Optimisation de modèles comportementaux de composants pour la prédiction de défaillances fonctionnelles et matérielles liées aux décharges électrostatiques (ESD) - LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Optimization of component behavioral models for the prediction of functional and material failures related to electrostatic discharge (ESD)

Optimisation de modèles comportementaux de composants pour la prédiction de défaillances fonctionnelles et matérielles liées aux décharges électrostatiques (ESD)

Résumé

Electrical Fast Transient (EFT) are one of the concerns of embedded system engineers. They can lead to system malfunction. EFT are the cause of a large number of hardware and software failures. Our study is mainly focused on the impact of Electro Static Discharge (ESD) on embedded electronic systems, focusing on car’s applications. According to a Renault’s study, a car can suffer two discharges per day during its entire life. System engineers do not have any tools to predict the ESD impact on the systems. In order to predict the ESD path throughout the electronic system and adjust the ESD protection strategy to provide proper protection for all critical components, some researches around the world are in process. The research results from ESE working group from the LAAS-CNRS laboratory, were mainly on passive components, integrated circuits and electronics boards modeling methods, implemented in VHDL-AMS language. Integrated circuits have an internal ESD protection network that helps to deflect the stress from critical areas. The methodology developed in the last few years allows to model the behavior of this protection network. However, these models are basically made, they are made of the triggering level of the protection and the impedance value of the component depending on the ESD stress amplitude. No information on the transient behavior of the protections is included in this model. It is not possible to predict some failures related to the transient phenomenon of the protection like triggering and turning on time that induce very high overvoltage or mismatch on the current levels estimation. The various topics covered during this thesis allows to solve these problems by using a, proposed dynamic model. Different methods are proposed to extract the parameters used into the dynamic model. One important point also aborted into this document is that the model have to be able to predict the soft failure which can appear in the system during an ESD stress. A dedicated block has been added to the dynamic models to predict data transmission faults during an automotive communication (LIN Bus) under stress conditions. The first part of this thesis is a summary of the different discharge waveforms known and defined by the IEC and ISO standards. It also lists some measurement techniques used to extract information on the component like the robustness level. The second part presents the behavioral models of passive components and integrated circuits. We have shown non-linear behavior of capacitors when they are under EFT stress. The way to extract our dynamic model of ESD protection from electrical measurement on the integrated circuit is included in this part. This model uses the previous model named quasistatic model on which we add elements that describe the transient behavior of the protections. In the third part, we explore different techniques and tools to extract some information about the dynamic behavior of internal ESD protections of the component. We used time domain reflectometry techniques as well as mathematical methods applied in hyper frequency domain like the S parameters and X parameters. Comparison between measurement and simulation is systematically performed for each method to evaluate their efficiency. Finally, the fourth part presents the study of hardware and software failures on integrated circuits used in automotive communication application. Experimental results are used in the component model which is now able to predict both failures.
Les événements transitoires de forte puissance (EFT – Electrical Fast Transient) sont l’une des préoccupations des concepteurs de systèmes embarqués. Ils peuvent conduire au dysfonctionnement du système et sont à l’origine d’un grand nombre de défaillances matérielles et fonctionnelles. Notre étude est principalement portée sur l’impact des décharges électrostatique (ESD - Electro Static Discharge) sur l’électronique embarquée dans un véhicule. D’après une étude de Renault, un véhicule peut subir deux décharges par jour durant sa vie. Les ingénieurs systèmes ne disposent pas de moyen pour prédire l’impact de ces décharges dans les systèmes, et les solutions actuelles sont essentiellement basées sur l’expérience. Afin de prédire le chemin d’un ESD dans tout le système électronique et la stratégie de protection à adopter pour protéger les composants les plus sensibles, des recherches dans le monde entier sont en cours. Les travaux de recherche du groupe ESE du LAAS-CNRS ont mené à des méthodologies de modélisation de composant passif, de circuit intégré et de carte électronique en VHDL-AMS. Les circuits intégrés sont dotés d’un réseau de protection ESD interne qui permet de détourner le stress des zones critiques. La méthodologie développée au cours des précédentes années permet de modéliser le comportement de ce réseau de protection. Cependant, ces modèles sont rudimentaires, ils décrivent uniquement le niveau de déclenchement de la protection et son impédance quasi-statique en fonction du niveau de stress ESD. Aucune information sur le comportement transitoire de la protection n’est décrite dans le modèle. Il est donc difficile de prévoir certaines défaillances liées aux phénomènes transitoires de déclenchement des protections faisant apparaître de très fortes surtensions ou des niveaux de courant mal évalués. Les différents aspects abordés durant cette thèse permettent de résoudre ces problèmes en proposant des modèles dynamiques, et différentes méthodes pour pouvoir extraire les paramètres des modèles. Un des points important développé dans ce document et de pouvoir prédire les défaillances fonctionnelles des systèmes. Un bloc dédie a été ajouté aux modèles dynamiques pour prédire des défauts de transmission de données lors de stress ESD dans les bus de communication automobiles (LIN). La première partie de cette thèse concerne le recensement des formes d’onde de décharges connues et définies par les standards IEC et ISO. Elle recense également les techniques de mesures appliquées sur les composants pour en extraire des informations tels que les niveaux de robustesse. La seconde partie présente les recherches menées sur la réalisation de modèles comportementaux de composants passifs et de circuits intégrés. Nous avons montré les comportements non-linéaires des capacités lorsqu’elles sont soumises à des EFT. Le modèle dynamique de protection ESD que nous avons développé à partir de caractérisation électrique sur le circuit intégré y est également présenté. Ce modèle est constitué du modèle précédemment développé (quasi-statique) sur lequel nous rajoutons des éléments qui décrivent le comportement transitoire de la protection. La troisième partie détaille différentes techniques et outils pour extraire des informations sur le comportement dynamique des protections ESD internes aux composants. Nous utilisons des techniques de réflectométrie temporelle ainsi que des méthodes mathématiques appliquées aux hyper-fréquences comme les paramètres S et X. Une validation entre mesure et simulation est systématiquement réalisée à chaque étape. Finalement, la quatrième partie présente l’étude des défaillances matérielles et fonctionnelles sur des circuits intégrés dédiée à la communication automobile. Ces résultats expérimentaux sont utilisés pour enrichir nos modèles qui intègrent désormais la détection de défaillances matérielles et fonctionnelles.

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Dates et versions

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tel-02056013 , version 2 (26-11-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02056013 , version 1

Citer

Fabien Escudié. Optimisation de modèles comportementaux de composants pour la prédiction de défaillances fonctionnelles et matérielles liées aux décharges électrostatiques (ESD). Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Toulouse 3 Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier), 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02056013v1⟩
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