Development and validation of a predictive model to ensure the long-term electromagnetic compatibility of embedded electronic systems

par Chaimae Ghfiri

Thèse de doctorat en Génie Electrique

Sous la direction de Sonia Ben Dhia et de Alexandre Boyer.

Soutenue le 13-12-2017

à Toulouse, INSA , dans le cadre de Génie Electrique, Electronique et Télécommunications , en partenariat avec Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (laboratoire) et de Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse] / LAAS (laboratoire) .

Le président du jury était Marise Bafleur.

Le jury était composé de Sonia Ben Dhia, Alexandre Boyer, Genevieve Duchamp, Frederic Lafon.

Les rapporteurs étaient Bernd Deutschmann, Fabian Vargas.

  • Titre traduit

    Développement et validation de modèle prédictif pour assurer la compatibilité électromagnétique à long terme des systèmes électroniques embarqués.


  • Résumé

    Avec l’avancement technologique des circuits intégrés à travers la miniaturisation des tailles des transistors et leur multiplication au sein d’une même puce, l’intégration des circuits dans des systèmes embarqués complexes, principalement dans l’industrie aéronautique, spatiale et automobile, rencontre de plus en plus d’exigences en termes de respect des niveaux d’émission et d’immunité. De plus, étant donné que l’évolution des niveaux de Compatibilité Electromagnétique (CEM) des équipements électroniques doit respecter ces exigences à long terme, les marges définis par les industriels sont souvent surestimés et les systèmes de filtrages établis par les équipementiers peuvent être surdimensionnés. De ce fait, pour les circuits intégrés dédiés aux applications embarquées, il est nécessaire d’étudier les deux aspects qui concernent la modélisation CEM ainsi que la modélisation de la fiabilité. Ces dernières années, des standards ont été proposés et permettent la construction de modèles CEM prédictifs tel que ICEM-CE/RE (Integrated Circuit Emission Model for Conducted and Radiated Emission) et ICIM-CI (Integrated Circuit Immunity Model for Conducted Immunity). De plus, pour intégrer l’effet du vieillissement dans les modèles CEM, il faut étudier les principaux mécanismes de dégradation intrinsèques aux circuits intégrés qui accélèrent leur vieillissement tels que le HCI (Hot Carrier Injection), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), EM (Electromigration) et NBTI (Negative Bias Temperature Instability). Des modèles standardisés sont utilisés dans les différents domaines industriels qui permettent la construction de modèle de fiabilité tels que le standard MIL-HDBK-217 et le standard FIDES. Cependant, ils ne permettent de prendre en compte qu’un seul mécanisme de dégradation à la fois. Ce manuscrit de thèse introduit ces aspects de modélisation CEM et de fiabilité. Il traite également la construction d’un modèle d’émission conduite d’un FPGA avec la proposition de nouvelle méthodologie de modélisation. Ensuite, l’étude de la fiabilité du FPGA est décrite à travers l’utilisation d’un nouveau modèle permettant la prise en compte des différents mécanismes de dégradations et a été combiné au modèle CEM pour la prédiction des niveaux d’émissions conduite à long terme.


  • Résumé

    With the technological evolution of integrated circuits (ICs) through the transistors scaling, which leads to the multiplication of the number of transistors within a chip, the requirements in terms of emission and immunity levels become more restrictive in the aeronautic, space and automotive industries. Moreover, since the evolution of Electromagnetic Compatibility (EMC) levels of electronic equipment after aging must meet the EMC long-term requirements, the EMC margins defined by the manufacturers are often overestimated and the filtering systems designed by the equipment manufacturer could be oversized.Therefore, for the integrated circuits dedicated to embedded applications, it is necessary to study the different aspects of EMC modeling as well as the reliability the modeling. These last years, several standards have been proposed for the construction of predictive EMC models such as ICEM-CE/RE (Integrated Circuit Emission Model for Conducted and Radiated Emission) and ICIM-CI (Integrated Circuit Immunity Model for Conducted Immunity). On the other hand, to integrate the effect of aging in EMC models, it is important to study the main intrinsic degradation mechanisms that accelerate the aging of ICs, such as HCI (Hot Carrier Injection), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), EM (Electromigration) and NBTI (Negative Bias Temperature Instability). For this purpose, there are existing models for the reliability prediction, such as the MIL-HDBK-217 standard and the FIDES standard. However, these models could take into account only the activation of one degradation mechanism. The combination of several degradation mechanisms could be critical for the IC performances and could contribute in the evolution of EMC level.This thesis introduces the different aspects of EMC and reliability modeling. This work deals with the construction of a conducted emission model of an FPGA and the proposition of new modeling methodologies. Furthermore, the reliability of the tested FPGA is described using a new predictive model, which takes into account the activation of the different degradation mechanisms. The reliability model has been combined with the EMC model for the long-term conducted emission level prediction.


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