de l’Université de Bristol, j’aimerais exprimer ma sincère reconnaissance à Mustapha Faqir, Russel Kroll et Martin Kuball pour leur précieuse collaboration et leur intérêt pour ce travail. Enfin, je tiens à des adresser des remerciements tout particuliers à mes proches et à mes amis, de m’avoir soutenu, encouragé et, occasionnellement, supporté tout au long de cette thèse..

(6) Table des matières Introduction ........................................................................................................................................ 17 1. Introduction Bibliographique...................................................................................................... 20 1.1. Contexte de l’électronique spatiale et motivation de la recherche ............................. 21. 1.1.1. L’environnement spatial ............................................................................................. 21. 1.1.2. Revue des méthodes de packaging aux interfaces de premier niveau ........................ 30. 1.1.3. Besoins technologiques et défis actuels ..................................................................... 40. 1.2. Nanomatériaux ........................................................................................................... 43. 1.2.1. Propriétés des matériaux à l’échelle nanométrique .................................................... 43. 1.2.2. Abaissement du point de fusion et mécanisme de frittage ......................................... 47. 1.2.3 Aspects sécurité et contraintes liées à une utilisation industrielle des poudres nanométriques ............................................................................................................................. 51 1.3. 2. Oxalate d’argent ......................................................................................................... 54. 1.3.1. Oxalates de métaux de transitions : généralités.......................................................... 54. 1.3.2. Propriétés physico-chimiques de l’oxalate d’argent................................................... 59. 1.3.3. Etude de la structure cristalline de l’oxalate d’argent ................................................ 60. 1.3.4. Mécanisme de décomposition de l’oxalate d’argent en atmosphère neutre ............... 64. 1.3.5. Etudes complémentaires : atmosphères complexes et additifs ................................... 67. Techniques Expérimentales ........................................................................................................ 72 2.1. Préparation des matériaux .......................................................................................... 73. 2.1.1. Synthèse de l’oxalate d’argent.................................................................................... 73. 2.1.2. Préparation de suspensions et mise en œuvre............................................................. 74. 2.1.3. Frittage ........................................................................................................................ 75. 2.2 2.2.1. Méthodes d’analyse thermique ................................................................................... 77 Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ............................................................. 77 3.

(7) 2.2.2. Analyse thermogravimétrique (TGA) ........................................................................ 78. 2.2.3. Analyse thermodilatométrique ................................................................................... 78. 2.2.4. Analyse thermomécanique (TMA) ............................................................................. 78. 2.2.5. Analyse mécanique dynamique (DMA) ..................................................................... 78. 2.3 2.3.1. Microscopie électronique à balayage (MEB) ............................................................. 79. 2.3.2. Méthodes d’analyse associées à la microscopie électronique .................................... 80. 2.3.3. Préparation d’échantillons pour la microscopie électronique .................................... 81. 2.4. Méthodes de mesure de propriétés thermiques .......................................................... 84. 2.4.1. La thermographie IR micro-Raman intégrée .............................................................. 84. 2.4.2. Mesure de conduction à l’état stationnaire ................................................................. 87. 2.4.3. Mesure de conductivité thermique par caméra infra-rouge ........................................ 88. 2.5. Caractérisation mécanique.......................................................................................... 90. 2.5.1. Essais mécaniques de cisaillement ............................................................................. 90. 2.5.2. Caractérisation par nano-indentation.......................................................................... 90. 2.6. Essais de fiabilité spatiale ........................................................................................... 91. 2.6.1. Chocs thermiques ....................................................................................................... 91. 2.6.2. Evolution des interfaces ............................................................................................. 91. 2.6.3. Tests de migration électrochimique de l’argent ......................................................... 91. 2.7. 3. Microscopie électronique et techniques associées ..................................................... 79. Autres techniques ....................................................................................................... 93. 2.7.1. Diffraction de rayons X (DRX) .................................................................................. 93. 2.7.2. Radiographie X........................................................................................................... 93. 2.7.3. Imagerie confocale chromatique ................................................................................ 94. 2.7.4. Microscopie Acoustique à Balayage .......................................................................... 94. Etude de l’oxalate d’argent ......................................................................................................... 96.

(8) 3.1. 4. 3.1.1. Exothermicité ............................................................................................................. 97. 3.1.2. Arrêts de la réaction.................................................................................................. 102. 3.1.3. Maintiens isothermes ................................................................................................ 107. 3.2. Effet de l’atmosphère ............................................................................................... 111. 3.3. Autres modes de décomposition............................................................................... 113. 3.4. Propriétés magnétiques de l’argent nanométrique. .................................................. 118. 3.5. Conclusions du chapitre 3. ....................................................................................... 121. Caractérisation de l’argent poreux ............................................................................................ 124 4.1. Echantillons utilisés .................................................................................................. 125. 4.2. Aspect macroscopique .............................................................................................. 126. 4.3. Aspect microscopique .............................................................................................. 131. 4.4. Propriétés mécaniques .............................................................................................. 137. 4.5. Conductivité thermique ............................................................................................ 147. 4.5.1. Thermographie IR micro-Raman intégrée................................................................ 147. 4.5.2. Mesure de conduction à l’état stationnaire ............................................................... 152. 4.5.3. Mesure de conductivité thermique par caméra infra-rouge ...................................... 158. 4.6. Conductivité électrique ............................................................................................. 159. 4.7. Pistes d’amélioration du procédé de brasage............................................................ 162. 4.7.1. Réalisation de préformes .......................................................................................... 162. 4.7.2. Utilisation d’une atmosphère réductrice ................................................................... 165. 4.8 5. Mécanisme de la décomposition thermique ............................................................... 97. Conclusions du chapitre 4. ....................................................................................... 166. Fiablité des assemblages réalisés .............................................................................................. 168 5.1. Chocs thermiques ..................................................................................................... 169. 5.2. Etude de l’interface argent-or ................................................................................... 169 5.

(9) 5.3. Sensibilité de l’argent à la migration électrochimique ............................................. 174. 5.4. Conclusions du chapitre 5. ....................................................................................... 177. Conclusion générale ......................................................................................................................... 178 6. Bibliographie ............................................................................................................................ 180. 7. Annexes .................................................................................................................................... 194.

(10) Liste d’acronymes ATSM. organisme américain de normalisation des matériaux, en anglais: American Society for Testing Materials. CNT. nanotube de carbone, en anglais: Carbon Nanotube. CTE. coefficient d’expansion thermique, en anglais: Coefficient of Thermal Expansion. DMA. analyse mécanique dynamique, en anglais: Dynamic Mechanical Analysis. DRX. Diffraction de Rayons X. DSC. calorimétrie différentielle à balayage, en anglais : Differential Scanning Calorimetry. EBSD. diffraction d’électrons rétrodiffusés, en anglais : Electron Backscatter Diffraction. ECSS. norme spatiale européene, en anglais: European Cooperation for Space Standardization. EDX. analyse dispersive en énergie, en anglais: Energy-Dispersive X-ray spectroscopy. FIB. faisceau d’ions focalisés, en anglais: Focused Ion Beam. GEO. orbite géostationnaire, en anglais : Geostationary Orbit. HEMT. transistor à haute mobilité électronique, en anglais: High Electron Mobility Transistor. HPA. amplificateur de puissance, en anglais : High Power Amplifier. LEO. orbite terrestre basse, en anglais : Low Earth Orbit. MAB. Microscopie Acoustique à Balayage. MEB. Microscopie Electronique à Balayage. MESFET. transistor à effet de champ métal semi-conducteur, en anglais : Metal–Semiconductor Field Effect Transistor. MIL-STD. norme du département de la défense des États-Unis, en anglais : United States Military Standard. PEx. Plan d’Expérience. PVP. polyvinylpyrrolidone. RF. radiofréquence. STEM. microscopie électronique à balayage en transmission, en anglais: Scanning Transmission Electron Microscopy. TGA. analyse thermogravimétrique, en anglais : Thermal Gravimetric Analysis. TMA. analyse thermomécanique, en anglais: Thermomecanical Analysis. 7.

(11) Table des figures Figure 1. Contraintes liées au fonctionnement dans un environnement spatial ................................. 21 Figure 2. Orbites de satellites............................................................................................................. 22 Figure 3. Spectre électromagnétique du rayonnement solaire. .......................................................... 24 Figure 4. Principaux effets des radiations sur les circuits intégrés .................................................... 25 Figure 5. Les différents niveaux de packaging .................................................................................. 30 Figure 6. Photographie d’un hybride mettant en évidence les différents éléments de packaging de premier niveau.................................................................................................................................... 31 Figure 7. Câblage d'une puce par ball-bonding.................................................................................. 38 Figure 8. Scellement hermétique d'un composant dans un boitier unitaire ....................................... 39 Figure 9. Structure d'un HEMT AlGaN/GaN .................................................................................... 40 Figure 10. Assemblage de dispositif power bar dans son package et modélisation des températures en fonctionnement .............................................................................................................................. 41 Figure 11. Augmentation du rapport surface sur volume des nanomatériaux (source : LCC, Toulouse) ........................................................................................................................................... 43 Figure 12. Evolution du marché mondial par type de nanoparticules considérées (en millions en dollars) ............................................................................................................................................... 46 Figure 13. Diminution du point de fusion de l'or avec la taille des nanoparticules [60]. .................. 47 Figure 14. Illustration des phénomènes d'agrégation et d'agglomération et taille effective des particules [50] .................................................................................................................................... 48 Figure 15. Deux régimes de vitesse de densification et leur dépendance en fonction de la température [50] ................................................................................................................................ 49 Figure 16. Formule chimique d’un oxalate de métal M2C2O4 ........................................................... 54 Figure 17. Courbe d'analyse thermique différentielle de la décomposition de l'oxalate de zinc dihydraté dans différentes atmosphères: dans l’azote (a), en présence d’oxygène (b) et en présence d’oxygène avec une formation lente d’oxyde de zinc (c) [98]. ......................................................... 55 Figure 18. Cristal d'oxalate d'argent ................................................................................................... 59 Figure 19. Caractéristiques de l'ion oxalate dans la structure Ag2C2O4 [106] ................................... 61.

(12) Figure 20. Arrangement plan des ions dans l’oxalate d'argent (a) et structure en canaux (b) [106] . 62 Figure 21. Arrangement des atomes dans l’oxalate d’argent [106] ................................................... 63 Figure 22. Position la plus probable pour l'argent interstitiel [106]................................................... 64 Figure 23. Courbes de calorimétrie différentielle à balayage correspondant à la décomposition thermique d’oxalates d’argent dans l’azote (a), l’air (b) et l’oxygène (c) [95]. ................................. 67 Figure 24. Aspect de la poudre LE21. La poudre LE09 a une apparence parfaitement similaire à l'œil nu. ............................................................................................................................................... 73 Figure 25. Morphologies des deux lots d’oxalate d’argent utilisés: lot Ag21 préparé dans l’éthanol (a) et lot Ag09 préparé dans le butanol (b) ........................................................................................ 74 Figure 26. Aspect du film d'oxalate après l'étape de séchage. (a) présente le résultat d'un séchage uniforme;(b) et (c) la formation de bulles et de fissures. ................................................................... 75 Figure 27. Profil de température au cours du cycle de brasage. ........................................................ 75 Figure 28. Analyse de la poudre d’oxalate d’argent par DSC. .......................................................... 77 Figure 29. Principales interactions entre un faisceau électronique et la matière, servant de base aux techniques de microscopie électronique ............................................................................................ 79 Figure 30. Surfaçage réalisé par microtomie sur un échantillon de poudre d'oxalate encapsulé par la résine époxy. (a) présente la vue générale de l'appareil, (b) une vue rapprochée sur couteau ........... 81 Figure 31. Découpe d'une lame mince par FIB dans un échantillon d'argent poreux ........................ 83 Figure 32. Image MEB d'une lame mince de 55 nm découpée par FIB dans un échantillon d'argent poreux................................................................................................................................................. 83 Figure 33. Dispositif expérimental pour la mesure de conductivité thermique par thermographie micro-Raman...................................................................................................................................... 85 Figure 34. Exemple type d'un spectre Raman du GaN sur un substrat 4H-SiC ................................. 86 Figure 35. Schéma de principe du dispositif pour la mesure de conductivité thermique par conduction à l’état stationnaire (source : Université de Bristol) ........................................................ 87 Figure 36. Présentation du dispositif pour la mesure de conductivité thermique par conduction à l’état stationnaire (source : Université de Bristol) ............................................................................. 88 Figure 37. Montage expérimental pour les mesures de conductivité par caméra infra-rouge (source: Farhenheit) ......................................................................................................................................... 89. 9.

(13) Figure 38. Dendrites d’argent sur un circuit-intégré GaAs formés dans des conditions : 120°C / 100 HR / 4V / 60 min [132]. ..................................................................................................................... 92 Figure 39. Courbes obtenues par DSC et par TGA sur l’échantillon LE21 décomposé à 5°C/min sous air. .............................................................................................................................................. 97 Figure 40. Courbes de dilatométrie de l’échantillon LE21 réalisée à 6°C/min sous air. ................... 98 Figure 41. Courbes typiques de la décomposition thermique des échantillons LE09 et LE21 sous air, obtenues en DSC avec une rampe de 5°C/min représentées en fonction du temps ........................... 98 Figure 42. Courbes de la décomposition thermique des échantillons LE09 et LE21 sous air, obtenues en DSC avec une rampe de 5°C/min représentées en fonction de la température .............. 99 Figure 43. Courbes associées à la décomposition thermique de l’échantillon LE21, obtenues en DSC avec des rampes entre 5 et 20°C/min ...................................................................................... 100 Figure 44. Evolution de la température du pic principal de l’échantillon LE21 en fonction de la vitesse de chauffage. ........................................................................................................................ 101 Figure 45. Températures des arrêts de la réaction de décomposition du lot LE09, décomposé sous air à 20°C/min. ................................................................................................................................. 102 Figure 46. Températures des arrêts de la réaction de décomposition du lot LE21, décomposé sous air à 20°C/min. ................................................................................................................................. 102 Figure 47. Evolution de l'aspect des particules des échantillons LE21 (gauche) et LE09 (droite) au cours de leur décomposition thermique ........................................................................................... 103 Figure 48. Observation par microscopie électronique des nanoparticules sphériques (flèche orange) et en fer-de lance (flèche bleue) sur échantillon LE09 décomposé à 20°C/min jusqu’à 200°C. ..... 104 Figure 49. Observation par MEB des nanoparticules sphériques (flèche orange), principalement localisées sur les arrêtes et les défauts de surface des particules d’oxalate d’argent (échantillon LE09, rampe à 20°C/min jusqu’à 189°C). ....................................................................................... 104 Figure 50. Image MEB des deux régions analysées par EDX. ........................................................ 105 Figure 51. Comparaison des spectres obtenus par analyse dispersive en énergie (EDX) d'une zone contenant des nuclei sphériques (spectre 6) et d'une zone sans trace de décomposition (spectre 5) .......................................................................................................................................................... 106 Figure 52. Modification de la couleur des particules au cours de la décomposition (échantillon LE21) ............................................................................................................................................... 106 Figure 53. Spectres obtenus par DRX au cours de la décomposition de l'oxalate d'argent entre 140 et 200°C pour l’échantillon LE21 ........................................................................................................ 107.

(14) Figure 54. Evolution de l'aspect des particules des échantillons LE09 au cours de leur décomposition thermique entre 90 et 160°C avec un maintien isotherme de 10 h à chaque palier. 108 Figure 55. Evolution du réseau d'argent entre 300 et 500°C pour l'échantillon LE09 chauffé à 20°C/min .......................................................................................................................................... 109 Figure 56. Cavités observées dans une particule d'oxalate partiellement décomposée à 130°C ..... 110 Figure 57. Décomposition de l'échantillon LE21 à 5°C/min sous air et sous flux d'azote (10cc/min) .......................................................................................................................................................... 111 Figure 58. Décomposition de l'échantillon LE21 à 5°C/min sous air et sous flux d'azote (débits 2 cc/min, 10 cc/min et 15 cc/min) ....................................................................................................... 112 Figure 59. Comparaison des courbes obtenues par TGA d'un échantillon du lot LE21 fraichement préparé (en rose) et d'un échantillon exposé à la lumière pendant 8 mois (en bleu) ....................... 113 Figure 60. Apparition d'un réseau régulier de nucléi lors de l'observation au microscope électronique à balayage .................................................................................................................... 114 Figure 61. Phénomène de décomposition de l’oxalate d’argent sous l'action du faisceau d'électrons du microscope électronique sur l’échantillon LE09 (3 kV, 300 pA, 30 min) .................................. 115 Figure 62. Influence de l'intensité du faisceau sur l'aspect des particules au microscope électronique .......................................................................................................................................................... 116 Figure 63: Réseaux de nucléi obtenus après irradiation au grossissement X400 avec une exposition de 40 min à 3 kV et 260 nA. ............................................................................................................ 117 Figure 64. Aimantation en fonction du champ magnétique pour l’oxalate pur et après des traitements thermiques à 120°C pendant 10 et 65 heures. ............................................................... 119 Figure 65. Cycle d’hystérésis mesuré à la température de l’azote liquide, après traitement thermique de 20 h à 120°C et cycle corrigé en soustrayant la contribution diamagnétique: preuve d’une contribution ferromagnétique des particules d’argent. .................................................................... 119 Figure 66. Mesures de l’évolution de l’aimantation sous un champ de 20 k.Oe, en fonction de la température sur des échantillons traités dans le magnétomètre à 90°C pendant des durées variables. .......................................................................................................................................................... 120 Figure 67. Photographie de l’assemblage de substrats d'alumine dorée de dimensions 4 par 4 mm, (a) et aspect de la brasure observé par microscopie optique (b) ...................................................... 126 Figure 68. Clichés de trois échantillons réalisés par assemblage de substrats d’alumine dorée. L’échantillon (a) correspond aux conditions de brasage optimales, les échantillons (b) et (c) aux combinaisons de paramètres conduisant à des défauts. .................................................................. 127. 11.

(15) Figure 69. Cliché MAB d’un substrat d’alumine dorée seul avec un transducteur 50-50 ((a)) et avec un transducteur 30-30 ((b) et (c)). .................................................................................................... 128 Figure 70. Clichés obtenus par radiographie X des échantillons de la Figure 68. ........................... 129 Figure 71. Reconstitution 3D obtenue par profilométrique optique d'un échantillon d'alumine dorée. .......................................................................................................................................................... 130 Figure 72. Appréciation qualitative ((a)) et quantitative ((b) et (c)) du manque de planéité d’un échantillon à partir du profil 3D ....................................................................................................... 130 Figure 73. Aspect de la brasure observé par MEB sur la tranche d’un échantillon d’alumine dorée de dimensions 4 par 4 mm2. ............................................................................................................. 131 Figure 74. Estimation de la porosité de la brasure. (a) représente le cliché MEB, (b) l’image AFM correspondante du même échantillon. .............................................................................................. 132 Figure 75. Aspect du réseau d'argent et macles apparentes. (a) présente le matériau obtenu après une décomposition à 300°C. (b) représente le matériau obtenu après décomposition à 500°C. ............ 132 Figure 76. Image MEB d’une lame mince préparée par le FIB à partir de l'argent poreux. Les deux régions étudiées sont notées (a) et (b). ............................................................................................. 134 Figure 77. Image STEM mettant en évidence une région « striée » (a), cartographie EBSD correspondante mettant en évidence la phase 3C de l’argent (b) et cartographie des orientations cristallines mettant en évidence une macle (c)................................................................................. 135 Figure 78. Cartographie des orientations cristallines et mise en évidence de plusieurs macles dans la région (b) .......................................................................................................................................... 135 Figure 79. Angle de désorientation, observé le long de la ligne repérée sur la Figure 78. .............. 136 Figure 80. Radiographies X des échantillons de dimension 12 par 12 mm 2 analysés par TMA. .... 138 Figure 81. Effet supposé de la dilatation thermique sur un assemblage brasé à l’argent poreux. ... 141 Figure 82. Valeurs du module d’élasticité et du facteur de perte obtenues par DMA sur l’échantillon 1. ....................................................................................................................................................... 143 Figure 83. Schéma de l’assemblage caractérisé par nano-indentation............................................. 144 Figure 84. Détermination de la raideur de l'argent poreux par nano-indentation. ........................... 145 Figure 85. Allure de la courbe de raideur et de celle du module correspondant pour la brasure d’argent. ........................................................................................................................................... 146.

(16) Figure 86. Les substrats (a) et les puces (b) utilisées, observées sous une loupe binoculaire. La partie grisée sur le transistor représente la partie active (fragile) de la puce. La pression pourra être appliquée sur les bords uniquement. ................................................................................................ 148 Figure 87. Substrat avec puces brasées. (a) montre l’emplacement du poids entre deux substrats, (b) montre une vue rapprochée d’un substrat avec deux puces. ............................................................ 148 Figure 88. Cliché MEB d'une puce GaN brasée sur un substrat en argent-diamant (AgD) au moyen d'argent poreux. ................................................................................................................................ 149 Figure 89. Aspect et épaisseur de la brasure .................................................................................... 149 Figure 90. Thermogramme IR de la puce S2P montrant une bonne homogénéité thermique au niveau du canal................................................................................................................................. 150 Figure 91. Evolution de la température de l'échantillon S1P5 en fonction de l'énergie dissipée: mesure effectuée sur une zone centrale (a) du transistor et une zone située en périphérie (b) ........ 151 Figure 92. Evolution de la température de l'échantillon S2P5 en fonction de l'énergie dissipée: mesure effectuée sur une zone centrale (a) du transistor et une zone située en périphérie (b). ....... 151 Figure 93. Echantillons utilisés pour les mesures de conductivité thermique. ................................ 152 Figure 94. Assemblage multicouche de chaque échantillon. ........................................................... 152 Figure 95. Représentation schématique de la graisse thermique chargée en microbilles de verre assurent une épaisseur minimale de l'interface. ............................................................................... 154 Figure 96. Courbe de la température en fonction de la position pour les barreaux de 110 mm sur un support 10 mm, avec la position souhaitable des thermocouples. ................................................... 155 Figure 97. Dimensions choisies des barreaux de cuivre et emplacements des thermocouples ....... 155 Figure 98. Conductivités thermiques moyennes mesurées pour chaque échantillon (comprenant les substrats et la graisse thermique). .................................................................................................... 156 Figure 99. Conductivité thermiques des brasures de différents échantillons ................................... 156 Figure 100. Aspect et épaisseur des différentes couches sur les échantillons de cuivre tungstène . 158 Figure 101. Aspect de la préforme: film d'oxalate d'argent partiellement ou entièrement décomposé. .......................................................................................................................................................... 162 Figure 102. Microstructure de la préforme fabriquée à une température maximale de 150°C. ....... 163 Figure 103. Microstructure de la préforme fabriquée à une température maximale de 200°C. ....... 163. 13.

(17) Figure 104. Comparaison de la microstructure de la brasure réalisée sous azote (a) et sous un mélange azote-hydrogène 3 % (b). .................................................................................................. 165 Figure 105. (a) Photographie d’un assemblage de feuilles d’or et substrats d’alumine vierge utilisés au-dessus et en dessous pour simuler les conditions thermiques proches de celles du brasage des échantillons d’alumine dorée. (b) Radiographies X des échantillons réalisés de cette manière. ..... 170 Figure 106. Lame mince préparée par microtomie, mettant en évidence les contraintes subies par le réseau de particules d'argent lors de la découpe. ............................................................................. 171 Figure 107. Observation de l’interface entre un grain d’argent et l’or. L’image (a) est obtenue par MEB en électrons secondaires, l’image (b) présente une superposition de la cartographie EDX et l’image (c) montre le profil de l’or et de l’argent selon la ligne 3. .................................................. 171 Figure 108. Observation de l’interface entre des grains d’argent et l’or. L’image (a) est obtenue par MEB en électrons secondaires, l’image (b) par électrons rétrodiffusés et (c) montre la cartographie superposée. ....................................................................................................................................... 172 Figure 109. Zone d'interdiffusion entre l'or et l'argent observée par EDX. ..................................... 173 Figure 110. Schéma de montage expérimental utilisé lors du test de migration électrochimique. .. 174 Figure 111. Mise en évidence de l'électromigration d'argent sous forme de dendrites et analyse par EDX de la région concernée par l’électromigration. ....................................................................... 175 Figure 112. Croissance dendritique et dimension maximale de dendrite observée dans nos conditions expérimentales. ............................................................................................................... 176.

(18) Liste des tableaux Tableau 1. Conductivité électrique et thermique des différentes charges utilisées dans les colles à matrice époxy ..................................................................................................................................... 32 Tableau 2. Différents matériaux utilisés comme substrats dans les assemblages hybrides de puissance. ........................................................................................................................................... 37 Tableau 3. Modification de propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique ................................ 44 Tableau 4. Quelques applications de nanomatériaux à l'échelle mondiale ........................................ 45 Tableau 5. Produits de décomposition de certains oxalates de métaux en milieu inerte [98]. .......... 56 Tableau 6. Cinétique des réactions de décomposition des oxalates d'argent dans différentes atmosphères gazeuses ........................................................................................................................ 68 Tableau 7. Températures initiales de décomposition et énergie d'activation de la décomposition de l'oxalate d'argent ................................................................................................................................. 70 Tableau 8. Solvants utilisés dans les synthèses de différents lots de particules ................................ 73 Tableau 9. Valeurs optimisés des paramètres expérimentaux pour le cycle de brasage. ................... 76 Tableau 10. Paramètres utilisés en DRX sur les poudres d'oxalate d'argent...................................... 93 Tableau 11. Valeurs de l'enthalpie de réaction pour les échantillons LE09 et LE21 décomposés à 5°C/min ............................................................................................................................................ 100 Tableau 12. Température du pic principal et enthalpie de réaction pour l’échantillon LE21 décomposé entre 5 et 20°C/min ....................................................................................................... 101 Tableau 13. Echantillons brasés avec la suspension d'oxalate d'argent ........................................... 125 Tableau 14. Masse maximale supportée en cisaillement par les échantillons d’alumine dorée de dimensions 4 par 4 mm2. .................................................................................................................. 137 Tableau 15. Valeurs des coefficients de dilatation α déterminés à partir de mesures par TMA pour 3 assemblages de dimension 12 par 12 mm2 et un substrat d’alumine dorée...................................... 138 Tableau 16. Calcul de l'incertitude sur l’estimation de αAg dans le cas de l’assemblage 3. ............. 140 Tableau 17. Valeurs à retenir pour le CTE de l'argent poreux (lorsqu’il n’y a pas de de risque de densification).................................................................................................................................... 141 Tableau 18. Valeurs du module d'élasticité et du facteur de perte obtenues par DMA ................... 142. 15.

(19) Tableau 19. Echantillons utilisés pour les mesures thermiques par thermographie infra-rouge microRaman .............................................................................................................................................. 147 Tableau 20. Numérotation et composition des échantillons et les épaisseurs de différentes couches .......................................................................................................................................................... 153 Tableau 21. Conductivités thermiques des brasures mesurées à partir de conductivité électriques pour les échantillons réalisés dans les conditions du plan d’expérience.......................................... 160 Tableau 22. Poids maximal supporté en cisaillement pour les échantillons après chocs thermiques. .......................................................................................................................................................... 169.

(20) Introduction. INTRODUCTION. Les problématiques liées à la dissipation thermique se rencontrent dans de nombreux domaines et peuvent concerner, entre autres, les systèmes mécaniques, électroniques et optoélectroniques, avec des conséquences directes sur leur dimensionnement, leurs performances et leur pérennité. Dans le secteur électronique, la dissipation thermique représente un enjeu d’autant plus important que les dernières décennies ont vu une miniaturisation rapide des équipements électroniques, devenue aujourd’hui une facette importante de la compétitivité. Dans l’industrie spatiale, la miniaturisation agit directement sur l’aspect économique d’un programme avec des gains de coûts au lancement très significatifs (12 à 20 k€ par kg). Dans le domaine des composants hyperfréquence nouvelle génération, les technologies de fabrication des transistors de puissance basées sur le nitrure de gallium (GaN) ont fait une percée remarquable, avec des performances permettant d’accroitre le gain de puissance d’un ordre de grandeur par rapport aux solutions actuelles, basées sur les semi-conducteurs de type arséniure de gallium (GaAs). Cette augmentation de densité de puissance radiofréquence (RF) s’accompagne d’un dégagement de puissance thermique qu’il est nécessaire d’évacuer pour tirer pleinement profit de ces composants et assurer la fiabilité requise pour la durée des missions spatiales. Les matériaux d’interface thermique utilisés actuellement pour le report des puces ne permettent pas de répondre à ces exigences. En effet, les colles conductrices ont des performances très insuffisantes. La brasure eutectique AuSn 80-20, largement employée, dispose également de performances thermiques limitées. Les études récentes se sont essentiellement concentrées sur le développement des matériaux de semelle avec des conductivités thermiques importantes, c’est donc les propriétés thermiques du matériau utilisé pour le report de la puce de puissance sur le substrat qui deviennent le facteur limitant dans le design de ce genre d’assemblages. Des solutions alternatives sont recherchées du côté des matériaux très conducteurs tels que le cuivre, l’or, l’argent et leurs alliages. L’argent, en particulier, présente l’avantage d’être le meilleur conducteur thermique disponible sur le « marché » après le carbone diamant, les nanotubes et le graphène, mais ne peut pas être utilisé sous sa forme massive à cause de sa température de fusion proche de 1000°C, totalement incompatible avec les procédés de report de puces. Des solutions utilisant le frittage de microparticules d’argent existent, mais pour s’affranchir de températures de mise en forme trop élevées, elles ont recours à l’application d’une pression mécanique importante, elle aussi préjudiciable à la fiabilité des composants. Les solutions plus prometteuses reposent sur l’utilisation de nanoparticules dont la mise en œuvre peut s’affranchir de températures élevées, mais nécessite l’emploi de stabilisateurs organiques et induit des contraintes de sécurité lors de leur utilisation dans un environnement industriel. Il est nécessaire alors de proposer une nouvelle méthode de report, présentant des performances supérieures aux matériaux actuels (colles conductrices et brasure AuSn). Cette méthode doit être compatible avec les procédés mis en œuvre sur les lignes fabrication d’équipements électroniques, 17.

(21) Introduction afin de faciliter le déploiement de cette technologie et répondre aux strictes exigences de fiabilité, propres à l’électronique spatiale. C'est dans ce contexte que s'inscrivent les travaux de cette thèse qui traite d'une nouvelle méthode d'assemblage à basse température et faible pression, conduisant à des liaisons à haute conductivité thermique. Cette méthode tire notamment son originalité de la création, au sein même de la brasure, de nanoparticules d'argent issues de la décomposition de particules micrométriques. Ce mémoire de thèse est organisé en cinq chapitres. La chapitre I est divisé en trois parties. La première décrit le contexte spécifique de l’électronique spatiale et les besoin inhérents à ce secteur. La seconde présente un tour d’horizon des propriétés des nanomatériaux et des solutions originales qu’ils apportent dans différents secteurs d’application, ainsi que des limitations du point de vue de la sécurité du travail et de l’environnement. La troisième partie dresse un état de l’art d’un composé chimique, l’oxalate d’argent, dont la décomposition produit de l’argent métallique à des températures modérées, après un passage par un stade nanométrique. Le chapitre II présente les techniques expérimentales utilisées pour caractériser le mécanisme de la décomposition de l’oxalate d’argent et le matériau obtenu. Le chapitre III porte sur l’étude expérimentale du mécanisme de la décomposition de l’oxalate d’argent en argent poreux et sur l’influence des conditions opératoires. La chapitre IV contient les différentes caractérisations réalisées sur l’argent poreux (utilisé comme matériau d’interface thermique), notamment du point de vue de la microstructure, des propriétés mécaniques, de la conductivité thermique et électrique, ainsi que les pistes d’amélioration par modification des conditions de brasage. Le chapitre V regroupe quelques essais permettant d’estimer la fiabilité des assemblages réalisés, compte tenu des exigences en vigueur pour la microélectronique spatiale..

(22) 19.

(23) 1 INTRODUCTION BIBLIOGRAPHIQUE.

(24) 1.1. Contexte de l’électronique spatiale et motivation de la recherche. 1.1 Contexte de l’électronique spatiale et motivation de la recherche 1.1.1. L’environnement spatial. Figure 1. Contraintes liées au fonctionnement dans un environnement spatial. Le fonctionnement en environnement spatial d’un véhicule en orbite, présente un certain nombre de spécificités par rapport à d’autres secteurs industriels. Ces spécificités sont : le vide, la microgravité, l’environnement électrisant et l’environnement radiatif, la présence de débris spatiaux, de l’oxygène atomique et d’un rayonnement ultra-violet (Figure 1). A cela s’ajoute un environnement thermique particulier. Cet environnement s’avère très sévère pour les composants électroniques, les matériaux et les mécanismes. De plus, la non-accessibilité après le lancement [1] requiert une haute fiabilité des équipements. À l’altitude des satellites (Figure 2), l’absence d’atmosphère crée une différence importante de propriétés avec l’environnement terrestre. Cette différence sera perceptible notamment en matière de vide, de rayonnements et du taux de différents éléments chimiques. L’atmosphère est composée principalement de N2 (78,110%), d’O2 (20,953%), d’Ar (0,934%), de H2O (0 à 0,7%) et de CO2 (0,1 à 0,01%). D’autres éléments tels que Ne, He, Kr, Xe, H2, CH4, SO2, O3 et NO3 sont présents à l’état de traces.. 21.

(25) 1.1. Contexte de l’électronique spatiale et motivation de la recherche. Figure 2. Orbites de satellites.

(26) 1.1. Contexte de l’électronique spatiale et motivation de la recherche. 1.1.1.1 Le vide Outre un impact physiologique sur les astronautes, l’influence du vide est également importante pour les matériaux utilisés et doit être anticipée [2]. Une très rapide dépressurisation peut causer des défauts mécaniques (décollements, déchirures des films minces..) ; cependant, c’est le dégazage qui provoque les problèmes les plus importants. En effet, tout matériau dont la pression de vapeur est supérieure à la pression ambiante s’évapore progressivement en libérant des résidus d’espèces adsorbées de poids moléculaire faible. Ce phénomène a lieu par différents mécanismes: la sublimation ou l’évaporation, la désorption superficielle des molécules physisorbées et chimisorbées, la diffusion et la décomposition (au-delà de la température critique). Dans la grande majorité des cas, la désorption des surfaces est prépondérante durant la première heure de mise sous vide, puis le dégazage est progressivement régi par la diffusion. Les cinétiques de dégazage en dépendent et peuvent aller de la sublimation à des vitesses très lentes. Du fait de la perte de masse, la stabilité des matériaux et leurs caractéristiques intrinsèques peuvent être modifiées au niveau mécanique, thermique, électrique et optique [3]. Par exemple, l’exposition au vide peut entraîner des variations dimensionnelles par assèchement des matériaux hygroscopiques, des variations d’absorbance optique, de conductivité électrique ou encore une augmentation de la température de transition vitreuse dans le cas de certains matériaux organiques. Suite à ce dégazage, les matériaux vont se retrouver dans un nouvel environnement local, aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur du satellite, et une contamination par condensation et ré-évaporation est possible. Un autre effet non négligeable dû à l’ultravide est le phénomène de grippage entre deux pièces mécaniques en contact, phénomène qui n’existe pas en présence de gaz qui jouent le rôle de lubrifiant. Pour pallier ce risque, les matériaux (ou leurs traitements de surface) et les lubrifiants doivent être choisis judicieusement [4]. Ce sont les matériaux organiques qui sont les plus touchés par les problèmes de dégazage. Ces derniers peuvent aussi concerner les matériaux métalliques lorsque leur état de surface les rend très réactifs. 1.1.1.2 La microgravité Les satellites en orbite se trouvent en situation de microgravité, c’est-à-dire dans un état de pesanteur apparente toujours faible. On réserve ce terme à l’environnement spatial dans lequel l’accélération résiduelle relative est comprise entre 10-4 et 10-8 g. Ce sont typiquement des conditions qui se rencontrent sur une orbite au-dessus de 250 km ou lors d’un voyage Terre-Lune. La microgravité est la conséquence de la vitesse orbitale du satellite. Les effets physiques de la microgravité se traduisent par deux aspects [2]: d’une part, par l’absence de phénomènes tels que la pression hydrostatique des fluides, la stratification de mélanges de densités différentes, la convection, la sédimentation, la poussée d’Archimède, et d’autre part, par l’importance des phénomènes de surface (comme la capillarité par exemple), dont la contribution peut être négligeable sur Terre. D’un point de vue matériaux, la microgravité doit être prise en compte pour le calcul des structures et des déformations des instruments, notamment optiques, qui demandent une extrême précision de mesure. De petites particules libres (par exemple des poussières) qui 23.

(27) 1.1. Contexte de l’électronique spatiale et motivation de la recherche. resteraient immobiles sur Terre car soumises à la gravité terrestre, flottent en microgravité, ce qui peut entraîner des perturbations mécaniques (blocages) ou microélectroniques (courts-circuits). Les conséquences de la microgravité peuvent être cependant mises à profit car elles donnent accès à des conditions physiques originales inaccessibles dans des conditions terrestres. Ainsi, dans ces nouveaux laboratoires spatiaux, l’absence de convection favorise l’obtention de mélanges homogènes à structure régulière lors de solidification de métaux, d’alliages ou de semi-conducteurs. La disparition d’hétérogénéités permet de mieux contrôler la fabrication de verres ou de céramiques. La croissance de monocristaux est mieux maîtrisée. En médecine et biologie, les techniques séparatives sont exceptionnellement efficaces. 1.1.1.3 L’environnement radiatif. Figure 3. Spectre électromagnétique du rayonnement solaire.. Le Soleil émet des photons dans toute les longueurs d’onde, des ondes radio jusqu’au rayonnement gamma (Figure 3). Ce rayonnement arrive quasi-perpendiculairement à la surface de la Terre et est considérablement atténué par l’atmosphère. L’environnement spatial proche de la Terre ne bénéficie pas de cette protection naturelle. Il est particulièrement agressif pour les équipements électroniques embarqués : les flux de particules radioactives sont susceptibles d’interférer avec leur fonctionnement. On évoquera ce rayonnement en 5 points : la magnétosphère, le vent solaire, les ceintures de radiations, les éruptions solaires et le rayonnement cosmique. La magnétosphère, créée par les lignes du champ magnétique propre de la planète, agit comme un écran face aux flux de particules qui pénètreraient l’atmosphère terrestre, en déviant leur parcours. Ce flux de particules est appelé le vent solaire : en période d’activité normale la couronne solaire, enveloppe gazeuse externe du Soleil, est portée à une température de l’ordre du million de degrés. L’agitation thermique qui en résulte contribue à l’éjection des constituants les plus légers dans tout l’espace interplanétaire. Ce flux ionisé est principalement constitué de protons, d’électrons et de 7 à 8 % de particules  (noyaux Hélium)..

(28) 1.1. Contexte de l’électronique spatiale et motivation de la recherche. Dans la magnétosphère, les ceintures de radiations (ou ceintures de Van Allen) constituent des zones stables et instables de piégeage des particules, essentiellement des protons et des électrons fortement énergétiques. Ces lignes de champ partent des pôles terrestres. La pénétration des particules dans la haute atmosphère par les « cornets polaires », se traduit par les aurores boréales. Les éruptions solaires sont des phénomènes fréquents (environ 10000 par an). L’activité solaire est cyclique selon une période de 11 ans (qui sont les cycles de Wolf), aux cours desquels on distingue deux périodes d’activité, l’une d’intensité maximale d’une durée de 7 ans, l’autre d’intensité minimale d’une durée de 4 ans. Durant le maximum d’activité de nombreux événements solaires accompagnés d’importants flux de particules sont constatés, avec une majorité de protons et parfois des émissions importantes d’ions lourds. Le rayonnement cosmique provient essentiellement de sources ponctuelles galactiques ou extragalactiques qui ne sont pas clairement identifiées à ce jour. Il est constitué approximativement de 83% de protons, de 3% d’électrons, de 13 % de noyaux d’hélium et de 1% d’ions lourds. Lorsqu’une particule chargée pénètre la matière, elle est freinée par interaction avec le milieu ce qui se traduit par le transfert de tout ou partie de son énergie cinétique dans la zone de pénétration. Ce transfert peut se faire par collisions électroniques ou collisions nucléaires. Parmi les effets possibles, on peut citer l’ionisation progressive du milieu (évaluée par la Dose Ionisante Cumulée ou TID pour Total Ionising Dose), l’éjection d’un noyau de sa position originelle qui altère la structure cristalline des semi-conducteurs (Défauts de Déplacement ou DD pour Displacement Damage) et l’ionisation de tout un cortège d’atomes par les ions lourds ou les protons énergétiques qualifiés d’Evénements Singuliers (SEE pour Single Event Effect). Ces effets sont résumés sur la Figure 4.. Figure 4. Principaux effets des radiations sur les circuits intégrés. 25.

(29) 1.1. Contexte de l’électronique spatiale et motivation de la recherche. 1.1.1.4 L’environnement électrisant Nous avons vu qu’au niveau des ceintures de radiations le vent solaire crée un plasma qui contient une population d’électrons et de protons piégés entre les lignes du champ magnétique terrestre. Les caractéristiques de ce plasma dépendent directement de l’activité solaire et sont très variables. Le flux de particules peut, par exemple, évoluer d’un facteur 20 en fonction de la période du cycle solaire (11 ans). Cependant, en raison de la faible énergie des particules, ces rayonnements affectent principalement les équipements électroniques par effet de charges électrostatiques. A l’altitude géostationnaire par exemple, cet environnement peut induire des différences de potentiel importantes entre les parties qui se chargent avec des cinétiques différentes. Lorsque deux parties d’un satellite, chargées à des vitesses différentes, présentent une différence de potentiel trop importante, il y a décharge (pour rétablir l’équilibre). Cette dernière peut détruire ou endommager des fonctions électroniques. 1.1.1.5 Les débris spatiaux Paradoxalement, le vide qui entoure la Terre est peuplé d’un grand nombre d’objets qui, du fait de leur vitesse très importante, représentent un risque non négligeable pour les missions spatiales en cas de collision [5]. Ces objets représentent également un risque sur Terre en cas de retombée au sol des morceaux. Ces objets peuvent être d’origine naturelle (comme des météorites ou les corps célestes qui proviennent du dégazage des comètes) ou artificielle pour les débris spatiaux crées par l’activité humaine. Dans ce dernier cas, il peut s’agir de débris opérationnels, d’étages de lanceurs ou de véhicules non fonctionnels. L’usure et le vieillissement de ces objets dans le milieu spatial, entraînent de nombreuses fragmentations et la production de plus petits débris. Pour la plupart des tailles d’objets dans l’Espace, la pollution créée par l’Homme est maintenant devenue supérieure à celle due à l’environnement naturel. Cette pollution est l’objet d’une surveillance par des moyens au sol et des moyens embarqués [6]. Des réseaux de surveillance, historiquement américain et soviétique (développés comme moyens d'alerte en cas d'attaque par des missiles balistiques), sont également mis à profit pour la surveillance des débris. Ces moyens restent cependant limités et seule une faible proportion des débris est cataloguée quotidiennement. Il s’agit de la frange d’objets ayant une taille supérieure ou égale à 10-30 cm qui évoluent sur l’orbite LEO (orbite basse, de l’anglais Low Earth Orbit), et de l'ordre du mètre pour l’orbite GEO (orbite géostationnaire, de l’anglais Geostationary Orbit). La plupart des débris artificiels sont répartis majoritairement sur les orbites utiles et présentent, à quelques exceptions près, des durées de vie très importantes, voire infinies à l’échelle humaine. A l’heure actuelle, il n’existe pas de solution technique de « nettoyage » et les seuls débris récupérables sont ceux issus de « l’usure » des orbites basses (c’est-à-dire de la perte progressive d’orbite à cause du frottement atmosphérique), qui finissent par retomber sur la Terre [7]. A titre d’exemple, à l’altitude de SPOT (Système pour l’Observation de la Terre, 800 km), la durée de vie d’un objet est d’un à deux siècles. Une prise de conscience progressive de cette problématique a conduit en 1958 à la mise en place par l’ONU d’un comité pour une utilisation propre de l’Espace : le COPUOS (Committee on the.

(30) 1.1. Contexte de l’électronique spatiale et motivation de la recherche. Peaceful Uses of Outer Space). En 1993, un autre comité international composé d'agences spatiales gouvernementales, l'IADC (Inter Agency Space Debris Coordination Committee), a été créé pour établir un consensus international en matière de politique relative aux débris spatiaux. Une harmonisation des pratiques permettant de limiter la création de débris n’est cependant pas facile car elle engendre un surcoût non négligeable pour les missions spatiales. 1.1.1.6 L’oxygène atomique La très haute atmosphère, au-dessus de 100 km d’altitude, est constituée d’espèces neutres, comme N2, O2, He, Ar, H et O. Au-dessus de 200 km, le constituant majeur de l’atmosphère est l’oxygène atomique, formé par dissociation de molécules de dioxygène sous l’effet du rayonnement ultraviolet pour les longueurs d’ondes comprises entre 100 et 200 nm. La densité de l’oxygène atomique décroît exponentiellement en altitude mais reste significative jusqu’à 1000 km. Ainsi, à l’altitude des satellites LEO (300-500 km) elle peut attendre 109 atomes par cm3 et varier d’un facteur 103 selon l’époque de l’année. L’oxygène atomique arrivant avec une vitesse élevée (8 km.s-1) provoque l’oxydation et/ou une érosion des matériaux sur les surfaces exposées, les fragilisant et modifiant leurs propriétés et leurs performances [8]. Les principaux effets à prendre en compte sont la réflexion des atomes d’oxygène, qui sont alors capables d’aller interagir avec les surfaces a priori non exposées, l’oxydation des surfaces exposées, l’émission des produits d’oxydation tels que CO, CO2, H2O et un possible phénomène de luminescence pouvant perturber les mesures optiques. 1.1.1.7 Le rayonnement ultra-violet La Terre et son environnement immédiat sont protégés par l’atmosphère qui arrête 90% des radiations fortement énergétiques en dessous de 300 nm tout en laissant passer la lumière visible et la chaleur, nécessaires aux espèces vivantes. Au-dessus de l’atmosphère, les satellites ne bénéficient plus de cette protection. Le flux important d’ultra-violets très énergétiques est mis à profit pour la récupération d’énergie par les panneaux solaires, mais il est également très agressif pour les matériaux. Les polymères notamment sont particulièrement fragiles devant ce type de dégradation : l’énergie du rayonnement UV dégrade rapidement leurs propriétés en générant des coupures de chaines et la création de radicaux libres. Les matériaux utilisés doivent donc être choisi judicieusement : certains polymères sont résistants à l’effet des ultra-violets ou peuvent en être protégés par des revêtements. 1.1.1.8 Le cyclage thermique L’absence d’atmosphère gazeuse supprime les deux processus principaux contribuant à l’équilibre thermique sur Terre : la convection et la conduction gazeuse. Les équilibres thermiques des véhicules spatiaux sont alors régis uniquement par la conduction thermique et les échanges radiatifs. Tout véhicule en orbite proche de la Terre, se trouve sous l’influence de plusieurs sources d’énergie thermique radiative : le rayonnement du Soleil direct possédant une répartition spectrale proche de la loi de Planck pour un corps noir à 5800 K, le rayonnement solaire réfléchi (ou albédo) [9], [10], le fond du ciel à une température de 3-4 K, le rayonnement tellurique (quantité d’énergie émise par. 27.