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L’immunité électromagnétique :
un nouvel enjeu pour la conception et la
fiabilité de circuits intégrés.
Geneviève Duchamp, Alain Meresse
Université de Bordeaux - Laboratoire IMS
Sommaire
Introduction
Evolutions technologiques
Conditions fonctionnement
Profil de mission - environnement
Susceptibilité
Techniques de mesures
Modélisation
Approche fiabilité intégrée
Conclusion
26/05/2016
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Introduction
Le contexte
ITRS-2006
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Evolutions technologiques
Densité d’intégration
Complexité
Densité interconnexions
SOC, SIP, POP, Modules 3D
Intégration conjointe analogiques / numériques
Proximité puissance / signal
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Conditions fonctionnement
Processor
frequency
(GHz)
Fréquence de travail
Post CMOS
technology?
100.0
10.0
Microprocessor
s
18nm
22nm
9nm
Saturation?
32nm
65nm
90nm
1.0
45nm 32nm
65nm
0.18µm
90nm
Microcontrollers
0.18µm
0.1
2000
2005
2010
2015
2020
Year
Niveau alimentation
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Augmentation des risques
•
•
Au niveau de la puce
– Accroissement des dimensions
– Diversification des fonctions (SoC)
– Densité de puissance dissipée
Au niveau des assemblages et boîtiers
– Densification des interconnexions internes (SiP)
– Nouveaux matériaux (alliages sans plomb)
– Procédés de fabrication plus agressifs (PoP)
– Nouvelles dimensions de contraintes (3D)
Evolution rapide
Moindre maîtrise des procédés
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Profil de mission - environnement
Large gamme de fréquence
Sources d’interférences EM de plus en plus nombreuses
Composants spécifiques
Passif (structures capacitives, selfiques…)
-> Qualité/Fiabilité propres
Contraintes mécaniques
Troisième dimension
Interfaces multiples et diverses
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Contraintes aggravées
Environnement électromagnétique durci
Modélisation et techniques mesures
Emissivité
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Susceptibilité / immunité
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Immunité EM
Aptitude d’un équipement à fonctionner sans dégradation de
qualité en présence de perturbations électromagnétiques
Points essentiels :
Domaine de fréquence considéré
Définition de critère de susceptibilité
défaut : niveau de sortie….
gabarit : amplitude, fréquence…
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Susceptibilité
Techniques de mesures
Mode conduit
DPI, BCI, WBFC
Mode rayonné
Cellule TEM, GTEM
Champ proche: boucle magnétique, dipôle électrique
Normes : iec 62132
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www.iec.ch
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Susceptibilité
Perturbation conduite
DPI Direct Power Injection
Agression localisée
Faible coût
Modèle simple
Limite fréquentielle - 1 GHz
Circuit PCB spécifique
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Susceptibilité
perturbation conduite
BCI Bulk current injection
Agression sur N port localisés
en production
< 1 GHz
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Susceptibilité
perturbation conduite
WBFC Work Bench Faraday Cage
Mesure en configuration réelle
Interférence de mode commun
PCB spécifique
1 GHz
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Susceptibilité
perturbation rayonnée
Cellule TEM
Agression globale
1 GHz
Circuit spécifique
Couplage faible
GTEM
10 GHz
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Susceptibilité
perturbation rayonnée
Scan champ proche
Plusieurs GHz
Caractérisation des sondes
Couplage faible
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Principe
Caractérisation des différents éléments dans la chaîne de mesure
Connaissance de puissance en tout point
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Travaux
Comparaison entre méthodes
“IC’s electromagnetic susceptibility: comparison between a near field injection method and a direct injection method”D. Castagnet, A. Meresse, G. Duchamp ICONIC Saint-Louis - juin 2007
Susceptibilité Injection directe
Susceptibilité Injection Champ proche
Evaluation des méthodes
« Direct Power Injection Immunity measurements at frequencies above 1GHz » S. Bunt and al. EMC Europe 2006
Résultats d’immunité de 0.8 à 4.2 GHz
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Travaux
Etude de composants
« Near field scan immunity measurement with RF continuous waves » A. Boyer, S. Bendhio, E. Sicard
EMC Europe 2006
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Modélisation
Nécessité - Priorité
Modèles :
Utilisation modèles développés notamment en émissivité
IBIS (I/O buffer Information Specification)
ICEM (Integrated circuit electromagnetic model)
Couplé à des logiciels de type circuit (Spice, ADS)
Extansion à l’immunité
simulation électrique
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Travaux
Perturbation entre circuit
« Radiation immunity of RF receiver Located on the same PCB with microcontroller » L.Roy, N. Hojjat, O. Maurice,
E. Sicard –EMC Europe 2006
Modèle de couplage perturbation/ circuit
« Near-field EMC study to improve electronic component reliability “
Microelectronics reliability – oct. 2007
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G. Duchamp, D. Castagnet, A. Meresse
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Travaux
Modélisation globale
« A Near Field Injection Model for Susceptibility Prediction in Integrated Circuit » A. Alaeldine,
A. Boyer, R. Perdriau, M. Ramdani, E. Sicard, M. Drissi – ICONIC 2007
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Travaux
Utilisation de technique « réseaux de neurones »
« Using Neural Networks for Predicting the Integrated Circuits Susceptibility to Conducted Electromagnetic Disturbances »
I. Chahine and al, EMC Zurich 2007
« Compatibilité électromagnétique. Des moyens
d’essais à la modélisation de composants
électroniques » HDR A. Louis - 2006
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Fiabilité et Conception de
composants « compatibles »
Maitrise des techniques et paramètres de mesures
Approche méthodologique et expérimentale
Corrélation simulation-mesure
Tests de qualification / tests de fiabilité adaptés ?
Profil de mission sous contraintes EM
Règles de conception
Choix technologiques/Robustesse
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Approche fiabilité intégrée
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Fiabilité Prévisionnelle et opérationelle
• Tests accélérés (Qualification / vieillissement)
• En conception
– Simulation physique (FEM)
– WLR (SoC)
• En test
– Simulation statistique
– Indicateurs de dégradation
• En utilisation
– Circuits autotesteurs (TSMD)
– Circuits « intelligents »
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Evaluation de la fiabilité
• Tests de qualification
– Drop tests
– CEM
– HAST, PCT
Pertinence sur des structures complexes ?
• Tests de vieillissement accéléré
– Intensités des contraintes
– Contraintes spécifiques
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Modélisation / Fiabilité
Simulateur électrique
+ Simulation physique
Basée sur :
La structure du composant (données
technologiques, données matériau)
Les lois physiques (électromagnétisme,
équations de mouvement, thermique…)
Méthode de calcul : éléments finis (maillage)
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Principe de la simulation statistique
Statistiques pauvres ( taille d’échantillon jamais suffisant + durée
d’observation trop courte)
50
p(tf)
40
30
Critère de
défaillance
25
20
tf (h)
échantillon virtuel
données
10
0
10
tobs
103 temps (h)
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« enrichissement » possible par :
- suivi de dégradation
 extrapolation dans le temps
(défaillance définie à partir d’un
critère arbitraire)
- caractéristiques statistiques du
lot sous test
 Tirage aléatoire d’un
échantillon virtuel
représentatif
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Effets des dispersions technologiques
• Procédés de fabrication plus critiques  distribution des
paramètres technologiques
-> distribution de durée de vie
Couplage simulation physique | simulation statistique
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Nouvelles approches et enjeux
Développement des procédés de fabrication et
construction de la fiabilité conjoints
Paramètres adaptés aux nouveaux matériaux
( températures, permittivité diélectrique…)
Effets accrus des dispersions technologiques
( Empilements, dimensions …)
Des outils existent déjà
Tests
Approche par la physique de dégradation
Apport des outils de simulation
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MERCI
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