Méthodes d`analyse de l`impact d`une décharge électrostatique

Méthodes d’analyse de l’impact d’une décharge électrostatique survenant sur un
système électronique sur puce
Nicolas MONNEREAU
Université de Toulouse; UPS, INSA, INP, ISAE ;
UT1, UTM, LAAS ;
CNRS ; LAAS ; 7 avenue du colonel Roche,
F-31077 Toulouse, France
Email : [e-mail]
Résumé
Dans ce papier, des méthodes de modélisations et des
techniques de caractérisations d’un système soumis à des
décharges électrostatiques sont décrites et les résultats
obtenus sont mis en évidence.
1. Introduction
Durant leurs utilisations, les produits électroniques
sont soumis à des décharges électrostatiques (en anglais :
ESD ElectroStatic Disharge) pouvant induire des
défaillances de fonctionnements et/ou de destructions.
Pour s’affranchir de ce type de défaillances, des tests sont
effectués dans l’industrie suivant les standards
IEC61000-4-2 [1] et ISO10605 [2] pour l’automobile.
Lorsqu’une défaillance du produit est révélée, il n’existe
aucun outil, aucune méthode permettant d’analyser ou de
prédire le comportement du système. Les concepteurs du
système remanient le produit jusqu'à ce que celui-ci
remplisse les exigences du standard, sans avoir
suffisamment de méthodes d’investigation pour
comprendre ce qui se passe durant la décharge. Ceci peut
conduire à de nombreuses conceptions incorrectes avant
de trouver une solution qui n’est pas forcément la plus
efficace et la plus économique.
Les travaux de ma thèse sont orientés sur le
développement de méthodes de modélisation et de
caractérisation permettant d’analyser un système et de
comprendre les modes de propagation et de défaillance
lorsque survient une décharge électrostatique. Ce papier
est organisé en trois parties. Suite à l’introduction, la
première partie décrit une méthode de modélisation d’un
système utilisée pour analyser la propagation d’une ESD
et la susceptibilité. La deuxième partie détaille les
différentes méthodes d’injections et de mesures. Enfin la
dernière partie conclue ce papier.
2. Développement d’une méthode de
modélisation.
Cette section décrit une méthode de modélisation
comportementale permettant d’analyser la propagation du
courant de décharge dans un système depuis un
générateur ESD jusqu’aux phénomènes internes pouvant
induire des perturbations dans les circuits. La partie 2.1
illustre le principe de cette méthode, la partie 2.2 détaille
les difficultés de modélisation d’un système et la partie
2.3 donne quelques résultats obtenus.
2.1 Principe
Le système est décomposé en plusieurs parties : les
circuits intégrées, le PCB (circuit imprimé, en anglais :
Print Circuit Board), et les éléments extérieurs au système
(source de la décharge). Chacune de ces parties est
modélisée de manière indépendante en VHDL-AMS [3].
(en anglais : Very-high-speed integrated circuit Hardware
Description Language – Analog and Mixed Signals)
formant un block élémentaire. Le VHDL-AMS permet la
description de modèles comportementaux multi
abstractions et la simulation de signaux mixtes nécessaire
pour cette technique de modélisation. Les modèles des
pistes du circuit imprimé sont basés sur les travaux
précédemment réalisés par N. Lacrampe [4]. La
modélisation de la fonctionnalité des circuits est elle
basée sur un modèle comportemental de circuit existant
appelé IBIS [5] (en anglais : Input/output Buffer
Information Specification.). Développé à l’origine pour
effectuer des simulations d’intégrité du signal, ces
modèles ont été adaptés pour prédire des phénomènes
ESD dans [6-7]. Le concepteur de système dispose ainsi
d’une bibliothèque de blocks élémentaires qu’il peut
assembler de manière hiérarchique pour modéliser le
système complet comme illustré dans la figure 1. La
construction de chaque block élémentaire est décrite dans
[6].
En suivant ce principe, il est possible de modéliser
n’importe quel système suivant sa topologie et d’effectuer
la simulation de systèmes complexes.
2.2 Difficultés de modélisation
Le principe de la méthode de modélisation reste
relativement simple. Cependant, de nombreuses
difficultés sont à prendre en considération pour réaliser
des modèles et effectuer des simulations ESD. En effet,
d’un point de vue concepteur de système, aucune
information sur le réseau de protection ESD nécessaire à
la modélisation, n’est disponible. Les fondeurs de circuits

intégrés ne fournissent pas ces informations par soucis de
propriété intellectuelle. Des mesures avec des outils de
caractérisations tel que par exemple le TLP [8] (en
anglais : Transmission Line Pulsing) sont nécessaire pour
extraire des paramètres utile à la modélisation.
Une fois identifié et avec des paramètres extraits des
mesures, la modélisation d’une protection ESD n’en est
pas simple pour autant. Des structures complexes tels que
des thyristors ou des transistors bipolaires auto polarisés
typiquement utilisées comme protection, induisent de
fortes discontinuités lors de leurs déclenchements. Pour
prendre en compte ces discontinuités, deux solutions ont
été comparées: modéliser le comportement à partir du
fonctionnement physique [9] ou le modéliser de manière
purement comportemental en utilisant astucieusement la
possibilité de réaliser des simulations mixtes du VHDL-
AMS [10].
Le réglage du simulateur, (pas de calcul, précision,
initialisation DC…) doit être effectué finement. En effet,
les transitions de courant liées aux décharges
électrostatiques sont très fortes, quelques ampères en une
nanoseconde (di/dt très grand), pouvant induire des
problèmes de convergence. De plus, les fortes différences
de tension des générateurs ESD (quelques kilovolts) et les
tensions de fonctionnement du système (quelques Volts)
peuvent provoquer des mauvaises initialisations DC du
système.
Enfin, une décharge peut survenir entre deux points
d’un système et pas seulement entre un point et la masse.
Le courant de décharge peut donc circuler par la masse
sans forcement être évacuer par celle ci. Il est donc
nécessaire de reconsidérer la « masse » du simulateur,
que nous appelons « référence » et que nous plaçons
judicieusement en un point du système. Les simulations
sont alors analysées en différence de potentiel.
Toutes les informations nécessaires sont extraites
d’éléments disponibles (documentation technique,
modèle IBIS) ou par mesure. La modélisation est
comportementale et peut être réalisée par n’importe quel
ingénieur système souhaitant analyser sont système face
au ESD.
Figure 1. Assemblage de blocks élémentaires suivant
la topologie du système pour le modéliser.
2.3 Résultats
Cette méthode de modélisation, a dans un premier
temps, été mise en œuvre pour analyser l’impacte d’une
capacité de découplage d’un circuit sur la propagation du
courant issue d’une décharge électrostatique [6]. La
figure 2 donne les résultats de simulations du courant qui
circule dans le circuit corrélés avec les mesures. Sans
capacité de découplage, tout le courant injecté avec le
TLP (1A) circule dans le circuit comme attendu pour le
réseau de protection donné. L’ajout d’une simple capacité
externe de découplage dans le système modifie la
propagation du courant ainsi que le comportement du
réseau de protection du circuit. Des interactions
complexes sont apparues entre le système, les effets
inductifs du boitier (package) et les protections ESD
intégrées. Tous ces phénomènes ont pu être expliqué dans
[6] à partir de l’analyse de la simulation.
Figure 2. Comparaison des mesures et des
simulations du courant qui circule dans le circuit
intégré pour différentes valeurs de la capacité de
découplage externe [6].
Une autre étude visant à étudier la susceptibilité d’un
système soumis à une décharge électrostatique a été
réalisée dans [7]. La piste d’alimentation d’une bascule D
montée en diviseur de fréquence est perturbé par une
décharge et la tension de sortie du circuit est observée
pour voir si une défaillance de fonctionnement a lieu. Le
critère de défaillance, prise en compte pour cette étude de
susceptibilité est la perte d’un front d’horloge. Les
simulations du système, modélisé suivant la méthode
décrite précédemment, permettent de reproduire les
défaillances obtenues comme le montre la figure 3. Dans
la simulation 1, il n’y a pas de défaillance suivant le
critère choisi. Dans la simulation 2, une perte de front
d’horloge a lieu induisant une défaillance comme
l’avaient laisser présager les travaux [11-12].
La simulation du système complet nous a permis de
comprendre le mécanisme de génération de la défaillance
et de mettre en place une loi de probabilité définissant le
taux d’erreurs en fonction du niveau de courant ESD
injecté et de la valeur de la capacité de découplage.

Figure 3. Comparaison des mesures et des
simulations de la tension de sortie dans deux cas : (a)
la perturbation ESD n’induit pas de perte de front
d’horloge. (b) la perturbation ESD induit une perte de
front d’horloge [7].
Enfin, l’application sur un cas d’étude industrielle a
permis de valider la technique de modélisation [13]. Cette
étude met en évidence l’impact d’une capacité utilisée
comme filtre EMI (en anglais: ElectroMagnetic
Interference) sur la propagation du courant dans un
circuit.
3. Développement de techniques de
caractérisation
Cette section décrit les techniques d’injection et de
mesure, développées au cours de la thèse, permettant
d’obtenir une caractérisation précise d’un système soumis
à des ESD. Ces techniques ont notamment été utilisées
pour effectuer des corrélations de mesures avec les
simulations obtenues par la méthode de modélisation
précédemment décrite.
3.1 Techniques d’injection
Une technique d’injection direct appelé DPI (en
anglais : Direct Power Injection), inspiré de la norme
EMC (en anglais : ElectroMagnetic Compatibility) IEC
62132-4 [14], a été développée pour étudier la
susceptibilité des systèmes face aux ESD. Cette technique
consiste à ajouter des réseaux de découplage entre les
générateurs ESD et les pistes polarisées du système. Cela
permet de stresser un système sans que l’alimentation de
celui-ci ne débite du courant dans le générateur ESD.
Cette technique a notamment été utilisée dans l’étude [7]
pour perturber l’alimentation.
Un générateur 50Ω « double impulsion », inspiré de
[15], a été développé pour reproduire de manière la plus
simple possible la forme du courant de décharge définie
par le standard IEC61000-4-2[1]. En effet, les générateurs
de décharge conforme à ce standard (ou pistolets ESD)
souffrent de problèmes de reproductibilité [16]. De plus,
ils émettent des champs électromagnétiques [17] pouvant
perturber les mesures effectuées lors des tests. Le
générateur double impulsion, réalisée autour de lignes de
transmissions, permet de s’affranchir de ces problèmes
tout en ayant une forme simple à analyser. Une
corrélation entre les défaillances générées par ce
générateur et le pistolet ESD reste toutefois à réaliser.
Une méthode d’injection indirecte a été mise en œuvre
pour l’injection de perturbations transitoires. Cette
technique consiste à injecter les perturbations à l’aide de
pistes PCB couplé ou d’une sonde de champs proche
placé au dessus d’une piste ou d’une broche d’un circuit.
Cette technique, transcription directe de la norme IEC
61967 [18], est destinée à évaluer l’immunité des
systèmes face aux rayonnements électromagnétiques liés
aux décharges ou la susceptibilité aux perturbations
couplées à l’intérieur du système.
3.2 Techniques de mesure
Une mesure, appelé « mesure 1Ω » a été mise en
œuvre dans [6] pour mesurer le courant circulant dans un
circuit. Cette technique, extraite de la norme IEC 61967
[18] et adapté pour les ESD, consiste à ajouter une
résistance de 1Ω sur le chemin entre le circuit et le plan
de masse. Le courant issue du circuit et circulant vers la
masse induit une différence de potentiellement aux
bornes de cette résistance. Une sonde formée de la 1Ω et
d’une résistance de 49Ω, permettant de conserver une
adaptation 50Ω, est utilisée pour mesurer cette tension.
On obtient ainsi une image du courant qui circule dans le
circuit.
Bien que la mesure 1Ω présente un certain intérêt de
part la facilité de sa mise en œuvre et l’analyse des
résultats, elle reste invasive car elle décale le potentiel de
référence du circuit. Ainsi, une autre méthode a été mise
en œuvre pour mesurer le courant circulant dans une piste
PCB. Une sonde de champ proche est positionnée au
dessus d’une piste du PCB ou d’une broche du circuit,
comme illustré à droite sur la figure 4, pour capter les
champs magnétiques émient lors du passage des forts
courant ESD. En intégrant les champs mesurés, il est
possible de recalculer le courant qui a circulé dans la
piste. Cette technique de mesure a été validée par
corrélation avec une mesure 1Ω dans [19]. La figure 4
montre une comparaison du courant obtenue avec la
technique de mesure 1Ω et le courant recalculé à partir
des champs magnétiques mesurés avec la sonde de
champ proche.
Figure 4. Comparaison des mesures du courant ESD
circulant dans une piste PCB obtenues avec la
méthode de mesure 1Ω et la technique de la sonde de
champ magnétique.

Une extrapolation de la mesure de courant par champ
proche a été développée pour être appliquée à l’ensemble
d’un PCB. La sonde de champs est balayée sur la surface
du PCB. A chaque pas de la sonde, la perturbation ESD
est répétée et les champs émis sont enregistrés. Cela
permet de réaliser une cartographie de la répartition du
champ magnétique dans l’ensemble du système. D’autre
part, il est possible en intégrant les champs obtenus de
calculer la répartition dynamique du courant dans le
système. Le rendu obtenu, illustré figure 5, permet de
quantifier où le courant circule durant l’impulsion ESD.
La méthode de scan de champ proche donne de très bon
résultat sur la répartition de courant dans le système.
Cette technique peut être améliorée en réalisant des
sondes de champ plus fines et en améliorant l’algorithme
qui recalcule le courant à partir du champ
Figure 5. Cartographie du courant ESD se répartissant
dans le système, mesure obtenue par la technique de
scan de champ proche.
4. Conclusions
Ce papier présente des méthodes de modélisations et
des techniques de caractérisations qui ont été développées
pour permettre de prédire l’impacte d’une décharge ESD
dans un système aussi bien d’un point de vue robustesse
que susceptibilité. Ces méthodes permettent d’analyser la
propagation du courant ESD dans tout le système et
comblent ainsi les manques actuels de techniques
d’investigation. Les différentes études exposées dans ce
papier illustrent la validité des méthodologies
développées. De bonnes corrélations entre les mesures et
les simulations sont obtenues.
Ces techniques sont proposées aux comités de
standardisation ESDA (en anglais : ElectroStatic
Discharge Association) de façon à être largement utilisées
dans le milieu industriel. Outre les techniques de mesures
qui peuvent être utilisées directement, il faut cependant
influencer les industriels à améliorer les modèles IBIS
(qui sont la base de notre technique de modélisation) pour
permettre la simulation de phénomènes ESD.
Remerciement
L’ensemble de ces travaux a été réalisé dans le cadre
du projet ANR VTT (Véhicule pour les Transport
Terrestre), E-SAFE (Esd SAFE electronic producs for
automotive applications)
Références
[1] IEC 61000-4-2. Electromagnetic compatibility (EMC) –
Part 4-2: testing and measurement techniques –
electrostatic discharge immunity test. Ed 2.0, 2008-12.
ISBN: 2-8318-1019-7.
[2] ISO 10605 Road vehicles – test methods for electrical
disturbances from ESD
[3] IEEE 1076.1, “VHDL Analog and Mixed-Signal”, 1999
[4] N.Lacrampe, Phd thesis “Méthodologie de modélisation
et de caractérisation de l’immunité des cartes
électroniques vis-à-vis des décharges électrostatiques
(ESD)” University of Toulouse, France, 2007
[5] IBIS (Input Output Buffer Information Specification)
ANSI/EIA-656B, www.eigroup.org/IBIS
[6] Monnereau, N.; Caignet, F.; Tremouilles, D.; , "Building-
up of system level ESD modeling: Impact of a
decoupling capacitance on ESD propagation," Electrical
Overstress/ Electrostatic Discharge Symposium
(EOS/ESD), 2010 32nd , vol., no., pp.1-10, 3-8 Oct. 2010
[7] N.Monnereau; F.Caignet; D.Tremouilles; N.Nolhier;
M.Bafleur; “Investigating the Probability of
Susceptibility Failure Within ESD System Level
Consideration” EOS/ESD Symposium, 2011.
[8] T.Maloney et N.Khurana, "Transmission line pulsing
techniques for circuit modeling of ESD phenomena", 7th
EOS/ESD Symposium, p. 49-54, Minneapolis, MN, 1985
[9] D.Tremouilles, N.Monnereau, F.Caignet, M.Bafleur:
“Simple ICs-internal-protection models for system level
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[10] E. Christen, K. Bakalar, A. Dewey, E. Moser, Analog and
mixed signal modeling using the VHDL-AMS language,
IEEE 36th Design Automation Conference Tutorial, June
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[11] N. Lacrampe, A. Boyer, F. Caignet,“Investigation of
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into an oscillator block of a 16-bit microcontroller”, IEEE
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[12] Lacrampe, N.; Alaeldine, A.; Caignet, F.; Perdriau, R.; ,
"Investigation on ESD Transient Immunity of Integrated
Circuits," Electromagnetic Compatibility, 2007. EMC
2007. IEEE International Symposium on , vol., no., pp.1-
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[13] P. Besse, F. Lafon , N. Monnereau, F. Caignet, J.P.
Laine, A. Salles, S.Rigour, M. Bafleur, N. Nolhier, D.
Trémouilles: “Cooperative Generic IC Characterisation
and Simulation Methods for ESD System Level Stress”.
EOS/ESD Symposium, 2011
[14] IEC62132-4: “Integrated circuits, Measurement of
electromagnetic immunity – 150 kHz to 1 GHz - Part 4:
Direct RF power injection method”
[15] E. Grund et al., “Delivering IEC 61000-4-2 current pulses
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[16] D. Lin, D. Pommerenke, J. Barth, L. G. Henry, H. Hyatt,
M. Hopkins, G.Senko, D. Smith, “Metrology &
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Symposium , 1998.
[17] Honda, M., "Measurement of ESD-gun radiated fields,"
29th EOS/ESD Symposium, 2007.
[18] IEC61967-4, Electromagnetic Compatibility (EMC),
“Integrated circuits, Measurement of electromagnetic
emissions, 150kHz to 1GHz – Part 4: Measurement of
conducted emissions - 1W/150W direct coupling
method”.
[19] F.Caignet, N.Monnereau, N.Nolhier: “Non-Invasive
System Level ESD Current Measurement using Magnetic
Field Probe” International Electrostatic Discharge
Workshop 2010, Tutzing