Offre de Thèse : Optimisation de l’encollage d’une interface hétérogène avec reprise de contact électrique à l’aide de particules conductrices

    THÈSE CIFRE 2021 : Optimisation de l’encollage d’une interface hétérogène avec reprise de contact électrique à l’aide de particules conductrices

    thèse pourvue

     

    Objectif général

    GE Healthcare - Parallel Design SAS développe et conçoit des sondes d'échographie médicale, certains modèles miniatures permettant même un diagnostic in vivo. L’architecture de ces microsondes est construite à travers plusieurs matériaux, structurels et fonctionnels. C’est précisément dans l’assemblage, par collage particulier, de ces matériaux que résident plusieurs enjeux pour accroitre la performance de ces sondes à haute résolution.
    Ainsi, le premier défi à relever dans cette thèse est de proposer une nouvelle formulation d’une colle chargée avec des particules conductrices. Ce développement sera mené dans le but de maîtriser la relation entre les paramètres du procédé d’assemblage associé et la fiabilité de l’architecture finale. Cette maîtrise des phénomènes physico-chimiques et mécaniques survenant lors de cet assemblage constitue le deuxième défi posé dans la thèse, et ceci afin de garantir durablement la reprise de contact électrique des transducteurs acoustiques (Figure 1).

    Contexte

    GE Healthcare - Parallel Design SAS a besoin d’étendre son savoir-faire sur cette étape cruciale de fabrication afin de garantir durablement les performances thermiques, acoustiques et mécaniques des microsondes à haute résolution. Pour ses sondes aux géométries variées, au pas de résolution toujours plus fin, mettant en jeu des classes de matériaux très distincts, GE Healthcare - Parallel Design SAS doit donc intégrer plusieurs contraintes dans sa démarche comme la limitation en température pour l’opération de collage par thermocompression.

    Présentation détaillée

    Un exemple d’assemblage faisant l’objet des travaux de thèse est présenté Figure 1. L’interconnexion entre le matériau piézoélectrique et le circuit intégré (puce ASIC) se fait à travers des billes conductrices qui doivent se placer entre les plots de contact d’une bande flexible contenant des via métalliques et les plots de contact des éléments piézoélectriques ou ceux de la puce ASIC de pilotage. Certaines technologies nécessitent plusieurs niveaux d’interconnexions verticales, à l’instar de ce qui est illustré sur la coupe micrographique Figure 1. Pour réaliser la conduction électrique entre les plots de contact, une colle contenant des billes conductrices est utilisée lors d’une étape de thermocompression. L’écoulement de la colle chargée doit donc être parfaitement contrôlé lors de cette étape-clé.

    Schéma de principe et illustration d’un assemblage matriciel de transducteurs

    Figure 1: Schéma de principe et illustration d’un assemblage matriciel de transducteurs avec reprise de contact électrique

    Une première partie des travaux étudiera l’influence du taux de charge, de la taille, de la géométrie des billes pour une technologie identifiée (billes de polymères à surface conductrice) et la viscosité de la matrice organique en fonction de sa formulation, sur les performances finales de l’assemblage (contacts électriques, propriétés mécaniques, adhésion et performances électro-acoustiques du transducteur). Les conditions et les paramètres de mise en œuvre de l’assemblage (pression, vitesse, géométries) seront également considérés dans la démarche, de façon à garantir une bonne répartition des charges lors du procédé d’encollage et le maintien d’un bon contact électrique lors de polymérisation.
    Les caractérisations rhéologiques des matrices polymères avec ou sans charges seront effectuées pour évaluer le couplage fluide-particule et identifier les lois de comportement lors de l’écoulement. Ce couplage matrice-particule sera également évalué lors d’essais mécaniques.
    L’influence des conditions de mise en œuvre sur l’écoulement de la colle constituera le deuxième volet de l’étude expérimentale qui sera associée à étude numérique du procédé afin de l’optimiser.
    En parallèle de l’étude à l’échelle macroscopique, une analyse du contact à l’échelle de la particule élémentaire sur des géométries modèles sera menée afin d’évaluer le comportement mécanique et électrique de l’assemblage à l’échelle locale. Cette approche multi-échelles doit permettre d’établir une loi de comportement robuste.
    En complément des études expérimentales, une étude numérique sera menée pour reproduire les flux d’écoulement de la colle et des particules. Les modélisations seront réalisées avec le logiciel Comsol Multiphysics. D’autres codes de calcul pourront être évalués si les lois de comportement ou de couplages fluide-particule existantes ne permettent pas de converger ou si la simulation pour des géométries modèles n’est pas fidèle aux observations expérimentales.

    contrainte de von Mises en régime stationnaire

    Figure 2 : Distribution de la contrainte de von Mises en régime stationnaire

    Cette approche numérique de la répartition des particules sera ensuite couplée à des modèles statistiques pour évaluer la probabilité de défauts (court-circuit, circuit ouvert, absence locale de colle, etc.) en corrélation avec les données expérimentales.
    Les lois de comportement identifiées seront alors évaluées sur des géométries plus complexes, représentatives d’un assemblage réel, pour vérifier si les outils numériques mis en place permettent de réduire le temps de développement pour dimensionner la zone d’encollage optimale en fonction de la topographie des surfaces, du type de matrice ou de charge.
    Le premier semestre sera dédié à la prise en compte des procédés d’assemblage et des moyens d’analyses et de caractérisation et à la rédaction d’un mémoire bibliographique portant sur :
    - les techniques d’assemblage à basse température (≤ 120 °C) avec reprise de contact et de report, la typologie des particules conductrices et les modèles de contacts électriques,
    - la formulation et la chimie des matrices organiques utilisées pour le collage, en lien avec les cinétiques de réticulation et la rhéologie.
    - la fiabilité du joint obtenu en fonction des différentes contraintes externes : thermique, humidité, chimique (stérilisation).


    Profil et compétences recherchés

    • Ingénieur ou master en science/chimie/génie des matériaux / microélectronique
    • Goût pour le travail expérimental, des techniques d’analyse et de caractérisation
    • Notions en simulation numérique
    • Maîtrise de la langue anglaise
    • Autonomie importante, facilité de communication régulière avec plusieurs interlocuteurs.


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    Informations générales

    • Thème/Domaine : Mécanique Numérique et Matériaux
    • Lieu de travail : Sophia-Antipolis :

      - CEMEF MINES ParisTech
      - GE Healthcare Parallel Design SAS

    • Mots clés : Collage, ACP (Anisotropic Conductive Paste), reprise de contact électrique, rhéologie, mouillage, particules, écoulement
    • Type de projet/collaboration : CIFRE GE Healthcare.
      Le(la) doctorant(e) CIFRE sera accueilli(e) conjointement à 50% chez GE Healthcare - Parallel Design et à 50% au CEMEF à Sophia-Antipolis. Les deux entités sont situées à 5 km, ce qui est un atout pour une collaboration étroite. Des réunions régulières de travail auront lieu sur les deux sites, assortis de rapports d’avancement.
    • Durée de contrat :  3 ans
    • Rémunération :   CIFRE GE Healthcare : 30 k€ brut annuel

    Contacts

    • Equipe : Pôle Surfaces et Procédés (PSP)
    • Encadrants :Pr. Karim Inal ; Dr. Frédéric Georgi

    Consignes pour candidater

    • les papiers requis pour postuler :
    • CV détaillé
    • Relevés de notes des trois dernières années et classement dans la promotion
    • Lettre de motivation
    • Deux lettres de recommandation

    Information ! Les candidatures doivent être déposées en ligne sur le site Cemef. Le traitement des candidatures adressées par d'autres canaux n'est pas garanti.
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