Concevoir des composants électroniques resistants aux décharges électrostatiques

Imaginez: Par une sèche journée d’hiver, vous vous blottissez dans votre canapé, portant une paire de chaussettes en laine pour vous tenir chaud. Soudain, la sonnette de l’entrée retentit, et vous vous précipitez pour ouvrir la porte, en marchant en chemin sur un tapis. Dès que vous touchez la poignée en métal de la porte d’entrée, vous sentez une brusque décharge. Aïe ! Pour les fabricants de composants électroniques, ce phénomène de décharge électrostatique (DES) peut causer des effets significatifs dans l’usage industriel. Dans cet article de blog, nous allons voir comment la modélisation et la simulation numérique peuvent être utiles.

Les différentes catégories d’endommagement par DES

L’exemple le plus connu et le plus répandu de décharge électrostatique est la foudre, mais tous les événements provoquant une DES n’entrainent pas forcément l’apparition d’une étincelle. La quantité d’électricité statique accumulée dans un objet dépend du matériau, de la zone de surface, et de l’humidité relative du milieu environnant. Une DES peut aussi apparaître par induction électrostatique, ce qui se produit lorsqu’un objet électriquement chargé crée un champ électrostatique autour d’un objet conducteur qui est isolé du sol.

Figure 1. Un exemple de DES avec un éclair visible. Photo de P. Mikołajek, sous licence Creative Commons Attribution-Sharealike 4.0 International, via Wikimedia Commons.

Ces décharges électrostatiques peuvent apparaître n’importe où, allant de quelques volts à quelques kilovolts; cependant, même une décharge de faible tension peut causer de sérieux dommages à des composants électroniques allant de simples diodes jusqu’à des circuits intégrés complexes. (Un individu peut porter une décharge suffisamment importante pour impacter les performances d’appareils électroniques et de composants, ce qui peut entraîner la perte de données, la corruption de fichiers ou le crash du système!) Il est toutefois important de pouvoir empêcher l’impact d’une DES pendant la conception, l’assemblage ou le transport de ces appareils, ainsi que dans le composant final lui-même.

Comprendre et éviter l’endommagement par DES

Pour empêcher un endommagement par DES, les appareils électroniques et les systèmes doivent valider un éventail de tests à l’échelle du composant, du PCB, et du système. Cependant, de tels tests peuvent en pratique être réalisés uniquement lorsque le composant ou système est fabriqué. Le logiciel COMSOL Multiphysics^® permet aux ingénieurs d’identifier les problèmes causés par DES pendant la phase de conception, tout en fournissant des informations détaillées sur la distribution du champ électromagnétique, qui est autrement difficile à mesurer précisément. Cette connaissance est cruciale pour comprendre quels dommages peut causer une DES, et comment y remédier.

L’apparition d’une DES peut entraîner une défaillance dans l’isolation ou une erreur logique dans les puces. Une erreur logique peut se produire si une broche, initialement dans un état faible (0), subit une amplitude de tension supérieure à 1.5 V pendant plus de 1 ns, ou une amplitude de tension supérieure à 0.3 V pendant plus de 5 ns. La broche passera de façon erronée à un état élevé (1).

Regardons comment une DES peut entraîner une erreur logique dans une micropuce au sein d’un PCB.

Modéliser des DES au sein de PCB

Le module RF, un add-on de la suite logicielle COMSOL Multiphysics^®, possède une interface physique intégrée pour l’étude de courants générés par des DES, qui sont habituellement non-linéaires et nécessitent une étude 3D temporelle. L’interface physique Ondes électromagnétiques, transitoire inclut quatre modèles prédéfinis d’impulsion de DES pour répondre aux besoins des différents standards de test, et s’appuie sur des fonctions de pulse prédéfinies et paramétrées, qui sont souvent utilisées pour décrire des DES ou la foudre. La forme du pulse peut être affichée instantanément avant le lancement de la simulation, pour s’assurer que les paramètres renseignés dans la fonction correspondent bien à la configuration souhaitée.

Dans ce modèle, la DES a été générée grâce à la fonctionnalité Port réduit avec le standard modèle étendu de corps humain (extended HBM) pour se placer dans les conditions les plus strictes (Figure 2).

Figure 2. Profil du pulse de courant de la DES basée sur le modèle étendu de corps humain.

Notez que nous ne décrivons pas ici en détail comment le modèle a été mis en place, mais vous pouvez télécharger le fichier MPH et les instructions relatives à ce modèle en bas de cet article de blog.

Résultats

Les tensions induites au niveau de deux broches (1, 2) d’une micropuce sont calculées pour évaluer s’il y aura une erreur à cause de la DES. Ci-dessous: la figure de gauche montre la valeur de la densité de courant de surface induite par la DES à t = 1.2 ns; la figure de droite montre l’évolution au cours du temps de la tension induite au niveau de deux broches (1, 2) de la puce.

Figure 3. Courant de surface induit et tension sur deux broches de la micropuce. L’extrémité d’un doigt a été ajoutée de façon fictive uniquement à des fins de visualisation.

Comme on peut le voir, la tension induite au niveau de la broche 2 a une amplitude supérieure à 1.5 V et est susceptible de provoquer une erreur logique.

La norme de la densité de courant de surface, représentée avec une échelle logarithmique en fonction du temps.

Feuille de route pour prévenir les endommagements provoqués par DES

Le phénomène de DES apparaît fréquemment et est une cause majeure d’endommagement et de défaillance des composants électroniques. Comme la taille de ces dispositifs continue de diminuer tandis que la densité des circuits continue de croître, il est devenu de plus en plus important pour les fabricants de se concentrer sur la prévention des dommages causés par DES.

La simulation numérique permet d’étudier en détails ces petits dispositifs, et de modéliser précisément et d’optimiser la géométrie du dispositif avant d’avoir besoin de construire un prototype. Elle peut également être utilisée comme pré-mesure de conformité pour étudier efficacement des tests supplémentaires. La validation d’un test par simulation peut inspirer un haut degré de confiance quant à la validation d’un test physique. Enfin, la simulation permet d’offrir un aperçu des mécanismes de défaillance ou de la circulation des courants, et fournit des perspectives de solution.

Prochaines étapes

Êtes-vous prêt à tester ce modèle de décharge électrostatique ? Tous les fichiers nécessaires à la construction du modèle, y compris les instructions étape par étape, peuvent être téléchargés librement depuis notre Bibliothèque d’Applications.