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Les micro-interrupteurs MEMS
A l’instar de son homologue macroscopique que nous connaissons tous, un microinterrupteur permet d’établir et d’interrompre un courant. Il est simplement de taille microscopique et présente de ce fait de nombreux avantages que nous aborderons dans un paragraphe suivant. La première publication d’un tel dispositif date de 1979 [Petersen1979]. L’article décrit un cantilever (poutre) en SiO2 doté d’un actionnement électrostatique et muni de contacts en or. La résistance de contact mesurée est de 5Ω. Le document conclut sur les perspectives prometteuses offertes par un tel dispositif, ainsi que sur les problèmes à résoudre quant à sa fiabilité. L’auteur émet aussi quelques doutes sur les capacités d’un micro-interrupteur à interrompre des courants, et exprime le sentiment que ce composant est plutôt destiné à des applications de commutation de petits signaux, ou nécessitant une isolation galvanique
Nous allons voir que 30 ans après, les performances et la fiabilité des micro-interrupteurs MEMS restent limitées et les applications auxquelles se destinent ces dispositifs sont bien celles qu’avait imaginées K.E. Petersen.
Avantages par rapport aux technologies existantes
La miniaturisation d’un interrupteur permet, bien évidemment, de réduire le volume occupé par le dispositif, mais ce n’est pas le principal intérêt. Cette réduction de taille passe par une fabrication en technologie silicium, et permet donc une co-intégration avec des circuits intégrés, mais surtout une production de volume à un prix considérablement réduit. La fabrication d’interrupteurs en technologie MEMS permet alors de concurrencer les relais reed et les relais électromécaniques tant d’un point de vue encombrement que prix. Un autre avantage par rapport à ces deux technologies est une vitesse de commutation accrue et une intégration plus aisée surtout vis-à-vis d’un interrupteur reed, très fragile.
Les interrupteurs statiques (SSR pour Solid State Relays), également fabriqués grâce à la mise en œuvre de technologies silicium sont de sérieux concurrents pour le relais MEMS. Ils présentent un encombrement également réduit, un coût de fabrication similaire et une vitesse de commutation plus élevée. Le principe de fonctionnement d’un tel composant lui confère à la fois ses qualités et ses défauts. En effet, aucune pièce mécanique n’est en mouvement, ce qui le rend extrêmement fiable. Mais l’absence de séparation physique entre la partie commande et la partie puissance ne permet pas d’avoir d’isolation galvanique.
L’interrupteur MEMS se présente alors comme un concurrent à toutes ces technologies (cf. Tableau 1). Il combine en effet les avantages du relais mécanique et du relais statique : petit, peu cher, rapide, une isolation galvanique et un comportement linéaire. Il peut de plus mémoriser un état (bistable), ce qui est impossible pour un relais statique Sa technologie de fabrication permet, de plus, d’envisager une multitude d’architectures (actionnement magnétique, électrostatique, thermique, bistable…) et une éventuelle cointégration avec des circuits intégrés, des filtres, ou tout autre composant réalisé en technologie silicium.
Le micro-relais électrostatique RadantMEMS
Ce micro-relais a été initialement développé à la Northeastern University (Boston, USA) dès 1997 [Zavracky1997], puis en collaboration avec Analog Devices avant d’être récupéré par Radant Technologies dont dépend maintenant RadantMEMS [Majumder2003]. Grâce à un programme de la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, initié en 2002, visant à améliorer la fiabilité des relais MEMS, le dispositif présente actuellement la meilleure durée de vie du marché [Goldsmith2007]. Le micro-relais est composé d’un cantilever en or de 7-9 µm d’épaisseur actionné grâce à une électrode inférieure (noté « gate » sur la Figure 3 – a). Une tension de 60-80 V est nécessaire pour actionner le dispositif. Le double contact métallique est recouvert d’un matériau du groupe platine, sans plus de précisions. L’originalité de la conception réside dans le fait que le cantilever, très rigide, ne vient jamais en contact avec l’électrode d’actuation. Aucun matériau diélectrique d’isolation n’est donc nécessaire, ce qui permet de limiter grandement l’apparition de charges résiduelles à l’interface électrode d’actuation / cantilever, à l’origine de défauts d’ouverture. Un tel phénomène est habituellement la cause principale de défaillance des micro-relais électrostatiques, nous le verrons plus loin.
Le relais, mesurant 1.5×1.5 mm², est protégé par un capot en silicium scellé grâce à un cordon en verre fritté et opère sous azote (cf. Figure 3 – b). La résistance de contact initiale est de l’ordre de l’ohm, avec une force de contact de 100 µN par contact. Des versions multi-contacts (jusqu’à 64) ont aussi été réalisées pour augmenter le courant maximal admissible et réduire la résistance de contact. D’un point de vue endurance le composant est capable de réaliser plus de 400 milliards de cycles sous une puissance RF à 10GHz de 0,5W [Goldsmith2007].
Ces résultats paraissent impressionnants et nous pouvons légitimement nous demander pourquoi un tel composant ne connaît pas le succès qu’il mérite. Ces performances correspondent cependant à des tests en « cold switching », c’est-à-dire que les phases d’actionnement du composant sont réalisées en l’absence de signal. Les phases de fermeture et d’ouverture sous courant -les plus dommageables pour le contact- sont donc soigneusement évitées. Si les mêmes tests sont effectués en « hot switching », donc avec un signal appliqué en permanence aux bornes du contact, les résultats sont beaucoup moins bons : dans de telles conditions, le micro-relais se révèle capable de commuter 107 fois une charge résistive de 1V/10mA et la durée de vie est limitée par l’érosion du matériau de contact [Lampen2004].
Actuellement le principal client de RadantMEMS est l’industrie militaire américaine, et la production reste donc très faible. La distribution de leurs composants en dehors des Etats-Unis était jusqu’à récemment impossible pour des raisons militaires. Depuis 2009 toutefois cette restriction a été levée, augurant peut-être une production en plus grande série.
Le micro-relais électrostatique Omron
La société Omron (Japon) a développé dès 1999 un micro-relais MEMS à actionnement électrostatique de 2×3 mm² [Komura1999]. La fabrication est complexe, un substrat de silicium SOI compose l’actionneur et porte le contact mobile. Ce substrat est tout d’abord scellé sur un substrat de verre portant le contact fixe et l’électrode d’actuation, puis le substrat SOI est aminci. Un second substrat de verre est alors scellé et joue le rôle de packaging, la cavité étant remplie d’azote sous faible pression. La tension d’actionnement est de 34 V et les contacts sont réalisés dans un alliage d’or. De la même façon que pour le composant précédent, le collage électrostatique des électrodes est évité car le dispositif est conçu pour que l’électrode supérieure ne puisse à aucun moment venir en contact avec l’électrode d’actuation. Pour y parvenir le contact est légèrement plus épais que l’électrode d’actionnement et des butées sont réalisées. La structure est de plus optimisée pour développer une force de rappel importante : 1.5mN (et 5mN de force de contact!).
Fin 2008 Omron annonce officiellement la commercialisation de ce composant en vue d’application dans des équipements de tests automatisés (ATE) [Omron2008]. La durée de vie du composant a été testée en commutant une charge résistive de 0.5V/0.5mA en hot switching et 100 millions de cycles peuvent être réalisés sans aucune défaillance ni dégradation notable de la résistance de contact (200 mΩ initialement). Pour atteindre un marché plus vaste, celui de la téléphonie mobile, un packaging céramique est développé net une configuration en commutateur de signal est testée en montant deux micro-relais dans le même boitier (5.2×3 mm²) [Uno2009]. Les performances RF ont été évaluées et s’avèrent insuffisantes pour espérer atteindre ce marché.
Il est intéressant de noter que ce composant (entre autres) a contribué à engendrer le pic de surenchère observé sur la courbe de tendance présentée en Figure 2. En 1999 ce composant était en effet annoncé avec une durée de vie de 10 millions de cycles sous 10V/10mA, durée de vie au niveau de l’état de l’art actuel, voire supérieure. Aujourd’hui le composant réalise 100 millions de cycles, certes, mais à un calibre beaucoup plus faible. La surenchère des années 2000 dans le domaine des micro-interrupteurs MEMS est aisément perceptible.
Le micro-relais électromagnétique Magfusion
Né dans les laboratoires de l’Arizona State University (Tempe, USA) en 2000, le microrelais commercialisé par la startup Magfusion (Microlab à ses débuts) était le composant le plus prometteur de l’époque. Sa production avait été confiée à PHS MEMS, startup grenobloise qui fit faillite quelques mois avant Magfusion. Mais l’histoire n’est pas terminée pour autant, le micro-interrupteur développé par Schneider Electric en partenariat avec le CEA-Leti est une version épurée de ce dispositif, comme nous le verrons dans la 3ème partie de ce chapitre.
L’originalité et l’avantage de ce micro-relais réside dans sa méthode d’actionnement [Ruan2001]. La partie mobile du dispositif est un cantilever ferromagnétique réalisé en FeNi et l’actionnement est assuré par une bobine électromagnétique planaire intégrée sur le substrat. Le cantilever ferromagnétique pivote autour de deux bras de torsion pour ouvrir ou fermer le contact électrique en fonction du sens du courant circulant dans la bobine (cf. Figure 5 – a). Un tel concept permet d’actionner le micro-relais en utilisant seulement 5-6 V et moins de 100 mA. La présence d’un aimant permanent intégré dans le packaging du composant permet d’assurer deux positions stables (ON et OFF) sans nécessiter l’application d’un courant de maintien (cf. Figure 5 – b). Le système est donc bistable et nécessite une tension de commande faible, il se démarque donc largement ses concurrents.
Limitations des interrupteurs MEMS
Différents problèmes n’ont pas permis l’essor espéré des micro-relais MEMS. Leurs performances RF sont pour l’instant assez limitées, la gamme de fréquence est encore limitée et la linéarité perfectible. En théorie toutefois ces dispositifs présentent des performances RF aussi bonnes que les relais électromécaniques et bien supérieures aux dispositifs semi-conducteurs (FET, diode PiN). Cette limitation sera donc probablement levée dans les années à venir.
Une incertitude de taille subsiste par contre sur la durée de vie de ces composants et surtout sur leur capacité à interrompre et établir des signaux de forte puissance. La longévité d’un tel composant ayant une forte tendance à diminuer proportionnellement à la puissance des signaux commutés, ces deux points sont fortement liés. Nous allons voir que deux phénomènes limitent principalement la durée de vie des relais MEMS : le chargement du diélectrique et la dégradation du contact électrique.
Nous avons vu précédemment que RadantMEMS ou Omron, pour ne citer qu’eux, ont opté pour une architecture dans laquelle la partie mobile du relais n’entre jamais en contact avec l’électrode d’actuation. Si cette astuce n’était pas mise en œuvre, un diélectrique devrait être déposé à l’interface contact mobile / électrode d’actuation pour éviter de court-circuiter le signal d’actionnement. Dans cette situation, la présence du diélectrique engendre un phénomène d’accumulation de charges qui entraîne au fur et à mesure des cycles un collage permanent des deux électrodes. Ce phénomène est un problème pour les relais MEMS à actionnement électrostatique et fait l’objet de nombreuses études, dont certaines sont menées au CEA-Leti [Koszewski2010]. Nous n’aborderons pas ce problème, d’autant plus que le micro-interrupteur que nous allons étudier possède un actionnement magnétique qui n’est pas sujet à ce type de défaillance.
Les relais MEMS commerciaux ne souffrant pas de problème de chargement de diélectrique ont une durée de vie qui est alors limitée par la dégradation de leur contact électrique. Cette constatation est systématique, et sera étudiée plus en détails dans le paragraphe suivant. Des défaillances de la structure mécanique des dispositifs ne sont jamais constatées, les systèmes mécaniques microscopiques présentant la particularité d’être très peu sensibles à la fatigue [Arzt1998, Douglass1998]. Le tableau suivant présente alors les durées de vie affichées des dispositifs actuellement commercialisés (ou qui l’étaient encore récemment).
Modèles de résistance d’un micro-contact
Les outils développés au cours des dix dernières années pour modéliser la résistance de contact d’un micro-relais s’appuient largement sur l’expérience acquise grâce aux modèles développés pour les contacts macroscopiques. La physique est la même, à l’exception près que la force de contact étant réduite, le contact électrique se fait alors uniquement sur des aspérités dont la taille est de l’ordre du libre parcours moyen des électrons dans certains cas. Ceci entraine des modes de conduction propres aux microsystèmes. De plus, cette force réduite ne permet pas de rompre à coup sûr une éventuelle couche de contamination ou d’oxyde et nous allons voir que ceci peut être problématique pour estimer la résistance d’un micro-contact.
Pour évaluer la résistance d’un contact électrique, il convient de connaître deux paramètres de premier ordre : le mode de déformation du matériau de contact et le mode de conduction électrique associé. Etudions alors en détail le modèle de résistance de contact développé par R. Coutu pour évaluer la résistance de contact d’un micro-relais [Coutu2006]. L’intérêt de ce modèle réside dans la large gamme de déformation et de modes de conduction pris en compte. Nous verrons toutefois qu’il comporte quelques lacunes, même s’il a été amélioré récemment [Coutu2009].
Déformation des aspérités
Lorsque deux surfaces sont mises en contact, ce ne sont que quelques aspérités qui se touchent initialement et se déforment. Ceci est d’autant plus vrai que les forces de contact sont faibles. Différents régimes de déformations existent alors : élastique, plastique ou élasto-plastique. Pour une aspérité donnée, le rayon r de l’aire de contact mécanique varie en fonction du régime de déformation (cf. Figure 8). Il est donc nécessaire d’établir la valeur de ce rayon r, pour chacun des régimes de déformation possibles.
Déformation élastique (Hertz) : lorsque deux surfaces dépourvues de film de contamination ou d’oxyde sont mises en contact avec une force faible, les a-spots se déforment élastiquement. L’aire de contact A, circulaire, pour un a-spot est alors donnée par l’équation suivante : A = πRα (1.1) La force de contact normale, dans ce cas-là, s’exprime suivant le modèle de Hertz [Johnson1987] :F E α Rα c ‘ 43=0.
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Table des matières
Chapitre 1 Introduction et état de l’art
1. Les micro-interrupteurs MEMS
1.1. Avantages par rapport aux technologies existantes
1.2. Aperçu du marché actuel des interrupteurs MEMS
1.2.1. Le micro-relais électrostatique RadantMEMS
1.2.2. Le micro-relais électrostatique Omron
1.2.3. Le micro-relais électromagnétique Magfusion
1.3. Limitations des interrupteurs MEMS
2. Le micro-contact électrique
2.1. Le contact électrique
2.2. Physique propre au micro-contact
2.3. Modèles de résistance d’un micro-contact
2.3.1. Déformationdes aspérités
2.3.2. Modes de conduction
2.3.3. Etude des forces et surfaces de contact
2.4. Défaillances dans les micro-relais
2.4.1. Collage des contacts
2.4.2. Transferts de matière
2.4.3. Contamination des surfaces
2.4.4. Matage mécanique des surfaces
2.5. Tentatives d’amélioration de la fiabilité
3. Le micro-interrupteur Schneider Electric / CEA-Leti
3.1. Principe de fonctionnement
3.2. Connexions électriques
3.3. Packaging
3.4. Le contact électrique
3.4.1. Calcul de la force de contact
3.4.2. Caractérisation de la résistance de contact
4. Conclusions du chapitre et perspectives
Chapitre 2 Endurance du contact électrique sur le micro-interrupteur Schneider/Leti
1. Procédure expérimentale
2. Tests d’endurance mécanique
2.1. Contacts en or
2.2. Contacts en ruthénium
3. Tests d’endurance sous 5V/1mA
3.1. Contacts en or
3.1.1. Mise en évidence des modes de défaillances
3.1.2. Transferts de matière
3.1.3. Croissance d’hillocks
3.1.4. Apparition de contamination carbonée
3.1.5. Apparition des défaillances
3.1.6. Différence entre les deux polarités
3.1.7. Nettoyage des surfaces de contact
3.2. Contacts en ruthénium
4. Tests d’endurance sous 3V / 10µA
5. Tests d’endurance sous 14V /10mA
6. Tests d’endurance en température
7. Bilan des modes de défaillance observés
8. Conclusions du chapitre
Chapitre 3 Développement d’un banc dédié à évaluer l’endurance de nouveaux matériaux de contact
1. Etat de l’art
2. Cahier des charges
3. Conception du banc de test
3.1. Véhicules de test
3.2. Actionnement
3.3. Application de la force de contact
3.4. Conception mécanique du banc
3.5. Instrumentation et pilotage
4. Caractérisation et qualification du banc
4.1. Véhicules de test
4.2. Capteur de force
4.3. Sensibilité du dispositif
4.4. Comportement en cyclage
4.5. Evaluation de la force d’impact
4.6. Qualification finale du banc
5. Application à l’évaluation du tungstène
5.1. Mesure de la résistance de contact en fonction de la force
5.2. Tests d’endurance
6. Conclusions et perspectives
Chapitre 4 Emission électronique et transfert de matière à l’échelle nanométrique
1. Etat de l’art
1.1. L’évaporation sous champ (field evaporation)
1.2. L’électromigration
1.3. Le transfert fin
1.4. L’arc électrique
1.4.1. Arc à l’ouverture
1.4.2. Arc à la fermeture
2. Mesures directes sur le micro-interrupteur
2.1. Montage expérimental
2.2. Mesures en conditions d’arc
2.3. Mesures à 5V / 1mA
2.4. Mesures à 14V / 10mA
2.5. Conclusions partielles
3. Développement d’un banc de test dédié
3.1. Cahier des charges
3.2. L’AFM à pointe conductrice
3.3. Leviers AFM
3.4. Instrumentation
3.5. Echantillons
4. Validation du banc de test
4.1. Observation d’un cycle de commutation du contact
4.2. Enchainement des commutations : cyclage
4.2.1. Levier AFM polarisé négativement (cathode)
4.2.2. Levier AFM polarisé positivement (anode)
5. Etude de la phase de fermeture du contact
5.1. Mise en évidence d’une émission électronique par effet de champ
5.1.1. Mesures sur le banc de test
5.1.2. Validation des mesures à l’oscilloscope
5.1.3. Théorie
5.2. Comparaison des matériaux
5.3. Influence de l’atmosphère
5.4. Influence de la vitesse d’actionnement
5.5. Phénomènes anodiques
5.6. Evaporation du matériau anodique
5.7. Mécanisme de transfert
5.8. Retour sur la cinétique du mécanisme de transfert
5.9. Comparaison avec un arc sous vide (vacuum arc)
6. Etude de la phase d’ouverture du contact
6.1. Mise en évidence d’un éventuel pont fondu
6.2. Conséquences sur la dégradation du contact
6.3. Emission électronique lors de la phase d’ouverture
7. Conclusions
8. Retour sur le micro-interrupteur
Conclusions et perspectives
1. Fiabilisation à 3V/5V
2. Fiabilisation à 14V
3. Et en conditions d’arc électrique ?
4. Et en RF ?
5. Et finalement
Références
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