Défaillances d’architectures microélectroniques en environnement humide

La charge utile et ses équipements

   Les domaines d’application des satellites sont vastes et cela inclut la télécommunication, l’observation de la terre, l’aide à la navigation et les activités militaires. Pour notre étude il s’agira essentiellement des technologies utilisées pour des applications télécoms et ces satellites sont généralement géostationnaires, c’est-à-dire qu’ils tournent à la même vitesse, dans le même sens que la terre et restent ainsi stationnaires. Selon la mission qu’ils accomplissent, nous pouvons les classer par :
• le Service Fixe par Satellite (FSS) pour la téléphonie fixe et la transmission de données,
• la Radiodiffusion Directe par Satellite (DBS ou BSS) pour la télévision directe et la radiodiffusion sonore,
• le service de communication avec les mobiles (MSS) pour les avions, les bateaux, les véhicules terrestres et les personnes,
• la transmission de données à haut débit (internet, applications multimédia, télémédecine, téléenseignement, etc.),
• les télécommunications militaires.
La charge utile, cœur du système satellitaire, comprend à elle seule les éléments essentiels assurant les fonctions de la mission. Elle comprend entre autres des équipements hyperfréquences à savoir l’amplificateur faible bruit (LNA), l’amplificateur bas niveau (LLA), l’amplificateur de puissance (SSPA)…. Elle a pour mission de recevoir les signaux, les traiter et les retransmettre à la station sur terre. Les charges utiles de télécommunications classiques de type FSS, sont constituées d’antennes de réception, d’antennes d’émission et entre les deux, de répéteurs qui assurent les fonctionnalités suivantes :
• réception du signal incident. Les amplificateurs bas niveau (LLA) et faible bruit (LNA) sont placés en début de la chaine de réception d’un satellite afin de traiter le signal utile qui généralement, présente une très faible amplitude et est noyé dans le bruit,
• translation de fréquence, afin que le futur signal transmis ne puisse pas brouiller le signal incident. Ces deux premières fonctions sont souvent, mais pas toujours, réalisées par le même équipement récepteur,
• canalisation du signal en plusieurs canaux grâce à l’emploi de filtres d’entrée multiplexeurs (IMMIX),
• l’amplification de canal comprenant généralement une partie bas niveau, le CAMP, qui permet de fournir un gain suffisamment élevé afin que le signal puisse être traité par les autres amplificateurs et une partie fort-niveau SSPA (Solide State Power Amplifier) qui permet de générer la puissance élevée nécessaire à l’antenne d’émission d’un satellite,
• multiplexage des signaux provenant des différents canaux par des filtres de sorties multiplexeurs,

Le « packaging »

   Le terme « packaging » est un anglicisme qui désigne normalement l’ensemble des éléments matériels, qui sans faire partie du produit même, sont vendus en vue de permettre ou de faciliter sa protection, son transport, son stockage, sa présentation, son identification et son utilisation. En français, le terme employé à la place du packaging en microélectronique est l’encapsulation. Il s’agit de l’emballage extérieur qui joue à la fois le rôle de protection et d’interconnexion d’un produit avec le milieu extérieur. Dans le cas des systèmes embarqués, le « packaging » est défini comme l’ensemble des techniques mises en œuvre afin d’établir les interconnections permettant de maintenir et d’optimiser des performances d’une technologie. Son rôle est de relier le monde de la microélectronique au monde macro-électronique de l’utilisateur. Il permet également de protéger un circuit intégré fragile par exemple contre les effets néfastes de l’environnement (pollution, humidité…), ou encore de protéger l’environnement dans lequel le circuit intégré se trouve contre les effets électromagnétiques de la fonction. Enfin, l’encapsulation permet dans certains cas d’assurer la modularité et la réutilisation des composants. En général, il existe plusieurs niveaux de packaging depuis le « fondeur » jusqu’au systémier en passant par l’utilisateur et l’assemblage. Chaque niveau a sa spécificité et ses formes d’encapsulation. Le fondeur désigne le fabricant de composants micro-électroniques. Dans le cas des satellites où nous avons des milliers de puces microélectroniques dans une seule charge utile, il existe différents niveaux de packaging qui vont de la puce jusqu’à l’équipement électronique final embarqué [6]. Un premier niveau se situe au niveau du report de la puce sur un circuit imprimé où sont réalisées les premières interconnections électriques. Le second niveau consiste à intégrer ce circuit imprimé dans un boitier. Ainsi de suite, suivant la complexité de l’assemblage, il peut y avoir plusieurs niveaux de packaging jusqu’à l’obtention de la structure complète de la charge utile. Les puces microélectroniques sont fabriquées par les « fondeurs » sous forme de plaques de semi-conducteur appelé wafers. Un wafer dispose souvent suivant sa taille de quelques centaines à des milliers de puces qui seront découpées une à une puis reportées sur des circuits imprimés. Ensuite, toute une ingénierie d’interconnexions (wirebonding ou microsoudure, parallel gap) permet de relier les accès de la micro-puce au circuit imprimé. Le packaging est souvent classé par catégories : l’hermétique, le quasi-hermétique et le non hermétique. Le terme « hermétique » semble avoir le même sens que le mot « étanchéité » mais ce n’est pas tout à fait identique. L’herméticité se définit en taux de fuite et est testée par plusieurs méthodes dont le test de fuite de l’Hélium [7]. L’unité de mesure du taux de fuite d’un gaz de 1 mbar.l/s correspond à un transfert de gaz ayant entrainé une différence de pression de 1 mbar dans un volume de 1 litre en 1 seconde. Comme exemple, un boitier scellé à la molette qui représente un taux de fuite inférieur à 10-3 mbar.l/s est considéré comme étanche à la vapeur d’eau. Quand ce taux est inférieur à 10-7 mbar.l/s, le système peut être considéré comme étant hermétique aux gaz. Enfin, l’herméticité peut être encore définie concrètement comme la résistance à la pénétration d’espèces fragilisantes pour autant que l’étanchéité soit réalisée. Le packaging hermétique est la méthode d’encapsulation basée sur l’utilisation des technologies de protection par micro-boitiers (figure 1.3) robustes scellés sous vide (à chaud ou à faible température) afin de limiter l’intrusion et la diffusion de toute espèce fragilisante jusqu’à la surface des puces. Dans le cas le plus général, ce sont des boitiers en céramique qui sont scellés à une température variable comprise entre l’ambiante et 200°C suivant le mode de fermeture. Le packaging quasi-hermétique comme son nom l’indique, se définit comme une encapsulation qui possède les mêmes propriétés de protection que le cas hermétique mais n’est pas semblable à ce dernier. Les matériaux qui sont utilisés pour ces applications sont généralement des silicones, des époxydes afin d’améliorer la résistance à la pénétration et l’infiltration d’humidité à la surface des composants. Sur ce dernier point, la perméabilité du matériau et la facilité de son élaboration interviennent dans le choix de la résine.

Les tests de vieillissement accéléré

   Suivant les niveaux (niveau composant, niveau équipement, niveau structure…) on peut distinguer différents tests de vieillissement. Dans la suite, nous allons présenter des tests de vieillissement accélérés qui concernent uniquement le niveau composant. Afin d’évaluer la fiabilité des composants (électroniques, optoélectroniques, mécaniques…) en vue de leur qualification pour le spatial, il est mené une file de tests appelés « essais de vieillissement accéléré » à cause de leurs conditions qui sont assez contraignantes mais représentatives des réelles conditions d’utilisation ou de stockage. L’hypothèse de ces tests repose sur le fait que le fonctionnement d’un équipement ou d’un composant doit faire intervenir les mêmes phénomènes ou les mêmes causes de défaillance dans les conditions accélérées que dans les conditions normales d’utilisation. Ces tests ont pour objectif d’accélérer les phénomènes de dégradation d’un composant donné et d’estimer par la suite sa durée de vie en condition d’utilisation en y associant des lois de vieillissement. Parmi ceux-ci, on peut citer la chaleur humide, la fatigue thermique, le vide spatial, le RF life test etc. Ces types d’essais ne doivent pas être confondus avec les essais de déverminage HASS (Highly Accelerated Stress Screen) menés pour révéler les pannes de jeunesse. Parmi les tests de vieillissement accéléré au niveau composant, on peut citer entre autres :
➢ Les essais en température non polarisés : le « stockage »
Pour le stockage en température : les composants sont stockés à différentes températures et non polarisés afin de déclencher et d’accélérer les mécanismes thermiquement activés tels que les inter-diffusions atomiques aux interfaces des couches (métal/semi conducteur) et à l’intérieur d’un métal.
➢ Les essais en température polarisés : le « Life test »
• vieillissement accéléré sous conditions statiques : les composants sont stockés à différentes températures et polarisés dans des conditions statiques similaires à celles de leur fonctionnement normal dans le but de combiner l’effet de la température et des contraintes électriques nominales de fonctionnement.
• vieillissement accéléré sous polarisation directe de la grille : le transistor est polarisé en direct (𝑉𝐺𝑆 ≥ 0) dans le but d’imposer une forte densité de courant sous une haute température pour activer également l’inter-diffusion et l’électro-migration.
• vieillissement accéléré sous polarisation inverse de la grille : le transistor est polarisé en inverse (pas loin de la tension de claquage, 𝑉𝐺𝑆 < 0) afin d’observer l’effet combiné de la température et des fortes valeurs du champ électrique notamment l’effet de la proximité à la tension de claquage.
• vieillissement accéléré en contraintes dynamiques : beaucoup plus représentatif des conditions de fonctionnement en appliquant une puissance RF, ce test permet de mettre en évidence les mécanismes de dégradation en régime non-linéaire tels que le claquage et l’électro-migration.
➢ la variation rapide de température (VRT) et fatigue thermique : les composants subissent des cycles de température (exemple -50/+200°C) pour activer les dégradations de matériaux par fatigue thermique. Ils ne sont pas polarisés dans cette configuration.
➢ Essais en chaleur humide : les composants sont stockés dans un environnement humide en température et polarisés soit en direct, soit en inverse. Ce test permet de rajouter à tous les tests précédemment cités, les phénomènes de fragilisation des couches par l’humidité tels que la corrosion et la diffusion d’éléments fragilisants. Historiquement, les conditions de ces tests sont régies par des normes définies par des consortiums tels que le JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), l’IPC (Packaging electronic Circuit) et l’IEC (International Electro-technical Commission)

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Fiabilité des composants micro-ondes
1.1. La charge utile des satellites et les contraintes du spatial
1.1.1. La charge utile et ses équipements
1.1.2. Les contraintes de milieu spatial
1.1.3. Notion de « microondes » et de MMIC
1.1.4. Le « packaging »
1.2. La fiabilité des MMIC et les essais de qualification pour applications spatiales
1.2.1. La fiabilité et la défaillance
1.2.2. Méthodologie de fiabilité des MMIC dans le spatial
1.2.3. Les tests de vieillissement accéléré
1.3. Physique des semi-conducteurs
1.3.1. L’effet « transistor »
1.3.2. Structure électronique des semi-conducteurs
1.3.3. Modélisation de l’effet piezorésistif
1.3.4. Le pHEMT
1.4. Les couches minces et leurs contraintes résiduelles
1.4.1. Rappel du comportement mécanique des matériaux
1.4.2. Origine des contraintes internes dans les couches minces
1.4.3. Thermo-élasticité des couches minces
1.4.4. Moyens de caractérisation des contraintes internes dans les couches minces
1.5. Phénomènes de dégradation des composants MMIC
1.5.1. Défaillances propres aux MMIC GaAs
1.5.2. Pertes de performances
1.5.3. Mécanismes locaux d’endommagement
1.5.4. Récapitulatif sur la défaillance des MMIC
1.6. Etat de l’art sur la passivation en nitrure de silicium SiNx
1.6.1. Techniques de dépôt et propriétés physiques
1.6.2. Facteurs d’influence sur l’état mécanique
1.6.3. Facteurs d’influence sur les performances
1.6.4. Traitements post-dépôt
1.7. Conclusion
Chapitre 2 : Modélisation de l’état de contrainte et mise en place du test d’évaluation de fiabilité 
2.2. Présentation des composants de cette étude et de leurs structures de test 
2.2.1. Description technologique et observations
2.2.2. Le PCB : « Printed Circuit Board » et la semelle de test
2.3. Mise en œuvre des essais de vieillissement accéléré « enrichis »
2.3.1. Cahier des charges lié aux tests environnementaux
2.3.2. Mode de chargement
2.3.3. Choix des matériaux et des épaisseurs
2.3.4. Interconnexions du PCB
2.3.5. Optimisation du procédé de montage des véhicules de test
2.4. Mise sous contrainte mécanique de puces unitaires par flambage
2.4.1. Description du banc de test pour calibration de la contrainte mécanique
2.4.2. Simulation numérique de la contrainte appliquée et validation du banc de test
2.4.3. Mesures électriques de calibration
2.5. Contraintes induites par la mise en température au cours du test THB85/85 
2.5.1. Modélisation thermomécanique
2.5.2. Résultats et discussions
2.5.3. Corrélation avec les endommagements locaux après vieillissement
2.6. Autres sources de contraintes
2.6.1. Contraintes induites par la mise en œuvre des véhicules de test
2.6.2. Contraintes induites par l’encapsulation plastique
2.6.3. Bilan des niveaux de contrainte interne dans le SiNx
2.7. Conclusion
Chapitre 3 : Influence des conditions de vieillissement sur les performances des composants microondes
3.1. Méthodologie adoptée
3.1.1. Objectifs des tests
3.1.2. Choix et description des véhicules de test
3.1.3. Protocole de test
3.1.4. Caractérisation des véhicules de test
3.1.5. Conditions de vieillissement
3.2. Effets combinés de la température et de l’humidité (sans contrainte mécanique)
3.2.1. Evolutions des performances statiques
3.2.2. Observations de surface et interprétations
3.2.3. Conclusion sur la simulation du stockage des MMIC GaAs
3.3. Effet du stress électrique (sans contrainte mécanique)
3.3.1. Résumé de la file de test
3.3.2. Analyse de la défaillance du véhicule de test : cas des MMIC du fondeur A
3.3.3. Analyse de la défaillance pour le BX9-2
3.3.4. Conclusion sur l’effet du stress électrique sur les MMIC GaAs
3.4. Influence des contraintes mécaniques appliquées sur la fiabilité des composants
3.4.1. Résumé de la file de test
3.4.2. Analyse de la défaillance d’un VT en traction : AX4-2
3.4.3. Analyse de la défaillance d’un VT en compression : AX8-2
3.4.4. Analyse de la défaillance d’un VT en compression : BX8-1
3.4.5. Résumé des défaillances sur les MMIC chargés mécaniquement puis vieillis
3.4.6. Modélisation locale de l’impact de la contrainte mécanique sur les composants
3.4.7. Conclusion sur l’effet de la contrainte mécanique appliquée
3.5. Résumé et conclusion
Chapitre 4 : Approche locale du vieillissement et influence d’un post-traitement sur la fiabilité
4.1. Approche locale du vieillissement des couches de SiNx
4.1.1. Démarche
4.1.2. Les moyens de caractérisation
4.1.3. Etat de l’art sur l’apport de l’infrarouge pour le suivi du vieillissement de SiNx
4.2. THB-D2O
4.2.1. Objectif de l’étude
4.2.2. Résultats du vieillissement à l’eau lourde
4.3. Etude des MMIC avec traitement de surface
4.3.1. Choix des conditions d’implantation
4.3.2. Effets du traitement sur la composition chimique des couches de passivation
4.3.3. Contraintes mécaniques induites par traitement chimique de surface
4.3.4. Plan d’expérience de la campagne de test THB-N
4.3.5. Résumé des variations de performances
4.3.6. Observations de surface
4.3.7. Conclusions
4.4. Interprétations et conclusion
Conclusion générale et perspectives
Conclusion générale
Perspectives
Références bibliographiques
Annexes

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