Popriétés diélectrques de polymères composites et leurs applications en microélectronique

Un matériau composite typique est un système constitué par l’association à l’échelle microscopique de deux ou plusieurs matériaux aux caractéristiques complémentaires. Cela permet d’associer un ensemble de propriétés mécaniques ou physiques qu’il serait impossible d’obtenir avec les composants pris de façon isolée. En général, un matériau composite est composé par un renfort (charge) qui est enrobé par une matrice. La matrice tient le renfort selon la forme désirée tandis que le renfort améliore les propriétés physiques et mécaniques globales de la matrice. Les matériaux composites à matrice organique (principalement thermodurcissable) ont aujourd’hui plus d’un demi-siècle. Au fil des années, ces matériaux ont vu progressivement leurs parts de marché s’accroître grâce à certaines de leurs particularités, notamment leurs propriétés spécifiques élevées, leur anisotropie et leur facilité de mise en oeuvre. L’incorporation de charges dans les polymères est connue comme l’une des techniques permettant d’améliorer les propriétés des produits finis et d’élargir le domaine d’application des matières plastiques. De plus, elle est un moyen économique de développer un nouveau matériau pour répondre à des applications parfois biens spécifiques. Les charges que l’on rencontre le plus souvent sont les charges minérales, les fibres de verre, le noir de carbone ou les poudres métalliques. Ces charges, présentes dans la matrice polymère, ont généralement une taille de l’ordre du micron et permettent souvent d’améliorer les propriétés diélectriques, la résistance à la chaleur et les propriétés mécaniques.

Depuis quelques années, une nouvelle famille de polymère chargé est apparue, connue sous le nom de “nanocomposite”. L’idée de départ, qui sous-tend le développement des nanocomposites, consiste à incorporer des nanoparticules dans une matrice polymère. En effet, lorsque ces nanoparticules ou nanocharges sont dispersées dans un polymère, elles peuvent développer une interface bien supérieure aux charges classiques, avec une très faible quantité. Or, c’est précisément cette interface qui contrôle l’interaction entre la matrice et la charge, gouvernant les propriétés macroscopiques du matériau final.

Application en microélectronique

Le développement des appareils électroniques qui fonctionnent à des fréquences élevées, comme les ordinateurs, cellules téléphoniques, …etc., a connu un grand essor ces dernières années, cela est du aux progrès réalisés en microélectronique. Dans ces appareils, la plus grande partie de la surface des substrats est occupée par des éléments passifs (résistances, inductances et condensateurs), ces derniers sont devenus l’obstacle major à la miniaturisation. Cependant, l’intégration de ces éléments dans le package, c-à-d le passage des éléments discrets aux éléments intégrés, possède les avantages suivants :

• réduction de la surface d’implantation (jusqu’à 5 à 10 fois par rapport à la surface occupée par les composants discrets);
• réduction des longueurs de connexions permettant de réduire les inductances parasites;
• fiabilité améliorée par la réduction du nombre de connexions à l’origine de nombreux défauts;
• réduction du coût de production;
• simplicité (réduction des stocks, des contrôles et du nombre de reports sur circuit).

Composants passifs

Aujourd’hui les composants passifs (résistances, condensateurs et inductances) représentent la majorité des composants électroniques dans un produit microélectronique typique et ils occupent typiquement 40% de surface de la carte du circuit imprimé, 30% des joints de soudure, et plus de 90% du temps de placement pour un assemblage électronique moyen. En 2003, environ un trillion de ces composants ont été placés dans les systèmes électroniques, pour un marché mondial de 125 milliards de dollars USA [48].

Le nombre de composants passifs est beaucoup plus grand que celui des circuits intégrés, et le rapport composants passifs/circuit intégrés peut atteindre 47:1[50], donc il est évident que les composants passifs employés avec les circuits intégrés sont prépondérant en nombre. Par conséquent, les obstacles que posent ces composant sur la taille du système microélectronique, le coût et la fiabilité sont substantiels.

Les composants passifs discrets sont devenues donc l’obstacle majeur à la miniaturisation d’un système électronique. La nouvelle génération des systèmes électroniques exige des dispositifs plus petits, plus légers, plus rapides, meilleur marché et plus fiables, la solution donc est le changement des éléments passifs discrets (remplacement des éléments discrets par des éléments intégrés).

Avantages de l’intégration des éléments passifs

L’intégration des éléments passifs a été identifiée comme l’alternative la plus prometteuse pour le remplacement des éléments passifs discrets, et cette technologie peut avoir le même impact sur l’industrie actuelle de l’électronique packaging que les circuits intégrés avaient eu dans l’industrie de la microélectronique dans la moitié du siècle passé. Les éléments passifs intégrés présentent plus d’avantages par rapport aux éléments discrets. Actuellement les composants passifs prennent plus de 40% de la surface du substrat d’un système électronique typique, et en les intégrant dans le substrat, cette grande quantité de surface sera économisée.

On peut facilement observer la réduction de la taille en passant des éléments passifs discrets aux éléments intégrés. En dehors de la réduction de la taille, les éléments passifs intégrés peuvent améliorer les performances électriques d’un système électronique, parce que l’interconnexion courte utilisée dans les éléments passifs intégrés peut efficacement réduire l’interférence électromagnétique et supprimer les signaux électriques parasites. Ces avantages sont particulièrement souhaitables pour les condensateurs, car les condensateurs discrets souffrent toujours de l’inductance parasite des longues lignes de conduction.

L’intégration des éléments passifs abaisse les barrières de vitesse rencontrés dans les éléments discrets et cela parce qu’ils peuvent être placés beaucoup plus près des circuits intégrés. D’ailleurs, le temps de placement pour les composants discrets est l’un des facteurs principaux qui détermine le coût des composants passifs ; en employant les composants passifs intégrés on peut sensiblement réduire le délai et le coût d’assemblage. En raison de l’élimination de la soudure des joints, la fiabilité des systèmes électroniques utilisant l’intégration des composants passifs peut être sensiblement améliorée, car le défaut de la soudure des joints est l’un des modes de défaillance principaux des systèmes électroniques à composants discrets.

Condensateurs et condensateurs de découplage

Parmi tous les composants passifs, les condensateurs suscitent une attention particulière. Le rapport condensateurs au nombre total des composants passifs peut être supérieur à 60%. En raison de la grande quantité de condensateurs utilisés dans les systèmes électroniques, l’intégration des condensateurs prend beaucoup d’importance . Ils peuvent être employés pour le stockage d’énergie, le filtrage, la synchronisation, la conversion AC-DC, et le découplage. En particulier, le développement de la microélectronique (augmentation de la vitesse de traitement des circuits intégrés) exige de découpler des condensateurs de capacité plus élevée et d’avoir une distance interélectrodes plus courte pour améliorer les performances de la commutation simultanée. Les condensateurs de découplage sont destinés à constituer des liaisons d’impédance théoriquement nulle dans les circuits où se trouvent éventuellement superposées des composantes continues et alternatives.

Parmi les principales utilisations de ces condensateurs, on peut citer :
❖ les filtres d’entrée et de sortie des alimentations à découpage ;
❖ les filtres d’entrée des convertisseurs de tension.

Types de matériaux diélectriques pour composants intégrés

La nouvelle technologie d’intégration des composants passifs (essentiellement pour les condensateurs) exige de nouveaux matériaux diélectriques de grande permittivité diélectriques et de bonnes performances électriques et mécaniques. Les caractéristiques générales des diélectriques des condensateurs intégrés incluent une constante diélectrique élevée, un faible facteur (ou indice) de pertes, un processus de fabrication à faible température, faible courant de fuite, tension de claquage élevée, etc. Dû à l’espace limité dans la carte du circuit imprimé, un matériau diélectrique de constante diélectrique élevée est exigé pour atteindre une valeur de capacité similaire à celle des condensateurs discrets. Aussi ce matériau doit avoir un processus de traitement à faible température compatible avec la fabrication des cartes des circuits imprimés, parce que ces cartes où les condensateurs seront incorporés ont typiquement un processus de traitement à faible température (moins de 250°C). Pour satisfaire les besoins en matériaux diélectriques mentionnés ci dessus pour les condensateurs intégrés, un certain nombre de matériaux ont été étudiés et évalués.

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Table des matières

CHAPITRE I : Introduction
I.1. Introduction
I.2. Application en microélectronique
I.2.1. Composants passifs
I.2.2. Avantages de l’intégration des éléments passifs
I.2.3. Condensateurs et condensateurs de découplage
I.2.4. Types de matériaux diélectriques pour composants intégrés
I.2.4.1. Polymères
I.2.4.2. Céramiques
I.2.4.3. Matériaux composites polymères/charge céramique ou métallique
I.3. Contenu de la thèse
CHAPITRE II : Propriétés diélectriques des polymères (étude théorique)
II.1. Les polymères
II.1.1 Définitions
II.1.2. Structure moléculaire des polymères
II.2. Comportement diélectrique des polymères
II.2.1. Permittivité et indice de pertes
II.2.1.1. Diélectrique parfait
II.2.1.2. Permittivité complexe
II.2.1.3. Perte d’énergie et signification pratique
II.2.1.4. Conclusion
II.2.2. Mécanisme de polarisation
II.2.2.1. Polarisation électronique
II.2.2.2. Polarisation atomique
II.2.2.3. Polarisation d’orientation ou polarisation de Debye
II.2.2.4. Polarisation interfaciale ou de charge d’espace : effet Maxwell -Wagner-Sillars
II.2.3. Facteurs influençant la polarisation
II.2.3.1. Influence de la fréquence
II.2.3.2. Influence de la température
II.2.3.3. Pics de transition
II.3. Résistivité
II.3.1. Définitions
II.3.2. Domaines des résistivités
II.4. Principe de conduction électrique
II.4.1. Théorie des bandes
II.4.2. Types de conduction
II.4.3. Influence de la température sur la conductivité (ou résistivité)
II.5. Théorie de percolation
II.5.1. Le concept de percolation
II.5.2. Application aux propriétés électriques
II.6. Conclusion
CHAPITRE III : Présentation des matériaux et des techniques expérimentales
III.1. Introduction
III.2. La résine polyépoxyde
III.2.1. Définitions
III.2.2 Synthèse des résines époxydes DGEBA (Diglycidyéther de bisphénol A)
III.2.3. Réticulation avec un durcisseur
III.2.3.1. Réaction avec les anhydrides d’acides
III.3. Caractéristiques principales des résines époxydes
III.4. Adhésion résine – renfort
III.5. Les matériaux utilisés
III.5.1. La résine époxyde
III.5.2. Le durcisseur
III.5.3. L’accélérateur
III.6. Processus de préparation des échantillons
III.6.1. Pour les échantillons d’époxy
III.6.2. Pour les échantillons composites époxy / argent
III.7. Réalisation des électrodes
III.8. Principe de la mesure de spectroscopie diélectrique
III.8.1. Méthodes de mesure
III.8.2. Dispositifs de mesure
III.9. Appareillages et procédure de calcul des paramètres diélectriques
CHAPITRE IV : Propriétés diélectriques d’un époxy soumis à des Températures élevées
IV.1. Introduction
IV.2. Variation des propriétés diélectriques durant les cycles thermiques
IV.3. Effet du vieillissement thermique sur les propriétés diélectriques à la température ambiante
IV.4. Caractéristiques diélectriques à hautes températures
IV.5. Conclusion
CHAPITRE V : Propriétés diélectriques d’un nanocomposite époxy/argent
V.1. Introduction
V.2. Propriétés en courant continu
V.2.1. Variation de la conductivité en fonction de la fraction volumique de la charge d’argent
V.2.2. Seuil de percolation et microstructure
V.2.3. Exposants critiques de la conductivité
V.2.4. Coefficient de température de la résistance
V.3. Propriétés en courant alternatif
V.3.1. Conductivité et permittivité en fonction de la fréquence
V.3.2. Lois d’échelle
V.3.3. Exposants critiques de la permittivité et de la conductivité
V.4. Comparaisons des résultats
V.5. Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
Annexes

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