Brevet FR2772124A1 — publié le 19990611

PROCEDE DE MESURE DE LA TEMPERATURE SUR DES COMPOSANTS EN FONCTIONNEMENT ET DISPOSITIF DE MESURE Le domaine de l'invention est celui de la mesure thermique locale sur des composants et plus particulièrement sur des composants électroniques en cours de fonctionnement. Le terme composant a ici un sens large, et désigne aussi bien un transistor discret qu'un module complet (amplificateur de puissance,...) dont le fonctionnement dans ces conditions nominales s'accompagne de dissipation thermique, et donc d'un échauffement, qu'il s'agit de mesurer. Les progrès technologiques et la recherche de meilleures performances conduisent à une réduction des dimensions caractéristiques ( largeur de grille par exemple) de ces composants. Par conséquent, en particulier pour les composants dits de puissance , c'est-à-dire dont la fonction est de contrôler un signal électrique dont on cherche à augmenter la puissance autant que possible, il est important de pouvoir mesurer l'échauffement local, si possible en beaucoup de points du composant, qui accompagne sa mise en fonctionnement. Un exemple de domaine dans lequel l'invention peut apporter un avantage significatif est la fabrication de radars aéroportés à matrice active, pour lesquels l'antenne est constituée d'un réseau de modules actifs semiconducteurs destinés à émettre une forte puissance en hyperfréquence. Un autre exemple, dans le domaine des contre-mesures, est la fabrication de brouilleurs très grande puissance, pour lesquels une température locale trop élevée est synonyme de durée de vie limitée. II n'existe pas actuellement de réponse satisfaisante au problème de la mesure locale des températures à la surface d'un composant, du moins si l'on souhaite atteindre une résolution spatiale de l'ordre du micron. La première voie possible consiste à utiliser le principe d'émission du rayonnement du corps noir (beaucoup de mesures pyrométriques utilisent la loi de Planck) en associant un dispositif de microscope (transparent au rayonnement infrarouge) à un détecteur du type de ceux employés dans les pyromètres optiques. Malheureusement, la bande spectrale sur laquelle ce détecteur doit travailler est fixée par la gamme de températures que l'on souhaite mesurer. Pour des températures que l'on s'attend à observer dans le problème décrit ici (disons entre la température ambiante et 300"C), il faut détecter le rayonnement de corps noir sur des longueurs d'onde de quelques microns. Dans un objectif de microscope, la meilleure résolution spatiale qui peut être obtenue est également limitée par la longueur d'onde transmise (critère d'Airy : la limite de résolution est de l'ordre de la longueur d'onde) mais il faut diminuer cette longueur d'onde pour améliorer la résolution spatiale de l'appareil. On voit donc que, pour ce type de caméra thermique, associant détecteur optique et objectif de microscope, il y a un compromis très contraignant entre sensibilité à la température dans la gamme souhaitée et résolution des cartographies produites. Les meilleurs chiffres annoncés par les constructeurs (Barnes par exemple) sont de l'ordre de 4 pm, mais la résolution pratique (celle que les utilisateurs semblent atteindre) est plutôt 10 à 15 pm. En plus de ce problème de résolution spatiale, il y a dans l'utilisation de ces appareils une source importante d'erreur possible sur les valeurs des températures, liée à l'émissivité de la surface du composant. Ce problème est bien connu dans les mesures de rayonnement de corps noir, et peut être contourné lorsqu'on travaille sur de grandes surfaces de matériau dont l'émissivité est homogène. Dans ce cas, I'émissivité peut être déterminée au moyen de calibrations. Par contre, pour les applications aux mesures thermiques locales sur des composants, I'émissivité varie évidemment fortement sur les diverses zones (par exemple contacts métalliques ou régions dans lesquelles le matériau semiconducteur est directement visible). La procédure de calibration devient de ce fait beaucoup plus complexe. II devient nécessaire de recouvrir le composant à mesurer d'une couche d'émissivité connue (en général, couche de noir de Carbone), ce qui rend la mesure intrusive, et de plus risque de perturber les caractéristiques de fonctionnement du composant de façon incontrôlable. La seconde voie connue consiste à déposer à la surface du composant une couche de cristal liquide, ayant une transition de phase à une température bien précise, située dans la gamme des températures attendues. Cette transition structuraie peut etre observée directement dans un microscope optique équipé d'un filtre polarisant, la phase basse température (nématique) apparaissant transparente dans le microscope alors que la phase haute température (isotrope) apparaît opaque. Dans cette approche, on ne fait donc pas réellement une mesure de température, mais on détecte le passage de chaque point du composant par une température précise. En fait, cette idée a été proposée initialement pour visualiser de façon simple et économique les points chauds ( hot spots ) à la surface des composants, qui sont associés à divers types de dégradation. On peut éventuellement sophistiquer la procédure pour essayer d'avoir une véritable cartographie thermique, mais ceci est au prix d'hypothèses qui ne peuvent pas être vérifiées. Les difficultés de cette méthode sont d'une part l'étalement de la goutte du cristal liquide (problèmes de mouillage), et d'autre part le fait qu'on n'observe pas toujours des spots très localisés, car un écart de température aussi faible que 0.1"C suffit à provoquer la transition complète du cristal liquide. Les mesures ne peuvent être effectuées que par un opérateur ayant une grande expérience. Néanmoins, cette approche est très couramment utilisée par les fabricants de composants ou de circuits pour spécifier les températures de fonctionnement. Pour pallier les inconvénients précités, I'invention propose de remplacer la couche de cristal liquide (ou de Carbone utilisé pour la cartographie infrarouge) par une couche mince d'un matériau transparent aux longueurs d'onde du domaine visible, dont certaines propriétés spectroscopiques permettent de remonter directement à la température. Plus précisément, I'invention a pour objet un procédé de mesure thermique sur un composant comprenant le dépôt d'une couche sensible sur ledit composant caractérisé en ce que: - la couche sensible est une couche transparente à des longueurs d'onde appartenant au domaine visible; et en ce qu'il comporte - I'illumination de la couche sensible par une source émettant dans le domaine visible; - la détection d'un faisceau rétrodiffusé par la couche sensible; - I'analyse spectroscopique du spectre Raman du faisceau rétrodiffusé; - la mesure thermique sur le composant à partir de l'analyse spectroscopique. Avantageusement, I'illumination peut être réalisée par un faisceau laser focalisé sur des dimensions inférieures au micron grâce aux longueurs d'onde utilisées appartenant au domaine visible. II est ainsi possible d'effectuer des mesures très localement. Selon une variante préférentielle la couche transparente dans le visible peut être un film de polymère bon isolant électrique, pour éviter toute perturbation du fonctionnement du composant, qui peut facilement être déposé à la surface dudit composant. II peut notamment s'agir de polymère de type PolyFluorure de Vinylidène. L'invention a encore pour objet un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé de mesure thermique sur un composant, à l'aide d'une couche sensible recouvrant le composant Ce dispositif comprend: . des moyens pour envoyer un faisceau incident émettant dans le visible, sur la couche sensible; . des moyens pour analyser le spectre Raman du faisceau rétrodiffusé par la couche sensible à partir du faisceau incident; . des moyens pour déterminer la température du composant à partir de l'analyse du spectre Raman. Avantageusement, le dispositif de l'invention peut comprendre également des moyens pour faire varier la position de la région d'impact du faisceau incident sur la couche sensible, de manière à établir une cartographie de mesure thermique locale sur le composant. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre un exemple de dispositif de mesure locale de température sur un composant, selon l'invention; - la figure 2 illustre des spectres Raman enregistrés à la surface d'un film de PVDF à différentes températures; - la figure 3 illustre une courbe de calibration relative au déplacement d'une raie de spectre Raman d'un film de PVDF, en fonction de la température. Nous allons décrire l'invention dans le cadre de la mesure de température sur des composants électroniques mais la présente demande de brevet peut être appliquée plus largement dans le domaine de la mesure de température sur des composants de toute nature. De manière générale, pour mettre en oeuvre l'invention, le matériau utilisé pour recouvrir le composant électronique est choisi de manière à: Produire un spectre contenant des raies Raman intenses lorsqu'il est éclairé par exemple par un faisceau laser (de type Ar+, Kr+, HeNe ou certaines diodes laser). Certaines propriétés de ces raies Raman (en particulier leur position spectrale ou leur intensité) varient suffisamment et de façon bien quantifiable avec la température de la couche pour permettre une détermination simple et non ambiguë de la température. entre un bon isolant électrique. Avoir des caractéristiques thermiques bien connues, de façon à permettre une évaluation quantitative des perturbations éventuellement apportées et donc de l'erreur sur l'estimation de température. . Utiliser des techniques classiques de dépôt en couche mince (évaporation sous vide, ou dépôt par centrifugation d'une solution comportant le matériau suivi de l'évaporation du solvant). . Etre stable en température (ne pas évoluer ou se décomposer) dans toute la gamme de température de mesure du composant électronique. Les polymères type PVDF (PolyFluorure de Vinylidène) remplissent tous ces critères. D'une manière avantageuse, pour effectuer la mesure locale, le procédé selon l'invention utilise un faisceau laser focalisé à travers un objectif de microscope, à la surface du composant préalablement recouvert par un film mince de matériau. Le spectre de lumière diffusée est collecté à travers le même objectif de microscope. Typiquement, le grandissement du microscope peut être de l'ordre de 50. La figure 1 illustre un exemple de dispositif mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Plus précisément, une source laser 1, envoie un faisceau laser I en direction de l'ensemble 5 comprenant le composant électronique et la couche de matériau, posé sur la platine du microscope 6. Pour cela, le faisceau laser I depuis la source 1, est envoyé sur un miroir 2 et sur une lame semi-transparente 3. La lame semi-transparente 3, laisse passer le faisceau laser 1, en direction de l'objectif de microscope 4, pour être focalisé sur la couche supérieure de l'ensemble 5. Le faisceau de lumière rétrodiffusé R comportant les informations du spectre Raman traverse à son tour l'objectif de microscope 4 et est réfléchi par la lame semi-transparente en direction du spectromètre 7 qui recueille les informations du spectre Raman contenu dans le faisceau R. Avantageusement, le spectromètre 7 peut être un spectromètre à réseaux qui permet la détermination du profil d'une raie par dispersion du rayonnement sur un réseau de traits (en général, il s'agit d'un réseau gravé) plutôt qu'un réseau à prisme dont la résolution spectrale de la raie est inférieure. En sortie du spectromètre 7, un photodétecteur de type CCD 8, envoie le signal recueilli vers un dispositif informatique 9 capable de fournir l'information de température locale recherchée. Exemple de dispositif permettant d'établir une cartographie de température d'un composant électronique, à l'aide d'un film de PolyFluorure de Vinylidène Un composant électronique dont on veut mesurer localement point par point la température en fonctionnement est recouvert d'un film de PVDF, en phase non ferroélectrique. Ce matériau, stable jusqu'à 150"C peut facilement être déposé par évaporation sous vide pour élaborer un film d'une épaisseur voisine du micron. II possède des raies Raman vers -1 800 cm , qui peuvent être excitées en utilisant une source laser émettant dans le rouge. Pour une telle source, on peut typiquement employer un laser Kr+ ou HeNe. La figure 2 illustre l'exemple de raies du spectre Raman à deux températures différentes. La courbe (1) est relative à une température de 23"C, la courbe (2) est relative à une température de 93"C. A partir des différents spectres Raman obtenus à différentes températures, il est possible d'élaborer la courbe de calibration illustrée en figure 3. Certaines raies Raman du PVDF, se décalent en fonction de la température avec un coefficient de pente suffisamment important (de l'ordre de 75 C/cm) pour obtenir une résolution en température meilleure que 5"C. La courbe de calibration permet de mesurer la température recherchée par la détermination du décalage obtenu entre la position de la raie pour le composant en fonctionnement et la position de référence sur le composant non alimenté électriquement. Des variantes dans la méthode de mesure spectroscopique sont possibles, comme par exemple, utiliser l'intensité des raies au lieu de leur décalage. Si les raies sont à suffisamment basses fréquences (inférieure à -1 500 cm ), on peut en particulier déduire la température du rapport des raies Stokes et anti-Stokes. Les raies Stokes correspondent à la signature de la raie du côté basses fréquences par rapport à l'origine des fréquences, qui est la fréquence du rayonnement excitateur. Les raies anti-Stokes correspondent à la signature symétrique de la même raie, du côté des hautes fréquences par rapport à l'origine. Pour réaliser la mesure point par point sur l'ensemble du composant électronique, la platine du microscope sur laquelle est fixé le composant, peut être alimentée électriquement pour être déplacée dans un plan parallèle au plan du composant, de manière à définir une cartographie des températures. Selon une variante, la platine de microscope est fixe et le faisceau laser est piloté de manière à être déplacé dans un plan parallèle au plan du composant électronique. L'objectif du microscope utilisé peut typiquement être un objectif de 50 à grande distance de travail et permettant d'étudier un composant implanté dans un boîtier. La puissance du faisceau I tel que mesuré au niveau du composant observé peut typiquement être comprise entre 1 et quelques mWatts. La cartographie des températures peut alors être réalisée par le dispositif informatique 8 équipé d'un logiciel informatique pour la saisie automatique des spectres enregistrés point par point et comparés à la courbe de calibration de manière à fournir directement l'ensemble des températures locales. Avec le procédé de l'invention, en utilisant un faisceau laser émettant dans le visible, on parvient à une taille de spot laser à la surface du composant, inférieure au micron, en limite de diffraction ce qui procure une résolution meilleure que le micron. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure thermique sur un composant comprenant le dépôt d'une couche sensible sur ledit composant caractérisé en ce que: - la couche sensible est une couche transparente à des longueurs d'onde appartenant au domaine visible; et en ce qu'il comporte - I'illumination de la couche sensible par une source émettant dans le domaine visible; - la détection d'un faisceau rétrodiffusé par ia couche sensible; - I'analyse spectroscopique du spectre Raman du faisceau rétrodiffusé; - la mesure de température à partir de l'analyse spectroscopique. 2. Procédé de mesure thermique sur un composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'analyse spectroscopique comprend l'analyse de la position en fréquence des raies du spectre Raman en fonction de la température sur le composant. 3. Procédé de mesure thermique sur un composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'analyse spectroscopique comprend l'analyse de l'intensité des raies du spectre Raman en fonction de la température sur le composant. 4. Procédé de mesure thermique sur un composant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche sensible est un film de polymère. 5. Procédé de mesure thermique sur un composant selon la revendication 4, caractérisé en ce que le polymère est de type PolyFluorure de Vinylidène. 6. Procédé de mesure thermique sur un composant selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'illumination est effectuée avec un faisceau laser focalisé en direction du composant électronique de manière à effectuer une mesure thermique locale. 7. Procédé de mesure thermique sur un composant selon la revendication 6, caractérisé en ce que le faisceau laser est focalisé au travers d'un microscope. 8. Dispositif de mesure thermique sur un composant recouvert d'une couche sensible caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - des moyens pour envoyer un faisceau incident émettant dans le visible (I) sur la couche sensible; - des moyens pour analyser le spectre Raman du faisceau rétrodiffusé (R) par la couche sensible à partir du faisceau incident; - des moyens pour déterminer la température du composant à partir de l'analyse du spectre Raman. 9. Dispositif de mesure thermique sur un composant selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour focaliser le faisceau incident sur la couche sensible. 10. Dispositif de mesure thermique sur un composant selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que les moyens pour envoyer un faisceau incident sur la couche sensible, comprennent des moyens pour faire varier la position de la région d'impact du faisceau incident sur la couche active, de manière à établir une cartographie de mesure thermique locale sur le composant électronique. 11. Dispositif de mesure thermique sur un composant selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les moyens pour déterminer la température du composant comprennent des moyens de comparaison entre l'analyse du spectre Raman et une courbe de calibration paramétrant les caractéristiques du spectre Raman de la couche active en fonction de la température.