Rencontre NAE – ENSICAEN

25 novembre 2013

« Fiabilité des Systèmes Electroniques

Embarqués ».

Philippe Descamps (CRISMAT - LAMIPS)

Laboratoire de Microélectronique et de

Physique des Semiconducteurs

1

LaMIPS

1999 : Création du LAMIP entre l’ISMRa et Philips Semiconductors

2007 : Renouvellement du LAMIPS entre le laboratoire CRISMAT (Cristallographie et Sciences des

Matériaux, UMR 6508) dont les tutelles sont l’ENSICAEN, le CNRS et l’Université de Caen Basse-

Normandie et NXP Semiconductors

2010 : Entrée du partenaire PRESTO Engineering (repreneur des activités QAS de NXP).Le

laboratoire commun regroupe des moyens de NXP Semiconductors, de PRESTO Engineering et du

CRISMAT.

Organisation CRISMAT, UMR CNRS 6508

LaMIPS

Functional ceramics

Damage and forming processes

Structural materials ‐ Composites

Failure Analysis and reliability

RF communication systems

Axe 4 : Matériaux fonctionnels et de structure

Effectifs 2012

EFFECTIFS

Dir. : Ph. DESCAMPS

Dir adjoints : M. Villemain et

P. Gamand

Universitaires : 8 • 2 Professeurs • 3 maîtres de Conférences (dont 3 HDR) • 1 chercheur (CNRS, HDR) • 1 Professeur émérite • 1 assistant Ingénieur NXP + PRESTO : • 1 HDR • 8 Docteurs • 10 Ingénieurs • 8 Techniciens (12 équivalent temps plein)

+ 8 Thésards • 4 étudiants /an • 2 post doctorants

CRISMAT

10,1 ETP

PRESTO

4 ETP

NXP

4,6 ETP

Répartition des effectifs en équivalent temps plein

PRESTO 13%

NXP 21%

CRISMAT 5% LaMIPS

27%

thésards 26%

Post-doc 3%

Ingénieurs contractuels

5%

3

Objectifs et missions du LaMIPS

Transferts de connaissance vers le tissu économique

Expérience confirmée dans la mise en relation entre recherche fondamentale et appliquée.

Production scientifique

Développement des compétences scientifiques

Formation à la recherche et par la recherche des étudiants

Programme de recherche en ligne avec les intérêts industriels à long terme

Ouverture du laboratoire à de nouveaux chercheurs d’horizons variés

Accès aux technologies industrielles

Faire face aux nouveaux défis technologiques

L’innovation

Stratégie et Développement

Développer une recherche partenariale à vocation industrielle

Filières : automobile, aéronautique, spatial, médical, domotique et

communications (ex :NFC)

Secteurs : électronique, microélectronique, télécommunications

Technologies clés : Caractérisation et Modélisation HF, Conception de circuits,

Analyse de défaillance, Fiabilité.

Publications

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

01/01/1900 02/01/1900 03/01/1900

Chapitres de livres scientifiques

Communications orales (workshop, etc)

Communications nationales etinternationales sans proceeding

Comunications Internationales avecproceedings

Conférences invitées

Articles dans des revues avec comité delecture

2011 2012 2013

Thèses

0

2

4

6

8

10

12

14

Année

Thèses soutenues

Thèses en cours

Projets coopératifs de R&D soutenus (2008-2013)

AUDACE (FUI, Mov’eo) « Analyse des caUses de DéfaillAnces des Composants des systèmes Electroniques

embarqués », FUI, DAS mécatronique, Thales et VALEO (2008)

CATRENE – PANAMA, Cellular Base Station « Power Amplifiers and Antennas for Mobile Applications »

(2009)

FP7-PEOPLE - Pa4CR « «European Intersectoral Research Partnership Towards the Development of Cognitive

Radio» (2012)

RF2THZ (CATRENE) « From RF to MMW and THz Silicon SOC Technologies» (2011)

PARSIMO (ENIAC) «Partitioning and Modeling of System in Package “, Thales Systèmes aéroportés (2011)

EARTH : Nouvelles architectures de réseaux de téléphonie cellulaire : « Contribution à l'étude des convertisseurs

DC-DC pour des réseaux de télécommunications cellulaires de 4ème génération (LTE).» (2011)

SESAMES (FUI) : Study for Electrical overstress Standardization And Measuring Equipment Set-up (2011)

FIRST (FUI) : Fiabilité et Renforcement des Systèmes Technologiques Mécatroniques de Forte Puissance (2014)

Une thématique :« METHODES INNOVANTES EN

CARACTERISATION ET

ANALYSE DE SYTEMES MICROELECTRONIQUES.»

2 AXES :

I. Analyse de Défaillances, Caractérisation

de matériaux et Fiabilité. 1.1 Analyse de défaillances et propriétés physique et

électrique

1.2 Fiabilité et Caractérisation Electrique

II. Caractérisation, Modélisation, Conception,

Architecture et Matériaux pour les

radiofréquences et les micro-ondes. 2.1 Caractérisation et modélisation HF

2.2 Conception de circuits analogiques RF

2.3 Caractérisation de matériaux pour les applications RF

Techniques d’analyses

physique et électrique

Radiofréquences et

Hyperfréquences

Substrate Si

70 µm

Metallic

Layers

I. Analyse de Défaillances, Caractérisation

de matériaux et Fiabilité.

I.1 Caractérisation de matériaux et Analyse de défaillances

I.2 Fiabilité et Caractérisation Electrique

I.1) Caractérisation TEM-STEM (image HREM, HAADF

et analyse EDX) de couches nanométriques

Exploitation des nombreuses

observations réalisées dans les

différents types de capacités SIS

intégrées dans le silicium (2D et 3D)

lors de la mise au point du procédé :

corrélation structure-comportement

physique, mécanisme de conduction

pour les différentes géométries et

natures d’isolants utilisés (oxides,

nitrures ….)

L’association prépa TEM dans le FIB - images TEM haute-résolution a permis de caractériser les

épaisseurs des diélectriques tout le long des structures 3D (informations indispensables à la

compréhension de leurs propriétés électriques

Etude du système multicouches ONO dans les capacités intégrées

(IPDIA)

I. Analyse de Défaillances, Caractérisation de

matériaux et Fiabilité.

I.1 Caractérisation de matériaux et Analyse de défaillances

I.2 Fiabilité et Caractérisation Electrique

I.2 Fiabilité et Caractérisation Electrique:

Apport du LaMIPS pour l’électronique embarquée

Faire face aux augmentations de puissance et de performance des

systèmes électroniques embarqués.

Rester à la pointe des technologies de composants. Ces technologies

qui ne sont pas toujours matures présentent des risques en terme de

robustesse et de fiabilité.

Analyser, appréhender et modéliser les mécanismes de défaillances

(physique et électrique) des composants électroniques embarqués

pour apporter les améliorations nécessaires afin de garantir la

performance et la fiabilité des systèmes. Mise en place d’un banc

EOS, le TPG (Transient Power Generator)

Famille de composants et systèmes :

Capacités, Inductances, Mos de puissance et plus généralement les

modules électroniques de puissance, Carte d’alimentation, Amplificateurs.

Objectifs

Electronique embarquée

Actions possibles

1. Méthodologie pour l’étude de la fiabilité et des défaillances de

manière améliorer la fiabilité des composants et des systèmes

embarqués.

2. Etude des dégradations des transistors de puissance dues à des

interactions électriques conduites et et modélisation électrique.

3. Analyses physiques non-destructives ou destructives. Détection

des dégradations et défauts dans les composants et les

assemblages électroniques : Compréhension des mécanismes

physiques mis en jeu.

Etude des interactions électriques conduites

sur des composants et systèmes électroniques

Réalisation de stress OVS et analyse de défaillance sur 6 véhicules de test

Exemple de résultats de stress sur un CI :

Analyse de construction du transistor VDMOS :

Transistor après ouverture de boitier

Image MEB après révélation des

zones dopées (solution NP) Image FIB

Analyse de défaillance possible sur les

composants stressés

Caractéristique I(V)

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

-2 0 2 4 6 8

Tension (V)

Co

ura

nt

(A)

Initiale

6.8V

Dégradé

Séquences de stress :

II. Caractérisation, Modélisation, Conception et Matériaux

pour les radiofréquences et les micro-ondes.

II.1 Caractérisation et modélisation HF

II.2 Conception de circuits analogiques RF

II.3 Caractérisation de matériaux pour les applications RF

16

II.1 Caractérisation et modélisation HF

a. Caractérisation et modélisation jusqu’en onde

millimétrique de composants passifs, de circuits

électroniques et de boîtiers.

b. Modèle de bruit HF des transistors bipolaires à

hétérojonction.

c. Caractérisation en paramètres S et en paramètres

de bruit des multipôles.

d. Compatibilité électromagnétique

Network analyser

Spectrum analyser or NFM

PC

LNA

Noise source or

load impedance

P3

P1 P2

Switches

Probe station

ENIAC- PARSIMO « Partitioning and Modeling of System

in Package »

18

Caractérisation, Modélisation, Conception, Architecture

et Matériaux pour les radiofréquences et les micro-ondes.

2.1 Caractérisation et modélisation HF

2.2 Conception de circuits analogiques RF

2.3 Caractérisation de matériaux pour les applications RF

II.2 Conception de circuits analogiques RF

Adaptive Power Supply Unit (APSU)

a. Solutions de test pour des applications

micro-ondes et ondes millimétriques :

Tests faibles coûts et BIST pour circuits

intégrés en ondes millimétriques

b. Etude de convertisseurs DC-DC haute

performance pour les réseaux

cellulaires de 4ème génération (LTE :

Long Term Evolution).

Projet européen RF2THZ project aims at the establishment of silicon technology platforms for emerging Radio

Frequency (RF), Millimeter-Wave (MMW) and TeraHertz (THz) consumer applications.

Zin

OUTExternal Components

PF

DO

UT

_D

C_B

IST

BIST Generator

ON CHIP

Exte

rna

l Co

mp

on

en

ts

20

Caractérisation, Modélisation, Conception, Architecture

et Matériaux pour les radiofréquences et les micro-ondes.

2.1 Caractérisation et modélisation HF

2.2 Conception de circuits analogiques RF

2.3 Caractérisation de matériaux pour les applications RF

II.3 Caractérisation de matériaux pour les

applications RF

a. Caractérisation et Modélisation avancées de

boitiers électroniques pour CI en onde

millimétrique.

b. Caractérisation des dopants actifs des systèmes

RF intégrés : Caractérisation du « substrat

noise » par SCM (Scanning Capacitance

Microscopy) afin d’obtenir le profil réel de

dopants actifs le long des zones dopées. Etude

de la résistivité des substrats QuBiC 4

BiCMOS. Mesure SCM. Acquisition effectuée sur la cross

de l’échantillon de calibration, mis en évidence

de la variation du dopage réel le long de la zone

dopée.

Surface du

composant

Conclusion

Expérience confirmée du LaMIPS dans la mise en relation entre recherche

fondamentale et appliquée ;

Valorisation des travaux de recherche vers des applications industrielles

Implication dans les projets labellisés par les pôles TES et MOVEO ;

Implication dans de nombreux réseaux industriels et académique.

Retombées pédagogiques sur la formation pour les filières de l’ENSICAEN,

pour les MASTER et les thèses de doctorat ;

Domaines d’expertises : Caractérisation et modélisation de composants et de

circuits en haute fréquence, fiabilité (stress électrique et CEM), analyses de

défaillances, Systèmes embarqués, Bancs de test

Merci de votre attention

23

Annexe : Bancs de mesures et techniques

d’analyses Analyses non destructives

Radiographie et tomographie par rayons X, microscopie acoustique, réflectométrie dans le domaine

temporel,

Préparations des échantillons

Ouvertures chimique, mécanique ou laser, rodage, polissage, amincisseur ionique, gravure plasma,

modification FIB, découpe laser, soudure fil

Localisation de défauts et caractérisation électrique

Caractérisations I-V et RF, microscopie à émission de photons, OBIRCh – TIVA, micro-sonde DC,

caractérisation RF (de 45 MHz à 110 Ghz)

Caractérisation physique

Microscopie électronique à balayage (SEM), microscopie électronique en transmission (TEM),

microscopie à force atomique (AFM), faisceau d’ions focalisés (FIB), Banc interférométrique 3D ou

Microscope Holographique (contrôle dimensionnel).

Stress électriques

Test ESD (Electricity Static Discharge), Test OVS (Over Voltage Stress), Test « latch-up »

Stress de fiabilité

Banc caractérisation CEM jusqu’à 20GHz (Immunité et rayonnement)

Équipements de caractérisation électriques (DC au hyperfréquences)

Système de caractérisation sous pointes 45MHz-110GHz

Analyseur de réseaux vectoriel 110MHz-50GHz

Analyseur de réseaux vectoriel 6 GHz

Analyseur de spectre 50 GHz

Banc de mesure de bruit HF 10MHz – 20GHz

Générateurs hyperfréquences

Système de caractérisation I-V

Stations de mesures sous pointes manuelle et semi-automatique

Logiciels : ICCAP, Cadence, HFSS, EmPRO, ADS.

Annexe : Bancs de mesures et techniques

d’analyses

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