Énergie d’adhésion : le moteur du collage direct
Collage direct - Assemblage sans adhésif pour environnements extrêmes

N2000 v1 Article de référence

Énergie d’adhésion : le moteur du collage direct
Collage direct - Assemblage sans adhésif pour environnements extrêmes

Auteur(s) : Aurélien MAUREL-PANTEL, Frank FOURNEL, Thierry BILLETON, Jérôme DEBRAY, Christophe HECQUET, Anne TALNEAU, Frédéric LEBON

Date de publication : 10 nov. 2024 | Read in English

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Sommaire
Médias

Présentation

1 - Domaines et secteurs d’application

2 - Énergie d’adhésion : le moteur du collage direct

2.1 - Rugosité de surface
2.2 - Préparation des surfaces de collage : polissage et nettoyage

Figure 8 - Opération de polissage
2.3 - Mesure de l’énergie d’adhésion
2.4 - Vitesse de l’onde de collage
2.5 - Surfaces hydrophiles ou hydrophobes

3 - Énergie d’adhérence : la tenue mécanique de l’interface

3.1 - Énergie d’adhésion versus énergie d’adhérence
3.2 - Mécanismes de l’adhérence

Tableau 1
3.3 - Méthodes de renforcement de l’énergie d’adhérence

$Figure 21 - Mesure de l’épaisseur de l’interphase de collage par diffraction des rayons X [23]$
3.4 - Vieillissement de l’énergie d’adhérence

4 - Conclusion

5 - Glossaire

6 - Sigles, notations et symboles

Bibliographie & annexes

Présentation

RÉSUMÉ

Cet article traite de la méthode de collage direct encore nommée adhésion moléculaire en dévoilant les phénomènes et les mécanismes qui permettent d’adhérer sans colle. Il s’intéresse aux cas de la silice et du silicium, car ce sont les matériaux les plus étudiés et physiquement les mieux compris à ce jour. Les points fondamentaux qui autorisent l’adhésion spontanée en termes de qualité (rugosités, planéités), de recouvrement et de propreté des surfaces sont détaillés dans une première partie. Puis les méthodes de caractérisation des forces d’adhésion lors du collage, et de l’adhérence, lors du désassemblage sont explorées. Enfin, les mécanismes physico-chimiques de l’adhérence et les traitements permettant de renforcer la tenue des assemblages sont décrites.

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Auteur(s)

Aurélien MAUREL-PANTEL : Maître de Conférence - Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, LMA, Marseille, France
Frank FOURNEL : Directeur de recherche - CEA LETI, CEA, Grenoble, France
Thierry BILLETON : Ingénieur - Laboratoire de physique des lasers (LPL UMR7538), CNRS, Villetaneuse, France
Jérôme DEBRAY : Ingénieur - Institut Néel (UPR2940), Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Grenoble, France
Christophe HECQUET : Ingénieur - Laboratoire Charles Fabry (LCF UMR8501), CNRS, Palaiseau, France
Anne TALNEAU : Directrice de recherche - Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N UMR9001), CNRS, Palaiseau, France
Frédéric LEBON : Professeur - Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, LMA, Marseille, France

INTRODUCTION

La technologie du collage direct, aussi appelée adhésion moléculaire, est un type très particulier d’assemblage. Sa définition la plus concise semble être : « un collage spontané sans l’ajout de liquide épais ». Le fait de ne pas ajouter de liquide implique surtout l’absence d’utilisation de colle liquide polymère. C’est un assemblage sans colle ! Le fait qu’il soit « spontané » implique que l’assemblage des deux surfaces permet de gagner de l’énergie, afin de propager le collage direct.

L’énergie que le système possède à sa disposition pour coller est « l’énergie d’adhésion ». Elle est à opposer à l’énergie d’adhérence (autrement appelée « énergie de collage ») qui représente l’énergie nécessaire pour séparer les surfaces assemblées. L’énergie d’adhésion est, quant à elle, l’énergie qui aide à les rapprocher.

Dans le cadre du collage direct, pour permettre un collage spontané, il est nécessaire que l’énergie d’adhésion soit plus importante que le coût énergétique nécessaire au rapprochement des surfaces, c’est-à-dire plus grande que l’énergie élastique de déformation induite par le fait que les surfaces à assembler vont se toucher et se rapprocher le plus possible, en se déformant au besoin. Il est donc nécessaire d’avoir des surfaces très proches, généralement à une distance de l’ordre du nanomètre. À cette échelle, les forces intermoléculaires entre les deux surfaces peuvent entrer en action. C’est pour cela que la technique est aussi nommée « adhésion moléculaire ». Le collage direct peut être réalisé grâce aux forces de van der Waals, aux liaisons hydrogènes et, dans certains cas, aux forces capillaires : ces forces sont le moteur du collage direct. L’énergie mécanique de déformation, dépensée pour rapprocher les surfaces, en est le frein.

L’article se focalise, pour des raisons de simplicité, sur le collage direct de la silice fondue. Ce moteur et ce frein sont largement détaillés, ce qui permet de présenter les mécanismes de l’adhésion, et les critères à respecter en termes de spécifications de surface, ou d’environnement, pour réaliser l’adhésion. L’énergie d’adhérence conditionne, quant à elle, la tenue mécanique de l’interface. Dans la dernière partie, elle est décrite en détaillant les techniques qui permettent de la maximiser.

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MOTS-CLÉS

adhésion Adhérence Silice Silicium assemblage collage direct

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-n2000

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2. Énergie d’adhésion : le moteur du collage direct

Pour que l’énergie d’adhésion soit non nulle et positive, il est nécessaire qu’au moins une force attractive puisse s’établir entre les deux surfaces à assembler. C’est le cas par exemple, si les deux surfaces sont des aimants permanents nord et sud : les deux surfaces s’assemblent spontanément. On peut aussi obtenir un assemblage spontané avec des forces électrostatiques, si l’on met en regard deux surfaces chargées. C’est une partie de ce phénomène qui est mis en jeu dans le collage anodique .

En dehors de ces cas, très particuliers, entre des surfaces « standards », telles des surfaces de matériaux isolants (par exemple du verre), de semi-conducteurs (par exemple du silicium) ou de métaux oxydés (par exemple du cuivre ou du titane), le collage direct peut être réalisé grâce aux forces de van der Waals, aux liaisons hydrogène et, dans certains cas, aux forces capillaires. Cependant, comparées aux forces magnétiques et électrostatiques, ces forces sont bien plus faibles et, surtout, elles ont une portée bien plus réduite.

Typiquement, les forces de van der Waals varient en $d^{- 7}$ , voire en $d^{- 8}$ à courte distance,...

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