Soutenance mémoire
Le risque de décharges électrostatiques (ESD, ElectroStatic Discharge) est omniprésent tout au long du cycle de vie du composant. Pour protéger les systèmes électroniques des ESD, les concepteurs placent des protections dans les zones les plus exposées de leurs circuits. Ces protections servent à absorber les décharges et éviter qu’elles n’atteignent les circuits intégrés. Avec l’évolution numérique, les contraintes imposées aux protections discrètes sont de plus en plus nombreuses. En effet, avec le développement de l’internet des objets et des systèmes intelligents, les appareils électroniques sont de plus en plus connectés, le volume et le partage des données évoluent et la liste des fonctionnalités se rallonge d’année en année. A titre d’exemple, dans le marché de l’économie numérique, l’engouement autour du smartphone et l’évolution de ce dernier donnent une vision sur les nombreuses contraintes à considérer dans la conception des produits de protection. En effet, le smartphone intègre désormais de nombreuses fonctionnalités, comme l’internet mobile (4G, 5G …), la géolocalisation (GPS), les applications multimédia, les communications courtes distance (NFC, Bluetooth…) et les applications de monétisation (RFID). Toutes ces fonctionnalités requièrent un débit de données plus important, une autonomie de batterie plus longue et un spectre de radiofréquences plus large. Au niveau système, cela se traduit par une multitude de puces et de circuits qui engendrent un encombrement plus conséquent. Pour réduire la complexité, le coût et l’encombrement du système, les concepteurs développent des circuits RF multistandards et des interfaces haut-débit universelles, qui assurent à la fois l’alimentation, l’échange de données et la transmission du flux audio et vidéo. Dans le contexte ESD, la tendance « nomade » de ce type d’appareils, associée à leurs nombreuses fonctionnalités, les rend particulièrement exposés aux décharges. En termes de qualité de protection, cela se traduit par des exigences ascendantes sur les performances de robustesse et d’efficacité. Face à cela, les limitations de l’encombrement requièrent une miniaturisation extrême des protections, avec des boîtiers réduits et des fonctionnalités bidirectionnelles et multilignes. D’un autre côté, les contraintes associées à la consommation d’énergie et à l’extensibilité du spectre de fréquences engendre une sensibilité accrue du système vis-à-vis des perturbations externes, ce qui exige une transparence maximale au niveau de la qualité de protection. A toutes ces considérations, se rajoutent celles du coût et des possibilités technologiques dont il faut tenir compte lors de la conception des produits de protection.
Généralités sur les protections ESD
Au quotidien, les décharges électrostatiques passent souvent inaperçues et se manifestent parfois sous la forme d’une étincelle ou d’un picotement ressenti par la personne impliquée. Dans l’industrie du semiconducteur, ces mêmes décharges peuvent endommager les composants électroniques et entraîner des coûts importants. Ce chapitre dresse un état de l’art sur l’origine des décharges électrostatiques (ESD) et les moyens de caractérisation mis en place pour l’analyse et la qualification des composants. Il s’ensuit une présentation des stratégies de protection mises en œuvre pour améliorer la robustesse des circuits électroniques.
Type de perturbations et origines des ESD
Une ESD correspond à un transfert de charges entre deux corps ayant des potentiels électrostatiques différents. A grande échelle, le phénomène le plus connu est la foudre. A plus petite échelle, les décharges se manifestent sous la forme d’un arc électrique, comme lorsqu’une personne chargée touche la poignée d’une porte .
Dans la famille des surcharges électriques EOS (Electrical Overstress), les décharges électrostatiques sont les évènements les plus rapides et les moins énergétiques . En microélectronique, il existe deux mécanismes majeurs à l’origine des ESD :
➤ Electrification par triboélectricité : un transfert de charges peut se produire lorsque deux matériaux différents sont mis en contact puis séparés. C’est le cas d’un composant qui glisse dans une barrette de transport, ou d’une personne qui accumule des charges en frottant ses chaussures contre le sol .
➤ Electrification par induction : une séparation de charges se produit dans un objet électriquement neutre, soumis à l’influence du champ électrique émis par un objet chargé, se trouvant à proximité. C’est le cas par exemple lorsqu’un papier ou un gobelet en polystyrène sont chargés électriquement et placés à proximité d’un composant .
Le risque d’ESD étant omniprésent tout au long du cycle de vie du composant, différentes approches ont été développées pour s’en prémunir. La première consiste à réduire le risque dans les lignes de fabrication. Cela se traduit par la mise en place de zones dites EPA (ESD Protected Area), où plusieurs précautions sont prises pour minimiser la génération et l’accumulation de charges . La seconde approche consiste à accroître la robustesse des circuits électroniques en y intégrant des protections, ainsi ils deviennent moins sensibles aux décharges électrostatiques. Dès lors, pour évaluer la vulnérabilité des circuits face à ce type de perturbations, plusieurs modèles ont été développés pour reproduire les décharges électrostatiques en laboratoire.
Modélisation des décharges ESD
Les modèles de décharges électrostatiques servent à reproduire les perturbations rencontrées par le composant dans son environnement de fabrication ou d’utilisation. Chaque modèle se caractérise par une forme d’onde de courant spécifique, dont les caractéristiques sont décrites dans des documents normatifs, définis par plusieurs comités dont les principaux sont : JEDEC (Join Electron Device Engineering Council), l’IEC (International Electrotechnical Commission), l’ANSI/ESD (American National Standards Institute) et MIL-STD (United States Military Standard). La partie qui suit liste les principaux modèles de décharges utilisés pour définir la robustesse des protections dans les documentations techniques. Ces modèles sont listés et groupés selon deux catégories :
– Les tests destructifs qui obéissent à des normes bien définies et qui sont déployés dans la qualification des composants et des systèmes dans les domaines ESD et EOS.
– Les tests de caractérisation alternatifs qui sont moins bien normés et communément utilisés pour comprendre le fonctionnement des protections face à des décharges ESD.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 Généralités sur les protections ESD
1. Type de perturbations et origines des ESD
2. Modélisation des décharges ESD
2.1. Normes au niveau composant
2.2. Normes au niveau système
3. Outils de caractérisation ESD industriels
3.1. Test TLP
3.2. Test VF-TLP et corrélation avec les tests de qualification
4. Stratégies de protection ESD
4.1. Types de protections
4.2. Classification des protections
4.3. Caractéristiques électriques et composants de base des protections
5. Qualité de la protection ESD
5.1. Critères de qualité
5.2. Outils graphiques d’évaluation
6. Conclusion
Chapitre 2 Qualité de protection du dispositif DTSCR
1. Descriptif du dispositif de protection DTSCR
1.1. Structure
1.2. Principe de fonctionnement
1.3. Caractéristique Courant-Tension
2. Caractéristiques électriques du DTSCR
2.1. Enjeux industriels
2.2. Point de maintien
2.3. Rapidité et temps de déclenchement
3. Compromis : Efficacité, Transparence et Robustesse
3.1. Transparence
3.2. Efficacité
3.3. Robustesse
3.4. Bilan
4. Compromis : Performances électriques et dessin technologique
4.1. Structure
4.2. Performances électriques
4.3. Bilan
5. Conclusion
Chapitre 3 Prédiction de la qualité de la protection par la simulation physique
1. Environnement de simulation
2. Déroulement du projet
3. Génération de la structure de test
3.1. Chargement du masque
3.2. Description du procédé technologique
3.3. Simplification de la structure
3.4. Maillage de la structure
4. Simulation électrique et électrothermique
4.1. Conditions aux limites
4.2. Choix des modèles physiques
5. Résultats et discussions
5.1. Prédiction de la transparence de la protection
5.2. Prédiction de l’efficacité de la protection
5.3. Prédiction de la robustesse de la protection
6. Bilan des résultats
7. Conclusion
Chapitre 4 Prédiction et optimisation de la qualité de protection par l’apprentissage machine
Conclusion générale
