Atelier 2022-Résumé des tutoriaux
Tutoriaux
Tutoriel 1 « Systèmes de stockage d’énergie » par Jean-Michel VINASSA (IMS, université de Bordeaux)
L’omniprésence des dispositifs de stockage d’énergie électrique, tels que les batteries lithium-ion ou les supercondensateurs, et leur criticité dans le bon fonctionnement des systèmes les intégrant rendent crucial la quantification de leurs performances et la connaissance de leur évolution tout au long de leur vie.
Ce tutoriel abordera donc, dans un premier temps, les techniques de caractérisation électrique d’un élément de stockage (à l’état neuf par exemple) en lien avec un modèle par circuit électrique équivalent représentant les principaux phénomènes physico-chimiques présents. Nous irons des techniques de base (chronopotentiométrie en mode galvanostatique, puissance constante, pseudo-OCV) jusqu’aux techniques avancées (prise en compte de la dynamique, spectroscopie d’impédance électrochimique, voltamétrie cyclique, capacité incrémentale, tension différentielle).
Dans un deuxième temps, nous aborderons la définition d’indicateurs de défaillance et leur évolution au cours des différents tests de vieillissement accéléré (type calendaire, en cyclage actif, combiné). A cette occasion, la nature et les plages de variation des facteurs de stress seront discutés.
Enfin, des exemples d’exploitation de ces tests permettront de se projeter dans la construction de lois de vieillissement ou de méthodes de détermination de l’état de santé.
Tutoriel 2 « Les fondamentaux de la fiabilité pour l’électronique » par Hélène FREMONT (IMS, université de Bordeaux)
Après un rappel sur les principales définitions (fiabilité, qualité, mode et mécanismes de défaillance…), ce tutoriel présentera les notions de tests accélérés et la détermination des facteurs d’accélération. Le lien entre le profil de mission et les tests de qualification sera abordé.
Les trois domaines de la courbe en baignoire, défaillances précoces, défaillances aléatoires, et période d’usure seront commentés et illustrés par des exemples concrets, permettant de distinguer entre défaillances intrinsèques et extrinsèques. Les outils mathématiques utilisés pour l’étude statistique des données seront rapidement passés en revue.
Finalement, l’approche de l’étude de la fiabilité par la modélisation de la physique de la défaillance, qui concerne principalement la période d’usure, sera présentée.
Prérequis : formation ou expérience technique en microélectronique
Tutoriel 3 « Fabrication des composants : Partie 1 : circuits intégrés ; Partie 2 : assemblages » par Audrey GARNIER (STMicroelectronics - Rousset)
L’analyse de défaillance et la recherche de défauts physiques passent généralement par une étape de de-processing. Quel est donc ce process que l’on s’ingénie à défaire et démonter, parfois brutalement, parfois pas à pas, pour disséquer nos puces défaillantes ?
Eh bien, à l’origine il y avait le silicium...
La première partie de ce tutoriel dédié à la fabrication des composants retrace le parcours que fait une plaquette de silicium, depuis son entrée sur la ligne de production jusqu’à sa sortie couverte de circuits intégrés, qui pourront ensuite être assemblés dans des boitiers plus ou moins complexes. Cette première présentation s’adresse à celles et ceux qui veulent connaitre les étapes clés d’un procédé standard des technologies CMOS et les techniques de bases qui permettent de construire un circuit électronique complet, du transistor au pad. Elle sera illustrée par les difficultés majeures qui sont rencontrées dans le flux de fabrication.
La seconde partie permettra de mieux comprendre la mise en boitier par l’identification des phases du procédé et le choix des matériaux pour les boitiers les plus répandus. Elle sera agrémentée d’un retour sur les problématiques liées à l’assemblage et aux nouvelles solutions de design qui nous obligent à mettre en oeuvre des techniques et méthodologies de plus en plus complexes pour affronter l’analyse de défaillance.
Tutoriel 4 « Les fondamentaux de l’analyse de défaillance » par Gerald HALLER (STMicroelectronics - Rousset)
L’analyse de défaillance des composants est un processus complexe mettant en oeuvre différentes techniques d’analyse et d’observation. Bien que certaines techniques aient évolué pour répondre aux défis amenés par la miniaturisation des composants aussi bien en termes dimensionnels que du fait de l’intégration hétérogène des technologies de fabrication, le « flot d’analyse de défaillance » et la plupart des techniques restent des fondamentaux.
Le tutoriel se propose de parcourir le flot d’analyse standard en partant de la collecte des informations relatives à la défaillance du composant jusqu’à la détermination de son mécanisme de défaillance. Chaque étape du processus permettra d’introduire les différentes techniques qui sont à disposition de l’analyste afin de progresser dans la recherche du défaut :
• Analyse non destructive (Xrays, SAM, Microscopie optique …)
• Localisation de la défaillance (EMMI, OBIRCH, Thermographie, LVP, EBT, TRE …)
• Observation et caractérisation du défaut (SEM, TEM, Auger, EDX …)
Lors de chaque étape d’analyse, les différentes méthodes de préparation des échantillons (ouverture du boitier, microsection FIB, polissage …) qui sont primordiales dans la réussite d’une analyse seront aussi abordées.
Tutoriel 5 « Techniques de localisation de défauts par moyens électro-optiques » par Guillaume Bascoul (CNES - Toulouse) et Sylvain Dudit (STMicroelectronics - Grenoble)
Techniques de laboratoire d’analyse de défaillances basées sur des moyens optiques ou sans contact.
L’analyse d’un défaut nécessite généralement l’approche la moins invasive possible afin de préserver son intégrité et de pouvoir en connaitre parfaitement toutes ses caractéristiques avant de le visualiser physiquement, le plus souvent de manière destructive.
Dans le domaine de la microélectronique, cette étape de caractérisation et de localisation se traduit par l’emploi de techniques dites « sans contact » ou « non-invasives » le plus souvent basées sur des phénomènes optiques.
Ce tutoriel va balayer les deux grands domaines des techniques optiques pour la FA, à savoir les moyens basés sur une capture des phénomènes émissifs du composant (EMMI, TRI , TRE, Lock-in Thermography) et les moyens basés sur l’interaction du composant avec un faisceau laser (OBIRCh, OBIC, DLS, EOx,ou LVx …). Une partie sera également consacrée à la préparation des échantillons et au setup électrique, deux étapes primordiales dans toutes ces techniques d’analyses.
Une explication des phénomènes physiques en jeu sera donnée pour chaque technique avec une illustration sous forme de cas d’application. Nous aborderons aussi les capacités et les limitations de ces techniques, ainsi que les contraintes de mise en oeuvre.
Ce tutoriel s’adresse à l’ensemble des personnes intervenant dans le processus d’analyse d’un composant, et plus spécifiquement aux personnes en charge de l’analyse électrique (reproduction du mode de défaillance + localisation du défaut).
Tutoriel 6 « Les techniques d’analyse de surface » par ves Depuydt (TESCAN ANALYTICS Orsay)
L’objet de ce tutoriel est de présenter un panorama des techniques de caractérisation physique, chimique, morphologique et structurale les plus couramment utilisées aujourd’hui en support de l’analyse de défaillance en microélectronique, pour l’analyse des surfaces et interfaces dans les matériaux. Ces méthodes d’analyse se distinguent par leur sensibilité, leur résolution spatiale latérale, leur résolution en profondeur et le type d’information chimique (élémentaire ou moléculaire) qu’elles adressent. L’accent sera donc mis sur la complémentarité des méthodes et sur les avantages et inconvénients de chacune ; en particulier, sur les contraintes qu’elles imposent en termes de géométrie, de préparation et de conditionnement des échantillons. Des exemples concrets illustreront l’apport de chacune de ces techniques de caractérisation pour la résolution de problèmes en analyse de défaillance.
Prérequis : formation ou expérience technique orientée matériaux microélectroniques