en fr Study of the electrical contact failure modes in a MEMS switch Etude des mécanismes de défaillance du contact électrique dans un micro-interrupteur en technologie MEMS Reportar como inadecuado




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1 CEA-LETI - Laboratoire d-Electronique et des Technologies de l-Information

Abstract : The objective of this work is to increase the reliability of a MEMS switch developed by Schneider Electric in collaboration with the CEA-Leti. The actual lifetime of the switch is higher than the state of the art but is limited by the degradation of its electrical contact. The first part of this thesis deals with the analysis of the failure modes encountered during hot switching testing of the devices. Five main mechanisms have been highlighted and depend on the contact material used Ru or Au and the test voltage-current. The second part of the work presents the development of an original setup dedicated to evaluate the endurance of new contact materials. The setup has been fully developed, built and tested during this PhD work and is able to perform millions of cycles while varying many test conditions. The third part of this thesis focuses on the study of the very last step before closure of a micro-contact, thanks to a modified AFM. Fowler-Nordheim electronic emission has been underlined when contacts are separated from only a few tens of nanometers. This electronic emission leads to the damage of the contact materials and a net material transfer from anode to cathode has been revealed. Finally, the results of this work are used to establish a conception guidebook for highly reliable microswitches, which the next generation of devices will benefit from.

Résumé : Le but de cette thèse est l-amélioration, en termes de performances et de fiabilité, du contact électrique d-un micro-interrupteur en technologie MEMS. Ces travaux s-inscrivent dans le cadre d-une collaboration entre la Direction de l-Innovation de Schneider Electric et le Département d-Intégration Hétérogène sur Silicium du CEA-Leti. De cette collaboration a résulté un micro-interrupteur MEMS dont la fiabilité est supérieure à l-état de l-art mondial. Sa durée de vie est cependant limitée par la dégradation de son contact électrique. La première partie de cette thèse a ainsi porté sur l-étude des mécanismes à l-origine des défaillances de ce contact. Les essais d-endurance électrique avec courant coupé « hot switching » réalisés directement sur les prototypes de micro-interrupteurs, couplés à des analyses physico-chimiques et électriques ont permis d-identifier cinq mécanismes de défaillance principaux, différant en fonction du matériau de contact utilisé et du calibre de test. La seconde partie de la thèse présente le développement d-un banc permettant d-évaluer l-endurance de nouveaux matériaux de contact en remplacement de l-or et du ruthénium utilisés dans le micro-interrupteur. Ce banc d-endurance a été intégralement développé, réalisé et testé durant la thèse. Il reproduit le fonctionnement d-un micro-contact électrique et permet de réaliser plusieurs millions de cycles de fermeture-ouverture en faisant varier de nombreuses conditions de test telles que l-atmosphère environnante. La troisième partie de ce travail porte sur l-étude des mécanismes d-établissement et d-interruption du courant lorsque l-espace inter-contacts est réduit à quelques dizaines de nanomètres. L-utilisation non conventionnelle d-un microscope à force atomique à pointe conductrice en mode approche-retrait a permis de simuler à vitesse réduite l-actionnement d-un micro-contact. Cette étude a mis en évidence un phénomène d-émission électronique Fowler-Nordheim lors des derniers instants précédant la fermeture du contact. Les conséquences de cette émission électronique sont une dégradation des matériaux de contact, aboutissant à un transfert du matériau de contact de l-anode vers la cathode. L-ensemble de ces travaux est alors utilisé dans le chapitre de conclusion pour définir les règles de conception d-un micro-contact fiable.

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Keywords : MEMS switch MEMS relay electrical micro-contact reliability

Mots-clés : micro-interrupteur relais MEMS micro-contact électrique fiabilité switch microswitch mems contact électrique micro-relais





Autor: Vincent Maxime -

Fuente: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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