Brevet FR2758015A1 — publié le 19980703

MICRO-CHAMPIGNONS CONDUCTEURS ET ELEMENT DE CONNEXION ELECTRIQUE UTILISANT DE TELS MICRO-CHAMPIGNONS La présente invention concerne l'obtention de micro-champignons électriquement conducteurs. Elle concerne également l'obtention d'éléments de connexion électrique utilisant de tels micro-champignons. La connexion électrique entre deux éléments conducteurs peut se faire de différentes façons : en maintenant par pression élastique les éléments conducteurs en contact, en les fixant l'un à l'autre de manière définitive ou temporaire par exemple. Dans le domaine de la micro-connexion, l'obtention d'une bonne connexion électrique n'est pas chose facile à cause de la taille réduite des éléments à connecter. Pour remédier à cet inconvénient, les inventeurs de la présente invention proposent d'assurer cette connexion électrique en équipant les éléments à connecter de micro-champignons conducteurs répartis de manière qu'on puisse obtenir, par mise en contact des suraces d'éléments ainsi pourvus, une connexion rapide, simple et efficace. La mise en contact assure une imbrication des micro-champignons des deux éléments : les pieds des champignons leur assurent une certaine flexibilité lors de la mise en contact et les chapeaux des champignons assurent le maintien de la liaison mécanique entre les éléments. L'invention permet la réalisation de micro-connexion par liaison de type Velcro 8. I1 apparaît que la présente invention propose pour la première fois une micro-connexion électrique par une liaison du type fermeture contact. En effet, il semble que dans le domaine des structures micro-usinées, on ne connaisse que l'obtention de liaisons mécaniques par fermeture contact. Ce type de liaison mécanique a été divulgué dans l'article "A mechanical surface adhesive using micromachined silicon structures" de H. HAN et al., paru dans J. Micromech. Microeng. 1 (1991), pages 30-33. I1 s'agit dans cet article de relier mécaniquement des structures en silicium. Pour cela, pour chaque élément à relier, une couche d'oxyde de silicium a été formée sur un substrat en silicium. Par masquage et gravure anisotrope, la surface du substrat présente des cavités uniformément réparties et dont les bords sont surmontés de zones d'oxyde fléchissant vers l'intérieur des cavités. Lors de la mise en contact des éléments à relier, il y a interpénétration des surfaces traitées par flexion élastique des zones d'oxyde faisant saillie sur les bords des cavités. La liaison obtenue est purement mécanique. La présente invention permet de réaliser une connexion électrique entre les surfaces de deux éléments traitées de manière similaire. L'invention peut aussi être appliquée à un seul élément pour lui procurer une surface de contact électrique par points. On peut ainsi obtenir un contact électrique avec un autre élément conducteur à surface rugueuse par exemple, ce contact pouvant à la limite etre obtenu au moyen d'un seul micro-champignon. Un premier objet de la présente invention consiste en un procédé de réalisation d'au moins un micro-champignon électriquement conducteur sur un substrat électriquement conducteur, comportant les étapes consistant à - déposer une couche d'un matériau déterminé sur le substrat, - réaliser dans ladite couche une perforation par micro-champignon à réaliser, ladite perforation traversant ladite couche pour aboutir au substrat, - remplir chaque perforation d'un matériau conducteur débordant de la perforation de manière à obtenir un micro-champignon, la perforation formant le pied du micro-champignon et le débordement de matériau conducteur formant le chapeau du micro-champignon. Si la couche déposée est en polymère photosensible, la perforation peut être obtenue par une technique de photolithogravure. La perforation peut aussi être obtenue par gravure chimique de la couche déposée. Le remplissage de la perforation peut être obtenu par électrolyse, le substrat électriquement conducteur servant alors d'électrode au cours de l'opération d'électrolyse. Pour favoriser la croissance du matériau conducteur dans la perforation, on peut, avant l'opération d'électrolyse, revêtir le substrat conducteur au fond de la perforation d'un agent mouillant destiné à faciliter la germination du matériau conducteur. Une autre manière de favoriser la croissance du matériau conducteur dans la perforation consiste à générer des ultrasons pendant l'opération d'électrolyse afin de favoriser la pénétration de l'électrolyte au fond de la perforation. D'autres techniques permettant de faciliter la pénétration de l'électrolyte dans les micro-perforations peuvent également être utilisées. Selon l'utilisation envisagée, il peut être nécessaire d'éliminer la couche déposée sur le substrat. Un deuxième objet de l'invention consiste en un élément de connexion électrique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un micro-champignon électriquement conducteur formé sur un substrat électriquement conducteur, le micro-champignon comportant un pied et un chapeau, l'élément comportant éventuellement une couche déposée sur le substrat et comprise entre le substrat et le chapeau du micro-champignon. Un troisième objet de l'invention consiste en un élément de connexion électrique, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de micro-champignons électriquement conducteurs formés sur un substrat électriquement conducteur, chaque micro-champignon comportant un pied et un chapeau, les micro-champignons étant uniformément répartis de façon que ledit élément puisse assurer une connexion électrique avec un élément similaire correspondant, la liaison entre les deux éléments étant du type fermeture contact dans lequel les micro-champignons de chaque élément s'imbriquent les uns dans les autres. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquel - les figures 1 à 4 sont illustratives du procédé de réalisation selon la présente invention, - la figure 5 représente des éléments de connexion électrique selon la présente invention. Dans la suite de la description, on décrira à titre d'exemple la manière de réaliser des éléments de micro-connexion électrique comportant une pluralité de micro-champignons. La figure 1 montre un substrat électriquement conducteur constitué d'un support isolant ou non 1, par exemple en verre ou en silicium, recouvert d'une couche conductrice 2 par exemple en niobium ou en oxyde d'indium. A titre d'exemple, une couche de niobium de 0,2 um d'épaisseur peut être obtenue par évaporation sous vide. Sur la couche conductrice 2, on a déposé une couche isolante 3. L'ensemble constitué par le support 1, la couche conductrice 2 et la couche isolante 3 porte la référence 4. La couche isolante comporte des perforations 13 qui peuvent être obtenues comme suit. La couche isolante 3 peut être une couche de résine polymère photosensible positive déposée, par exemple, par centrifugation sur la surface de la couche conductrice 2. La couche de polymère photosensible 3 est insolée aux rayons ultra-violets par exemple, à travers un masque micro-perforé plaqué sur la couche 3 de manière que la lumière d'insolation impressionne les zones de la couche photosensible correspondant aux micro-perforations du masque. Le masque est séparé du matériau photosensible ainsi insolé. On développe la couche photosensible 3 pour former dans cette couche des trous ou micro-perforations 13 correspondant aux zones insolées. Le diamètre et la profondeur des trous réalisés sont choisis en fonction de la taille des pieds de champignon à réaliser. A titre d'exemple, ces dimensions peuvent être choisies dans les gammes voisines du micromètre ou de quelques micromètres. Selon une autre variante, la couche isolante 3 est réalisée en un autre matériau qu'un polymère, par exemple en silice. Dans le cas de la silice, on peut réaliser les micro-perforations soit directement dans cette couche, soit en passant par une étape de photolithogravure en utilisant une résine photosensible déposée sur la surface de cette couche de silice dans laquelle on réalise, comme décrit précédemment, des micro-perforations. Les micro-perforations 13 de la couche de silice peuvent alors être obtenues par gravure chimique de cette couche de silice à travers les micro-perforations préalablement réalisées sur la couche de résine. Les micro-champignons sont ensuite réalisés dans les micro-perforations. Pour cela, l'ensemble référencé 4 est plongé dans un bain éléctrolytque contenant les ions métalliques constituant le matériau des micro-champignons que l'on veut réaliser. C'est ce que montre la figure 2 où la référence 10 représente la cuve à électrolyse et la référence 11 le bain électrolytique. Le dépôt métallique des micro-champignons se fait par électrolyse en polarisant la partie conductrice de l'ensemble 4, considérée comme la cathode, en face d'une électrode plane 5 considérée comme l'anode. L'anode peut être constituée par exemple d'une plaque de nickel pur de 1 mm d'épaisseur. L'anode et la cathode sont disposées parallèlement entre elles et séparées par exemple d'une distance de 1 cm. Le dépôt est obtenu grâce à un générateur de tension continue 6 relié par des broches 7 et 8 à l'ensemble 4 et à l'anode 5 respectivement. La différence de potentiel imposée entre cathode et anode génère un courant électrique, ce courant résultant du mouvement des électrons libres du circuit électrique et de la migration des ions dans l'électrolyte entre la cathode et l'anode. Le dépôt métallique consiste, de manière tout à fait classique en électrochimie, à neutraliser l'espèce cationique en lui fournissant autant d'électrons qu'elle a de charges positives. Le bain électrolytique peut être constitué d'une solution contenant des ions Ni2+ et Fe2+ afin d'obtenir un dépôt électrochimique de FeNi. Le pH du bain électrolytique est maintenu constant, par exemple autour de 2,5. Dans les premiers instants du dépôt, la réaction électrolytique réduit les cations sous forme d'atomes métalliques qui vont se rassembler sur la couche conductrice 2, donc dans les micro-perforations de la couche isolante 3. Ces atomes métalliques créent alors des germes de nucléation au fond des micro-perforations, autour desquels va croître le dépôt métallique. La vitesse de dépôt est contrôlée par la différence de potentiel appliquée entre anode et cathode Le dépôt métallique commence à croître au fond des trous ; puis il les remplit complètement ; enfin il émerge au-dessus de la surface de la couche isolante 3. La croissance du dépôt métallique, qui était jusqu'alors confinée par les parois des trous, est libérée et le dépôt métallique continue à croître en forme de calotte semi-sphérique au-dessus de chaque trou en suivant les équipotentielles dans l'électrolyte. Le dépôt est arrêté quand la taille du chapeau des micro-champignons est suffisamment grande. Pour faciliter la germination au fond des trous, il est préférable d'utiliser un agent mouillant dans lequel on trempe l'ensemble 4 avant d'effectuer le dépôt par électrolyse. Par exemple, l'ensemble 4 peut être trempé pendant 15 min dans une solution de C1nHiNaC4S. On peut également faciliter cette germination en générant des ultrasons dans l'électrolyte pour permettre à celui-ci de mieux pénétrer jusqu'au fond des micro-perforations. Tout autre moyen ou méthode permettant de faciliter la pénétration de l'électrolyte dans les micro-perforations peut être utilisé. La figure 3 montre, à titre d'exemple, le résultat obtenu après l'opération d'électrolyse menée pour une différence de potentiel de 1,1 V entre anode et cathode. Les micro-champignons 20 obtenus sont constitués chacun d'un pied 21 et d'un chapeau 22. A ce stade du procédé, on obtient un élément de connexion à contact électrique par points. Le procédé peut être poursuivi afin de dissoudre la couche isolante 3. Comme le montre la figure 4, seuls les micro-champignons 20 subsistent alors sur la couche conductrice 2. Cette étape est nécessaire pour obtenir un élément de connexion électrique s'accrochant sur un élément correspondant par une liaison du type Velcro 8. La figure 5 est une vue de détail d'une connexion électrique obtenue grâce à deux éléments de connexion électrique selon la présente invention. Il s'agit en fait d'une vue explicative de la manière dont les deux éléments de connexion s'accrochent entre eux. En réalité, les dimensions des micro-champignons et leur distribution respective sur les deux éléments de connexion sont telles qu'il existe un véritable contact électrique entre les deux éléments de connexion, ce contact étant dû à des forces de pression élastique s'exerçant entre les micro-champignons des deux éléments de connexion. Chaque élément de connexion 30, 40 est par exemple formé à partir d'un support en verre, respectivement 31 et 41, recouvert d'une couche conductrice, respectivement 32 et 42, par exemple en niobium. Chaque élément de connexion 30, 40 supporte des micro-champignons, respectivement 33, 43 formés sur leur couche conductrice. Les micro-champignons 33, 43 sont par exemple en alliage fer-nickel. Ils forment des rangées sur leurs éléments de connexion respectifs. Sur chaque élément de connexion, les rangées peuvent être formées de façon à décaler d'un demi-pas les micro-champignons d'une rangée par rapport aux micro-champignons des deux rangées adjacentes, formant ainsi des motifs en quinconce. Les micro-champignons 33, 43 possèdent des pieds, respectivement 34 et 44, et des chapeaux, respectivement 35 et 45. Comme on le voit sur la figure 5, l'accrochage des éléments de connexion se fait par imbrication des micro-champignons des éléments de connexion entre eux. Les pieds des micro-champignons leur confèrent la flexibilité suffisante pour assurer le passage en force des chapeaux. Comme il a été dit plus haut, la figure 5 est simplement illustrative de l'accrochage des deux éléments de connexion. En réalité, lorsque l'accrochage est obtenu, il y a contact physique entre les micro-champignons des éléments de connexion qui sont rendus voisins lors de l'assemblage. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'au moins un micro-champignon électriquement conducteur (20) sur un substrat électriquement conducteur (1, 2) , comportant les étapes consistant à : - déposer une couche d'un matériau déterminé (3) sur le substrat (1, 2), - réaliser dans ladite couche (3) une perforation (13) par micro-champignon(20) à réaliser, ladite perforation traversant ladite couche pour aboutir au substrat, - remplir chaque perforation(13) d'un matériau conducteur débordant de la perforation de manière à obtenir un micro-champignon (20), la perforation (13) formant le pied (21) du micro-champignon et le débordement de matériau conducteur formant le chapeau (22) du micro-champignon. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la couche déposée (3) étant en polymère photosensible, ladite perforation (13) est obtenue par une technique de photolithogravure. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, ladite perforation (13) est obtenue par gravure chimique de la couche déposée (3). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le remplissage de la perforation (13) est obtenu par électrolyse, le substrat électriquement conducteur (1, 2) servant d'électrode au cours de l'opération d'électrolyse. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, avant l'opération d'électrolyse, le substrat conducteur (1, 2) est revêtu, au fond de la perforation, d'un agent mouillant destiné à faciliter la germination du matériau conducteur. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pendant l'opération d'électrolyse, des ultrasons sont générés afin de favoriser la pénétration de l'électrolyte au fond de la perforation (13). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite couche déposée (3) est éliminée. 8. Elément de connexion électrique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un micro-champignon électriquement conducteur (20) formé sur un substrat électriquement conducteur (1, 2), le micro-champignon (20) comportant un pied (21) et un chapeau (22) l'élément comportant éventuellement une couche (3) déposée sur le substrat et comprise entre le substrat et le chapeau (22) du micro-champignon. 9. Elément de connexion électrique (30; 40), caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de micro-champignons électriquement conducteurs (33; 43) formés sur un substrat électriquement conducteur, chaque micro-champignon (33; 43) comportant un pied (34; 44) et un chapeau (35; 45), les micro-champignons étant uniformément répartis de façon que ledit élément puisse assurer une connexion électrique avec un élément similaire correspondant, la liaison entre les deux éléments (30; 40) étant du type fermeture contact dans lequel les micro-champignons (33; 43) de chaque élément s' imbriquent les uns dans les autres.