Étude transitoire du déclenchement de protections haute tension

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Université Toulouse III Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier)
Génie Electrique, Electronique et Télécommunications (GEET)
Étude transitoire du déclenchement de protections haute tension contre les
décharges électrostatiques
27 Février 2012
Antoine Delmas
Électronique
M. Dionyz Pogany, Professeur, Université de Technologie de Vienne
Philippe Benech, Professeur, IMEP, Grenoble
Nicolas Nolhier, Professeur à l'Université Paul Sabatier, Toulouse
Marise Bafleur, Directrice de recherche, LAAS-CNRS
LAAS-CNRS
Alain Reinex, Directeur de recherche CNRS, XLIM, Limoge
Patrice Besse, expert ESD, Freescale Semiconductor
Patrick Austin, Professeur à l'Université Paul Sabatier, Toulouse

ii

Remerciements
Le travail de thèse présenté dans ce mémoire a été réalisé dans le cadre d’une convention
CIFRE (Convention Industrielle de Formation par la REcherche) établie entre le LAAS-CNRS
et la société Freescale Semiconducteurs SAS. Au LAAS, j’ai rejoins l’équipe de l’Intégration
des Systèmes de Gestion de l’Energie (ISGE) et à Freescale la division Technology Solutions
Organization (TSO), puis le laboratoire du groupe Analog & Mixed Signal Product (AMPD).
Ma thèse a été initiée dans le cadre du laboratoire commun « Laboratoire d’Intégration des sys-
tèmes de Puissance Avancée » conclu entre le groupe TSO de Freescale et l’équipe ISGE du
LAAS de 2006 à 2009.
A ce titre, je remercie Raja Chatila, Jean-Louis Sanchez ainsi que Jean Arlat, directeurs
successifs du LAAS de m’avoir accueilli dans leur laboratoire. J’ai une pensée particulière pour
Jean-Louis Sanchez, qui nous a quitté en mai dernier. Je remercie également Marise Bafleur en
tant que directrice du groupe ISGE, et Jean-Louis Chaptal, ancien manager de l’équipe R&D
de Freescale Toulouse.
Je tiens à remercier Dionyz Pogany et Philippe Benech d’avoir accepté de lire et évaluer mon
manuscrit de thèse. Merci également aux examinateurs Alain Reinex et Patrice Besse. Merci à
Patrick Austin pour son rôle d’examinateur et pour avoir accepté de présider le jury.
Je remercie chaleureusement mon directeur de thèse Nicolas Nolhier pour son soutien dans
les moments de doute et l’autonomie qu’il a su me laisser dans la prise en main de ma thèse.
Merci encore à ma co-directrice de thèse Marise Bafleur.
Je remercie Philippe Renaud, maître de stage puis encadrant industriel de ma thèse durant
les premiers mois, avant d’être appelé à de plus hautes fonction. Je retiendrai sa verve et son
éloquence. Je suis fier de lui avoir fait connaître l’existence du « air guitar ». Un très grand
merci à Amaury Gendron, ancien doctorant de Philippe, qui a pris le relai de l’encadrement de
ma thèse depuis le milieu de l’Arizona. Ses grandes qualités tant professionnelles qu’humaines
m’ont été d’un précieux support. J’ai toutefois dû mettre de côté l’admiration qu’avait suscité en
moi la lecture de sa thèse pour pouvoir collaborer parfaitement. Merci à Chai Gill, manager de
l’équipe ESD de Tempe pour la confiance qu’elle m’a accordée en m’acceptant dans son équipe
dès la fin 2008.
Ma reconnaissance va particulièrement à David Trémouilles, véritable inventeur de la mé-
thode « transient-TLP », dont la curiosité, la disponibilité et la clairvoyance ont été déterminants
pour ma thèse. Je retiendrai les discutions passionnantes que nous avons eues et les nombreuses
feuilles blanches que nous avons noircies de gribouillis indéchiffrables.
Je remercie Philippe Debosque de m’avoir accueilli dans son équipe à la fin de mon contrat
iii

iv REMERCIEMENTS
CIFRE pour installer un banc de mesure « transient-TLP » au laboratoire, et à Oscar De Bar-
ros pour voir prolongé mon CDD. Un grand merci à Alain Salles, ingénieur instrumentation
au laboratoire pour sa patience et ses conseils. Merci à Matthieu Aribaud pour les moment de
détente au café, à Rémy, Mylène, Thierry, Alain C., Philippe T., Barbara, Salim, Alexis, Pierre,
Sailith et tous les autres du laboratoire. Merci à Dominique pour ses photos de Chamonix de
l’époque où il y avait encore des glaciers.
Merci à mes anciens voisins de bureau de TSO : Evgeniy, René, Jean-Michel, John et Ber-
trand. Merci à Céline pour son amitié, qui m’a aidé à tenir le coup pendant ces années. Contrai-
rement à moi, tu es capable de parler ET travailler en même temps. Merci à Mikaël pour avoir
supporté nos bavardages. Merci à Audrey, Aurélie, Nathalie, Julie et Noé pour les moments de
détente à Freescale et à l’extérieur.
Merci à tous mes nouveaux collègues du design à Freescale, et en premier lieu merci à Patrice
Besse, dont le rôle dans mon embauche à Freescale a été crucial.
Je remercie Sylvette Cunnac pour sa réactivité et son efficacité dans la gestion des dossier
CIFRE.
Je remercie tous ceux que j’ai pu Nicolas Mauran, Alexandre, Nicolas Monnereau, Sandra,
Jason, Yuan, Fabrice, Johan, Emmanuel, Benjamen, Emilie, Aude, Christophe, Laurent, Abde-
lakim, et tous ceux que je ne cite pas ici.

Table des matières
Remerciements iii
Introduction générale xi
1 Décharges électrostatiques et composants de protection 1
1.1 Introduction ....................................... 1
1.2 Fenêtre de conception ................................. 1
1.3 Modèles d’évaluation de la robustesse ........................ 3
1.3.1 Robustesse des protections ESD et des circuits intégrés .......... 3
1.3.2 Méthodes de test au niveau composant : normes JEDEC ESD ..... 4
1.3.2.1 Modèle du corps humain ou human body model (HBM).... 4
1.3.2.2 Modèle de machine, ou Machine model (MM).......... 5
1.3.2.3 Modèle du composant chargé, ou Charged device model (CDM)6
1.3.3 Normes de test au niveau système et véhicule pour l’automobile ..... 7
1.3.4 Human Metal Model (HM M)........................ 9
1.4 Outils d’investigation .................................. 9
1.4.1 Mesures impulsionnelles T LP/vf −T LP .................. 10
1.4.1.1 Principe de la caractérisation quasi-statique ........... 10
1.4.1.2 Fonctionnement d’un banc de mesure TLP/vf-TLP en configu-
ration TDR
.................................... 11
1.4.2 CC-TLP ..................................... 12
1.5 Etat de l’art des composants de protection ...................... 13
1.5.1 Les diodes .................................... 14
1.5.2 Transistors bipolaires autopolarisés ...................... 14
1.5.2.1 Modes de déclenchement par « dV/dt » .............. 16
1.5.2.2 Transistors bipolaires latéraux ................... 16
1.5.2.3 Transistors bipolaires verticaux ................... 17
1.5.3 Silicon Controlled Rectifier SCR ....................... 18
1.5.4 Composants à base de MOS .......................... 18
1.6 Présentation des composants de protection étudiés ................. 20
1.6.1 SCR haute tension ............................... 21
1.6.1.1 NPNR ................................ 21
1.6.1.2 NPNZ ................................. 22
1.6.1.3 NPNB ................................. 24
1.6.2 PNP/Diode ................................... 25
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