Optimisation du banc de thermoréflectance en régime statique

Présentation du banc expérimental de thermoréflectance

Description générale

Le banc de thermoréflectance développé au laboratoire SATIE à Versailles est un banc expérimental. Le développement de ce banc a débuté en 2015. Son but est de caractériser l’évolution de la température sur des composants de puissance. Une photographie du banc et de ses différents équipements est présentée sur la figure III.1.  Figure III.1: Banc expérimental de thermoréflectance au laboratoire SATIE Dans la suite, nous détaillerons les éléments constituant ce banc et leur utilité. 

Equipement du banc expérimental de thermoréflectance

Microscope

Notre banc vise les mesures à grande résolution spatiale. Il utilise pour cela un microscope Olympus de type BX51M (cf. figure III.2) [Oly20]. Il s’agit d’un microscope métallographique standard, muni d’une triple tête, d’une sortie binoculaire et d’une sortie caméra. Il est équipé par une source lumineuse LED (Light Emitting Diode en anglais) que nous décrirons par la suite afin de réaliser des mesures en régime statique et dynamique. Figure III.2: Microscope Olympus de type BX51M [Oly20] Nous avons muni ce microscope de 3 objectifs qui ont pour grossissement x10, x50 et x50 à grande distance de travail. L’objectif x50 à grande distance de travail est utilisé pour les mesures à forte puissance afin d’éviter l’échauffement et la dégradation de la lentille de l’objectif.

LED

La source de lumière utilisée pour éclairer l’échantillon est une diode électroluminescente à ultra haute puissance de la série de UHP-T fabriquée par la société « Prizmatix » [Pri20]. Une photographie de la LED UHP-T et de son contrôleur est présentée sur la figure III.3. 100 Figure III.3 : LED Prizmatix utilisé dans la manipe de thermoréflectance [Pri20] Le contrôleur de courant de cette LED fournit une source de courant stable à faible bruit, entrainant un éclairage très homogène et stable sur tout le champ de vision.

Sa puissance peut être réglée manuellement par un potentiomètre ou par une entrée analogique (0-5 V). Le pilotage peut également se faire en mode pulsé via le déclencheur TTL. Cette LED peut être utilisé à des fréquences de modulation allant jusqu’à 30 KHz, la rendant efficace pour les mesures dynamiques. La figure III.4, issue de [Pri20], représente la courbe d’émission de la LED UHP-T en fonction de la longueur d’onde. Cette LED émet dans le visible (400 nm à 800 nm) avec un maximum d’émission dans le bleu (450 nm). Figure III.4: Spectre d’émission de la LED UHP-T donné par le constructeur [Pri 20] Afin de selectionner une longueur d’onde d’illumination, nous avons utilisé des filtres dichroïques.

Filtres dichroïques

Le principe de fonctionnement des filtres dichroiques est basé sur la réflexion des longueurs d’onde indésirables et la transmission de la partie souhaitée du spectre. Ces filtres offrent des trés bonnes performances en terme de filtrage. Nous avons équipé notre microscope de filtres qui couvrent le domaine spectral de la LED. Une récapitulatif des filtres disponibles est présenté dans le tableau III.1 [Chr20]. Filtre Longueur d’onde centrée (nm) Largeur à mi-hauteur AT350/50x Tableau III.1 : Filtre dichroïques utilisés dans le banc de thermoréflectance [Chr20] Afin de mesurer la lumière réfléchie par la surface de l’échantillon, nous avons utilisé une caméra CMOS. Dans la suite, nous présenterons les caractéristiques de cette caméra.

Caméra

La caméra utilisée dans ce montage est une caméra commerciale de la société « photon focus » ayant pour référence MV1-D1024E-160-CL [Pho20]. Cette caméra utilise une technologie du capteur CMOS à base de pixel actif. Cette technologie permet d’intégrer sur le même pixel un élément photosensible et un circuit de lecture, contrairement aux capteurs CCD. En d’autres termes, cette technologie permet d’une part de convertir la charge accumulée en tension et de l’amplifier, et d’autre part, d’adresser individuellement chaque pixel pour réaliser la lecture de l’image et aussi pouvoir sélectionner des régions d’intérêt précis.

Une image de la caméra photon focus MV1- D1024E-160-CL est présentée dans la figure III.5. Figure III.5: Caméra Photonfocus MV1-D1024E-160-CL [Pho20] La caméra MV1-D1024E-160-CL possède une résolution de 1024 * 1024 pixels. Elle offre une grande dynamique dans l’acquisition des photons, avec une profondeur de puits de 200 000 électrons qui correspondant nombre maximal de charges électriques accumulées dans le pixel avant la saturation (Full Well Capacity en anglais). Les données peuvent être codées sur 8, 10 et 12 bits. Cette grande profondeur de puits réduit la part relative du bruit de photons et la conversion sur 12 bits permet de réduire le bruit de quantification. Elle offre ainsi un rapport signal sur bruit de (447 :1).