CA2803054A1 - Procede de caracterisation de la sensibilite de composants electroniques vis-a-vis de mecanismes destructifs - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un procédé de caractérisation de la sensibilité d'un composant électronique vis-à-vis d'un environnement radiatif naturel, dans lequel : on met le composant électronique en service, pour des caractéristiques d'une particule ou d'un faisceau incident données, telles que l'énergie, l'incidence et/ou le parcours, on détermine un domaine de tension SOA au-delà duquel des événements destructifs dudit composant auront lieu, on excite le composant électronique ainsi mis en service avec les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident, dans des conditions de fonctionnement proches de la plus grande valeur de tension du domaine de tension SOA déterminé, on détermine une section efficace des événements transitoires amplifiés, cette section efficace correspondant à une estimation des phénomènes destructifs dudit composant, on modifie les caractéristiques de ladite particule ou dudit faisceau, et on réitère l'excitation dudit composant, on détermine la section efficace pour chaque modification de caractéristiques.
Description
Procédé de caractérisation de la sensibilité de composants électroniques vis-à-vis de mécanismes destructifs La présente invention a pour objet un procédé de caractérisation de la sensibilité de composants électroniques vis-à-vis de mécanismes destructifs.
Un des buts de l'invention est de déterminer la sensibilité des composants de puissance vis-à-vis de l'environnement radiatif naturel, autrement dit, les particules de type ions lourds, neutrons et protons ou tout autres phénomènes menant à la génération de charges par intéraction directe ou indirecte dans les composants électroniques, de sorte à déterminer les conditions d'utilisation préférables de ce composant.
Le fonctionnement des composants de puissance peut être perturbé
par l'environnement dans lequel ils évoluent, par exemple l'environnement radiatif naturel ou artificiel ou l'environnement électromagnétique. Des agressions extérieures provoquent la création de courants parasites par interaction avec la matière constitutive du composant. Ces derniers peuvent être à l'origine du dysfonctionnement transitoire ou permanent du composant et de l'application qui l'utilise.
Les environnements radiatifs naturels ou artificiels (neutrons, protons, ions lourds, flash X, rayons gamma) peuvent perturber le fonctionnement des composants de puissance. Ces perturbations sont dues à des interactions entre la matière du composant et les particules de l'environnement radiatif.
Une des conséquences de ces perturbations est la création de courants parasites dans le composant. Selon l'endroit où ont lieu les interactions entre la matière du composant et les particules, les courants parasites produits seront plus ou moins importants. Ceci traduit la présence de zones localisées de collection de charges dans le composant.
De telles agressions par des ions lourds et des protons sont typiquement rencontrées, dans l'espace, par des satellites et des lanceurs. A
des altitudes moins élevées où évoluent des avions, on note surtout la présence d'agressions par des neutrons. Au niveau de la mer, de telles agressions peuvent aussi être rencontrées et affecter les composants électroniques embarqués dans des appareils portables, ou dans des voitures.
II existe de manière intrinsèque aux composants de puissance, tels
Un des buts de l'invention est de déterminer la sensibilité des composants de puissance vis-à-vis de l'environnement radiatif naturel, autrement dit, les particules de type ions lourds, neutrons et protons ou tout autres phénomènes menant à la génération de charges par intéraction directe ou indirecte dans les composants électroniques, de sorte à déterminer les conditions d'utilisation préférables de ce composant.
Le fonctionnement des composants de puissance peut être perturbé
par l'environnement dans lequel ils évoluent, par exemple l'environnement radiatif naturel ou artificiel ou l'environnement électromagnétique. Des agressions extérieures provoquent la création de courants parasites par interaction avec la matière constitutive du composant. Ces derniers peuvent être à l'origine du dysfonctionnement transitoire ou permanent du composant et de l'application qui l'utilise.
Les environnements radiatifs naturels ou artificiels (neutrons, protons, ions lourds, flash X, rayons gamma) peuvent perturber le fonctionnement des composants de puissance. Ces perturbations sont dues à des interactions entre la matière du composant et les particules de l'environnement radiatif.
Une des conséquences de ces perturbations est la création de courants parasites dans le composant. Selon l'endroit où ont lieu les interactions entre la matière du composant et les particules, les courants parasites produits seront plus ou moins importants. Ceci traduit la présence de zones localisées de collection de charges dans le composant.
De telles agressions par des ions lourds et des protons sont typiquement rencontrées, dans l'espace, par des satellites et des lanceurs. A
des altitudes moins élevées où évoluent des avions, on note surtout la présence d'agressions par des neutrons. Au niveau de la mer, de telles agressions peuvent aussi être rencontrées et affecter les composants électroniques embarqués dans des appareils portables, ou dans des voitures.
II existe de manière intrinsèque aux composants de puissance, tels
2 que les transistors de type power MOSFET et les IGBTs, des structures bipolaires parasites. Lors d'un fonctionnement normal du composant de puissance, ces structures bipolaires parasites sont inactives. Lorsqu'une particule de l'environnement radiatif naturel entre en interaction avec la matière du composant, un courant parasite est généré et peut rendre passant les structures bipolaires parasites (illustré à la figure 1).
En effet, comme le montre la figure 1, dans un transistor 1 de puissance power MOSFET à canal N, les charges positives créées lors de l'interaction 3 particule 2/ matière 4 vont migrer vers le contact de puits 5 sous l'effet des champs électriques et des mécanismes de diffusion. En se déplaçant, ces charges positives vont engendrer localement des augmentations de potentiel. La jonction 6 Source (N)/Puits (P), initialement bloquée, peut dès lors se retrouver polarisée en directe.
Dans la mesure où, à l'état bloqué, la jonction puit/drain est déjà
polarisée en inverse, le transistor 7 bipolaire parasite Source/Puits/Drain devient passant.
Dans ce cas, un deuxième mécanisme se met alors en place. Ce mécanisme est appelé mécanisme d'avalanche et produit des charges additionnelles au niveau de la jonction puit/drain pour laquelle la valeur du champ électrique est maximale. Si les conditions de champ électrique sont suffisantes et que le courant délivré n'est pas limité par ailleurs, le mécanisme d'avalanche et l'injection de porteurs par le transistor bipolaire s'entretiennent et s'amplifient jusqu'à ce que localement, l'élévation de température consécutive au passage du courant provoque la dégradation physique du composant. La figure 2 est un exemple d'une telle dégradation.
Ce mode de défaillance est commun aux structures de types MOSFET
et IGBT de puissance.
Pour les IGBT en particulier, il existe également un autre mode de défaillance du composant plus connu sous le nom de phénomène latchup . Ce phénomène Latchup correspond à la mise en conduction d'un thyristor parasite de type structure NPNP qui n'existe que dans les IGBTs et non dans les MOSFETs comme illustré à la Figure 3.
Par ailleurs, pour d'autres structures de puissance, comme les diodes, il n'y a pas de structure bipolaire parasite, mais les conditions relatives au champ électrique sont telles qu'elles peuvent néanmoins suffire à provoquer
En effet, comme le montre la figure 1, dans un transistor 1 de puissance power MOSFET à canal N, les charges positives créées lors de l'interaction 3 particule 2/ matière 4 vont migrer vers le contact de puits 5 sous l'effet des champs électriques et des mécanismes de diffusion. En se déplaçant, ces charges positives vont engendrer localement des augmentations de potentiel. La jonction 6 Source (N)/Puits (P), initialement bloquée, peut dès lors se retrouver polarisée en directe.
Dans la mesure où, à l'état bloqué, la jonction puit/drain est déjà
polarisée en inverse, le transistor 7 bipolaire parasite Source/Puits/Drain devient passant.
Dans ce cas, un deuxième mécanisme se met alors en place. Ce mécanisme est appelé mécanisme d'avalanche et produit des charges additionnelles au niveau de la jonction puit/drain pour laquelle la valeur du champ électrique est maximale. Si les conditions de champ électrique sont suffisantes et que le courant délivré n'est pas limité par ailleurs, le mécanisme d'avalanche et l'injection de porteurs par le transistor bipolaire s'entretiennent et s'amplifient jusqu'à ce que localement, l'élévation de température consécutive au passage du courant provoque la dégradation physique du composant. La figure 2 est un exemple d'une telle dégradation.
Ce mode de défaillance est commun aux structures de types MOSFET
et IGBT de puissance.
Pour les IGBT en particulier, il existe également un autre mode de défaillance du composant plus connu sous le nom de phénomène latchup . Ce phénomène Latchup correspond à la mise en conduction d'un thyristor parasite de type structure NPNP qui n'existe que dans les IGBTs et non dans les MOSFETs comme illustré à la Figure 3.
Par ailleurs, pour d'autres structures de puissance, comme les diodes, il n'y a pas de structure bipolaire parasite, mais les conditions relatives au champ électrique sont telles qu'elles peuvent néanmoins suffire à provoquer
3 un effet destructif par avalanche lors de l'interaction d'une particule ou toute autre interaction menant à la génération de charges.
Le laser est principalement utilisé comme outil de pré-caractérisation de la sensibilité des composants aux radiations. En effet, comme les particules de l'environnement radiatif, le laser peut, lorsque sa longueur d'onde est appropriée, générer des courants parasites à l'intérieur des composants.
Le laser présente ainsi un avantage très intéressant pour l'étude de l'effet des radiations. Dans la mesure où la résolution spatiale du laser peut atteindre des dimensions relativement faibles par rapport aux structures élémentaires contenues dans les composants électroniques, il est possible, tout comme dans le cas du micro faisceau d'ions, de cartographier un composant électronique et d'identifier ses zones de collection de charges. En variant le point de focalisation en profondeur du faisceau, la cartographie de sensibilité peut également être faite dans la troisième dimension, et ce de façon aisée industriellement.
Toutefois, cette connaissance n'est pas suffisante pour connaître le comportement global du composant électronique vis-à-vis des radiations.
Il existe donc dans l'état de la technique pour remédier à ce problème, un procédé de détermination de la sensibilité des composants électroniques par simulation. Une fois la carte de sensibilité du composant acquise, celle-ci se présente sous la forme d'un modèle, une matrice en pratique, à quatre ou cinq dimensions, en X Y Z et coefficient de sensibilité ou en X Y Z T et coefficient de sensibilité. On soumet alors ce modèle de ce composant, à
une agression simulée et on mesure sa réponse simulée. Par exemple schématiquement, si à un instant T donné, un ion simulé (qu'il s'agisse d'un ion primaire ou produit d'une réaction nucléaire) passe au travers d'une zone élémentaire de coordonnées XYZ, et si, à cet instant, la zone élémentaire concernée a une sensibilité s, on attribue au composant la valeur de qualité
s. Puis on réitère l'expérience pour un autre ion simulé. Ainsi de suite, sur une durée d'étude donnée alors que le cas échéant, le temps varie et que l'application mise en service par le composant se déroule, on collecte les valeurs s, puis, par exemple à l'issue d'une durée donnée de mesure, on compile les valeurs de qualité mesurées pour connaître la qualité réelle du composant. En agissant ainsi, plutôt que de disposer d'une cartographie
Le laser est principalement utilisé comme outil de pré-caractérisation de la sensibilité des composants aux radiations. En effet, comme les particules de l'environnement radiatif, le laser peut, lorsque sa longueur d'onde est appropriée, générer des courants parasites à l'intérieur des composants.
Le laser présente ainsi un avantage très intéressant pour l'étude de l'effet des radiations. Dans la mesure où la résolution spatiale du laser peut atteindre des dimensions relativement faibles par rapport aux structures élémentaires contenues dans les composants électroniques, il est possible, tout comme dans le cas du micro faisceau d'ions, de cartographier un composant électronique et d'identifier ses zones de collection de charges. En variant le point de focalisation en profondeur du faisceau, la cartographie de sensibilité peut également être faite dans la troisième dimension, et ce de façon aisée industriellement.
Toutefois, cette connaissance n'est pas suffisante pour connaître le comportement global du composant électronique vis-à-vis des radiations.
Il existe donc dans l'état de la technique pour remédier à ce problème, un procédé de détermination de la sensibilité des composants électroniques par simulation. Une fois la carte de sensibilité du composant acquise, celle-ci se présente sous la forme d'un modèle, une matrice en pratique, à quatre ou cinq dimensions, en X Y Z et coefficient de sensibilité ou en X Y Z T et coefficient de sensibilité. On soumet alors ce modèle de ce composant, à
une agression simulée et on mesure sa réponse simulée. Par exemple schématiquement, si à un instant T donné, un ion simulé (qu'il s'agisse d'un ion primaire ou produit d'une réaction nucléaire) passe au travers d'une zone élémentaire de coordonnées XYZ, et si, à cet instant, la zone élémentaire concernée a une sensibilité s, on attribue au composant la valeur de qualité
s. Puis on réitère l'expérience pour un autre ion simulé. Ainsi de suite, sur une durée d'étude donnée alors que le cas échéant, le temps varie et que l'application mise en service par le composant se déroule, on collecte les valeurs s, puis, par exemple à l'issue d'une durée donnée de mesure, on compile les valeurs de qualité mesurées pour connaître la qualité réelle du composant. En agissant ainsi, plutôt que de disposer d'une cartographie
4 soumise à conjecture, on obtient une véritable mesure de cette qualité.
Dans le cadre de la présente invention, on se place dans le domaine de tension SOA (la plus grande tension par valeur inférieure). La SOA
( Safe Operating Area ) correspond, pour les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident donné, au domaine de tension au-delà
duquel des évènements destructifs peuvent être déclenchés. Le fait de se placer dans ce domaine assure que le test ne sera pas destructif même si aucun montage de protection n'est prévu. La présente invention propose de travailler sur les évènements (les évènements transitoires) déclenchés lorsque l'on travaille dans la SOA. Ces signaux sont par définition différents des signaux observés en dehors de la SOA, pour lesquels le test est destructif mais qui sont les signaux d'intérêt pour déterminer la sensibilité
du composant de puissance. La présente invention repose ensuite sur un lien qui est fait entre les signaux transitoires et les signaux destructifs d'intérêt.
On connaît dans l'état de la technique les publications scientifiques suivantes :
= SEB Characterization of Commercial Power MOSFETs with Backside Laser and Heavy Ions of Different Ranges (LUU A
et al, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 34, no. 4, ter août 2008) ;
= SEB Characterization of Commercial Power MOSFETs with Backside Laser and Heavy Ions of Different Ranges (LUU A
et al, Radiation and its Effects on Components and Systems, RADECS 2007, pages 1 à 7, 10 septembre 2007) ; et = Characterization of Single-Event Burnout in Power MOSFET
Using Backside Laser Testing (MILLER F et al, IEEE
Transactions on Nuclear Science, vol. 53, no. 6, 1 er décembre 2006).
Ces trois documents de l'art antérieur font état de tests effectués en dehors de la SOA, ce qui correspond à l'état de l'art, et qui, par définition, sont destructifs si aucun montage de protection n'est prévu. Même en présence d'un montage de protection, certains de ces évènements peuvent être destructifs. La différence fondamentale entre la présente invention et ces trois documents de l'état de la technique est donc le domaine de travail
Dans le cadre de la présente invention, on se place dans le domaine de tension SOA (la plus grande tension par valeur inférieure). La SOA
( Safe Operating Area ) correspond, pour les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident donné, au domaine de tension au-delà
duquel des évènements destructifs peuvent être déclenchés. Le fait de se placer dans ce domaine assure que le test ne sera pas destructif même si aucun montage de protection n'est prévu. La présente invention propose de travailler sur les évènements (les évènements transitoires) déclenchés lorsque l'on travaille dans la SOA. Ces signaux sont par définition différents des signaux observés en dehors de la SOA, pour lesquels le test est destructif mais qui sont les signaux d'intérêt pour déterminer la sensibilité
du composant de puissance. La présente invention repose ensuite sur un lien qui est fait entre les signaux transitoires et les signaux destructifs d'intérêt.
On connaît dans l'état de la technique les publications scientifiques suivantes :
= SEB Characterization of Commercial Power MOSFETs with Backside Laser and Heavy Ions of Different Ranges (LUU A
et al, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 34, no. 4, ter août 2008) ;
= SEB Characterization of Commercial Power MOSFETs with Backside Laser and Heavy Ions of Different Ranges (LUU A
et al, Radiation and its Effects on Components and Systems, RADECS 2007, pages 1 à 7, 10 septembre 2007) ; et = Characterization of Single-Event Burnout in Power MOSFET
Using Backside Laser Testing (MILLER F et al, IEEE
Transactions on Nuclear Science, vol. 53, no. 6, 1 er décembre 2006).
Ces trois documents de l'art antérieur font état de tests effectués en dehors de la SOA, ce qui correspond à l'état de l'art, et qui, par définition, sont destructifs si aucun montage de protection n'est prévu. Même en présence d'un montage de protection, certains de ces évènements peuvent être destructifs. La différence fondamentale entre la présente invention et ces trois documents de l'état de la technique est donc le domaine de travail
5 dans lequel est réalisé le test : dans le cadre de la présente invention, le composant est mis en service dans sa SOA, et pour les trois documents cités de l'état de la technique, il est mis en service en dehors de sa SOA.
Ces trois documents de l'état de la technique ne divulguent, ni ne suggèrent d'exciter le composant électronique mis en service avec les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident, dans des conditions de fonctionnement proches de la plus grande valeur de tension du domaine de tension SOA déterminé.
La caractérisation de la sensibilité des composants de puissances aux événements destructifs déclenchés par les radiations est difficile à obtenir par les moyens usuels de caractérisation précédemment cités. En effet, une caractérisation exhaustive nécessite de tester la sensibilité pour différents niveaux de tensions et différents niveaux d'énergie/LET de la particule incidente.
Par ailleurs, le test expérimental du composant, qu'il soit basé sur un laser ou sur un faisceau de particules, est souvent destructif, du fait de l'importante quantité d'énergie stockée en interne et cela, malgré
l'utilisation de montages de limitation des effets d'amplification de courant classiquement mis en oeuvre. On entend notamment par montage des limitations des effets d'amplification de courant, l'utilisation d'une résistance de limitation du courant d'alimentation et éventuellement d'une capacité de décharge pour fournir un pic en courant plus important, de manière à
discriminer plus facilement les événements transitoires des événement destructifs.
Du fait de ces limitations, les tests sous faisceau de particules nécessitent d'utiliser beaucoup de pièces pour avoir des statistiques d'évènements suffisantes et sont très consommateurs de temps, ce qui
Ces trois documents de l'état de la technique ne divulguent, ni ne suggèrent d'exciter le composant électronique mis en service avec les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident, dans des conditions de fonctionnement proches de la plus grande valeur de tension du domaine de tension SOA déterminé.
La caractérisation de la sensibilité des composants de puissances aux événements destructifs déclenchés par les radiations est difficile à obtenir par les moyens usuels de caractérisation précédemment cités. En effet, une caractérisation exhaustive nécessite de tester la sensibilité pour différents niveaux de tensions et différents niveaux d'énergie/LET de la particule incidente.
Par ailleurs, le test expérimental du composant, qu'il soit basé sur un laser ou sur un faisceau de particules, est souvent destructif, du fait de l'importante quantité d'énergie stockée en interne et cela, malgré
l'utilisation de montages de limitation des effets d'amplification de courant classiquement mis en oeuvre. On entend notamment par montage des limitations des effets d'amplification de courant, l'utilisation d'une résistance de limitation du courant d'alimentation et éventuellement d'une capacité de décharge pour fournir un pic en courant plus important, de manière à
discriminer plus facilement les événements transitoires des événement destructifs.
Du fait de ces limitations, les tests sous faisceau de particules nécessitent d'utiliser beaucoup de pièces pour avoir des statistiques d'évènements suffisantes et sont très consommateurs de temps, ce qui
6 implique un coût associé à la campagne d'essai très important.
L'objet de l'invention est de remédier à ce problème en proposant d'utiliser un procédé de caractérisation de la sensibilité de composant de puissance vis-à-vis de mécanismes destructifs. En ce sens, l'invention propose une utilisation combinée d'un système de caractérisation électrique du composant, d'un procédé de test, et éventuellement, pour améliorer la précision des résultats, d'un moyen de test laser et, pour extrapoler les résultats à d'autres types de particules, d'un code de prédiction aux radiations. L'invention permet de caractériser la sensibilité aux événements destructifs pour des conditions de test pour lesquelles le composant se trouve dans une zone sécurisée appelée SOA. Cette analyse d'événement destructif repose sur l'analyse d'événements transitoires précurseurs.
L'invention a donc pour objet un procédé de caractérisation de la sensibilité d'un composant électronique vis-à-vis d'un environnement radiatif naturel, dans lequel :
- on met le composant électronique en service, caractérisé en ce que, - pour des caractéristiques d'une particule ou d'un faisceau incident données, telles que l'énergie et/ou l'incidence et/ou le parcours et/ou autres, on détermine un domaine de tension SOA au-delà duquel des événements destructifs dudit composant peuvent avoir lieu, - on excite le composant électronique ainsi mis en service avec les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident, dans des conditions de fonctionnement proches de la plus grande valeur de tension du domaine de tension SOA déterminé, - on détermine une section efficace des évènements transitoires amplifiés, cette section efficace correspondant à une estimation des phénomènes destructifs dudit composant, - on modifie les caractéristiques de ladite particule ou dudit faisceau, et on réitère l'excitation dudit composant, - on détermine la section efficace pour chaque modification de caractéristiques.
L'invention comporte l'une quelconque des caractéristiques suivantes - lors de la détermination de la section efficace, on applique des
L'objet de l'invention est de remédier à ce problème en proposant d'utiliser un procédé de caractérisation de la sensibilité de composant de puissance vis-à-vis de mécanismes destructifs. En ce sens, l'invention propose une utilisation combinée d'un système de caractérisation électrique du composant, d'un procédé de test, et éventuellement, pour améliorer la précision des résultats, d'un moyen de test laser et, pour extrapoler les résultats à d'autres types de particules, d'un code de prédiction aux radiations. L'invention permet de caractériser la sensibilité aux événements destructifs pour des conditions de test pour lesquelles le composant se trouve dans une zone sécurisée appelée SOA. Cette analyse d'événement destructif repose sur l'analyse d'événements transitoires précurseurs.
L'invention a donc pour objet un procédé de caractérisation de la sensibilité d'un composant électronique vis-à-vis d'un environnement radiatif naturel, dans lequel :
- on met le composant électronique en service, caractérisé en ce que, - pour des caractéristiques d'une particule ou d'un faisceau incident données, telles que l'énergie et/ou l'incidence et/ou le parcours et/ou autres, on détermine un domaine de tension SOA au-delà duquel des événements destructifs dudit composant peuvent avoir lieu, - on excite le composant électronique ainsi mis en service avec les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident, dans des conditions de fonctionnement proches de la plus grande valeur de tension du domaine de tension SOA déterminé, - on détermine une section efficace des évènements transitoires amplifiés, cette section efficace correspondant à une estimation des phénomènes destructifs dudit composant, - on modifie les caractéristiques de ladite particule ou dudit faisceau, et on réitère l'excitation dudit composant, - on détermine la section efficace pour chaque modification de caractéristiques.
L'invention comporte l'une quelconque des caractéristiques suivantes - lors de la détermination de la section efficace, on applique des
7 conditions de test audit composant, lesdites conditions étant des polarisations, des conditions de fonctionnement dynamiques tels que la fréquence, le rapport cyclique, ou des conditions d'environnement tel que la température ;
- pour déterminer le domaine de tension SOA d'un composant, on détermine les caractéristiques électriques donnant l'évolution du courant d'une électrode de sortie dudit composant en fonction de la tension appliquée sur ladite électrode de sortie, lorsque le composant est à l'état bloqué ;
- on mesure la probabilité d'occurrence de phénomènes de défaillance pour lesquelles le composant laisse apparaître un défaut de fonctionnement, à partir des sections efficaces déterminées ;
- l'excitation est réalisée à l'aide d'un rayonnement laser ou au moyen d'un accélérateur de particules ou tout autre moyen d'injection de charges ;
- - les phénomènes destructifs étudiés sont ceux du SEB, du latchup ou tout autre phénomène mettant en jeu le déclenchement d'une structure bipolaire parasite et/ou le déclenchement de mécanismes d'entretien et /ou d'amplification du courant ;
- utilisation d'une estimation de la section efficace en entrée d'un code de prédiction ;
- le code de prédiction est un code de prédiction du même type que SMC DASIE.
L'invention a également pour objet un dispositif de test comportant des moyens aptes à mettre en ceuvre le procédé décrit précédemment.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent :
Figure 1 : représentation schématique d'un transistor Power MOSFET
et d'une structure bipolaire parasite (déjà décrite) ;
Figure 2 : représentation schématique d'un événement destructif déclenché par une particule dans une structure de type Power MOSFET
(déjà décrite) ;
Figure 3 : représentation schématique d'un thyristor parasite dans les composants IGBT (déjà décrite) ;
Figure 4: représentation schématique d'un montage de test de la
- pour déterminer le domaine de tension SOA d'un composant, on détermine les caractéristiques électriques donnant l'évolution du courant d'une électrode de sortie dudit composant en fonction de la tension appliquée sur ladite électrode de sortie, lorsque le composant est à l'état bloqué ;
- on mesure la probabilité d'occurrence de phénomènes de défaillance pour lesquelles le composant laisse apparaître un défaut de fonctionnement, à partir des sections efficaces déterminées ;
- l'excitation est réalisée à l'aide d'un rayonnement laser ou au moyen d'un accélérateur de particules ou tout autre moyen d'injection de charges ;
- - les phénomènes destructifs étudiés sont ceux du SEB, du latchup ou tout autre phénomène mettant en jeu le déclenchement d'une structure bipolaire parasite et/ou le déclenchement de mécanismes d'entretien et /ou d'amplification du courant ;
- utilisation d'une estimation de la section efficace en entrée d'un code de prédiction ;
- le code de prédiction est un code de prédiction du même type que SMC DASIE.
L'invention a également pour objet un dispositif de test comportant des moyens aptes à mettre en ceuvre le procédé décrit précédemment.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent :
Figure 1 : représentation schématique d'un transistor Power MOSFET
et d'une structure bipolaire parasite (déjà décrite) ;
Figure 2 : représentation schématique d'un événement destructif déclenché par une particule dans une structure de type Power MOSFET
(déjà décrite) ;
Figure 3 : représentation schématique d'un thyristor parasite dans les composants IGBT (déjà décrite) ;
Figure 4: représentation schématique d'un montage de test de la
8 sensibilité aux radiations des composants de puissance selon l'état de la technique ;
Figure 5 : représentation schématique de l'évolution du courant de drain en fonction de la tension drain source pour un power MOSFET, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figure 6 : Allure schématique des courbes attendues pour le dépôt de charge par unité de longueur de la particule dans un composant power MOSFET en fonction de la tension drain source, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figure 7 : courbes représentant le niveau d'énergie laser nécessaire pour déclencher un évènement destructif dans un power MOSFET en fonction de la tension drain source appliquée, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figures 8a-8b : courbes de prédiction de la sensibilité d'un composant en environnements ions lourds, neutron et proton, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figures 9a-9d : Allure d'événements déclenchés par le laser pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA et en dehors, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figure 10 : représentation schématique d'une identification par laser des zones de sensibilité au SEB d'un transistor Power MOSFET de 500V, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figure 11 : représentation des cartographies laser des événements transitoires SET précurseurs et phénomènes d'entretien et d'amplification de courants parasites SEB d'un power MOSFET;
Figure 12 : représentation schématique pour différents niveaux de tension de l'évolution de la section efficace sur le composant des événements destructifs en fonction de l'amplitude de l'événement mesuré.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la caractérisation de la sensibilité d'un composant de puissance s'effectue en deux étapes :
Une première étape correspond à une caractérisation du domaine de tension pour lequel des événements destructifs peuvent avoir lieu dans un composant de puissance soumis à des particules ou à un rayonnement de caractéristiques données. Ce domaine de tension sera appelé par la suite SOA pour Safe Operating Area . Le domaine de tension SOA correspond
Figure 5 : représentation schématique de l'évolution du courant de drain en fonction de la tension drain source pour un power MOSFET, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figure 6 : Allure schématique des courbes attendues pour le dépôt de charge par unité de longueur de la particule dans un composant power MOSFET en fonction de la tension drain source, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figure 7 : courbes représentant le niveau d'énergie laser nécessaire pour déclencher un évènement destructif dans un power MOSFET en fonction de la tension drain source appliquée, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figures 8a-8b : courbes de prédiction de la sensibilité d'un composant en environnements ions lourds, neutron et proton, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figures 9a-9d : Allure d'événements déclenchés par le laser pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA et en dehors, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figure 10 : représentation schématique d'une identification par laser des zones de sensibilité au SEB d'un transistor Power MOSFET de 500V, selon un mode de réalisation de l'invention ;
Figure 11 : représentation des cartographies laser des événements transitoires SET précurseurs et phénomènes d'entretien et d'amplification de courants parasites SEB d'un power MOSFET;
Figure 12 : représentation schématique pour différents niveaux de tension de l'évolution de la section efficace sur le composant des événements destructifs en fonction de l'amplitude de l'événement mesuré.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la caractérisation de la sensibilité d'un composant de puissance s'effectue en deux étapes :
Une première étape correspond à une caractérisation du domaine de tension pour lequel des événements destructifs peuvent avoir lieu dans un composant de puissance soumis à des particules ou à un rayonnement de caractéristiques données. Ce domaine de tension sera appelé par la suite SOA pour Safe Operating Area . Le domaine de tension SOA correspond
9 PCT/EP2011/061034 à l'intervalle de tensions pour lequel le composant ne présente pas de défaillances destructives (ou phénomènes destructifs) lorsqu'il est soumis à
des particules ou un rayonnement de caractéristiques données (notamment d'énergie, de parcours dans la matière,...).
Ce domaine de tension est borné par la tension VSOA qui représente la plus grande tension pour laquelle le composant ne présente pas de défaillances destructives, pour les caractéristiques de la particule ou du rayonnement incident. Au dessus d'un certain niveau de polarisation Drain Source (pour un transistor power MOSFET), la combinaison des caractéristiques de la particule et des conditions électriques à l'intérieur du composant de puissance sont telles que des mécanismes d'amplification par avalanche peuvent se déclencher et être entretenus jusqu'à aboutir à un emballement électrique puis thermique du composant.
Une deuxième étape correspond à une caractérisation de la probabilité- d'occurrence du phénomène d'avalanche. Cette probabilité
d'occurrence de ce phénomène dépend d'une part des caractéristiques de la particule, et d'autre part des conditions de test appliquées au composant notamment de polarisation, de fréquence, de température, de fonctionnement dynamique,...etc.
Les phénomènes destructifs dans les composants de puissance tels que l'entretien d'un courant parasite dit SEB pour Single Event Burnout et un déclenchement d'un thyristor parasite, dit latchup ou SEL pour Single Event Latchup, ne se déclenchent que lorsque le composant est à l'état bloqué ou en commutation. En exemple, la tension de grille est dans ces conditions soit nulle, soit négative pour un transistor power MOS à canal N.
Pour caractériser le domaine de tension pour lequel des événements destructifs peuvent avoir lieu, il est nécessaire de déterminer les caractéristiques électriques donnant l'évolution du courant d'une électrode de sortie dudit composant en fonction de la tension appliquée sur ladite électrode de sortie, lorsque le composant est à l'état bloqué.
Dans le cas d'un transistor power MOSFET, l'évolution du courant du drain est déterminée en fonction de la tension Drain Source, lorsque la tension Grille Source est nulle ou négative.
Dans le cas d'un IGBT, l'évolution du courant du collecteur est déterminée en fonction de la tension du collecteur, lorsque la tension Grille Source est nulle ou négative.
De manière similaire, pour les autres types de composants de puissance (diodes, thyristors, ....), l'évolution du courant d'une électrode de sortie est déterminée en fonction de la tension appliquée sur cette électrode.
5 La figure 5 est une représentation schématique de l'évolution du courant de drain en fonction de la tension drain source pour un tel transistor power MOSFET à canal N. Sur cette courbe 50, on note la présence de deux paramètres correspondant très pertinents pour permettre la détermination de la sensibilité du composant de puissance face aux radiations. Ces deux
des particules ou un rayonnement de caractéristiques données (notamment d'énergie, de parcours dans la matière,...).
Ce domaine de tension est borné par la tension VSOA qui représente la plus grande tension pour laquelle le composant ne présente pas de défaillances destructives, pour les caractéristiques de la particule ou du rayonnement incident. Au dessus d'un certain niveau de polarisation Drain Source (pour un transistor power MOSFET), la combinaison des caractéristiques de la particule et des conditions électriques à l'intérieur du composant de puissance sont telles que des mécanismes d'amplification par avalanche peuvent se déclencher et être entretenus jusqu'à aboutir à un emballement électrique puis thermique du composant.
Une deuxième étape correspond à une caractérisation de la probabilité- d'occurrence du phénomène d'avalanche. Cette probabilité
d'occurrence de ce phénomène dépend d'une part des caractéristiques de la particule, et d'autre part des conditions de test appliquées au composant notamment de polarisation, de fréquence, de température, de fonctionnement dynamique,...etc.
Les phénomènes destructifs dans les composants de puissance tels que l'entretien d'un courant parasite dit SEB pour Single Event Burnout et un déclenchement d'un thyristor parasite, dit latchup ou SEL pour Single Event Latchup, ne se déclenchent que lorsque le composant est à l'état bloqué ou en commutation. En exemple, la tension de grille est dans ces conditions soit nulle, soit négative pour un transistor power MOS à canal N.
Pour caractériser le domaine de tension pour lequel des événements destructifs peuvent avoir lieu, il est nécessaire de déterminer les caractéristiques électriques donnant l'évolution du courant d'une électrode de sortie dudit composant en fonction de la tension appliquée sur ladite électrode de sortie, lorsque le composant est à l'état bloqué.
Dans le cas d'un transistor power MOSFET, l'évolution du courant du drain est déterminée en fonction de la tension Drain Source, lorsque la tension Grille Source est nulle ou négative.
Dans le cas d'un IGBT, l'évolution du courant du collecteur est déterminée en fonction de la tension du collecteur, lorsque la tension Grille Source est nulle ou négative.
De manière similaire, pour les autres types de composants de puissance (diodes, thyristors, ....), l'évolution du courant d'une électrode de sortie est déterminée en fonction de la tension appliquée sur cette électrode.
5 La figure 5 est une représentation schématique de l'évolution du courant de drain en fonction de la tension drain source pour un tel transistor power MOSFET à canal N. Sur cette courbe 50, on note la présence de deux paramètres correspondant très pertinents pour permettre la détermination de la sensibilité du composant de puissance face aux radiations. Ces deux
10 paramètres sont respectivement la tension la plus basse pour laquelle une particule ou un rayonnement de caractéristiques données peut déclencher un mécanisme destructif, appelé par la suite Vhold, et la tension au dessus de laquelle le claquage électrique du composant intervient, appelé par la suite BVDS. Comme nous le montre cette figure, lorsque la valeur de la tension Drain Source est inférieure à Vhold, alors il n'existe qu'un seul état 51 possible du courant de Drain. Lorsque la valeur de la tension Drain Source est comprise entre les valeurs Vhold et BVDS, le transistor présente trois états 52, 53, 54 de courant possible. En effet, un premier état dit état bloqué, correspond à la plus faible valeur de courant. Un deuxième état dit état instable, correspond à la valeur de courant intermédiaire. Un troisième état dit état de fort courant, correspond à un état où une défaillance à été
déclenchée.
La valeur BVDS est également très utile dans la mesure. En effet, lorsque la tension Drain Source dépasse cette valeur, le champ électrique devient suffisamment important pour déclencher à lui seul un mécanisme destructif d'amplification de courant.
La figure 6, représente une allure 60 schématique d'une caractérisation de l'évolution du domaine de tension 61 (hachuré sur la figure 6) au-delà duquel des événements destructifs peuvent être déclenchés par des radiations ou tout autre moyen d'injection de charges dans un composant électronique (laser, CEM, ...). Dans ce domaine 61 de tension SOA, et pour les caractéristiques de la particule ou du moyen d'injection de charges, il ne peut pas y avoir d'événement destructif du composant déclenché.
La courbe 60 montre ainsi deux zones distinctes dont une zone avec
déclenchée.
La valeur BVDS est également très utile dans la mesure. En effet, lorsque la tension Drain Source dépasse cette valeur, le champ électrique devient suffisamment important pour déclencher à lui seul un mécanisme destructif d'amplification de courant.
La figure 6, représente une allure 60 schématique d'une caractérisation de l'évolution du domaine de tension 61 (hachuré sur la figure 6) au-delà duquel des événements destructifs peuvent être déclenchés par des radiations ou tout autre moyen d'injection de charges dans un composant électronique (laser, CEM, ...). Dans ce domaine 61 de tension SOA, et pour les caractéristiques de la particule ou du moyen d'injection de charges, il ne peut pas y avoir d'événement destructif du composant déclenché.
La courbe 60 montre ainsi deux zones distinctes dont une zone avec
11 un comportement asymptotique pour les faibles valeurs de tension inférieure à Vhold. Un comportement proche du comportement linéaire avec une pente négative entre Vhold et BVDS, qui coupe l'axe des abscisses à la valeur BVDS positionnée pour la valeur de LET ou l'énergie de la particule dans le composant est nulle.
La Figure 7 est une illustration d'une courbe expérimentale donnant le niveau d'énergie laser en fonction de la tension appliquée pour une référence power MOS de 500V. On retrouve bien les principales caractéristiques présentées sur la représentation schématique de la Figure 6, notamment le domaine de tension SOA.
La valeur de BVDS obtenue expérimentalement pour les radiations ou par laser diffère légèrement de la valeur donnée par le fabricant car, il est possible que le claquage électrique intervienne sur des structures autres que les cellules de puissance.
II faut de plus- tenir compte de la variabilité de la production- qui introduit des variations, tant pour la valeur BVDS (électrique) que pour la valeur BVDS (radiation). Néanmoins, il apparaît que les valeurs sont assez proches dans la pratique.
Ainsi, comme le montre la figure 6, la courbe 60 caractéristique donnant l'évolution de la valeur LET ou de l'énergie seuil à partir de laquelle un événement destructif peut être déclenché en fonction du niveau de polarisation peut être modélisée simplement par deux droites 64, 66. La première droite 64 est verticale et son abscisse est donnée en réalisant la caractérisation électrique de la tension de maintien Vhold. La deuxième droite 65 nécessite deux points 66, 67, pour être bien définie. Le premier point 66 est obtenu en caractérisant électriquement la tension de claquage BVDS. Le deuxième point 67 doit être obtenu expérimentalement en utilisant un laser ou en réalisant un test en accélérateur de particules.
Les deux droites étant définies, il est ensuite possible de prédire l'évolution de la tension seuil à partir de laquelle des événements destructifs peuvent être déclenchés, en fonction des caractéristiques de la particule (ou laser) incidente.
D'autres modèles plus détaillés peuvent également être utilisés pour décrire le comportement théorique attendu d'évolution entre le LET ou l'énergie seuil permettant de déclencher un SEB et la tension de polarisation
La Figure 7 est une illustration d'une courbe expérimentale donnant le niveau d'énergie laser en fonction de la tension appliquée pour une référence power MOS de 500V. On retrouve bien les principales caractéristiques présentées sur la représentation schématique de la Figure 6, notamment le domaine de tension SOA.
La valeur de BVDS obtenue expérimentalement pour les radiations ou par laser diffère légèrement de la valeur donnée par le fabricant car, il est possible que le claquage électrique intervienne sur des structures autres que les cellules de puissance.
II faut de plus- tenir compte de la variabilité de la production- qui introduit des variations, tant pour la valeur BVDS (électrique) que pour la valeur BVDS (radiation). Néanmoins, il apparaît que les valeurs sont assez proches dans la pratique.
Ainsi, comme le montre la figure 6, la courbe 60 caractéristique donnant l'évolution de la valeur LET ou de l'énergie seuil à partir de laquelle un événement destructif peut être déclenché en fonction du niveau de polarisation peut être modélisée simplement par deux droites 64, 66. La première droite 64 est verticale et son abscisse est donnée en réalisant la caractérisation électrique de la tension de maintien Vhold. La deuxième droite 65 nécessite deux points 66, 67, pour être bien définie. Le premier point 66 est obtenu en caractérisant électriquement la tension de claquage BVDS. Le deuxième point 67 doit être obtenu expérimentalement en utilisant un laser ou en réalisant un test en accélérateur de particules.
Les deux droites étant définies, il est ensuite possible de prédire l'évolution de la tension seuil à partir de laquelle des événements destructifs peuvent être déclenchés, en fonction des caractéristiques de la particule (ou laser) incidente.
D'autres modèles plus détaillés peuvent également être utilisés pour décrire le comportement théorique attendu d'évolution entre le LET ou l'énergie seuil permettant de déclencher un SEB et la tension de polarisation
12 du composant, autrement dit la tension Drain Source ou VDS. Ces modèles reposent sur des paramètres qui peuvent être déterminés en connaissant la caractérisation électrique de la structure, notamment BVDS et Vhold, ainsi qu'en obtenant un point expérimental obtenu soit en accélérateur de particules soit par laser.
Par ailleurs, cette modélisation peut être couplée à un code de prédiction tel que le code de prédiction connu sous le nom de SMC DASIE.
Ce code de prédiction SMC DASIE pour Simplified Monte Carlo Detailed Analysis of Secondary Ion Effects a été décrit dans "A review of DASIE
codes family : contribution to SEU/MBU understanding" par G. Hubert et AI
publié dans 11th IEEE International On-Line Testing Symposium en 2005. Une version dédiée aux composants de puissance, Power DASIE, est présentée dans le manuscrit de thèse d'Aurore Luu intitulé Méthodologie de prédiction des effets destructifs dus à l'environnement radiatif naturel sur les MOSFETs et IGBTs de puissance (Université de Toulouse - thèse soutenue le 12 Novembre 2009). Les différentes versions de ce code sont basées sur le même principe, l'exploitation des bases de données nucléaires, couplées avec des modèles de collection de charges et des critères de déclenchement des effets. Le laser permet d'extraire les données de procédé et de sensibilité à l'injection de charges localisées pour un composant particulier de technologie inconnue au départ. Ces outils de calcul Monte-Carlo reposent sur le tirage aléatoire d'un grand nombre d'interactions reproduisant les conditions de traces ionisantes possibles consécutives à l'interaction ions lourds ou aux réactions nucléaires neutron ou proton avec les noyaux constituant le composant. Ils calculent donc la fréquence des erreurs (SER, Single Event Rate).
Ce code de prédiction est donc utilisé selon l'invention pour effectuer des prédictions passerelles entre les différents types de particules, comme illustré sur les figures 8a, 8b. Dans l'exemple de ces figures, les résultats ions lourds sont utilisés en entrée du code power DASIE pour prédire la sensibilité en environnements neutron et proton.
Pour certains composants de puissance et plus particulièrement pour les composants qui ont un fort calibre en courant, il est très difficile d'empêcher le caractère destructif des événements radiatifs malgré
l'utilisation de montage de protection. Lorsqu'un test est réalisé en
Par ailleurs, cette modélisation peut être couplée à un code de prédiction tel que le code de prédiction connu sous le nom de SMC DASIE.
Ce code de prédiction SMC DASIE pour Simplified Monte Carlo Detailed Analysis of Secondary Ion Effects a été décrit dans "A review of DASIE
codes family : contribution to SEU/MBU understanding" par G. Hubert et AI
publié dans 11th IEEE International On-Line Testing Symposium en 2005. Une version dédiée aux composants de puissance, Power DASIE, est présentée dans le manuscrit de thèse d'Aurore Luu intitulé Méthodologie de prédiction des effets destructifs dus à l'environnement radiatif naturel sur les MOSFETs et IGBTs de puissance (Université de Toulouse - thèse soutenue le 12 Novembre 2009). Les différentes versions de ce code sont basées sur le même principe, l'exploitation des bases de données nucléaires, couplées avec des modèles de collection de charges et des critères de déclenchement des effets. Le laser permet d'extraire les données de procédé et de sensibilité à l'injection de charges localisées pour un composant particulier de technologie inconnue au départ. Ces outils de calcul Monte-Carlo reposent sur le tirage aléatoire d'un grand nombre d'interactions reproduisant les conditions de traces ionisantes possibles consécutives à l'interaction ions lourds ou aux réactions nucléaires neutron ou proton avec les noyaux constituant le composant. Ils calculent donc la fréquence des erreurs (SER, Single Event Rate).
Ce code de prédiction est donc utilisé selon l'invention pour effectuer des prédictions passerelles entre les différents types de particules, comme illustré sur les figures 8a, 8b. Dans l'exemple de ces figures, les résultats ions lourds sont utilisés en entrée du code power DASIE pour prédire la sensibilité en environnements neutron et proton.
Pour certains composants de puissance et plus particulièrement pour les composants qui ont un fort calibre en courant, il est très difficile d'empêcher le caractère destructif des événements radiatifs malgré
l'utilisation de montage de protection. Lorsqu'un test est réalisé en
13 accélérateur de particules, cela se traduit par la nécessité de tester un très grand nombre de composants d'une même référence de manière à avoir une statistique d'événements suffisante afin de minimiser les marges d'erreurs et d'incertitudes. Par exemple, en termes de statistique, 20 composants détruits donneront un résultat avec une incertitude de 30% environ, conformément à
la norme de test radiations JEDEC pour Joint Electron Device Engineering Council .
Le procédé présenté selon l'invention permet également de limiter très fortement le nombre d'échantillons effectivement nécessaires pour obtenir une bonne statistique d'événements.
Ce procédé s'appuie sur le fait de caractériser la fréquence d'occurrence d'événements transitoires amplifiés pour des conditions de test effectués dans la zone de sécurité qui n'est autre que le domaine de tension SOA.
Les figures 9a à 9d présentent les différents types d'allures d'événements ou mécanismes qui peuvent être déclenchés par laser pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA et hors de ce domaine.
Sur les figures 9a-9b puis 9c-9d, on observe pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA, deux types d'événements transitoires ou SET d'amplitudes distinctes qui sont respectivement l'événement transitoire amplifié et l'événement transitoire non amplifié.
La nature amplifiée ou non des événements transitoires pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA dépend de la position d'impact de la particule ou du laser sur le composant électronique (et du déclenchement associé ou non des structures d'amplification ou d'entretien de courant) Dans l'exemple de la figure 9a, est représentée une allure d'un événement transitoire amplifié sous la tension Vhold, dans le domaine de tension SOA, à 80V pour ce composant.
Dans l'exemple de la figure 9b, est représentée une allure d'un événement transitoire se trouvant hors du domaine de tension SOA (à 200V
pour ce composant), avec pour la même position d'impact un événement destructif déclenché.
Dans l'exemple de la figure 9c, est représentée une allure d'un
la norme de test radiations JEDEC pour Joint Electron Device Engineering Council .
Le procédé présenté selon l'invention permet également de limiter très fortement le nombre d'échantillons effectivement nécessaires pour obtenir une bonne statistique d'événements.
Ce procédé s'appuie sur le fait de caractériser la fréquence d'occurrence d'événements transitoires amplifiés pour des conditions de test effectués dans la zone de sécurité qui n'est autre que le domaine de tension SOA.
Les figures 9a à 9d présentent les différents types d'allures d'événements ou mécanismes qui peuvent être déclenchés par laser pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA et hors de ce domaine.
Sur les figures 9a-9b puis 9c-9d, on observe pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA, deux types d'événements transitoires ou SET d'amplitudes distinctes qui sont respectivement l'événement transitoire amplifié et l'événement transitoire non amplifié.
La nature amplifiée ou non des événements transitoires pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA dépend de la position d'impact de la particule ou du laser sur le composant électronique (et du déclenchement associé ou non des structures d'amplification ou d'entretien de courant) Dans l'exemple de la figure 9a, est représentée une allure d'un événement transitoire amplifié sous la tension Vhold, dans le domaine de tension SOA, à 80V pour ce composant.
Dans l'exemple de la figure 9b, est représentée une allure d'un événement transitoire se trouvant hors du domaine de tension SOA (à 200V
pour ce composant), avec pour la même position d'impact un événement destructif déclenché.
Dans l'exemple de la figure 9c, est représentée une allure d'un
14 événement transitoire non amplifié sous la tension Vhold, dans le domaine de tension SOA, à 80V pour ce composant.
Dans l'exemple de la figure 9d, est représentée une allure d'un événement transitoire se trouvant hors du domaine de tension SOA (à 200V
pour ce composant), avec pour la même position d'impact aucun événement destructif déclenché.
Il est connu, pour les composants power MOSFET, que les zones les plus sensibles aux mécanismes destructifs déclenchés par les radiations sont au niveau du canal de la cellule d'un composant de puissance et que la zone au niveau du plug p+, comme le montre la figure 10, est une zone très peu sensible. Une des raisons pour laquelle les zones autour du canal sont sensibles aux événements destructifs est que ces zones favorisent le déclenchement des structures d'amplification bipolaire formées par la source, le puit P et le drain des composants de puissance. Ce sont ces mêmes zones qui, pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA, déclencheront des événements transitoires amplifiés. Au contraire, les impacts proches de la zone de plug p+ ne déclencheront que des événements non amplifiés.
La figure 10 représente une identification par laser des zones de sensibilité au phénomène d'entretien de courant parasite ou SEB d'un power MOSFET de 500V. Il apparait sur cette figure que les événements transitoires ou SET amplifiés obtenus pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA sont directement liés aux événements destructifs déclenchés hors de ce dit domaine. La caractérisation de la probabilité
d'occurrence de ces événements transitoires amplifiés permet d'estimer l'occurrence des événements destructifs attendus en dehors du domaine de tension SOA. Pour cette raison, les événements transitoires SET amplifiés seront appelés, dans la suite du texte, SET précurseurs.
Cette caractérisation se faisant sur des événements transitoires, il n'y a aucune dégradation des composants. Il est donc possible de réaliser un test avec un grand nombre d'événements de manière à réduire les incertitudes liées au caractère probabiliste des phénomènes radiatifs, tout en limitant le nombre d'échantillons effectivement nécessaire pour obtenir une bonne statistique d'évènements comme dans l'état de la technique.
La figure 11 est une représentation des cartographies laser des événements transitoires SET précurseurs et phénomènes d'entretien de courant parasite SEB, réalisées sur des power MOSFET de 500V pour des tensions drain source dans un domaine de tension SOA entre 70V et 80V, ainsi qu'une tension drain source de 150V lorsque la cartographie laser est 5 réalisée hors du domaine de tension SOA.
Il est constaté un très bon accord entre la localisation des zones de sensibilité aux SET précurseurs et les zones de sensibilité au SEB.
Ce constat confirme que les zones provoquant les SET de plus grandes amplitudes pour des conditions de test dans le domaine de tension 10 SOA correspondent bien à celles qui déclencheront des événements destructifs pour des conditions de test hors de ce dit domaine.
La courbe de la figure 12 montre, pour différents niveaux de tension, l'évolution de la section efficace sur le composant des événements destructifs ou population des événements destructifs en fonction de
Dans l'exemple de la figure 9d, est représentée une allure d'un événement transitoire se trouvant hors du domaine de tension SOA (à 200V
pour ce composant), avec pour la même position d'impact aucun événement destructif déclenché.
Il est connu, pour les composants power MOSFET, que les zones les plus sensibles aux mécanismes destructifs déclenchés par les radiations sont au niveau du canal de la cellule d'un composant de puissance et que la zone au niveau du plug p+, comme le montre la figure 10, est une zone très peu sensible. Une des raisons pour laquelle les zones autour du canal sont sensibles aux événements destructifs est que ces zones favorisent le déclenchement des structures d'amplification bipolaire formées par la source, le puit P et le drain des composants de puissance. Ce sont ces mêmes zones qui, pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA, déclencheront des événements transitoires amplifiés. Au contraire, les impacts proches de la zone de plug p+ ne déclencheront que des événements non amplifiés.
La figure 10 représente une identification par laser des zones de sensibilité au phénomène d'entretien de courant parasite ou SEB d'un power MOSFET de 500V. Il apparait sur cette figure que les événements transitoires ou SET amplifiés obtenus pour des conditions de test dans le domaine de tension SOA sont directement liés aux événements destructifs déclenchés hors de ce dit domaine. La caractérisation de la probabilité
d'occurrence de ces événements transitoires amplifiés permet d'estimer l'occurrence des événements destructifs attendus en dehors du domaine de tension SOA. Pour cette raison, les événements transitoires SET amplifiés seront appelés, dans la suite du texte, SET précurseurs.
Cette caractérisation se faisant sur des événements transitoires, il n'y a aucune dégradation des composants. Il est donc possible de réaliser un test avec un grand nombre d'événements de manière à réduire les incertitudes liées au caractère probabiliste des phénomènes radiatifs, tout en limitant le nombre d'échantillons effectivement nécessaire pour obtenir une bonne statistique d'évènements comme dans l'état de la technique.
La figure 11 est une représentation des cartographies laser des événements transitoires SET précurseurs et phénomènes d'entretien de courant parasite SEB, réalisées sur des power MOSFET de 500V pour des tensions drain source dans un domaine de tension SOA entre 70V et 80V, ainsi qu'une tension drain source de 150V lorsque la cartographie laser est 5 réalisée hors du domaine de tension SOA.
Il est constaté un très bon accord entre la localisation des zones de sensibilité aux SET précurseurs et les zones de sensibilité au SEB.
Ce constat confirme que les zones provoquant les SET de plus grandes amplitudes pour des conditions de test dans le domaine de tension 10 SOA correspondent bien à celles qui déclencheront des événements destructifs pour des conditions de test hors de ce dit domaine.
La courbe de la figure 12 montre, pour différents niveaux de tension, l'évolution de la section efficace sur le composant des événements destructifs ou population des événements destructifs en fonction de
15 l'amplitude de l'événement mesuré. Il y a clairement, pour les courbes 60V, 80V, 90V et 100V, deux types de populations en termes d'événements transitoires SET.
Pour la courbe obtenue à 80V dans le domaine de tension SOA, il n'y a que des événements transitoires et pas d'événement destructif. Ces événements transitoires sont répartis en 2 catégories qui sont :
- les événements d'amplitude inférieure à 4V. Il s'agit d'événements transitoires SET non amplifiés.
- les événements d'amplitude supérieure à 12V. Il s'agit d'événements transitoires SET précurseurs.
Comme le montre la figure 11, la grande majorité des positions d'impact sur le composant pour lesquelles les événements transitoires étaient d'amplitudes inférieures à 4 V ne déclenchera pas de SEB pour des niveaux de tension hors du domaine de tension SOA. A l'inverse, la grande majorité des positions pour lesquelles les événements transitoires SET
avaient une amplitude supérieure à 12V déclenchera des SEB.
Le procédé de test selon l'invention est donc le suivant :
- Détermination du domaine de tension SOA pour les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident. Cette détermination engendrera la destruction d'un seul composant maximum.
- Pour les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident,
Pour la courbe obtenue à 80V dans le domaine de tension SOA, il n'y a que des événements transitoires et pas d'événement destructif. Ces événements transitoires sont répartis en 2 catégories qui sont :
- les événements d'amplitude inférieure à 4V. Il s'agit d'événements transitoires SET non amplifiés.
- les événements d'amplitude supérieure à 12V. Il s'agit d'événements transitoires SET précurseurs.
Comme le montre la figure 11, la grande majorité des positions d'impact sur le composant pour lesquelles les événements transitoires étaient d'amplitudes inférieures à 4 V ne déclenchera pas de SEB pour des niveaux de tension hors du domaine de tension SOA. A l'inverse, la grande majorité des positions pour lesquelles les événements transitoires SET
avaient une amplitude supérieure à 12V déclenchera des SEB.
Le procédé de test selon l'invention est donc le suivant :
- Détermination du domaine de tension SOA pour les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident. Cette détermination engendrera la destruction d'un seul composant maximum.
- Pour les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident,
16 réalisation d'un test avec un accélérateur de particules ou un laser pour des conditions proches des limites interne du domaine de tension SOA
prédéterminé.
- caractérisation de la section efficace des événements transitoires SET précurseurs. Comme précédemment montré, la section efficace des événements transitoires SET amplifiés est une très bonne estimation de la section efficace des événements destructifs.
- utilisation possible de cette estimation de la section efficace en entrée d'un code de prédiction pour extrapoler la sensibilité pour d'autres types de particules par rapport aux conditions d'utilisation.
- Le procédé est réitéré pour d'autres conditions de test du composant comme l'incidence de la particule ou du laser, les caractéristiques de ladite particule ou dudit rayonnement ou autre....
Sur la figure 12, pour un niveau d'énergie (de façon équivalente, pour une caractérisation obtenue en accélérateur de particules, pour une énergie neutron ou proton ou pour un niveau de LET donné), la première partie du procédé permet de déterminer la tension VSOA qui correspond à la tension en dessous de laquelle, étant données les caractéristiques de la particule par rapport au faisceau incident, il n'est pas possible de déclencher des événements destructifs. La deuxième partie du procédé indique qu'il faut se placer juste en dessous de la tension VSOA pour caractériser les événements précurseurs et déterminer avec une bonne précision la valeur de section efficace à saturation des évènements destructifs.
Ces deux paramètres sont suffisants pour ensuite permettre de comparer la sensibilité de différents composants entre eux mais également pour faire des calculs de taux de défaillances attendus.
prédéterminé.
- caractérisation de la section efficace des événements transitoires SET précurseurs. Comme précédemment montré, la section efficace des événements transitoires SET amplifiés est une très bonne estimation de la section efficace des événements destructifs.
- utilisation possible de cette estimation de la section efficace en entrée d'un code de prédiction pour extrapoler la sensibilité pour d'autres types de particules par rapport aux conditions d'utilisation.
- Le procédé est réitéré pour d'autres conditions de test du composant comme l'incidence de la particule ou du laser, les caractéristiques de ladite particule ou dudit rayonnement ou autre....
Sur la figure 12, pour un niveau d'énergie (de façon équivalente, pour une caractérisation obtenue en accélérateur de particules, pour une énergie neutron ou proton ou pour un niveau de LET donné), la première partie du procédé permet de déterminer la tension VSOA qui correspond à la tension en dessous de laquelle, étant données les caractéristiques de la particule par rapport au faisceau incident, il n'est pas possible de déclencher des événements destructifs. La deuxième partie du procédé indique qu'il faut se placer juste en dessous de la tension VSOA pour caractériser les événements précurseurs et déterminer avec une bonne précision la valeur de section efficace à saturation des évènements destructifs.
Ces deux paramètres sont suffisants pour ensuite permettre de comparer la sensibilité de différents composants entre eux mais également pour faire des calculs de taux de défaillances attendus.
Claims (9)
1 - Procédé de caractérisation de la sensibilité d'un composant (1) électronique vis-à-vis d'un environnement radiatif naturel, dans lequel - on met le composant électronique en service, caractérisé en ce que, - pour des caractéristiques d'une particule ou d'un faisceau incident données, telles que l'énergie, l'incidence et/ou le parcours, on détermine un domaine de tension SOA au-delà duquel des événements destructifs dudit composant auront lieu, - on excite le composant électronique ainsi mis en service avec les caractéristiques de la particule ou du faisceau incident, dans des conditions de fonctionnement proches de la plus grande valeur de tension du domaine de tension SOA déterminé, - on détermine une section efficace des évènements transitoires amplifiés, cette section efficace correspondant à une estimation des phénomènes destructifs dudit composant, - on modifie les caractéristiques de ladite particule ou dudit faisceau, et on réitère l'excitation dudit composant, - on détermine la section efficace pour chaque modification de caractéristiques.
2 - Procédé selon la revendication précédente, dans lequel lors de la détermination de la section efficace, - on applique des conditions de test audit composant, lesdites conditions étant des polarisations, des conditions de fonctionnements dynamiques tels que la fréquence, le rapport cyclique, ou des conditions d'environnement tel que la température.
3 - Procédé selon la revendication précédente, dans lequel pour déterminer le domaine de tension SOA d'un composant, - on détermine les caractéristiques électriques donnant l'évolution du courant d'une électrode de sortie dudit composant en fonction de la tension appliquée sur ladite électrode de sortie, lorsque le composant est à l'état bloqué.
4 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel - on mesure la probabilité d'occurrence de phénomènes de défaillance pour lesquelles le composant laisse apparaître un défaut de fonctionnement, à partir des sections efficaces déterminées.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'excitation est réalisée à l'aide d'un rayonnement laser ou au moyen d'un accélérateur de particules ou tout autre moyen d'injection de charges.
6 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé
en ce que, - les phénomènes destructifs étudiés sont ceux du SEB, du latchup ou tout autre phénomène mettant en jeu le déclenchement d'une structure bipolaire parasite et/ou le déclenchement de mécanismes d'entretien et /ou d'amplification du courant.
en ce que, - les phénomènes destructifs étudiés sont ceux du SEB, du latchup ou tout autre phénomène mettant en jeu le déclenchement d'une structure bipolaire parasite et/ou le déclenchement de mécanismes d'entretien et /ou d'amplification du courant.
7 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel -on utilise l'estimation de la section efficace en entrée d'un code de prédiction.
8 - Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le code de prédiction est un code de prédiction de type SMC DASIE.
9 - Dispositif de test comportant des moyens aptes à mettre en oeuvre ledit procédé selon l'une des revendications précédentes.
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