Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Programme doctoral Systèmes de production et Robotique, Institut de microtechnique IMT (Laboratoire de production microtechnique 1 LPM1)

Encapsulation hermétique pour systèmes hydro- et thermo-sensibles

Seigneur, Frank ; Jacot, Jacques (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2009 ; no 4348.

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    Summary
    The quantity of MEMS manufacturers has considerably been increasing these last years. This doesn't mean that the introduction of such products on the market has become easier. A packaging operation is needed to obtain a usable product out of a microsystem. The packaging ensures protection but also interconnection with the outside. Too foten, during the conception of a microsystem, the engineer usually does not think about packaging method, which increases costs and time to obtain a product. This thesis is a conception tool to help those who need to realise a microsystem requiring protection against gas and vapours. Some microsystems are sensitive to humidity and temperature. Up to now, to obtain an hermetic package, the easiest solution was soft soldering of a cap on a base. This operation was often done in an oven, which may heat the microsystem to temperatures it can not withstand. In this thesis we describe methods which allow the design and manufacturing of hermetic packages together with a low sealing temperature. In a first phase, material permeability is defined, as well as the notion of package hermeticity and leak measurement methods. The conclusion is that the only materials which allow long-term hermeticity (up to 10 years) are ceramics, glasses and metals. Usual methods for hermetic sealing of packages are then described. Soft soldering by the mean of a laser diode, which is used in this thesis, allows to obtain an hermetic package, together with a low thermal budget. The advantage of the laser diode over another type of laser is its low power density, as well as the possibility to continuously control its power during operation. The power can be controlled during soldering depending on the measured temperature, for example by the mean of a pyrometer. In order to design a package, it is necessary to formalize the requirements in terms of functions that need to be fulfilled by the package. Functional analysis is used to formalize these requirements. This iterative method needs to be done during the conception of the microsystem, but can also be done when the design of the microsystem is already done. In order to reduce reconception phases, most of the functions need to be found at an early stage of the package design. Some methods which allow to find these functions are described. A thermal modelling method is also proposed. This method allows to find an appropriate model to each situation. The first step consists in finding orders of magnitude. The model is then refined by the mean of an electrical analogy or by the mean of numerical simulations when necessary. Several demonstrators have been realized during this thesis. The feasibility of an LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) package for a micromirrors array is demonstrated. The manufacturing of this package is based on screen-printing technology. LTCC packages are suitable for small to medium series of complex microsystems. For complex devices, standard ceramic packages are more expensive than LTCC-based ones, and may not provide the required flexibility. The proposed method is adapted to manufacturing of hermetic cells containing rubidium, for miniature atomic clocks. Sealing time and temperature are drastically reduced compared to anodic bonding, which reduces evaporation of the rubidium during the sealing operation. Some improvements are needed, mainly adhesion of the metallization and atmosphere control during the sealing. The thermal modelling method is illustrated in an example of laser curing of epoxy glue. In order to determine the behaviour of the system, dimensional analysis is used together with experimentation. Versatility of the laser diode is also shown in this project. Finally, some technical points related to the use of a laser diode for soft soldering are also described. Recommendations are given regarding wettability of the solder and reduction of the heating time. Notably, pre-tinning the surfaces with solder is found to be preferable to the use of preforms.
    Résumé
    Le nombre de fabricants de microsystèmes a considérablement augmenté ces dernières années. Cela ne veut pas dire que l'introduction de ces nouveaux produits sur le marché en est devenue plus facile. Pour passer d'un microsystème à un produit utilisable il faut une étape d'encapsulation qui permet la protection mais aussi l'interconnexion du microsystème avec l'extérieur. Trop souvent, lors de la conception d'un microsystème, le concepteur ne réfléchit pas à la méthode d'encapsulation, ce qui rajoute des coûts et des délais pour obtenir un produit. Cette thèse se veut un outil de conception pour ceux qui doivent réaliser un microsystème dont la technique exige la protection contre les gaz et les vapeurs. Certains microsystèmes sont sensibles à l'humidité et à la température. Jusqu'à maintenant, pour obtenir un boîtier étanche, la solution la plus simple était de braser un capot sur une base de boîtier en les passant au four. Cette méthode peut chauffer le microsystème à des températures qu'il ne peut pas supporter. Cette thèse montre qu'il existe des méthodes qui permettent de réaliser des boîtiers hermétiques tout en conservant une basse température d'encapsulation. Dans un premier temps, on définit la perméabilité des matériaux aux gaz et aux vapeurs ainsi que la notion d'herméticité d'un boîtier et les différentes méthodes de mesure de fuites. De cette partie, on conclut que seuls les matériaux tels que les métaux, les céramiques ou les verres permettent d'obtenir un boîtier hermétique sur une dizaine d'années. On passe ensuite en revue les différentes méthodes permettant la fermeture hermétique de boîtiers. La brasure par diode laser, méthode utilisée dans cette thèse, permet d'obtenir un boîtier hermétique tout en diminuant l'impact thermique sur le microsystème encapsulé. L'avantage de la diode laser par rapport à un autre laser est sa basse densité de puissance, ainsi que la possibilité de contrôler la puissance en continu pendant le tir. La puissance peut être commandée par un système mesurant la température pendant la brasure, par exemple avec un pyromètre. Pour concevoir un boîtier, on montre qu'il est nécessaire de formaliser les besoins et de les transcrire en fonctions que le boîtier devra remplir. L'analyse fonctionnelle permet cette formalisation. Cette méthode itérative doit idéalement se faire parallèlement à la conception du microsystème, mais elle peut aussi être faite lorsque la conception du microsystème est déjà avancée. On décrit certaines méthodes de recherches de fonctions, ce qui permet de réduire les reconceptions lorsque le produit est déjà existant. On propose aussi une démarche de modélisation thermique qui permet de trouver un modèle idoine à chaque situation. La première étape est la recherche des ordres de grandeurs. Le modèle est ensuite affiné soit par une analogie électrique ou par des simulations numériques lorsque cela est nécessaire. Plusieurs démonstrateurs ont été réalisés dans le cadre de cette thèse. On montre notamment la faisabilité d'un boîtier hermétique en LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) pour une matrice de micro-miroirs dans le cadre d'une application spatiale. La fabrication est basée sur un équipement simple (sérigraphie) susceptible d'exister chez tout fabricant de microsystème. Les boîtiers en LTCC sont applicables aux systèmes complexes pro- duits en petites et moyennes séries, là où les boîtiers céramiques standards sont beaucoup plus chers et n'offrent généralement pas une souplesse de conception suffisante. La méthode est adaptée à la fabrication de cellules hermétiques contenant du rubidium servant à des horloges atomiques miniatures. Le temps et la température de fermeture sont drastiquement diminués par rapport au soudage anodique, ce qui diminue l'évaporation du rubidium durant l'opération de fermeture de la cellule. Plusieurs points sont encore à améliorer, notamment l'adhésion de la métallisation. La démarche de modélisation thermique est illustrée dans l'étude d'une opération de polymérisation de colle époxy par laser. On utilise notamment une méthode d'analyse dimensionnelle couplée à l'expérimentation, ce qui permet de déterminer le comportement du système dans un domaine de paramètres limité. Dans cet exemple, on montre aussi la polyvalence de la diode laser. On traite encore de certains aspects techniques liés à l'utilisation d'une diode laser pour l'opération de brasure, notamment les contraintes en terme de mouillage et de temps de brasure. On constate notamment que l'étamage des surfaces est préférable à l'utilisation de préformes.