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Détecter les dommages causés par ESD – au microscope électronique

Si des micropuces sont défectueuses, il appartient aux experts du SGS Institut Fresenius de Dresde d’en déterminer la cause.

Tout a déjà subi une décharge électrostatique (ESD = « electrostatic discharge ») dans la vie quotidienne. On touche un objet et on ressent soudainement une étincelle. Cela à dû à la grande différence de potentiel entre deux corps, qui entraîne un équilibrage de la charge. Lors d’une telle décharge électrostatique, des énergies relativement basses sont libérées. Cependant, pour certains éléments de circuit de micropuces, celle suffit pour les endommager sensiblement. Il existe bien des circuits de protection, mais ceux-ci ont un effet limité. Pour cette raison, les composants sont soumis à des tests ESD pour analyser en détail les points faibles potentiels avant le lancement sur le marché. Cependant, il arrive souvent que des dommages liés aux décharges électrostatiques se manifestent chez le client pendant l’utilisation. Le composant est alors est renvoyé au fournisseur qui tente de déterminer la cause des éventuels dommages causés par les décharges électrostatiques. La SGS Institut Fresenius GmbH, dont le siège se trouve à Dresde, est un prestataire de services de premier plan spécialisé dans la « microélectronique » et effectue les analyses appropriées.

Examen d’un composant endommagé.

Les dommages causés par les décharges électrostatiques se trouvent dans les détails

Dans le domaine du génie mécanique, on connaît des solutions pour assurer une protection efficace contre les décharges électrostatiques sur le poste de travail. Celles-ci incluent des vêtements, des sols, des dessus de table ou des supports spéciaux. Cependant, pour détecter les infimes dommages causés par les décharges électrostatiques, il faut utiliser un microscope électronique. « Un microscope optique permettrait seulement de voir les dommages importants avec une fusion considérable. Mais ce n’est généralement pas le cas, car avec des décharges électrostatiques, les fusions sont relativement faibles. Tout d’abord, il faut supprimer tout le niveau de câblage d’un composant endommagé par voie chimique humide, c’est-à-dire avec de l’acide », explique Thomas Freitag, responsable du laboratoire. Cela rend visible le niveau réel du semi-conducteur – et donc le substrat de silicium. À ce niveau se trouvent les transistors ou plus généralement les composants sensibles aux décharges électrostatiques.

Pendant une courte période, on peut avoir des températures bien supérieures à 1 000 degrés, ce qui entraîne la fusion de la surface de silicium.

Ils peuvent être analysés au moyen d’un microscope électronique pour détecter des traces de claquage. Celles-ci surviennent lorsqu’il y a une décharge électrostatique. « Pendant une courte période, on peut avoir des températures bien supérieures à 1 000 degrés, ce qui entraîne la fusion de la surface de silicium », déclare le directeur du site, Gerald Dallmann. Une telle trace claquage est située entre deux zones actives (apparaissant plus haut sur les figures 1 et 2). Dans ce cas, les dommages causés par les décharges électrostatiques peuvent être clairement déterminés car ils sont caractéristiques.

La trace de claquage est clairement visible ici.

Détecter les dommages causés par les décharges électrostatiques : seulement une partie de la gamme de services

Il existe aussi des situations dans lesquelles les composants sont délibérément mis sous charge par des équipements de test. De tels tests ESD sont utiles, par exemple, dans un circuit nouvellement développé et qui n’a pas encore été préparé pour le marché. « Dans le cadre de tels tests, où les composants sont intentionnellement chargés ou surchargés, on se pose les questions suivantes : où les dommages sont-ils précisément apparus ? Quel circuit de protection était efficace, lequel non ? », explique M. Dallmann. Afin de charger les composants de manière réaliste, on utilise dans ce contexte des modèles de simulation ESD. Parmi les modèles les plus courants on trouve le modèle du corps humain (HBM) et le modèle de la machine (MM). Alors que le HBM simule la décharge d’un corps humain contre un composant avec un dispositif de test, le MM simule la décharge d’une machine.

Avec les EOS, les énergies sont beaucoup plus importantes, de sorte qu’un composant puisse littéralement fondre.

Il faut par ailleurs déterminer si l’on a affaire à une ESD ou même une EOS (« electrical overstress »). Cela peut souvent être difficile. Fondamentalement, les composants électriques sont toujours dimensionnés et conçus pour certains courants et tensions maximaux. « Cependant, si le composant est surchargé, il se produira des claquages significativement différents de la décharge électrostatique. Avec les EOS, les énergies sont beaucoup plus importantes, de sorte qu’un composant puisse littéralement fondre », explique Gerald Dallmann. En règle générale, les EOS apparaissent chez le client en cours d’utilisation. Cependant, il existe aussi des cas où la distinction entre ESD et EOS devient difficile, chaque nuance étant importante.

Réseau mondial d’experts

La SGS Institut Fresenius GmbH est l’un des principaux fournisseurs d’analyses non médicales. Ce laboratoire indépendant a été fondé à Wiesbaden en 1848 et fait parte de la SGS depuis 2004, le leader mondial des tests et de la certification. Le groupe de contrôle suisse emploie plus de 97 000 personnes dans le monde sur plus de 2 600 sites. Chaque filiale a sa propre spécialisation. La spécialisation ESD à Dresde tient en grande partie au fait qu’il existe une longue tradition de la microélectronique dans cette région. Deux départements de l’ancien centre de microélectronique de Dresde sont devenus indépendants en 1990. Aujourd’hui, ils sont l’un des principaux fournisseurs de services industriels pour la caractérisation des matériaux, des surfaces et des couches minces. En plus de l’analyse proprement dite, Gerald Dallmann et ses collègues peuvent apporter un soutien ciblé aux entreprises grâce à leur expertise et leur réseau étendu.