Durant leurs utilisations, les produits électroniques sont soumis à des décharges électrostatiques (en anglais : ESD - ElectroStatic Discharge) pouvant induire des erreurs de fonctionnements et/ou leur destructions. Pour s'affranchir de ce type de défaillances, des tests sont effectués dans l'industrie suivant différents standards, comme l'IEC61000-4-2 ou l'ISO10605 pour l'automobile. Lorsqu'une défaillance du produit est révélée, il n'existe aucun outil, aucune méthode permettant d'analyser ou de prédire le comportement du système. Les concepteurs doivent remanier le produit jusqu'à ce que celui-ci remplisse les exigences du standard ou des clients, sans avoir suffisamment de méthodes d'investigation pour comprendre les mécanismes de dégradation durant la décharge. Ceci peut conduire à de nombreuses conceptions avant de trouver une solution qui n'est pas forcément la plus efficace et la plus économique. Les travaux présentés dans ce document sont orientés sur le développement de méthodes de modélisation et de caractérisation permettant d'analyser un système et de comprendre les modes de propagation et de défaillance lorsque survient une décharge électrostatique sur une carte électronique. Etant donné les niveaux de complexité qu'il faut gérer pour un système complet, la méthodologie de modélisation mise en œuvre est basée sur une description comportementale hiérarchique utilisant le langage VHDL-AMS. Cette méthode est destinée à analyser la propagation du courant de décharge dans un système depuis un générateur ESD jusqu'aux phénomènes internes à la puce. En parallèle nous avons été amenés à développer, sur la base de méthodes existantes, des techniques de mesure permettant une investigation plus poussée que celles proposées dans les standards. Les mesures, obtenues à l'aide ces techniques permettent de réaliser des corrélations avec les simulations. Toute cette approche a été validée au travers de trois cas d'étude. Grâce à ces méthodes cette thèse propose aux concepteurs de système des outils leur permettant d'analyser l'impacte d'un phénomène ESD dans un système aussi bien d'un point de vue robustesse que susceptibilité.

Les matériaux diélectriques sont couramment utilisés comme isolants électriques dans le domaine spatial. Par nature, ces diélectriques sont susceptibles d'accumuler des charges électriques au cours de leur service. Dans certaines conditions critiques, ces charges internes ou de surface conduisent à des décharges électrostatiques. Pour comprendre ces phénomènes, un dispositif expérimental a été développé au laboratoire. Ce dernier permet de simuler les conditions d'irradiation électronique rencontrées dans l'espace. L'objectif de notre étude est de caractériser le comportement électrique des matériaux isolants irradiés par faisceau d'électrons, d'étudier les phénomènes de stockage et de transport de charge pour prévoir les décharges électrostatiques. Pour ces travaux, diverses techniques de caractérisation ont été implantées, le dispositif basé sur la technique Electro-Acoustique Pulsée (PEA) a été choisi. Il a été implanté dans l'enceinte d'irradiation. Cette technique consiste à détecter des ondes acoustiques générées par la charge d'espace sous l'effet coulombien d'une impulsion de champ électrique appliqué à l'échantillon. Elle permet de déterminer la distribution spatiale des charges injectées entre deux périodes d'irradiation et au cours des relaxations. La méthode PEA présente une limite de détection en particulier lorsque les charges sont implantées proche de la surface. Dans un premier temps, nous avons effectué une analyse des paramètres de traitement du signal que nous appelons le facteur d'étalement et le facteur de résolution. L'étude préliminaire post-irradiation à l'air sur des mesures expérimentales a montré que le choix du facteur de résolution est important pour l'analyse et l'interprétation du signal lorsque la charge est localisée près de la surface. Pour la suite, une comparaison avec le paramètre d'étalement utilisé dans certaine technique de déconvolution a été établie. Dans un deuxième temps, des mesures de distribution de charge d'espace sous vide ont été effectuées pour les Poly Tétra Fluoro Ethylène (PTFE) soumis à des irradiations dans la gamme de [10-100] keV. Les résultats obtenus sont comparés à des résultats théoriques. Ce travail nous permet d'envisager les améliorations nécessaires pour la détermination des charges d'espace in-situ.

Grâce à l'augmentation continue des performances des circuits intégrés, l'électronique s'est largement développée dans la plupart des secteurs d'activité et tout particulièrement dans les systèmes embarqués. Ces systèmes doivent répondre à des contraintes de fiabilité sévères pour résister à des agressions issues de phénomènes transitoires variés, comme les décharges électrostatiques (ESD). À l'heure actuelle, l'impact de ces agressions sur le taux de retours clients des circuits intégrés est de 40 à 50 %. Pour améliorer l'immunité du système, et réduire ainsi les coûts de production et de suivi des produits, il devient nécessaire de prendre en compte ces perturbations dès la conception et d'avoir une approche globale de protection. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous avons développé une méthodologie de simulation, des modèles et les techniques de caractérisation associées afin d'évaluer l'impact d'un stress ESD en tous points d'une carte électronique en fonction des caractéristiques de chaque composant et du placement/routage. L'approche de modèlisation choisie s'appuie sur les outils informatiques de conception fonctionnelle des circuits et cartes et utilise le langage VHDL-AMS dont la certification IEEE en fait un standard industriel. Pour la caractérisation, l'originalité concerne l'utilisation d'un banc de test en impulsions de type Very Fast-TLP, couplé à différentes méthodes d'injection, qui permet à la fois, l'extraction des paramètres pour les modèles et d'observer la réponse du circuit intégré agressé sur la carte. Le résultat majeur de cette étude est la possibilité de simuler la réponse d'une carte électronique à une agression ESD (ex : ESD de type IEC) depuis son impact jusqu'au niveau de toute entrée/sortie des composants de la carte. L'approche est validée sur un circuit test simple mais aussi sur une application plus complexe à base d'un microcontrôleur. Elle permet de s'assurer que chaque composant est adéquat en termes de robustesse et de détecter des couplages indésirés.

Avec la nouvelle génération d'avions composites, une attention est portée sur les systèmes de carburant vis-à-vis de la prévention des décharges électrostatiques (ESD) durant les phases de remplissage des réservoirs. La plupart des travaux réalisés en aéronautique a été menée sur des réservoirs métalliques. Toutefois, l'introduction des matériaux composites a soulevé de nouvelles interrogations, puisque ces matériaux peuvent avoir un comportement différent des métaux vis-à-vis de l'électrisation par écoulement, qui justifient pleinement de nouvelles analyses. Afin de définir correctement les structures des réservoirs et leur protection contre les risques ESD, il est crucial de comprendre comment un empilement complexe de matériaux se comporte en termes de création de charge lorsque ces matières sont en contact avec un carburant d'avion. La structure de ces matériaux et leurs propriétés électriques contrôlent le potentiel électrique atteint dans le réservoir à travers un équilibre entre la production, l'accumulation et la fuite des charges électriques. Ce potentiel peut dépasser le point d'éclair du mélange air/vapeurs de carburant et provoquer une inflammation. Diverses mesures de protection peuvent être adoptées pour contrôler ce phénomène, comme utiliser des additifs antistatiques dans les carburants, des réservoirs métalliques à la masse ou encore des réservoirs faits de matériaux non métalliques mais ne favorisant pas l'accumulation de charges. C'est principalement en réponse à cette dernière solution que ce travail est orienté afin de guider vers le choix optimaux des matériaux et une meilleure définition des structures du réservoir. / With the new generation of composite aircrafts an attention is carried out on fuel systems with respect to prevention of electrostatic discharges (ESD) during the filling phases of the tanks. Most of the work realized in aeronautics (during the 60's) was conducted on metallic fuel tanks. However, the introduction of composite materials has raised new questions, since those materials can have a different behavior than metallic ones with respect to flow electrification, which fully justify new analyses. In order to properly define the tank structures and their protection against ESD hazards, it is crucial to understand how a complex stack of materials (conductive or not, multilayered or homogeneous, painted or not) constituting a fuel tank behaves with respect to the mechanisms of charge creation by flow electrification when these materials are in contact with aviation fuel. The structure of these materials and their electrical properties control the electric potential reached in the tank through a balance between the production, accumulation and leakage of the electrical charge. This potential may exceed the flash point of the fuel vapors/air mixture and induce ignition. Various protective measures can be adopted to control this phenomenon such as using antistatic additives in the fuels, lowering the rates ofthe fuel injection inside the tank, using only bonded metallic tanks or tanks made of non-metallic materials which do not favor charge accumulation or local charge trapping. It is majorly in response to the latter solution that this work is oriented in order to guide optimum choices of materials and a better definition of the tank structures.

Les travaux effectués au cours de cette thèse visent à développer des structures de protections contre les décharges électrostatiques (ESD) adaptées aux Entrées/Sorties hautes tensions (40V100V) dans le cadre d'applications automobiles et Ethernet. Pour satisfaire ce type de spécification, caractérisé par une fenêtre de conception ESD étroite, la protection doit présenter une caractéristique électrique à faible repliement, ou sans repliement, une tension de fonctionnement élevée et une résistance à l'état passant (RON) faible. De plus, la robustesse ESD requise est d'au moins 2kV HBM (Human Body Model) et peut atteindre 8kV. Le transistor bipolaire autopolarisé a été retenu comme composant de base des protections développées, en raison de ses bonnes propriétés en termes de robustesse et de RON. Dans un premier temps, nous avons mené une étude théorique approfondie dans l'optique de déterminer les paramètres contrôlant son déclenchement et son comportement à l'état passant, sous l'effet des fortes densités de courant et des températures élevées induites par les ESD. En particulier, un nouveau modèle a été établi lorsque la diminution du rapport d'injection en forte injection conduit à de très faibles valeurs. Des règles de dessin adaptées aux spécifications visées ont ainsi pu être définies. Dans ce travail, nous proposons différentes solutions permettant de répondre aux exigences de protection des Entrées/Sorties hautes tensions. Ainsi, quatre types de protections innovantes ont été développés : des transistors bipolaires PNP dont le RON est optimisé, des structures couplant un transistor PNP latéral avec une diode verticale, un transistor NPN dont le gain est fortement dégradé afin d'augmenter la tension de fonctionnement et des transistors NPN avec une région flottante dans la base ou dans le collecteur. Dans chaque cas, en s'appuyant sur l'analyse des mécanismes physiques à l'aide de la simulation physique 2D, nous avons défini les stratégies d'optimisation appr opriées. Les résultats obtenus permettent de diviser par deux la surface des protections par rapport à la solution classique de mise en série de plusieurs protections basses tensions.