Investigation and modeling of the impact of electrostatic discharges on capacitive RF MEMS switches

• Auteur / Autrice : Jinyu Jason Ruan
• Direction : Robert Plana, Nicolas Nolhier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-ondes, électromagnetisme et optoélectronique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais

Défauts

Circuits intégrés

Commutation (électricité)

Systèmes microélectromécaniques

Mesures de sûreté

Décharges électriques

Électrostatique

Mots clés libres

Fiabilité

Mems rf

Décharges électrostatiques (ESD)

Chargement

Isolants

Diélectrique

Défaillance

Tests accélérés

Vieillissement

Résumé

Les futures architectures des systèmes de communication présenteront une forte complexité due à des besoins de reconfiguration à la fois en termes de fréquence, de puissance émise et/ou reçue, de puissance consommée et de fiabilité. Une solution consiste à utiliser les MEMS RF pour obtenir ces fonctionnalités augmentées. Ces composants seront soumis à des agressions à la fois électrostatiques et/ou électromagnétiques dont il est important d'analyser et de comprendre leur impact. D'autre part la tenue en puissance de ces composants est un paramètre qualitatif de leur robustesse. Étant donné qu'ils présentent également des intérêts pour les applications spatiales, il est important de comprendre leur sensibilité face au rayonnement. Le sujet de thèse vise à analyser l'impact de ces agressions sur les paramètres fonctionnels (tensions d'actionnements, vitesse de fonctionnement, pertes d'insertion et isolation) à partir du développement d'une plateforme appropriée ainsi qu'une analyse fine des mécanismes de dégradation apparaissant suite aux stress appliqués ; tension continu, décharges électrostatiques (de type HBM ou TLP), puissance RF et rayonnement. Ces stress seront appliqués sur des composants aux architectures différentes (types de diélectrique différentes, épaisseur membrane, géométrie des dispositifs, topologie des zones d'actionnement) afin de déterminer si certaines architectures et ou filières technologiques sont plus résistantes que d'autres. Enfin, afin de valider ces travaux, il sera conçu un design plus complexe présentant des résistances aux ESD/EMI améliorées et un circuit de vieillissement de ces composants sera également proposé. Ce projet de thèse rentre dans le cadre d'un réseau d'excellence AMICOM sur les microsystèmes RF où la fiabilité a été identifiée comme étant un des enjeux majeurs pour leur intégration et commercialisation.

Future architectures of communication systems will be more and more complex due to the need for reconfigurability in terms of frequency, emitted and received power, power consumption and reliability. One interesting and very promising technology comes under the name of RF-MEMS. In general MEMS component replaces and outperforms its counterparts. These structures will be yielded to electrostatic and/or electromagnetic strains that it is necessary to investigate and to understand the effects. Besides, power handling of those devices is one of the parameters that qualify its robustness. Since they have shown interesting functionalities for space applications, its sensitivity to radiation needs to be understood. The motivation of the thesis aims at analyzing the impact of those strains in the functional parameters (actuation voltages, switching times, insertion losses, isolation), using an appropriate reliability bench test. Clever analyses of the failure mechanisms that occur after stresses such as DC stress, ESD discharge, RF power qualification and radiation, have been performed. The stresses will be applied on various structures with various architectures and designs, in order to determine the robustness and the reliability of each technology. Finally, the validation and the new findings of these works present one design integrating ESD protection and an accelerated stress test circuit is also proposed. This thesis was being part of the framework of the European Network of Excellence AMICOM on RF Micro-systems where reliability has been defined to be a major challenge to its integration and its commercialization.