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.

L'étude du contact électrique quasi statique à plusieurs échelles permet de comprendre celui des micro-relais MEMS. Au cours de ce travail, une modélisation fine du contact est développée pour valider des lois de comportement établies à partir des mesures obtenues grâce à la mise au point de deux dispositifs expérimentaux originaux : la balance de précision, qui permet de réaliser un contact à l'échelle macroscopique entre barreaux croisés recouverts des films minces des matériaux à tester, et un nanoindenteur instrumenté pour la mesure électrique reproduisant un micro-contact identique à celui des micro-relais. Ils permettent tous deux de mener une étude comparative de différents échantillons en fonction de la force (de la dizaine de µN à quelques N), du courant (du µA à l'A), de l'état de surface (rugosité) ou encore du temps ; le contact étant caractérisé par sa résistance électrique. Ce travail concerne principalement le contact réalisé entre films minces en Au, matériau de contact de référence pour les applications micro-relais MEMS. L'étude des contacts de grande dimension a néanmoins été élargie à Ru, Rh, Pt et à l'alliage Au-Ni.Les résultats obtenus à l'aide de la balance de précision ont démontré la nécessité de prendre en compte l'influence de la configuration en film mince des matériaux de contact, tant du point de vue mécanique (rugosité) qu'électrique (répartition des lignes de courant). Leur comparaison à une modélisation statistique du contact rugueux donne des résultats satisfaisants. Cette approche a par ailleurs nécessité le développement d'un algorithme d'analyse d'image des relevés topographiques réalisés au microscope à force atomique, permettant ainsi de quantifier précisément les positions, taille et rayon de courbure de chaque aspérité de la surface.Les mesures effectuées à l'aide du nanoindenteur ont mis en évidence l'effet de la durée de fermeture des microcontacts sur la valeur de la résistance électrique. Le fluage des aspérités serait en partie responsable de la décroissance temporelle observée, aboutissant à des valeurs de résistance limite comparables à celles calculées à l'aide d'une modélisation numérique du contact entre des aspérités discrétisées et une sphère lisse.

Les revêtements d'étain sont couramment utilisés en connectique automobile pour des utilisations peu sévères en température. Actuellement il n'existe pas de consensus sur la température limite d'utilisation des revêtements étamés. L'objectif de cette étude est d'étudier le vieillissement thermique des systèmes cuivre/étain utilisés en connectique, et d'évaluer leur durée de vie en fonctionnement, c'est-à-dire sous un courant moyen (produisant de l'effet Joule) et en régime vibratoire (fretting corrosion). L'interdiffusion cuivre/étain mène à la formation de phases intermétalliques de type Cu6Sn5 et Cu3Sn. La cinétique de croissance des intermétalliques est étudiée en fonction de la nature du revêtement d'étain, de la présence ou non d'une sous-couche de nickel (menant à la formation de l'intermétallique Ni3Sn4) et des types de substrats cuivreux différant par les éléments d'alliages. Le coefficient de croissance parabolique mesuré dans chaque système substrat/revêtement permet de comparer la rapidité de la croissance en fonction du système étudié. Les intermétalliques possèdent une dureté sensiblement plus élevée que celle de l'étain seul. Des essais d'échauffement par effet Joule et de fretting corrosion sont menés sur des éprouvettes vieillies et non vieillies. L'échauffement par effet Joule est directement lié à la surface de contact : la dureté du revêtement est donc un paramètre déterminant, qui conditionne l'élévation de température au point de contact. Mais l'aire de la surface de contact conductrice dépend également de l'oxydabilité du revêtement, car la présence d'oxyde peut la réduire. Le phénomène est accentué en régime vibratoire : la production d'oxyde est alors accélérée, et la formation de débris oxydés peut mener à l'apparition de microcoupures électriques. Différentes éprouvettes sont testées en fretting-corrosion, avec deux types d'expérience : des essais à débattement variables et des essais en durée de vie. Les essais en débattement variable permettent d'identifier la transition entre le glissement partiel (d'amplitudes faibles, pour lesquelles la durée de vie du contact est considérée comme infinie) et le glissement total (d'amplitudes plus élevées, pour lesquelles la durée de vie du contact est limitée). Les essais en durée de vie permettent de comparer la durabilité des éprouvettes testées. L'observation des traces de fretting permettent l'identification des modes de défaillance. La dégradation des contacts étamés est le fait d'une oxydation et d'une usure conjointes, menant à l'isolation électrique à cause de la présence de débris oxydés. La dégradation des contacts intermétalliques est le fait d'une fragilisation du revêtement, menant à son décollement : le mode de défaillance est alors la production de débris oxydés de cuivre, provoquant une isolation électrique au point de contact.

Les contacts électriques sont utilisés dans les disjoncteurs et contacteurs industriels. Ce sont des composites à matrice d'argent produits par la métallurgie des poudres. Ils s'érodent sous l'effet des arcs électriques apparaissant lors de l'ouverture ou de la fermeture sous courant du circuit. L'objectif de ces travaux était d'étudier cette érosion pour les composites Ag-C, Ag-WC et Ag-SnO2 et de la simuler pour la prédire. L'observation, au moyen de sections transversales, de pastilles de contacts ayant subi des nombres croissants d'arcs électriques nous a permis de décrire l'endommagement des contacts électriques et de proposer des grandeurs caractéristiques de cet endommagement.<br />Nous avons ensuite réalisé des essais de traction, de traction/relaxation à diverses températures (jusqu'à<br />550 °C) sur l'Ag-SnO2 afin d'identifier un modèle de comportement mécanique de ce composite industriel.<br />Nous avons retenu un modèle élastoviscoplastique unifié de Lemaître & Chaboche doté d'une viscosité hyperbolique de Sellars-Teggart. Nous avons aussi réalisé des essais de propagation d'une fissure de fatigue pour identifier un modèle d'endommagement par fissuration de Forman prenant en compte la ténacité du matériau.<br />Nous avons alors proposé une simulation thermomécanique des contacts électriques avec le code de calcul par éléments finis ZeBuLon afin d'accéder à l'état de contrainte dans le matériau au cours de l'impact d'un arc électrique sur sa surface. Une intégration de type "penny-shape", reposant sur une analyse des fonctions d'influence de Bueckner nous a permis d'identifier l'instant le plus endommageant au cours du cycle et d'élaborer un modèle de cumul de dommage et de propagation de fissure de fatigue en accord avec l'expérience.

Les balais de démarreurs utilisent un mélange de graphite et de cuivre pour assurer la transmission du courant électrique dans un contact glissant. La densité de courant qu'ils subissent peut atteindre 300A et la vitesse de glissement 20m/s. Ces contraintes très sévères entrainent une usure rapide de ces balais. La conséquence directe est un nombre de cycles insuffisant face au nombre accru demandé par les consommateurs, notamment avec l'introduction de la fonctionnalité stop-start qui augmentent d'une façon brutale le nombre de démarrage d'un démarreur. Le but de la thèse est de comprendre le mécanisme d'usure de ces balais métal-graphite via la modélisation numérique et des essais expérimentaux réalisés sur un banc tribomètre. La compréhension passe au niveau général d'un milieu continu homogène discrétisé par des éléments discrets jusqu'à un mélange d'élément entre cuivre et graphite, pour avoir une appréciation plus approfondie du mode d'usure notamment concernant les deux éléments présents cuivre et graphite, en essayant de chercher une composition optimale. / We study the tribological behavior of brush-commutator contact for electrical starters. Such contact composed of metal-graphite brushes and a copper commutator is under extremely severe electrical and mechanical sollicitations during starting cycles. The direct impact of this is an insufficient number of cycles for stop-start applications before failure. Our goal is to study the effect of electrical current on the tribological behavior of the contact system using enhanced Discrete Element Method. The mechanical, electrical and thermal behaviors are computed for a elementary representative volume of contact system. The simulation results showed the impact of Joule heating on tribological behavior of contact accelerate the wear process of contact, suggesting a better brush material with better electrical conductivity, leading to the study of the impact of metal content on tribological behavior of contact, since metal elements can improve significantly the electrical conductivity of brush material.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / L'auteur n'a pas fourni de résumé en anglais

La foudre est un phénomène naturel aléatoire impactant un avion de transport civil en moyenne une fois toutes les 1500 heures de vol. Les forts courants et impulsionnels pouvant parcourir la structure d'un aéronef peuvent induire des contraintes physiques aux conséquences sérieuses en ce qui concerne la sûreté. En particulier, quand un assemblage est parcouru par un courant de type foudre, des champs électriques ainsi des densités d'effet Joule importants peuvent engendrer différents phénomènes de décharge. Le risque d'étincelage est particulièrement critique au niveau des réservoirs de carburant, et différentes technologies de protection et procédures de certification sont employées pour maitriser ce risque. Les résultats expérimentaux laissent penser que la formation de ces décharges est due aux résistances électriques localisées aux interfaces entre les différentes pièces des assemblages. Le but de cette thèse a été de modéliser les phénomènes qui se produisent à une échelle microscopique au niveau de telles résistances de contact soumises à de forts courants impulsionnels de type foudre. / Lightning is a natural hazardous event that strikes a civil aircraft on average once per 1500 hours of flight. The corresponding high and impulsive currents that may flow along the structure of the aircraft can generate physical constraints with major consequences regarding safety. In particular, when a fastened assembly is crossed by a lightning current, important electric fields and Joule power densities may give birth to a variety of discharge phenomena. The sparking risk is particularly critical in fuel tanks, and different lightning protection technologies and certification procedures are employed to face it. The ignition of discharges is believed to be mostly due to the local electrical resistance at the interfaces between the parts of the assemblies. The aim of this thesis was to model to phenomena that occur at a microscopic scale of such contact resistances subject to high and impulsive currents.

L’étude du contact électrique quasi statique à plusieurs échelles permet de comprendre celui des micro-relais MEMS. Au cours de ce travail, une modélisation fine du contact est développée pour valider des lois de comportement établies à partir des mesures obtenues grâce à la mise au point de deux dispositifs expérimentaux originaux : la balance de précision, qui permet de réaliser un contact à l’échelle macroscopique entre barreaux croisés recouverts des films minces des matériaux à tester, et un nanoindenteur instrumenté pour la mesure électrique reproduisant un micro-contact identique à celui des micro-relais. Ils permettent tous deux de mener une étude comparative de différents échantillons en fonction de la force (de la dizaine de µN à quelques N), du courant (du µA à l’A), de l’état de surface (rugosité) ou encore du temps ; le contact étant caractérisé par sa résistance électrique. Ce travail concerne principalement le contact réalisé entre films minces en Au, matériau de contact de référence pour les applications micro-relais MEMS. L’étude des contacts de grande dimension a néanmoins été élargie à Ru, Rh, Pt et à l’alliage Au-Ni.Les résultats obtenus à l’aide de la balance de précision ont démontré la nécessité de prendre en compte l’influence de la configuration en film mince des matériaux de contact, tant du point de vue mécanique (rugosité) qu’électrique (répartition des lignes de courant). Leur comparaison à une modélisation statistique du contact rugueux donne des résultats satisfaisants. Cette approche a par ailleurs nécessité le développement d’un algorithme d’analyse d’image des relevés topographiques réalisés au microscope à force atomique, permettant ainsi de quantifier précisément les positions, taille et rayon de courbure de chaque aspérité de la surface.Les mesures effectuées à l’aide du nanoindenteur ont mis en évidence l’effet de la durée de fermeture des microcontacts sur la valeur de la résistance électrique. Le fluage des aspérités serait en partie responsable de la décroissance temporelle observée, aboutissant à des valeurs de résistance limite comparables à celles calculées à l’aide d'une modélisation numérique du contact entre des aspérités discrétisées et une sphère lisse. / The multi scale study of quasi static electrical contact is aimed at understanding those in MEMS microswitches. In this work, an accurate modeling of contact is developed to validate constitutive relations based on measurements obtained through the development of two original experimental set ups: a precision balance, which enables to perform a macroscopic contact between crossed roads coated with thin films of the materials to be tested, and a nanoindenter instrumented for electrical measurements reproducing microswitches contacts. They both allow a comparative study of different samples depending on the force (from μN to N), current (µA to A), surface condition (roughness) or time, while the contact is characterized through its electrical resistance. The measurements are obtained in the first place for gold, the reference contact material for MEMS microswitches applications. The study of large contacts was nevertheless extended to Ru, Rh, Pt and Au-Ni alloy.The results obtained using the precision balance showed the need to take into account the influence of the thin film configuration of contact materials, both in terms of mechanical (roughness) and electrical (distribution of current lines). Their comparison to a statistical model of rough contact gives satisfactory results. This approach also required the development of an image analysis algorithm of topographic maps obtained through atomic force microscopy. It allows quantifying precisely the position, height and radius of curvature of each surface asperity.Measurements made using the nanoindenter showed the effect of the time of closure of the micro contact on electrical resistance values. The creep of asperities may be partly responsible for the observed time decay, leading to limit resistance values comparable to those calculated using a numerical modeling of the contact between discretized asperities and a smooth sphere.

Cette thèse s'inscrit dans la continuité des études menées pour améliorer la fiabilité des relais MEMS ohmiques et comprendre les mécanismes de dégradation se produisant au niveau du contact électrique aux échelles micro et sub-micrométriques. Les deux premiers chapitres de ce manuscrit permettent d'établir l'état de l'art du domaine et de décrire les différentes techniques expérimentales utilisées afin de caractériser les mécanismes physiques se produisant lors de l'ouverture et la fermeture d'un relais MEMS sous courant. Le troisième chapitre étudie qualitativement et quantitativement le transfert de matière aux distances sub-micrométriques. L'utilisation d'un microscope à force atomique (AFM) permet d'identifier les paramètres clés, notamment la tension de contact à l'état ouvert et la vitesse de commutation. L'origine de ce transfert de matière est attribuée à des émissions de courant se produisant dans les derniers nanomètres avant la fermeture du contact. Un plasma métallique est également observé et caractérisé pendant les phases de commutations. Ces observations conduisent à l'élaboration d'un scénario permettant d'expliquer le transfert de matière à ces dimensions. Le quatrième chapitre se consacre en première partie à l'étude des rebonds lors de la fermeture du contact. On montre que des rebonds peuvent apparaître quelques µs après la fermeture du contact au cours des cycles. Ceux-ci semblent être des indicateurs de la fin de vie du composant. D'autres rebonds, liés aux forces électrostatiques de contact, sont également mis en évidence lors de fermetures à faibles vitesses (qq nm/s). L'importance de ces forces est néanmoins du second ordre et ces derniers rebonds n'interviennent pas directement dans la phase de fermeture d'un relais MEMS. L'étude de la quantification de la résistance de contact lors de l'ouverture du contact constitue la deuxième partie de ce dernier chapitre. La nature quantique de ce phénomène est mise en évidence dans deux dispositifs : un interrupteur MEMS et à l'aide d'un AFM. Il est notamment montré que ce phénomène est seulement observable pour des courants inférieurs à 100µA. Finalement, l'ensemble de ces travaux mènent à différentes recommandations, détaillées en conclusion, nécessaires pour assurer le bon fonctionnement des relais MEMS.

Cette thèse s'inscrit dans la continuité des études menées pour améliorer la fiabilité des relais MEMS ohmiques et comprendre les mécanismes de dégradation se produisant au niveau du contact électrique aux échelles micro et sub-micrométriques. Les deux premiers chapitres de ce manuscrit permettent d'établir l'état de l'art du domaine et de décrire les différentes techniques expérimentales utilisées afin de caractériser les mécanismes physiques se produisant lors de l'ouverture et la fermeture d'un relais MEMS sous courant. Le troisième chapitre étudie qualitativement et quantitativement le transfert de matière aux distances sub-micrométriques. L'utilisation d'un microscope à force atomique (AFM) permet d'identifier les paramètres clés, notamment la tension de contact à l'état ouvert et la vitesse de commutation. L'origine de ce transfert de matière est attribuée à des émissions de courant se produisant dans les derniers nanomètres avant la fermeture du contact. Un plasma métallique est également observé et caractérisé pendant les phases de commutations. Ces observations conduisent à l'élaboration d'un scénario permettant d'expliquer le transfert de matière à ces dimensions. Le quatrième chapitre se consacre en première partie à l'étude des rebonds lors de la fermeture du contact. On montre que des rebonds peuvent apparaître quelques µs après la fermeture du contact au cours des cycles. Ceux-ci semblent être des indicateurs de la fin de vie du composant. D'autres rebonds, liés aux forces électrostatiques de contact, sont également mis en évidence lors de fermetures à faibles vitesses (qq nm/s). L'importance de ces forces est néanmoins du second ordre et ces derniers rebonds n'interviennent pas directement dans la phase de fermeture d'un relais MEMS. L'étude de la quantification de la résistance de contact lors de l'ouverture du contact constitue la deuxième partie de ce dernier chapitre. La nature quantique de ce phénomène est mise en évidence dans deux dispositifs : un interrupteur MEMS et à l'aide d'un AFM. Il est notamment montré que ce phénomène est seulement observable pour des courants inférieurs à 100µA. Finalement, l'ensemble de ces travaux mènent à différentes recommandations, détaillées en conclusion, nécessaires pour assurer le bon fonctionnement des relais MEMS. / This thesis aims to improve the reliability of ohmic MEMS switches and focuses on the degradation mechanisms of the electrical contact at the micro and nano-scales. The two first chapters of the manuscript provide a state-of–the-art of MEMS switches and describe the different experimental techniques used to characterize the physical phenomena involved in the opening and closure of a MEMS switch under current (“hot switching actuation”). The third chapter studies qualitatively and quantitatively the material transfer at sub micrometer scale. An Atomic Force Microscope (AFM) is used to identify the main parameters involved in this phenomenon such as the opening contact voltage and the closing velocity. The origin of the material transfer is attributed to field emission in the last tens of nanometers before the contact closure. A metallic plasma is also observed and characterized during switching operations. According to the different observations, a scenario is suggested to explain material transfer at such small dimensions. The fourth chapter deals with dynamic observation during switching operations. First, bounces can be detected after a few millions of operations, they usually appear a few µs just after the first contact. Such bounces seem to be an early indicator of the lifetime of those devices. Other types of bounces related to the electrostatic contact force can be observed at very low closing velocity (a few nm/s). Nevertheless in a MEMS switch the closing and opening velocity is high enough to avoid such bounces. The second part of this chapter investigates the contact conductance quantization during the opening phase of a contact. We show that this phenomenon can be observed in a MEMS switch and with an AFM when the current is lower than 100µA. As a conclusion, several recommendations are provided to improve the reliability of MEMS switches.