Les circuits SMARTPOWER

Le domaine des composants semiconducteurs a connu une forte expansion grâce au développement de filières technologiques intelligentes appelées « SMARTPOWER». Cela a en effet constitué une nouvelle « révolution » de l’électronique : l’idée nouvelle a été de faire cohabiter sur une même puce des circuits basse tension et des interrupteurs commandés par ces circuits, capables de commuter plusieurs Ampères et plusieurs dizaines ou centaines de Volts. Dans ces circuits, la mémoire a tout naturellement trouvé sa place ; elle apporte notamment une flexibilité d’utilisation car elle est programmable; par ailleurs, elle peut également configurer les circuits.

Les circuits SMARTPOWER

Définition et domaines d’applications

Les progrès des procédés technologiques en microélectronique ont permis d’associer sur une même puce des circuits faible tension et des circuits dits de puissance utilisant des interrupteurs commutant à quelques dizaines de Volts (LDMOS, IGBT ou VDMOS) [1][2]. Les avantages de ces circuits sont nombreux et concernent en premier lieu la réduction du coût ; en effet l’assemblage, la connectique et un grand nombre d’interfaces sont supprimés. D’autre part, cette intégration permet la conception de circuits complexes difficilement réalisables avec des composants discrets. De plus, de nouvelles fonctions de contrôle telles que la détection des phénomènes de surchauffe, de surtension ou de surintensité (court circuit) peuvent être intégrées.

Outre les modules de puissance, de commande et de diagnostic, les récentes avancées dans le domaine du multiplexage permettent d’intégrer également des fonctions liées au traitement du signal et à l’échange des données. Ce type d’intégration est appelé « Smart Power Integrated Circuit », qui se traduit par «Circuit Intégré de Puissance Intelligent » [1] [3].

Les fonctions principales sont les suivantes :
• des LDMOS avec leur commande,
• une partie Multiplexage et un bloc CAN (Controler Area Network),
• un convertisseur analogique numérique,
• un bloc de mémoires non volatiles (NVM),
• diagnostic : contrôle de la température, fonctionnalité de la puce,
• un calculateur logique CMOS et son régulateur de tension,
• l’étage de sortie vers le tableau de bord, lampe warning,
• un pré-driver pour un transistor de puissance « Low-Side » externe (booster valve),
• un module MPO (Multi-Purpose-Output) qui permet à l’équipementier l’ajout d’autres fonctionnalités.

Les domaines d’application des circuits SMARTPOWER sont vastes. On les trouve aussi bien dans les imprimantes que dans les perceuses électriques, la téléphonie mobile (pour la gestion de l’énergie) ou encore dans l’automobile où leur présence ne cesse d’augmenter. L’électronique y a été introduite par vagues successives. La première vague a été initiée en 1974 par la législation sur l’environnement qui a conduit à introduire une commande de contrôle du moteur. La deuxième a été déclenchée par l’introduction sur le marché de nouveaux dispositifs de sécurité comme l’ABS et l’airbag qui sont apparus respectivement en 1978 et 1982. La troisième vague provient de la large introduction des systèmes électroniques destinés au confort qui a débuté en 1990. La quatrième vague représente l’introduction des systèmes de transport intelligent (« Intelligent Transportation Systems ») qui sont entrés sur le marché en 1998. La cinquième vague, dont les premiers systèmes sont apparus en 2000, consiste à remplacer les systèmes mécaniques et hydrauliques, souvent lourds et coûteux, par des systèmes électroniques [4].

Fiabilité des circuits SMARTPOWER

Les circuits SMARTPOWER doivent répondre à certaines exigences requises pour fonctionner dans leur environnement. Les conditions les plus strictes sont celles auxquelles nous allons nous intéresser, c’est-à-dire celles du secteur automobile. En effet, une défaillance peut avoir une incidence sur la sécurité des occupants. Il est donc très important de garantir un fonctionnement sans faille de tous les composants dans des conditions extrêmes, aussi bien climatiques qu’électriques, pendant au moins toute la durée de vie du véhicule, c’est-à-dire une dizaine d’années. Pendant son développement, le produit doit donc suivre un parcours de qualification pour garantir les conditions exigées. Il subira des tests fonctionnels (présents de la conception jusqu’à la fabrication) et des tests accélérés. Les tests fonctionnels sont menés à trois températures (-40°C, 25°C, 125°C ou 150°C pour les modules près du moteur) qui correspondent aux conditions de fonctionnement extrêmes. Dans les tests accélérés, deux sont couramment utilisés : il s’agit du « High Temperature Operating Life » qui se fait à 150°C pendant 408h ou à 125°C pendant 1000h pour une polarisation maximale du produit et du « Highly Accelerated Stress Test » qui s’effectue à une température de 130°C, avec un taux d’humidité de 80%, sous une pression de 2 Bars pendant 96 heures. Ces deux tests permettent de simuler l’effet des années et des intempéries. L’objectif de ces tests est aussi d’analyser les types de défaillances afin de pouvoir améliorer la conception pour que le produit soit plus robuste ou d’assurer une meilleure qualité des étapes de fabrication et ainsi d’améliorer les rendements. Une fois en production, les produits ne subissent que les tests fonctionnels au niveau wafer et sur composants montés en boîtier, en température ou à température ambiante. Seuls les échantillons prélevés régulièrement pour un contrôle qualité subissent alors tous les tests accélérés. Malgré ces nombreux contrôles, quelques composants défaillants peuvent encore être livrés aux clients, ils se comptent en dizaine de parties par million (ppm) ; ce chiffre est évidemment trop élevé car les circuits SMARTPOWER concernent principalement les organes de sécurité. Aujourd’hui, les clients exigent un niveau de 0ppm. Pour cela, les tests accélérés au niveau wafer (Wafer Level Reliability) sur 100% des produits deviennent indispensables. .

Les mémoires non volatiles dans les produits SMARTPOWER

La présence de mémoires est devenue nécessaire lorsque les clients ont voulu configurer euxmêmes certains produits notamment pour entrer des numéros de série. Ce type de composant ne faisant pas partie des librairies SMARTPOWER, les besoins générés par l’application l’ont défini. Par la suite, la présence de mémoires a permis d’élargir le champ des applications. Enfin, la possibilité d’utiliser les mémoires non volatiles, s’est révélée être un atout vis-à-vis de la concurrence. Actuellement, ce composant se trouve par exemple dans la majorité des produits de Motorola «division automobile » et « produits standards ». On prévoit d’ailleurs une forte croissance des ventes sur les 5 prochaines années.

Les exigences sont technologiques et fonctionnelles. Technologiquement, la compatibilité avec les autres composants doit être totale ; en effet, tout ajout d’étape supplémentaire engendre un coût sur le produit final. Quant aux propriétés fonctionnelles, la mémoire remplace les composants de type « fusible » dans tout ce qui est ajustage des paramètres ; ensuite, à la demande du client, elle va servir à entrer des codes (par exemple le code pin pour un téléphone ou un numéro de série). Pour ces utilisations, peu de bits sont nécessaires : la mémoire sera très peu cyclée mais, elle devra par contre garder l’information pendant toute la durée de vie du produit.

La mémoire est donc une mémoire non volatile (NVM) que l’on peut qualifier de « Few Times Programming » dont la densité d’intégration n’est pas très grande et ne nécessite pas forcément une configuration matricielle. Aujourd’hui, elle sert à d’autres applications et sert de paramètres fonctionnels c’est-à-dire que son état programmé ou effacé va déterminer la configuration du circuit. Par exemple, dans un air-bag, c’est l’état de la mémoire qui ordonne le repos ou la mise à feu de l’explosif qui va gonfler le coussin.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Généralités et position des problèmes
Introduction
A. Les circuits SMARTPOWER
1. Définition et domaines d’applications
2. Fiabilité des circuits SMARTPOWER
3. Les mémoires non volatiles dans les produits SMARTPOWER
4. Situation de la mémoire étudiée par rapport aux structures classiques
4.1. Type de mémoire
4.2. Technologie des mémoires EEPROMs
4.3. Structure de la mémoire étudiée
5. Programmation des mémoires à grille flottante
5.1. Ecriture
5.2. Effacement
B. Fiabilité des mémoires
1. Généralités
2. Critères de fiabilité des mémoires non volatiles
2.1. Endurance en cycles d’effacement et de programmation
2.2. Rétention de données
3. Test en rétention de données
3.1. Accélération thermique
3.2. Accélération électrique
4. Extrapolation de la rétention de données : Fiabilité prédictive
4.1. Modèle en 1/T
4.2. Modèle en T
4.3. Approche statistique
Conclusion
Chapitre 2 : Etude du comportement thermique de la mémoire
1.Introduction
2.Mémoire non volatile dans les technologies SMARTMOS
3. Conduction dans la couche d’oxyde de grille
3.1 Caractéristique de conduction à fort champ
3.2 Etude sur les cellules mémoires
3.3 Observations communes à toutes les distributions
3.4 Gain de charge durant le recuit
3.5 Mécanisme de conduction pour les cellules de la zone intrinsèque
3.6 Analyse des cellules extrinsèques
4. Conclusion
Chapitre 3 : Mise en œuvre d’un nouveau test de rétention de données
1. Introduction
2. Absorption de la lumière
3. Mécanismes de conduction sous illumination
3.1 Caractéristiques courant tension sous illumination des cellules intrinsèques
3.2. Caractéristiques courant tension sous illumination des cellules extrinsèques
3.3. Influence de la puissance du faisceau lumineux sur la température du composant
4. Illumination d’une population de cellules mémoires programmées
4.1 Homogénéité de la transmission optique
4.2 Corrélation entre vieillissements thermiques et vieillissement optique (λ1 = 514,5 nm)
5. Faisabilité d’un test sous accélération lumineuse
6. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques

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