Evaluation des risques électromagnétiques dus aux stresses environnementaux, à l’obsolescence et/ou au vieillissement dans les circuits intégrés

Evaluation of Electromagnetic Hazards due to Environmental Stresses, Obsolescence and/or Ageing, Evaluation at the IC Level

• Auteur / Autrice : Qazi Mashaal Khan
• Direction : Richard Perdriau, Bruno Castanier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 31/01/2023
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Davy Pissoort, Alexandre Boyer, Mohsen Koohestani, Sonia Ben Dhia, Philippe Besnier, André Durier, Mohamed Ramdani, Hugo Pues
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Davy Pissoort, Alexandre Boyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique

Matériaux -- Détérioration

Compatibilité électromagnétique

Circuits intégrés

Mots clés libres

Circuit intégré

CEM

Multi-fréquences

Immunité conduite

Émission conduite

Stress thermique

Vieillissement

IC

EMC

Multitone

Conducted immunity and emission

Thermal stress

Ageing

Résumé

Pendant le cycle de vie d’un circuit intégré (CI), des conditions environnementales critiques peuvent fortement influencer son comportement en matière de compatibilité électromagnétique (CEM). A l’heure actuelle, il n’existe aucune méthode rapide et bon marché pour garantir les performances d’un système en matière de CEM pendant ce cycle. De plus, l’immunité EM conduite harmonique des CI est actuellement étudiée en utilisant des perturbations EM mono-fréquence. En pratique, cependant, un environnement EM quelconque peut comprendre des perturbations à de multiples fréquences, qui peuvent se coupler simultanément aux broches du CI et provoquer des défaillances plus ou moins sérieuses. Afin de caractériser et d’analyser avec précision les niveaux d’immunité et d’émission conduites au niveau du CI et d’adopter une approche boîte blanche pour trouver la cause racine de la défaillance, un CI a été spécialement développé. En vue d’une approche CEM basée sur les risques (risk-based), des essais d’immunité multifréquences ont été réalisés en simulation et en mesure pour caractériser les interactions entre ces fréquences et étudier l’influence de la température sur cette immunité. De plus, l’impact du stress thermique sur l’immunité EM transitoire de blocs analogiques ayant une fonctionnalité similaire mais des topologies différentes a été comparé et étudié. Des modèles IEC ont déjà été proposés pour anticiper les problèmes de CEM conduite. Cependant, ces modèles ont plusieurs limites car ils ne prennent pas en compte les contraintes environnementales telles que le vieillissement et le stress thermique. Des tests de durée de vie hautement accélérés et des cyclages thermiques ont été réalisés pour valider l’effet du vieillissement et du stress thermique, causant des variations dans les blocs passifs et/ou actifs de ces modèles standard.Ces travaux ouvrent la voie à l’inclusion de telles variations dans les futures révisions de ces normes.

Within the lifetime of an integrated circuit (IC), critical environmental conditions can strongly influence its electromagnetic compatibility (EMC) behavior. At the time being, there is no fast, cost-effective method to guarantee that a system can maintain its EMC performance. Further, the conducted continuous-wave EM immunity of ICs is currently being characterized by single-tone EM disturbances. In practice, however, an uncertain EM environment includes multiple disturbance frequencies that could couple into the IC pins, simultaneously causing soft or hard failures. To accurately characterize and analyze conducted immunity and emission levels at the IC level and adopt a white-box approach to find the root cause of failure, a custom-designed IC was developed. For a riskbased EMC approach, multitone immunity testing was adopted in simulations and measurements to characterize the causal interactions and investigate the influence of temperature on these immunities. Additionally, the transient EM immunities of analog blocks with similar functionality but different topologies were compared and investigated under the impact of thermal stress. Existing IEC models have already been proposed for the anticipation of conducted EMC issues. However, these IC models do not take into account environmental stresses such as aging and thermal stress. Highly accelerated life tests and thermal cycling were performed to validate the effect of aging and thermal stress, respectively, causing deviations in the passive and/or active blocks of these standard models, which were identified and characterized. This paves the way to the inclusion of such deviations in future revised versions of those standards.