Qualité de protection des circuits intégrés contre les décharges électrostatiques

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. En dernière partie, une attention particulière est accordée aux différents aspects servants à définir la qualité d’un composant de protection. 1. 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 (figure 1.1). Chapitre 1. Généralités sur les protections ESD 12 Figure 1.1: L’ESD à l’échelle atmosphérique (foudre) [Adaptée de [DAN 90]], et l’ESD à l’échelle humaine (arc électrique) Dans la famille des surcharges électriques EOS (Electrical Overstress), les décharges électrostatiques sont les évènements les plus rapides et les moins énergétiques (figure 1.2). En microélectronique, il existe deux mécanismes majeurs à l’origine des ESD : ñ 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 (figure 1.3-a). Figure 1.2: Illustration des gammes de temps et d’énergie pour différentes surcharges électriques, EOS (Electrical overstress) [BAF 18]

Type de perturbations et origines des ESD 1

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 (figure 1.3- b) [BAF 18]. Figure 1.3: Electrification par triboélectricité [Adaptée d’après [DAN 90]] (a), électrification par induction [Adaptée d’après [VIN 98]] (b) 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 (figure 1.4). 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. Figure 1.4: (a) : zone de protection ESD [Adaptée d’après [DAN 90]], et (b) : impact des différentes méthodes de contrôle ESD sur la tension de charge d’une personne dans un environnement industriel : sans contrôle ESD (A), avec un revêtement de sol ESD (B), et avec des chaussures ESD (C) [Adaptée d’après [VAS 14]] 

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.