Micro-commutateurs et contact métal-métal

Les micro-commutateurs, développés depuis plusieurs décennies et dont quelques-uns sont maintenant commercialisés, voient toujours leur diffusion limitée par des difficultés de fiabilisation. Si l’on s’intéresse aux micro-commutateurs ohmiques qui réalisent, en version miniature, la fonction des relais électriques communs, ces problèmes de fiabilité sont liés pour l’essentiel à la dégradation du contact électrique. Par exemple, un contacteur dont la résistance reste trop élevée lorsqu’il est fermé est défectueux.

Les faibles forces de contact dans les micro-commutateurs, contrairement aux relais à l’échelle macro, semblent compliquer les phénomènes en jeu dans le maintien des performances électriques. En particulier, les forces faibles laissent une grande importance aux effets de surface, et la rugosité des surfaces en contact peut jouer un rôle crucial. On comprend donc que la compréhension du comportement électrique d’un micro-commutateur implique l’étude du contact mécanique entre surfaces rugueuses. Les travaux de Fabienne Pennec au Laboratoire d’Architecture et d’Analyse des Systèmes (LAAS), de 2006 à 2009, ont permis de mettre en place une méthodologie d’investigation du comportement mécanique des microcontacts, par topographie AFM puis calcul par éléments finis.

Micro-commutateurs et contact métal-métal

Qu’est-ce qu’un micro-commutateur ?

Les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sont des systèmes électromécaniques, c’està-dire comportant des parties mobiles, élaborés en utilisant notamment les techniques de fabrication par couches minces. Ces techniques, initialement mises au point pour la production de systèmes microélectroniques, sont celles qui sont utilisées, par exemple, pour les microprocesseurs. Parmi les MEMS se trouvent les micro-commutateurs, aussi appelés micro-relais ou par leur dénomination anglaise : microswitches. Leur fonction est de faire commuter un signal électrique d’un chemin vers un autre grâce à des parties mobiles, à la manière d’un interrupteur.

Ces composants ont une dimension caractéristique de l’ordre de la centaine de microns. Ils sont développés pour remplacer les relais à base de semi-conducteurs: transistors, diodes, etc., par rapport auxquels ils présentent les avantages suivants (Gregori et Clarke 2006) :
• une faible consommation électrique,
• une large bande de fréquence utilisable,
• une excellente isolation à l’état ouvert,
• un affaiblissement de signal très faible, grâce à une résistance électrique faible à l’état fermé.

De plus, l’utilisation des micro-commutateurs en lieu et place des relais traditionnels se justifie aussi par (Patton et Zabinski 2005a) :
• leur petite taille,
• leur faible coût de fabrication (technique des circuits imprimés),
• un temps de réponse amélioré de plusieurs décades.

Micro-commutateurs capacitifs et microcommutateurs ohmiques 

Il existe deux types de micro-commutateurs : capacitifs et ohmiques. Les microcommutateurs capacitifs utilisent un contact entre un métal et un diélectrique, afin de réduire un gap et d’augmenter une capacité électrique. Ils sont bien adaptés aux hautes fréquences (Patton et Zabinski 2005b). Les micro-commutateurs ohmiques sont utilisés pour relier deux lignes de transmission en réalisant un contact direct métal-métal ; le signal commuté peut alors être continu ou fréquentiel. Les travaux réalisés dans cette thèse se focalisent sur l’étude du comportement des microcontacts métal-métal destinés aux interrupteurs ohmiques.

L’interrupteur est constitué d’une partie fixe (électrodes de contact et d’actionnement solidaires du wafer) et d’une partie mobile (la poutre, avec son électrode d’actionnement et son électrode de contact). A l’état ouvert, la poutre est suspendue et le signal n’est pas transmis. Lorsque les électrodes d’actionnement sont soumises à une différence de potentiel, une force électrostatique apparaît, de manière à faire fléchir la poutre suffisamment pour que les électrodes de contact se touchent. Le switch est alors à l’état fermé, et les signaux sont transmis par les électrodes de contact.

Cette structure de type « poutre » ou « cantilever » peut aussi être déclinée en structure « pont », avec l’électrode mobile ancrée sur le wafer à ses deux extrémités, et le contact disposé en son milieu.

Physique du contact ohmique 

La physique du contact dans les micro-commutateurs est un sujet non maîtrisé à l’heure actuelle. La lecture des publications récentes révèle une large incertitude quant à l’importance relative des différents phénomènes en jeu (fluage, corrosion, adhésion, fusion localisée). De même, on peut trouver des différences importantes entre le comportement des différents micro-commutateurs étudiés. Si les phénomènes physiques présents sont similaires entre un micro-commutateur et un relais conventionnel, le passage à l’échelle microscopique exacerbe certains de ces phénomènes. Du même coup, certains paramètres négligeables peuvent devenir prépondérants.

En plus, bien souvent des films de contamination et/ou d’oxyde sont présents sur les surfaces de contact. Il en résulte que le contact électrique peut être restreint aux seules zones propres. Nous remarquons donc que seule une partie infime du contact apparent permet de réellement conduire le courant. Mécaniquement, si nous négligeons l’éventuel film de contamination, la surface efficace dépend de différents paramètres : la force appliquée, la rugosité des surfaces de contact, la dureté des matériaux de contact et leur module d’Young. Enfin, comme les spots en contact sont de très petites dimensions, le mode de circulation des électrons à l’interface de contact peut changer : le transport à l’interface de contact est de type diffusif dans un relais conventionnel, alors que dans un micro-commutateur le transport peut être de type balistique.

Fiabilité des microcontacts 

Le point faible des micro-commutateurs ohmiques, qu’ils soient commercialisés ou au stade de prototype, est le manque de fiabilité de la conduction électrique entre les électrodes de contact. Les deux cas les plus fréquents de défaillance sont :
– le switch est passant même lorsqu’il n’est pas actionné, les électrodes de contact étant collées ;
– le switch est ouvert même lorsqu’il est actionné, le contact mécanique entre les électrodes ne suffisant pas à établir le contact électrique.

Comme il a été suggéré plus haut, l’étude de ces défaillances est un domaine vaste et encore très ouvert. Nous allons dans ces paragraphes uniquement évoquer la complexité des phénomènes en jeu. Le contact est la zone de constriction maximale du courant électrique. La densité de courant électrique est donc maximale dans cette zone et plus précisément, dans les aspérités en contact. En conséquence, la puissance dissipée par effet Joule y est grande et le problème couple les aspects thermiques et électriques. Par suite, le problème mécanique est largement impacté : les caractéristiques mécaniques des matériaux constituant les électrodes subissent de très grandes modifications sous l’effet des variations de température, ce qui influe sur l’écrasement des aspérités, l’étendue du contact et ses caractéristiques électriques. Au-delà de cette problématique clairement multiphysique, les scénarios de défaillance cités plus haut suggèrent des phénomènes physiques supplémentaires :
– dans le cas du collage, la fusion et la solidification du matériau en surface des électrodes, potentiellement liées à l’apparition d’arcs électriques, ou encore les forces d’attraction entre atomes ou la tension de surface due à l’humidité condensée sur lessurfaces ;
– dans le second cas, l’apparition de films isolants en surface des électrodes et éventuellement la rupture de ces films par effet mécanique lors du contact.

Table des matières

Introduction générale
1. Problématique et état de l’art
Nomenclature
1.1. Micro-commutateurs et contact métal-métal
1.1.1. Qu’est-ce qu’un micro-commutateur ?
1.1.2. Micro-commutateurs capacitifs et micro-commutateurs ohmiques
1.1.3. Physique du contact ohmique
1.1.4. Fiabilité des microcontacts
1.1.5. Matériaux pour le contact ohmique
1.2. Théories et modélisation du contact mécanique
1.2.1. Contact mécanique entre deux corps lisses
1.2.1.1. Lois de comportement de matériau
1.2.1.2. Comportement élastique et contact de Hertz – modèle E
1.2.1.3. Comportement parfaitement plastique – modèle P
1.2.1.4. Comportement élastique – parfaitement plastique
1.2.1.4.1. Modèle CEB
1.2.1.4.2. Modèle ZMC
1.2.1.4.3. Modèles basés sur des simulations éléments finis
1.2.1.5. Comportement élastoplastique – Effet de l’écrouissage
1.2.2. Contact mécanique entre surfaces rugueuses
1.2.2.1. Modèles basés sur une description statistique
1.2.2.1.1. Description statistique de surface rugueuse
1.2.2.1.2. Contact mécanique de modèle statistique
1.2.2.1.3. Limitations des modèles statistiques
1.2.2.2. Modèles basés sur une description fractale
1.2.2.2.1. Description fractale de surface rugueuse
1.2.2.2.2. Contact mécanique dans le cas d’un modèle fractal
1.2.2.3. Modèle multi-échelle
1.2.2.4. Modèles déterministes
1.2.2.4.1. Mesure de la rugosité
1.2.2.4.2. Méthode déterministe d’Achkar et Pennec
1.2.3. Fluage des aspérités
1.3. Calcul de la résistance électrique de contact
1.3.1. Résistance électrique de constriction
1.3.1.1. Cas d’un spot unique de contact
1.3.1.1.1. Spot de forme circulaire
1.3.1.1.2. Influence de la forme du spot
1.3.1.1.3. Influence de la forme des aspérités
1.3.1.2. Cas de plusieurs spots
1.3.1.2.1. Régime diffusif
1.3.1.2.2. Régime balistique
1.3.1.2.3. Régime mixte
1.3.1.3. Effet de couche mince
1.3.1.4. Contacts multicouches
1.3.2. Oxydes et contaminants de surface
1.3.2.1. Caractérisation des films d’oxyde ou de contaminants
1.3.2.2. Calcul de résistance totale
1.3.2.2.1. Travaux de Holm
1.3.2.2.2. Modèle de Nakamura
1.3.2.2.3. Modèle de Kogut
1.3.2.2.4. Conclusion
1.4. Physique thermoélectrique du contact
1.4.1. Introduction
1.4.2. Température au niveau du contact
1.4.2.1. Théorie classique
1.4.2.2. Cas des spots de contact de très petite dimension
1.4.3. Champs de température et de potentiel électrique
1.4.3.1. Contact monométallique
1.4.3.2. Contact Bimétallique
1.4.4. Modélisation multiphysique du contact
1.5. Conclusions
1.6. Bibliographie du Chapitre 1
2. Modélisation mécanique du contact
Nomenclature
Introduction
2.1. Développement d’un outil de modélisation du contact
2.1.1. Description de la méthode de Pennec
2.1.2. Simplifications des modèles de Pennec
2.1.3. Résultats et conclusions obtenus par Pennec
2.1.3.1. Validation des simplifications
2.1.3.2. Validation de la méthode de simulation par des mesures expérimentales
2.1.4. Amélioration du modèle
2.1.4.1. Limites du modèle d’analyse EF de Pennec
2.1.4.2. Loi de comportement du matériau
2.2. Validation par indentation d’échantillon
2.2.1. Expérimentation réalisée
2.2.1.1. Protocole expérimental
2.2.1.2. Analyse des résultats expérimentaux
2.2.2. Modèle numérique
2.2.2.1. Relevé AFM
2.2.2.2. Description du modèle EF
2.2.3. Comparaison simulation-expérimentation
2.2.4. Discussion sur le modèle EF
2.2.4.1. Comparaison BISO / MISO
2.2.4.2. Influence de la résolution du maillage
2.2.4.3. Influence des propriétés du matériau
2.2.5. Conclusion
2.3. Validation par l’expérimentation sur micro-commutateur
2.3.1. Description de l’essai micro-flexion et résultats de mesures
2.3.2. Analyse par élément finis
2.3.2.1. Modélisation du contact entre la pointe et le pont
2.3.2.2. Modélisation du contact entre le pont et le plot
2.3.2.2.1. Description de relevé AFM pour le plot
2.3.2.2.2. Modèle EF : mise en œuvre
2.3.2.2.3. Modèle EF : résultats
2.3.2.3. Modèle global
2.3.2.4. Comparaisons modèle-expérience
2.3.3. Influence de la rugosité du pont
2.3.3.1. Comparaison des relevés AFM de la surface inférieure du pont
2.3.3.2. Modèle EF rugueux-lisse
2.3.3.3. Modèle EF comparaisons : entre rugueux-lisse et rugueux-rugueux
2.4. Etude sur le comportement mécanique de contact
2.4.1. Etat de l’art sur le problème de chargement-déchargement
2.4.2. Préparation des modèles
2.4.2.1. Description du modèle réduit
2.4.2.2. Modélisation du modèle de contact équivalent : lisse-lisse
2.4.3. Influence de la rugosité pour le contact Au-Au
2.4.3.1. Influence de la finesse de maillage
2.4.3.2. Influence de la hauteur des aspérités
2.4.4. Influence de la rugosité pour le contact Ru-Ru
2.4.4.1. Influence de la finesse de maillage
2.4.4.2. Influence de la hauteur des aspérités
2.4.5. Conclusion – Rugosité et contact mécanique
2.5. Conclusion
2.6. Bibliographie du Chapitre 2
3. Modélisation mécano-électrique
Nomenclature
Introduction
3.1. Méthode A – calcul EF mécanique, calcul analytique de RCE
3.1.1. Mise en œuvre : Calcul analytique de RCE
3.1.2. Résultats et discussions
3.1.2.1. Influence de la rugosité sur la RCE
3.1.2.1.1. Contact Au-Au
3.1.2.1.2. Contact Ru-Ru
3.1.2.2. Evolution des spots de contact
3.1.2.2.1. Discussion des résultats EF
3.1.2.3. Conclusions
3.2. Méthode B – Simulations multi-physiques
3.2.1. Approche directe
3.2.1.1. Description du modèle EF
3.2.1.2. Validation du modèle et résultats de simulations
3.2.1.2.1. Comportement mécanique
3.2.1.2.2. Comportement thermoélectrique
3.2.1.3. Limitations – approche directe
3.2.1.4. Conclusions – approche directe
3.2.2. Approche séquentielle
3.2.2.1. Description du modèle EF
3.2.2.2. Mise au point : paramètre PINB
3.2.2.3. Validation sur modèle lisse-lisse
3.2.2.3.1. Comportement mécanique
3.2.2.3.2. Comportement thermoélectrique
3.2.2.4. Résultats avec le modèle de contact rugueux
3.2.2.5. Conclusion – méthode de couplage séquentiel
3.2.3. Conclusion – calcul multiphysique par EF
3.3. Conclusion
Conclusion générale

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