Chapitre IV Mesure des caractéristiques électriques
1.2 Mesures statiques et pulsées
2 Importance du contact ... 138
2.1 Mesure sous pointes de pastilles de ZnO nues ... 138 2.1.1 Caractéristiques électriques mesurées ... 138 2.1.2 Observation des grains après les mesures sous pointes ... 140 2.2 Réalisation des contacts « in situ » ... 142 2.3 Caractéristiques mesurées après métallisation... 1453 Mesure des pastilles métallisées ... 147
3.1 Avec le bismuth comme additif ... 147 3.1.1 Influence du recuit après frittage ... 147 3.1.2 Influence du temps de palier ... 150 3.1.3 Influence de la taille des grains et de la température de frittage ... 151 3.1.4 Comportement en TLP... 159 3.2 Avec le praséodyme comme additif ... 1614 Mesure des dépôts ... 165
4.1 Structures développées pour l’intégration ... 165 4.1.1 Prises de contact et localisation du dépôt ... 165 4.1.2 Géométries variables sur une même puce ... 166 4.2 Mesures ... 168 4.2.1 Sans bismuth ... 170 4.2.2 Avec bismuth ... 1715 Conclusion... 175
Chapitre IV – Mesure des caractéristiques électriques des matériaux réalisés
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L’évaluation des caractéristiques électriques des matériaux réalisés est une étape importante de leur étude. Celle-ci permet, non seulement de les comparer entre eux, mais aussi, d’opérer un retour sur expérience, tant au niveau de la synthèse que de la mise en forme. Ce va et vient entre structure, composition et propriétés est essentiel à l’amélioration des matériaux pour l’application visée. Ainsi, cette partie s’inscrit-elle dans le processus de mise au point des varistances.
Dans ce chapitre, nous présentons tout d’abord les appareils et le principe des mesures réalisées au LAAS. Puis, nous exposons les difficultés que nous avons surmontées, en particulier, la prise de contact. Celle-ci se révèle, en effet, décisive d’une part pour la fiabilité et la représentativité de la mesure, mais aussi pour l’intégrité de la microstructure du matériau. Ces ambiguïtés levées, nous détaillons les propriétés électriques des matériaux synthétisés : les pastilles et les dépôts. Nous étudions, entre autres paramètres, l’influence de la présence des additifs, introduits dans les chapitres précédents, sur les caractéristiques électriques des différents types de matériaux synthétisés.
1 Présentation des ESD et méthodes de mesure
1.1 Présentation des
ESD, échelles de temps
Les décharges électrostatiques (en anglais, ESD) sont modélisées par des ondes
normalisées. Il existe trois principaux modèles qui traduisent chacun un type de décharge différent. Le modèle du corps humain, en anglais Human Body Model (HBM), modélise le cas où la décharge est due à un contact avec l’homme ; c’est la norme la plus courante (figure 1- 1-a). Avec l’évolution des techniques de fabrication automatisées ainsi que l’introduction de l’électronique dans des applications en environnement particulièrement agressif, d’autres normes ont dû être proposées. On peut ainsi citer les modèles qui rendent compte d’une décharge due à un composant chargé et d’une décharge due à une manipulation par une machine ; ils se nomment respectivement en anglais Charged Device Model (CDM) et
Machine Model (MM) (figure 1-1-b et -c). Ces derniers modèles se distinguent du modèle HBM
par la présence d’oscillations et par le changement de polarité de la forme d’onde qui les caractérisent. Plus récemment, la norme du pistolet ESD IEC 61000-4-2 a été définie. Pour
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Eléments du modèle Charge de C à 500V pour RL=10
Modèle C (pF) L (μH) R () Tmontée (ns) Tdurée (ns) Ipic (A) Ppic (W) E (μJ)
MM 200 0,75a 10a <10 <100 6,5 400 13 CDM 10b 0,0025b 10b 0,1 1 14 2000 0,63 Charge de C à 5kV pour RL=10 HBM 100 10a 1500 <10 150 3 9 8 HBM IEC 150 0,075a (pointe) 1,5a (masse) 330 0,7-1 100 20 4000 56,8
Tableau 1-1 : Comparaison des modèles de décharge électrostatique HBM, MM, CDM et HBM IEC. a valeurs données à titre indicatif qui dépendent du testeur, bvaleurs dépendant du
type de boîtier et de la taille de la puce.
Figure 1-1 : Formes d’ondes des modèles : a) HBM; b) CDM; c) MM(référence www.national.com/appinfo/eosesd)
Les types d’ondes de courant pour lesquelles les varistances ont été créées sont les décharges de foudre. Les décharges de foudre sont modélisées par une forme d’onde généralement appelée 8-20 en raison de leurs caractéristiques temporelles. En effet, l’intensité
a
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augmente pendant 8 s puis redescend sur une durée de 20 s (figure 1-2). Les caractéristiques temporelles de ces ondes de décharge de foudre sont très différentes des ESD
qui se produisent à l’échelle de la centaine de nanosecondes.
Figure 1-2 : Onde 8-20 s
Dans ce travail, nous avons pour objectif de transposer l’utilisation des varistances, à l’origine conçues pour la protection des équipements électriques contre les surtensions, à la protection des circuits intégrés contre les décharges électrostatiques typiquement produites lors de la manipulation par l’homme des circuits intégrés (HBM) ou par des robots sur des
lignes de production de cartes électroniques (CDM).
Afin de produire des décharges de type ESD, des bancs d’essais spécifiques ont été
conçus au LAAS. Les méthodes de caractérisation employées sont décrites dans la partie
suivante.
1.2 Mesures statiques et pulsées
Les mesures sont réalisées à l’aide d’un testeur paramétrique Agilent HP4142. Celui-ci est couplé à une plateforme Karl Süss PM8 sur laquelle sont disposés les échantillons à tester (figure 1-3-a). Cette plateforme est équipée d’un porte échantillon mobile, aussi appelé chuck (support d’échantillons), et surmontée d’un microscope binoculaire (figure 1-3-b).
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Figure 1-3 : a) Schéma d’ensemble HP4142 etPM8 ; b) Détail de la plateforme PM8
Le positionnement du chuck peut être modifié grossièrement à l’aide de touches de libération correspondant chacune à un axe. Le déplacement peut également être réglé par des vis micrométriques pour un positionnement fin. Le chuck est un support adapté à toute taille d’échantillons. Ces derniers sont maintenus en position fixe par un système à dépression. Le contact électrique avec l’échantillon s’effectue à l’aide de pointes en tungstène. Celles-ci sont montées sur des porte-pointes métalliques réglables dans les trois dimensions de l’espace à l’aide de vis micrométriques. Les porte-pointes sont aimantées ; ils sont disposés au dessus du chuck sur un rebord en acier, ce qui assure leur bonne stabilité mécanique (figure 1-4).
Figure 1-4 : Pointe montée sur tête réglable
- Mesure statique
Pour établir un point de la courbe caractéristique courant tension (I-V) du matériau, une tension est imposée entre deux pointes. Le courant qui passe pour cette valeur de tension est relevé. En procédant de même sur une gamme donnée de tensions, la courbe caractéristique est obtenue point par point. On peut définir le pas en tension et le délai d’attente entre deux mesures successives (figure 1-5).
a Microscope binoculaire Porte Echantillon pointe vis micrométriques b rebord en acier
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Figure 1-5 : Schéma du principe de la réalisation de la courbe I-V par mesure statique
- Mesureen impulsion ultra-courte
Le principe de ces mesures est identique à celui de la mesure statique. La différence essentielle réside dans la durée de mise sous tension du matériau qui est très faible (quelques centaines de nanosecondes). Techniquement, c’est la décharge d’une ligne de transmission, préalablement chargée, qui génère une impulsion électrique sous la forme d’un créneau de tension, d’où le nom abrévié de cette technique de mesure, TLP, qui signifie en anglais,
Transmission Line Pulse (figure 1-6). L’intensité du courant qui traverse le matériau est enregistrée simultanément ; la valeur de courant mesurée est une moyenne, prise lorsque le courant est stable. Ces impulsions sont comparables, en terme d’énergie, à une ESD de type HBM; la mesure TLP est donc la méthode de test utilisée au LAAS pour la caractérisation des composants destinés à la protection ESD. Dernièrement, l’équipe ISGE, dirigée par Marise
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Figure 1-6 : Exemple de profils de courant et de tension au cours d’un pulse TLP
Pour vérifier après chaque impulsion ESD que le composant n'est pas dégradé une mesure I-V statique est systématiquement réalisée. En effet, nous nous assurons ainsi que la caractéristique statique est identique à la précédente et ainsi que le composant n’a pas été endommagé par la mesure TLP.