Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Berlin.

Nürnberg, Universiẗat, Diss., 2003--Erlangen.

Techn. Universiẗat, Habil.-Schr., 2004--Chemnitz.

Techn. Hochsch., Diss., 2005--Aachen.

L’étude présentée s’inscrit dans le cadre général de l’amélioration de la fiabilité mécanique des composants électroniques. Les composants de type WL-CSP (Wafer-Level Chip-Scale Package : boîtier aux dimensions comparables à celles de la puce) sont couramment utilisés dans les appareils nomades (par exemple les téléphones) et assurent de nombreuses fonctions. La tenue dans le temps de ces appareils passe par l’allongement de la durée de vie de leurs éléments. Ce sujet est une problématique complexe car la structure des composants peut varier selon les technologies employées et nécessite des essais spécifiques, qui consomment beaucoup de temps et de ressources.Un modèle numérique est développé afin d’accélérer le développement des boîtiers de ces composants et d’optimiser les ressources disponibles. Des essais de fiabilité sont menés sur le test de chute et un banc d’essai de flexion est mis en place. Les résultats de ces essais permettent de valider la simulation numérique et de mettre au point un modèle de fatigue.D’autre part, une campagne de caractérisation des matériaux permet de déterminer les propriétés mécaniques de la structure étudiée. La caractérisation concerne notamment les couches minces pour lesquelles les propriétés mécaniques sont fortement dépendantes de leurs conditions de dépôts.Ces éléments sont incorporés dans un modèle numérique incluant un certain nombre d’hypothèses. Le modèle est confronté à l’expérience pour déterminer les constantes d’un modèle de fatigue. Ensuite, la simulation et le modèle de fatigue sont utilisés conjointement pour évaluer l’influence de paramètres géométriques et matériaux sur la fiabilité des composants de type WL-CSP. / The work described in this report is related to the mechanical improvement of electronicdevices mechanical reliability. WL-CSP (Wafer-Level Chip-Scale Package) components are widely used in handheld devices and run many functions. The longevity increase of such adevice necessarily requires progresses in its components reliability. This subject is complexas the component structure can vary depending on the employed technologies. So, it requires time and ressources.A numerical model is developed to enhance the packages development as well as available resources. Reliability tests are performed on the drop-test bench and a bend-testbench is designed. These tests provide results to validate the numerical results and to establish a fatigue model.Aside from these tests, the component materials are characterized to determine the studied structure properties. It specifically concerns the thin layers for which mechanical properties strongly depends on the deposition process. All of this is incorporated in a numerical model which includes hypotheses. The model is compared with the experiments to determine fatigue model constants. Then, modeling and experiments are used together to evaluate material and geometrical parameters influence.

Présentés pour la première fois en 1994, les transducteurs ultrasonores capacitifs micro- usinés, ou CMUTs (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers), représentent une technologie alternative aux matériaux piézoélectriques pour la transduction électroacoustique. En particulier, leur souplesse de conception et leur haut degré de miniaturisation en font des candidats privilégiés pour le développement de sondes mixtes complexes alliant thérapie et imagerie par ultrasons. C’est dans ce contexte que s’est inscrit ce travail de thèse, dédié au développement d’une première sonde CMUT mixte. Le document débute par une présentation générale de la technologie et du contexte du projet. Puis, le développement est présenté, en commençant par les étapes préliminaires de modélisation numérique jusqu’aux caractérisations les plus avancées du prototype fabriqué. Les résultats démontrent l’intérêt de la technologie pour les applications visées. / Presented for the first time in 1994, capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUT) are a promising alternative to the piezoelectric technology for electroacoustic transduction. Particularly, their intrinsic design flexibility and miniaturization capability are strong advantages for the manufacturing of high-end Ultrasound-guided Focused Ultrasound (USgFUS) probes. The work presented in this Ph.D. dissertation is devoted to the f irst development of a USgFUS CMUT probe. After a general introduction of the CMUT technology and the context of this research project, the development is reported starting from the preliminary numerical studies to the most advanced characterizations of the fabricated device. The first results demonstrate the benefits of this technology for the targeted applications.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(工学) / 乙第12493号 / 論工博第4047号 / 新制||工||1503(附属図書館) / 28243 / (主査)教授 平尾 一之, 教授 横尾 俊信, 教授 田中 勝久 / 学位規則第4条第2項該当

This work presents the development of an in-plane vertical micro-coaxial probe using bulk micromachining technique for high frequency material characterization. The coaxial probe was fabricated in a silicon substrate by standard photolithography and a deep reactive ion etching (DRIE) technique. The through-hole structure in the form of a coaxial probe was etched and metalized with a diluted silver paste. A co-planar waveguide configuration was integrated with the design to characterize the probe. The electrical and RF characteristics of the coaxial probe were determined by simulating the probe design in Ansoft’s High Frequency Structure Simulator (HFSS). The reflection coefficient and transducer gain performance of the probe was measured up to 65 GHz using a vector network analyzer (VNA). The probe demonstrated excellent results over a wide frequency band, indicating its ability to integrate with millimeter wave packaging systems as well as characterize unknown materials at high frequencies. The probe was then placed in contact with 3 materials where their unknown permittivities were determined. To accomplish this, the coaxial probe was placed in contact with the material under test and electromagnetic waves were directed to the surface using the VNA, where its reflection coefficient was then determined over a wide frequency band from dc-to -65GHz. Next, the permittivity of each material was deduced from its measured reflection coefficients using a cross ratio invariance coding technique. The permittivity results obtained when measuring the reflection coefficient data were compared to simulated permittivity results and agreed well. These results validate the use of the micro-coaxial probe to characterize the permittivity of unknown materials at high frequencies up to 65GHz.

Hexagonal molybdenum nitride (δ-MoN) is one of the hardest superconductors, and its superconducting properties depend on the crystalline structure and the substrate of use. Herein, a versatile growth method has been utilized to grow single-crystalline (SC) δ-MoN thin films on any arbitrary substrate of interest. SC δ-MoN films have been achieved on amorphous substrates via the transfer of MoS2 precursors followed by chemical phase conversion. The transferred SC δ-MoN film on an amorphous SiO2/Si substrate exhibits superconductivity at Tc = 4.75 with an upper critical field Hc2(0) = 8.24 K. The effect of the transfer process was assessed by directly growing SC δ-MoN on an Al2O3 substrate, which showed enhanced superconductivity properties due to the nonuniformity in film thickness that the transfer process induces. The crystalline structure effect on superconductivity was studied by directly growing amorphous δ-MoN film on an amorphous SiO2/Si substrate. The amorphous film showed degraded superconducting behavior and confirmed that disorders in the crystal structure suppress superconductivity. The upper critical fields of the non-transferred δ-MoN films exceeded their Pauli paramagnetic limits, which could give rise to the existence of the Ising pairing effect, but further studies are needed to confirm this behavior.

La protection de nombreux capteurs de pression en milieux hostiles se résume souvent en un boitier métallique hermétique rempli d’huile enveloppant la puce. La pression agit alors sur une membrane métallique qui agit sur la puce par l’intermédiaire de l’huile jugée incompressible. Cette encapsulation présente des difficultés de réalisation non négligeables et surtout une limitation des capteurs en température. Les travaux réalisés au cours de cette thèse concernent une encapsulation au niveau wafer du capteur de pression. L’idée principale est d’intégrer la protection de la puce dans le processus de fabrication sur wafer. L’intérêt est alors d’obtenir une protection réalisée de manière collective, réduisant ainsi drastiquement les coûts de production. De plus, une encapsulation au niveau wafer offre la possibilité de réduire considérablement les dimensions du capteur tout en le gardant résistant. La suppression d’éléments intermédiaires telle que l’huile entre la pression et la puce en elle même permet enfin d’espérer des applications possibles à température plus élevée. Une fois l’encapsulation réalisée au niveau wafer, il est nécessaire de réaliser le packaging de premier niveau. Le packaging de premier niveau offre un support à la puce, ce qui la rend manipulable et testable, tant par ses dimensions que par la présence de connexions électriques. L’assemblage au niveau wafer et de premier niveau constituent donc les deux niveaux de packaging qui peuvent avoir une influence directe sur le comportement de la puce.Au niveau de l’encapsulation de niveau wafer, trois techniques d’assemblage (wafer bonding) ont été analysées : le scellement anodique, le scellement eutectique et le scellement direct. Le scellement anodique est la technique la plus éprouvée pour assembler un wafer de verre sur un wafer de silicium. Le scellement eutectique représente une technique moins commune mais offrant l’intérêt d’utiliser deux wafers silicium, limitant la différence de dilatation thermique entre les deux wafers et permettant d’usiner plus facilement le wafer d’encapsulation. Enfin la technique du direct bonding donne l’opportunité d’éviter d’utiliser une couche intermédiaire métallique entre les deux wafers, à condition d’avoir deux surfaces à assembler très propres et de très bonne qualité. La technique de soudure anodique a permis de livrer les capteurs qui ont pu confirmer l’intérêt des capteurs WLP pour des applications hautes températures. Les techniques silicium-silicium ont été évaluées mais n’ont pas donné lieu à des capteurs WLP testables.Au niveau de l’encapsulation de niveau un, la technique de Flip-Chip à été utilisée pour reporter la puce sur son support. Cette technique consiste à retourner la puce et l’assembler par thermocompression. Les plots de connexions de la puce pour cet assemblage ont pu être réalisés par ball bumping. Des cycles en température (-55°C à +125°C ou 150°C) ont pu être réalisés sur les puces scellées par scellement anodique. L’erreur totale en précision de ces capteurs WLP est du même ordre que les capteurs Auxitrol actuels avec une compensation numérique. Le principal atout des capteurs WLP est une non-linéarité de l’offset en température divisée par deux. Cette caractéristique est importante dans le cas où l’on utilise une compensation analogique qui peut résister à des températures plus élevées que la compensation numérique. Les capteurs WLP offre donc l’opportunité d’avoir des applications au-delà de 200°C, chose alors jusqu’alors prohibée par l’utilisation de l’huile / Protection of most of the pressure sensors working in harsh environment consist in oil filled metallic unit including the sensor die. In that case, pressure is applied on a metallic membrane moving the silicon membrane of the die across an incompressible fluid. The main drawbacks of the standard encapsulation are a complex fabrication process and most of all a sensor limitation in high temperatures. The topic of this PhD thesis is about wafer-level packaging (WLP) of the pressure sensor. The main idea is to integrate the die protection in the fabrication process at wafer level. Advantage is to obtain a collective protection fabrication reducing production costs. Moreover, a wafer-level encapsulation allows a possible reduction of sensor dimensions keeping it reliable. Removing intermediary elements allows also high temperature applications. Once encapsulation realised on the wafer, it is necessary to build the first-level packaging. First-level packaging makes the die usable in terms of electrical connection and dimensions. Wafer and first-levels are both packaging levels with important impact on the die behaviour.At wafer-level packaging, three wafer bonding technologies have been investigated: anodic bonding, Au-Si eutectic bonding and direct bonding. Anodic bonding is the most known technology to assemble a glass wafer with a silicon wafer. Eutectic bonding represents a promising technique to bond two silicon wafers allowing less CTE mismatch between wafers material and an easier micromachining of silicon instead of glass material. Direct bonding is also interesting to bond two silicon wafers, without using intermediary metallic layer but needing really clean surfaces to assemble. Anodic bonding process gave us the opportunity to deliver WLP sensors showing interest for high temperature applications. Silicon-Silicon technologies have been evaluated but did not give representative WLP sensors.At first-level packaging, the Flip-chip technology have been used for die attach. This technique consists in flipping the die and making the die attach by thermocompression with stud bumps on the die connection pads.Temperature cycling (-55°C to +125°C or more) have been realised on anodic WLP sensors. Accuracy total error of these WLP sensors is in the same order than standard Auxitrol sensors with digital compensation. the main advantage of the WLP sensors is a offset non-linearity in temperature divided by two. This characteristic is important in the case of analogical compensation that can resist to higher temperatures than digital compensation elements. In definitive, WLP sensors offer a good opportunity to have application over 200°C, prohibited at present with the presence of oil for standard Auxitrol sensor