Les transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH) de la filière InP offrent aujourd’hui des fréquences de coupure supérieures à 400GHz pour le système InP/GaAsSb. Grâce à ces fréquences, les transistors bipolaires sont utilisés pour la réalisation de circuits performants dans des applications millimétriques telle que les communications optiques. Ainsi, pour atteindre ces performances remarquables, les dimensions verticales et latérales des TBH ont été considérablement réduites, entraînant l’auto-échauffement dans les TBHs aux densités de courant élevées. Cette thèse a donc pour objet l’étude et le développement de TBH InP/GaAsSb reportés sur un substrat hôte de silicium en vue de l’amélioration de la dissipation thermique. Une technique de transfert des couches épitaxiales a d’abord été présentée. Nous étudions ensuite les problématiques liées à la technique choisie et les paramètres de report par thermo-compression à basse température ont été optimisés. Le développement de la technologie InP/GaAsSb sur silicium a ensuite été effectué en partant d’une technologie classique de TBH non reportés. La réalisation du contact de collecteur, notamment, a fait l’objet d’une attention particulière. La réduction de l’épaisseur des couches actives ainsi que la technologie employée ont permis d’atteindre une fréquence de transition Ft supérieure à 400GHz. L’étude du comportement thermique des TBH a enfin été présentée grâce à l’extraction de la résistance thermique. Des valeurs très faibles ont été obtenues sur la technologie reportée de 800 à 1300W/K.m selon les dimensions des transistors ; ces valeurs sont très proches de celles simulées pour la même technologie. Elles constituent les premières mesures effectuées sur des TBH InP/GaAsSb transférés sur un substrat de silicium à haute conductivité thermique. Le report des TBHs sur silicium a ainsi permis une amélioration de la résistance thermique de 70% par rapport à une technologie standard de TBH non reportés. Ces résultats permettent de conclure quant à l’efficacité du report pour la réduction drastique de l’auto-échauffement dans les transistors bipolaires. / The InP heterojonctions bipolar transistors (HBT) offer today cut-off frequencies larger than 400GHz for the InP / GaAsSb system. Thanks to these performances, these transistors are used for the realization of successful circuits in millimeter-wave applications such as the optical communications. So, to reach these remarkable performances, the HBT are subject to a notorious self-heating phenomenon due to high current density of collector. This thesis thus has for object the study and the development of InP / GaAsSb HBT transferred on a host substrate of silicon with the aim of the improvement of the thermal behavior. We report first of all the principles of the bipolar transistor as well as the state of the art of the various materials used for fast transistors. A transfer technique of epitaxial layers was then presented. We study bounding problems resulting from the chosen technique and transfer parameters for valid thermo-compression at low temperature were optimized. The development of InP / GaAsSb transferred technology on silicon was then made. In particular, the collector contact realization has needed particular attention. Active layers thickness reduction as well as device fabrication process technology allowed reaching transition frequency Ft higher than 400GHz. The study of HBT thermal behavior was finally presented with thermal resistance extraction. Very low values were obtained on the transferred technology, from 800 to1300 W/K.m according to transistors size; these values are very close to those obtained by TCAD simulation for such a technology. It is the first measurement on InP / GaAsSb transferred-HBT on high thermal conductivity silicon substrate. This transfer technology has so allowed thermal resistance improvement of 70 % compared with that of standard HBT technology. This work leads to the influence of transferred-substrate for the severe reduction of self-heating in bipolar transistors technology.

Bonded copper interconnects were created using thermo-compression bonding and the dicing yield was used as an indication of the bond quality. SEM images indicated that the Cu was plastically deformed. Our experimental and modeling results indicate that the effective contact area is directly proportional to the applied load. Furthermore, for first time, results have been obtained that indicate that the dicing yield is proportional to the measured bond strength, and the bond strength is proportional to the effective contact area. It is also shown that films with rougher surfaces (and corresponding lower effective bonding areas) have lower bond strengths and dicing yields. A quantitative model for the relationship between measured surface roughness and the corresponding dicing yield has been developed. An appropriate surface-roughness data acquisition methodology has also been developed. The maximum possible applied load and the minimum possible surface roughness are required to obtain the maximum effective contact area, and hence to achieve optimum yields (both mechanically and electrically). / Singapore-MIT Alliance (SMA)

L’objet de cette thèse est l’étude d’un nouveau procédé de fabrication d’agromatériaux : le moulage par thermocompression uniaxiale haute pression de matières végétales, sans prétraitement et sans ajout de liant. Le premier chapitre dresse l’état de l’art des matériaux lignocellulosiques « auto-liés », tels que définis dans le domaine des panneaux de fibres. Sont étudiés : l’influence des conditions opératoires pour servir de référence malgré une pression de moulage inférieure à celle envisagée dans notre étude, l’influence du type de biomasse, l’utilisation d’un prétraitement à la vapeur et les modifications subies par les fibres lors du pressage. Des données de domaines scientifiques proches sont confrontées afin de discuter des possibles mécanismes de cohésion. Une courte partie technologique décrit le procédé et son évolution au cours des étapes de prototypage réalisées pendant ces travaux. Certaines limites sont relevées et notamment l’influence majeure de la maîtrise technique sur le champ expérimental et les résultats. La cellulose est d’abord étudiée comme polymère modèle. Une méthode est développée afin d’évaluer l’effet des conditions opératoires sur les propriétés mécaniques des matériaux compressés. La pression a un effet limité au-delà de 100 MPa, le temps de moulage n’a pas d’effet significatif (peut être réduit à 3 s) et une certaine humidité est favorable. La température est le paramètre le plus impactant. Les propriétés mécaniques, la densité et une faible reprise en eau des éprouvettes lui sont corrélées de même que la nette diminution de l’espace interparticulaire en surface. Avec un taux d’hydratation de 8% et à 200°C, l’accumulation de vapeur dans les couches internes du matériau entraîne une délamination. Le couple humidité / température (0-8% et 175-250°C) est alors étudié et au-delà de 225°C, l’effet de la délamination s’estompe. Les meilleures propriétés mécaniques sont obtenues à 2% et 250°C : 31 / 70 MPa de contrainte à la rupture en traction / flexion respectivement et 2 et 8 GPa de module correspondants. La relation structure / propriété est discutée au regard des données obtenues. L’eau joue un rôle central et contradictoire car elle plastifie la cellulose et augmente la conductivité thermique dans un sens mais à contrario l’eau en excès s’accumule au centre du matériau, inhibe la cohésion et provoque la délamination. L’additivation de corps gras à la cellulose lors de la compression augmente la résistance à l’eau des éprouvettes : 5% d’acide stéarique et de stéarate de magnésium augmentent la durée de pénétration d’une goutte d’eau dans le matériau ainsi que son angle de contact en surface. La possibilité d’effectuer le greffage de l’acide octanoïque (et son équivalent anhydride) lors du moulage est étudiée et confirmée par analyse CPG avec un DS maximum de 3,9.10-2 pour l’acide et 4,8.10-2 pour l’anhydride. Des prétraitements (échange de solvant et homogénéisateur haute pression) sont indispensables afin d’améliorer le contact cellulose / greffons et pour parvenir à un taux de greffage significatif. Une corrélation est établie entre le taux de greffage et la diminution des propriétés en flexion des matériaux greffés. Le procédé est ensuite appliqué à un panel de matières végétales brutes (résidus de culture ou issus d’une transformation) dans l’optique d’établir un lien entre les propriétés physico-chimiques des matières végétales et les propriétés des matériaux issus de leur compression. Malgré une significativité statistique peu élevée et des propriétés plus faibles que celles obtenues avec la cellulose, le lien est établi entre des taux élevés de cellulose et de lignine, des faibles taux d’extractifs, d’hémicellulose, de cendres et de protéines et de meilleures propriétés mécaniques et de résistance à l’eau. En réponse aux limites de cette technique, un procédé alternatif de moulage par transfert est proposé dont les essais préliminaires confirment de nombreuses perspectives. / This thesis work objective is the study of a novel forming process for the production of agromaterials: a high-pressure uniaxial thermocompression process for the molding of natural lignocellulosic materials, without pretreatment or binders. The first chapter is the state-of-the-art of « self-bonded » lignocellulosic materials as defined in the domain of wood-based panels. It comprises the study of the effect of the operating conditions even though reported pressures are much lower than the intended pressure in our study: the influence of the biomass type, the use of steam pretreatment and the fibers modification during processing. Data from closely related scientific domains are compared in order to discuss about the possible mechanisms of cohesion. A short technological part describes the process and its evolution over the prototyping steps in this work. Some limits are reported in particular about the major influence of the technological capability on the exploratory field and on the results. At first, cellulose is chosen as a model polymer. A method is developed in order to study the influence of the operating conditions on the compacted materials’ mechanical properties. Pressure has a limited effect above 100 MPa, the molding time has no significant effect (it can be reduced to 3 seconds) and a minimum of moisture content is necessary. Temperature is the most impacting factor and is correlated with higher mechanical properties, higher density and lower moisture uptake of the specimens as well as to a significant decrease of interparticular space on the surface. At 8% moisture and 200°C, steam accumulates in the core of the material which leads to the delamination of the samples. The moisture / temperature couple (0-8% and 175-250°C) is thus specifically studied; above 225°C the effect of delamination is decreased. The best mechanical properties are obtained at 2% and 250°C: 31/70 MPa of stress at break in tensile/bending and 2 and 8 GPa for the corresponding moduli. The structure / property relationship is discussed thanks to the data obtained. Water has a key role yet contradictory because of its plasticizing effect and higher thermal conductivity in one hand, and the accumulation of steam which hinders the cohesion at the core and leads to delamination. The addition of fatty compounds to cellulose increases the water resistance of the specimens: 5% of stearic acid and magnesium stearate increased the water drop penetration time and its surface contact angle. The grafting of octanoïc acid (and its anhydride equivalent) during the molding process is studied and confirmed by CPG analysis with a maximum DS value of 3.9 10-2 for the acid and 4.8 10-2 for the anhydride. Pretreatments (solvent exchange and high pressure homogenizer) are necessary in order to increase the cellulose / grafts contact and to obtain a significant grafting yield. The grafting yield is correlated with a decrease of the bending properties of the grafted materials. The process is then applied to a variety of raw plant materials (crop residues or byproducts of a first processing) with the aim of establishing a link between the physico-chemical properties of the plant materials and the compacted materials’ mechanical properties. Despite a mediocre statistical significance and lower properties of the materials compared to cellulose, the link is confirmed between high cellulose and lignin contents, low extractives, hemicelluloses, ashes and protein contents and high mechanical properties and water resistance. In response to the limits of this technique, an alternative process of transfer molding is proposed, together with preliminary tests that confirm numerous prospects.

Résumé non communiqué / Résumé non communiqué

Dans un contexte de chimie verte, cette thèse a pour objet les propriétés de surface de matériaux lignifiés et se focalise sur l'impact d'un greffage par voie physique, avec comme objectifs : 1) conférer des propriétés hydrophobes à des films d'amidon thermoplastique, 2) contrôler les réactions de greffage/scission au sein du système amidon-lignine lors de l'irradiation et 3) évaluer la contribution de la topographie et de la structure chimique sur le mouillage. Un échantillon de lignine alcaline industrielle de graminées a été incorporé à hauteur de 20 % à deux types de matrice amidons plastifié par du glycérol (blé ou pomme de terre) pour former des bandes par extrusion. Des propriétés distinctes sont observées en fonction de l'origine de l'amidon, l'amidon de blé étant plus sensible à la formulation et aux conditions de mise en forme. Un traitement par irradiation sous faisceau d'électron à 300 et 350 kGy a été appliqué avant ou après compression des bandes. La compression et l'irradiation conduisent chacune à une diminution de la mouillabilité de surface des bandes, avec obtention de surfaces hydrophobes. L'effet hydrophobant est renforcé dans le cas de l'irradiation et augmente avec la dose d'irradiation. Des observations en MEB et AFM ont montré qu'il n'était pas corrélé à des variations de rugosité. La réactivité des composés phénoliques a été étudiée en fonction du traitement. Les acides p-coumarique et férulique extractibles subissent une conversion pouvant atteindre 60% suite au phénomène de greffage sous irradiation alors que l'extrusion a peu d'effet. La présence de ces composés favorise la condensation des lignines aux dépends de leur dépolymérisation.

Pour étendre l'utilisation des composites dans des applications plus variées (applications intelligentes et multifonctionnelles), l'une des barrières est leur faible conductivité électrique et thermique. Dans le cas de composites renforcés par des fibres de carbone, la matrice organique est responsable des propriétés isolantes du composite résultant. L'une des solutions pour améliorer les conductivités des matériaux est l'utilisation des nanocharges conductrices. L'amélioration des propriétés électriques et thermiques des polymères nanochargés est une problématique récurrente dans la littérature. Cependant, étudier les propriétés des composites à fibre de carbone continue et nanochargés est moins abordée. Ce travail porte sur la fabrication et la caractérisation des composites nanochargés par du noir de carbone et des nanotubes de carbone. Tout d'abord, un intérêt particulier a été accordé à la phase délicate de la fabrication. Comme mentionné ci-dessus, la mise en œuvre des composites à renfort continu et matrice nanochargée implique des problèmes liés à l'agglomération et à la dispersion inhomogène des nanocharges dans le composite final. Pour résoudre ces problèmes, le choix de la matrice thermoplastique (Polyamide 6) était judicieux. En fait, la dispersion des nanocharges a été faite par extrusion bi-vis qui est connue comme l'une des voies les plus efficaces de séparation d'agglomérats. De plus, la méthode de fabrication à base de films de Polyamide 6, appelée film stacking, assure une partition homogène dès le début du processus. Des observations MEB ont été effectuées pour localiser les nanoparticules. Ceux-là ont montré que les particules pénétraient dans la zone des fibres. En effet, en atteignant le cœur des torons, les nano-charges ont créé un réseau de connectivité entre les fibres pour le passage de courant. Ceci explique l'amélioration constatée de la conductivité électrique des composites en présence de noir de carbone et des nanotubes de carbone. Ces essais ont été réalisés avec la méthode à 4 points. La conductivité électrique du composite à matrice « pure » est passée de 20S / cm à 80S / cm en ajoutant 8% en poids de noir de carbone et à 15S / cm en ajoutant 18% en poids de la même charge nanométrique. Pour les nanotubes de carbone, avec 2,5% en poids, la conductivité était d'environ 150S / cm. Pour les propriétés thermiques, des tests basés sur l'effet Joule ont été réalisés. L'augmentation de la température a été enregistrée en utilisant une caméra IR. Les résultats obtenus sont en accord avec ceux de la conductivité électrique, montrant une amélioration du comportement thermique en présence de nanocharges. Grâce à ces résultats, l'utilisation de ces composites comme outil de suivi d’endommagement était possible. Par ailleurs, la méthode de variation de la résistance électrique a été effectuée. Les matériaux nanochargés ont montré une meilleure sensibilité aux endommagements. Les résultats ont été comparés aux outils classiques de suivi d’endommagement. A la fin, plusieurs applications « intelligentes » ont été testées telles que : le composite à gradients de propriétés et des matériaux nanochargés cousus. / To extend the use of composites in more varied application (smart applications, multifunctional issues), one of the actual barrier is their poor electrical and thermal conductivities. In the case of carbon fiber reinforced composites, organic matrix are in charge of the insulating properties of the resulting composite. One of the solutions to enhance conductivities of materials is the use of conductive nanofillers. Improving the electrical and thermal properties of nanofilled polymers has been investigated in several studies. However, studiing the properties of continuous carbon fiber nano-filled composites is less approached. This work tends to fabricate and characterize carbon black and carbon nanotubes nano-filled composites. First of all, special interest was given to the delicate phase of manufacturing. As mentioned before, processing continuous fiber reinforced nanofilled polymers implies issues related to nanofillers agglomeration and inhomogeneous dispersion in the final composite. To resolve these problems, the choice of the thermoplastic (Polyamide6) matrix seemed preferable. In fact, the dispersion of nanofillers was made by twin screw extrusion which is known as one of the most effective agglomeration separation ways. Adding to this, the fabrication method based on Polyamide 6 shects called film stacking, ensure a homogeneous partition at the beginning of the process. SEM observations were performed to localize the nano-particles. It showed that particles penetrated on the fiber zone. In fact, by reaching the fiber zone, the nano-fillers created network connectivity between fibers which means an easy pathway for the current. It explains the noticed improvement of the electrical conductivity of the composites by adding carbon black and carbon nanotube. This test was performed with the 4 points electrical circuit. It shows that electrical conductivity of 'neat' matrix composite passed from 20S/cm to 80S/cm by adding 8wt% of carbon black and to 15S/cm by adding 18wt% of the same nano-filler. For carbon nanotubes, with '2.5wt% the conductivity was around 150S/cm. For the thermal properties, tests based on Joule's effect were performed. The rise of temperature was recorded using IR camera. Results obtained are in agreement with the electrical conductivity ones, showing enhancement of the thermal behavior in presence of nanofillers. Thanks to these results, the use of these composites as a damage-monitoring tool was possible. By the way, the electrical resistance change method was performed. Nanofilled materials showed better sensitivity to damage. Results were compared with classical damage monitoring tools. At the end, several 'smart' applications were tested such as graded functionalities composite and stitched nanofilled materials.