Effet joule et metal

[invitef0129596]

Bonjour,

je travaille dans un labo de microelectronique.
Je dois realiser une piste chauffante sur un echantillon de silicium (puce) afin d'elever la temperature a un endroit precis de la puce. Je dois determiner pour cela quel pourrait etre le meilleur materiau pour réaliser la piste chauffante. Je vais donc utiliser l'effet joule pour chauffer mon circuit.

J'ai lu beaucoup de publis sur le sujet, la plupart des gens utilisent des pistes en polysilicium cristallin (j'ecarte cette solution car nous n'avons pas la machine pour en deposer) ou du platine.

D'apres ce que je sais de l'effet joule, plus le courant rencontre de difficultes pour circuler dans un materiau, plus celui-ci va s'echauffer.

1) L'echauffement ne serait-il pas plus important si on utilisait un materiau plus resistif que le platine (comme l'alumine par exemple)? Je pose la question mais j'imagine que la reponse est qu'il faut que le materiau soit un minimum conducteur pour qu'il y ait un echauffement... Pouvez-vous confirmer?

2) Le meilleur materiau serait donc le metal le plus resistif ? Pour mon application je suppose que les parametres importants dans le choix du metal sont la resistivite (la plus forte possible) et la conductivite thermique (elle aussi la plus forte possible)...

Que pensez-vous de tout cela?

Merci pour votre aide
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[LPFR]

Bonjour.
Je pense que les principaux critères chez vous ce sont "quel métal pouvez/savez-vous déposer" et quelles sont les dimensions de la piste métallique que vous savez faire.
Il vous manque la formule de la résistance:

rhô est la resistivité du métal, S la section et l la longueur de la piste.
Vous connaissez la puissance que vous voulez dissiper et la tension que vous pouvez appliquer. Donc vous pouvez calculer la résistance.
Maintenant il faut que vous regardiez avec la résistivité des métaux que vous pouvez déposer et les dimensions compatibles (y compris l'épaisseur), la forme el le métal qui conviennent le mieux.
Au revoir.

[curieuxdenature]

Bonjour semikorn

je vais peut-être dire une ânerie mais pourquoi pas un dépot de carbone ?
Avec un métal cela risque de diffuser dans le silicium et de créer une jonction P ou N, avec le carbone pas de problème il a la même valence et de plus sa résistivité est difficile à battre : 1375 µ ohms contre 10 pour le silicium.
Si pas, le titane présente une bonne résistivité par rapport à d'autres métaux.
Mais bon, c'est juste une idée.

[LPFR]

Bonjour.
Je ne sais pas si les couches de carbone déposées se comportent bien comme résistances. Je n'ai jamais entendu parler de cet usage (mais ça ne veut rien dire). La seule utilisation de carbone déposé que je connais est pour faire des ombres en microscopie électronique.

Mais j'ai continué à réfléchir au problème et j'ai deux questions;
-Le plus souvent, le problème est celui de refroidir les puces. J'aimerais savoir pourquoi cette fois vous voulez les réchauffer.
-Pourquoi ne pas utiliser simplement un ou plusieurs transistors pour chauffer? On peut régler leur dissipation électroniquement très facilement et mieux qu'avec une couche résistante.
Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[curieuxdenature]

Bonjour.
Je ne sais pas si les couches de carbone déposées se comportent bien comme résistances. Je n'ai jamais entendu parler de cet usage (mais ça ne veut rien dire). La seule utilisation de carbone déposé que je connais est pour faire des ombres en microscopie électronique...Au revoir.

Bonjour LPR

ça m'est venu à l'idée parce que les resistances de ce type existent depuis bien longtemps, elles ont été remplacées par celles à couche métallique sur support céramique pour la stabilité dans le temps, un meilleur ajustement possible et un bruit plus faible. Mais il faut préciser que les résistances au carbone étaient agglomérées (on pouvait même se payer le luxe de tailler dedans à la lime pour ajuster la valeur.)

Si le substrat est plutot de la silice, la couche métallique est plus appropriée.
Je pense que la méthode n'est pas à la portée de tout le monde, je ne connais pas spécialement le monde de la fabrication de puces mais je présume que leurs labos d'étude sont équipées de procédés d'évaporation de métaux sous vide partiel et tout le toutim.

[invitef0129596]

En fait, ce n'est pas de la microelectronique pure mais plutot de la nanophotonique. On souhaite chauffer une partie du composant (un anneau resonateur dans lequel la lumiere circule) pour modifier la longueur d'onde de la lumiere en sortie et ainsi pouvoir realiser une fonction de filtre. Effectivement il est possible de chauffer a l'aide de transistor (le temps de reponse est meme beaucoup plus rapide) mais mon sujet est de bosser sur cette partie chauffante (plus couramment appelée micro-heaters ou micro-hotplates).

Actuellement je dispose de Titane, or, argent et Chrome pour réaliser la piste.
L'argent et l'or sont les meilleurs conducteurs, je ne pense donc pas les utiliser car je ne pourrais pas atteindre des temperatures aussi elevees qu'avec le titane par exemple qui est beaucoup plus resistif.

La question que je me pose c'est pourquoi dans toutes les publis que j'ai pu lire sur le sujet, les gens utilisent du platine et non du titane... car sa résistivité électrique est plus faible (10.6 microohm.cm à 20C vs 42 microohm.cm pour le titane) et son point du fusion est quasi identique (1172C vs 1668C) . Certe il a une meilleure conductivité thermique (70 W/mK vs 21.7 W/mk pour le titane) mais le paramètre le plus important pour chauffer le plus n'est-il pas la résistivité? A moins que la conductivité thermique plus elevée permette des temps de reponse bien superieur...

De toute facon, il faudra procéder a des essais empiriques, je vais commencer par le Titane qui me parait pas mal du tout et puis je verrai en fonction des resultats obtenus si ca vaut le coup d'acheter une source de platine...

@+

[invitef0129596]

En fait, ce n'est pas de la microelectronique pure mais plutot de la nanophotonique. On souhaite chauffer une partie du composant (un anneau resonateur dans lequel la lumiere circule) pour modifier la longueur d'onde de la lumiere en sortie et ainsi pouvoir realiser une fonction de filtre. Effectivement il est possible de chauffer a l'aide de transistor (le temps de reponse est meme beaucoup plus rapide) mais mon sujet est de bosser sur cette partie chauffante (plus couramment appelée micro-heaters ou micro-hotplates).

Actuellement je dispose de Titane, or, argent et Chrome pour réaliser la piste.
L'argent et l'or sont les meilleurs conducteurs, je ne pense donc pas les utiliser car je ne pourrais pas atteindre des temperatures aussi elevees qu'avec le titane par exemple qui est beaucoup plus resistif.

La question que je me pose c'est pourquoi dans toutes les publis que j'ai pu lire sur le sujet, les gens utilisent du platine et non du titane... car sa résistivité électrique est plus faible (10.6 microohm.cm à 20C vs 42 microohm.cm pour le titane) et son point du fusion est quasi identique (1172C vs 1668C) . Certe il a une meilleure conductivité thermique (70 W/mK vs 21.7 W/mk pour le titane) mais le paramètre le plus important pour chauffer le plus n'est-il pas la résistivité? A moins que la conductivité thermique plus elevée permette des temps de reponse bien superieur...

De toute facon, il faudra procéder a des essais empiriques, je vais commencer par le Titane qui me parait pas mal du tout et puis je verrai en fonction des resultats obtenus si ca vaut le coup d'acheter une source de platine...

@+

[LPFR]

Re-bonjour Curieuxdenature.
Oui, beaucoup de résistantes (je crois que la majorité) sont à couche de carbone. Mais le procédé de fabrication est différent. Mon interrogation est sur le comportement de la couche de carbone évaporée. Peut être que ça marche.
Attendons des précisions de Semikorn.
A+

[LPFR]

Bonjour Semikorn.
Merci pour les précisions. Je ne pense pas que la conductibilité thermique de la couche résistive soit importante. Je pense que le contact thermique entre la résistance et l'anneau est plus importante, si la vitesse de réponse est en jeu. L'avantage d'une résistance est de chauffer tout l'anneau au même temps. Ce qu'avec des transistors doit être plus difficile à faire.

Mais, avez-vous fait un petit calcul de la résistance nécessaire et des dimensions de la piste? Il pourrait vous donner des indications sur l'intérêt d'avoir une résistivité plus ou moins grande.
Au revoir.

[invite8b7f95c7]

La resistivite varie avec la temperature (elle augmente avec elle).

Il faudrait que tu verifie tes temperatures d'utilisation et les resistances adequates.

Bien a vous

[invitef0129596]

Merci pour vos réponses.

Malheureusement je ne connais pas la resistance dont j'ai besoin etant donne que je ne sais pas a quelle temperature je dois porter la piste afin d'obtenir le filtre adequate... Tout ceci va etre tres empirique, je ne sais pas s'il sera possible de faire des calculs par la suite. Je vais faire plusieurs essais avec differentes epaisseurs de metal.

L'evaporation du carbone, je n'en ai jamais entendu parle en microelectronique, peut etre car le point de fusion est beaucoup trop eleve? (3652 °C) et donc pas simple a deposer...

@+

[LPFR]

L'evaporation du carbone, je n'en ai jamais entendu parle en microelectronique, peut etre car le point de fusion est beaucoup trop eleve? (3652 °C) et donc pas simple a deposer...

Re.
Moi non plus. Mais il n'est pas nécessaire de fondre quelque chose pour qu'il s'évapore. Le carbone se sublime bien avant de fondre. Et le carbone est simple à déposer. Comme j'ai dit, il est utilisé en microscopie électronique depuis plus d'un demi-siècle.

J'espère que vous connaissez les variations d'indice de réfraction du matériau de votre anneau en fonction de la température. Et aussi de combien il faudrait qu'il change. Si non, c'est vraiment de l'aveuglette.
A+

[invitef0129596]

le point de sublimation, c'est comme le point d'ebullition non? dans ce cas il est de 4827 °C pour le carbone donc vraiment tres élevé...

En ce qui concerne l'indice de refraction et pour tout ce qui concerne les caracteristiques optiques des guides de lumiere, ce n'est pas moi qui suis en charge de ca au labo, je dois me mettre en contact avec les bonnes personnes.
Mais je pense que ce qui va etre fait c'est d'injecter du courant pour chauffer la piste et faire des mesures optiques en sortie jusqu'a obtenir le le point que l'on cherche. Finalement on n'a pas vraiment besoin de connaitre la température de la piste tant que le resultat désiré est obtenu. L'idée étant simplement d'utiliser le meilleur matériau possible pour chauffer correctement tout en limitant la consommation de courant...

[LPFR]

Re.

le point de sublimation, c'est comme le point d'ebullition non?

Non. Il n'y a pas de "point de sublimation". La sublimation est le passage direct de l'état solide au gazeux. Grosso modo, tous les solides se subliment plus ou moins, surtout plus quand ils sont chauds. La glace se sublime. Le tungstène des ampoules se sublime et finit comme un dépôt noir sur l'intérieur de celle-ci.

Finalement on n'a pas vraiment besoin de connaitre la température de la piste tant que le resultat désiré est obtenu.

... ou que le chip fonde... ou se sublime .
A+