De nos jours, le développement rapide des systèmes électroniques complexes multiplie les sources de perturbations électromagnétiques, auxquelles un nombre de circuits actuels deviennent de plus en plus susceptibles. Il devient donc indispensable de prédire les comportements des circuits intégrés vis-à-vis de ces perturbations, qu'elles soient conduites ou rayonnées. Cette thèse propose donc une méthodologie de simulation de l'immunité conduite et rayonnée des circuits intégrés dans leur environnement. Les travaux ont été menés sur un circuit intégré multi-coeur précédemment utilisé pour l'étude des techniques de réduction des émissions parasites. Celui-ci a permis, en sus de la méthodologie déjà citée, d'identifier quelques règles de conception en vue d'une meilleure immunité électromagnétique. Le premier chapitre est consacré à l'étude des origines des perturbations électromagnétiques et de leurs influences sur le comportement des circuits intégrés, ainsi que des méthodes de mesure de la susceptibilité en modes conduit et rayonné, en harmonique et en transitoire. Les chapitres 2 et 3 présentent des modèles électriques complets pour la simulation de l'immunité en mode conduit d'un circuit intégré, respectivement en harmonique (DPI - Direct Power Injection) et en transitoire (VF-TLP - Very Fast Transmission Line Pulsing). Les pertes en puissance ainsi que le substrat du circuit intégré ont également été modélisés. Dans le chapitre 4, un modèle de simulation d'injection en champ proche (en mode rayonné) est introduit et validé par des mesures de susceptibilité effectuées sur des circuits en boîtier avec et sans couvercle. Enfin, l'utilisation de diverses techniques de réduction de l'émission parasite des circuits intégrés pour la diminution conjointe de leur susceptibilité en modes conduit et rayonné est étudiée et discutée dans le chapitre 5. Les perspectives de cette thèse couvrent la prédiction avant fonderie de l'immunité des circuits intégrés aux agressions externes ainsi que la fourniture de leurs modèles pour la simulation d'immunité au niveau carte et au niveau système.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la cadre d'un projet ANR inter-Carnot " ReMaPoDe (Reliability Management of Power Devices) ". L'objectif général du projet est de réaliser un dispositif permettant d'évaluer en temps réel l'état de vieillissement d'un assemblage de puissance embarqué par le suivi de son état thermique et mécanique pendant son fonctionnement. L'essentiel du travail présenté dans ce mémoire consiste à mettre en évidence la relation entre le vieillissement mécanique d'un assemblage de puissance et les dérives électriques qui peuvent être observées. En outre, compte tenu des problèmes thermiques liés aux applications embarquées, la caractéristique électrique choisie comme indicateur doit être rendue indépendante des effets de la température. Ainsi, après un état de l'art consacré à la présentation des différents types de vieillissement et aux défaillances rencontrées dans les assemblages de puissance, nous distinguerons différentes caractéristiques électriques qui semblent prometteuses pour effectuer le suivi en temps réel de l'état de vieillissement mécanique d'un assemblage de puissance et ce malgré des variations de température ambiante et le vieillissement de certains matériaux constituant l'assemblage.

L'émergence d'applications aux fréquences millimétriques et sub-millimétriques a conduit à une augmentation significative du nombre d'utilisateurs du spectre de fréquence et, par conséquent, des contraintes sur les performances des dispositifs en termes de pertes, de bande passante, de réjection hors bande, notamment pour les filtres. Afin d'adapter ces systèmes à plusieurs standards tout en réduisant les coûts de production, on assiste à la multiplication de fonctions reconfigurables en fréquence. Nos travaux ont consisté à déterminer la technologie la mieux adaptée à la réalisation de filtres reconfigurables en bande millimétrique. Les topologies proposées, ainsi que leurs synthèses associées, autorisent une excursion en fréquence importante tout en conservant un bon niveau d'adaptation. La pertinence des concepts proposés est illustrée par la réalisation d'un résonateur accordable de la bande W (94 GHz) à la bande V (60 GHz) à partir de MEMS RF répondant à des critères de performances et de fiabilité.

Une forte exigence de robustesse s'est imposée dans tous les domaines d'application des composants de puissance. Dans ce cadre très contraint, seule une analyse fine des phénomènes liés directement ou indirectement aux défaillances peut garantir une maîtrise de la fiabilité des fonctions assurées par les nouveaux composants de puissance. Cependant, ces phénomènes impliquent des couplages entre des effets électriques, thermiques et mécaniques, rendant leur étude très complexe. Le recours à la modélisation multi-physique bien adaptée s'avère alors déterminant. Dans ce mémoire de thèse, nous proposons une méthodologie de modélisation électrique prenant en compte les effets de la température sur les phénomènes localisés qui initient une défaillance souvent fatale. En prévision de la simulation électrothermique couplée impliquant des transistors MOS de puissance, un modèle électrique thermosensible de ce composant et de sa diode structurelle a été développé. Corrélativement un ensemble de bancs expérimentaux a été mis en oeuvre pour l'extraction des paramètres et pour la validation du modèle. Une attention particulière a été accordée à l'étude des phénomènes parasites qui pourraient survenir de manière très localisée suite à une répartition inhomogène de la température et à l'apparition de points chauds. Ainsi les fonctionnements limites en avalanche, avec le déclenchement du transistor bipolaire parasite et de son retournement ont été modélisés. Des bancs spécifiques pour la validation du modèle pour les régimes extrêmes ont été utilisés en prenant des précautions liées à la haute température. Enfin, Le modèle électrique thermosensible complet développé a été utilisé par la société EPSILON Ingénierie pour faire des simulations électrothermiques du MOS de puissance en mode d'avalanche en adaptant le logiciel Epsilon-R3D.

Ces travaux présentent une synthèse de mon activité de recherche et d'encadrement depuis mon intégration au CNRS. Cette activité s'articule autour de deux axes principaux : le test de circuits et systèmes intégrés analogiques et mixtes et la conception de circuits intégrés pour applications médicales. L'objectif du premier axe de recherche consiste à s'assurer de la qualité des circuits après fabrication en développant des techniques de test permettant de détecter toute défaillance potentielle tout pour un surcoût minimal. Ces travaux se sont principalement axés sur les circuits analogiques, mixtes (analogiques et numériques) et plus généralement les systèmes hétérogènes. L'idée directrice consiste à développer des solutions (test intégré, test indirect, test niveau système,...) en rupture avec les techniques de test de production traditionnelles. Après la fabrication et le test de production, le circuit est inséré dans son application finale. Les travaux présentés recherchent aussi des solutions permettant de tester ce circuit dans son environnement d'utilisation. L'objectif n'est plus alors uniquement la détection des défaillances mais aussi la correction automatique du circuit. Le deuxième axe de recherche a pour objectif principal le développement de systèmes de Stimulation Electrique Fonctionnelle (SEF) implantables dans le corps humain. La SEF consiste à stimuler électriquement des nerfs ou muscles pour déclencher les phénomènes naturels de communication neurale ou de contraction musculaire. Ces techniques permettent dans certains cas de palier une partie des déficiences sensori-motrices survenues suite à une maladie ou à un accident. Dans ce contexte, nous cherchons à développer des circuits performants, fiables et à faible consommation, pour la génération de signaux électriques artificiels de stimulation et pour le recueil du signal neural naturel.

Le report sur des lentilles optiques à surface courbe de films plans, souples et fragiles est un verrou à lever pour permettre un saut technologique dans le domaine de l'optique ophtalmique active. En effet, pour bénéficier des avantages d'une fabrication collective il est impératif de rester en mode de fabrication sur substrat plan et de reporter ensuite les films préfonctionnalisés sur les verres. Il convient donc de préserver cet hétéro-assemblage au cours du report, l'intégrité de la fonction implémentée en minimisant à la fois la déformation, le stockage de contraintes mécaniques et la température pendant le thermoformage. Dans ce travail de thèse nous proposons un principe de report qui permet de satisfaire au mieux ces exigences en séparant la phase de mise en forme réalisée par gonflement de l'étape du report proprement dit. Un premier outillage spécifique qui a été conçu et développé pour mettre au point le procédé décrit. L'optimisation des conditions opératoires est déclinée pour deux modes différenciés et imposés qui considèrent d'abord le report sur lentille brute et ensuite le report sur un verre déjà détouré au gabarit de la monture de lunettes. Pour prédire et/ou interpréter les comportements expérimentaux obtenus pour chacun des deux modes, nous avons mené des simulations numériques par la méthode des éléments finis en nous appuyant sur une caractérisation préalable des propriétés thermomécaniques du film PET qui constitue l'armature du film optique fonctionnalisé. Au prix d'une complexification du procédé de transfert, le second mode a donné lieu à des résultats intéressants qui aujourd'hui semblent répondre aux exigences les plus sévères du projet.

Cette thèse est une contribution au développement de méthodologies d'analyse et de modélisation des couplages distribués dans les technologies d'intégration et de report. Les méthodologies d'analyse proposées, formulées à partir de représentations en états propres des systèmes à modéliser, sont validées par application à des filtres multi-résonateurs. L'analyse de ces filtres multi-résonateurs, conçus avec les technologies BCB du LAAS, PICS de NXP et EPOXY de SUPAERO, montre l'importance d'inclure dans les modélisations électriques les effets de topologies et d'environnement souvent négligés dans les approches de synthèse conventionnelles. Par la compréhension et la paramétrisation des lois qui régissent la séparation fréquentielle des états propres d'un système, relativement aux topologies considérées, la méthodologie d'analyse proposée dans ces travaux pose des bases pour une systématisation de la synthèse des structures sélectives dans des contextes où l'influence des pertes doit être considérée dès la conception. L'analyse des distributions de champs électromagnétiques associées aux états propres des systèmes à modéliser permet une compréhension physique des réponses fréquentielles à synthétiser. La conception de structures filtrantes alliant les considérations de symétrie à la formulation en états propres a conduit à des performances de sélectivité et de rejection hors bande qui rendent attractives les technologies bas coût. Les méthodologies développées en aidant à la qualification des performances de technologies émergentes, par l'élaboration de facteurs de mérites indicateurs, conduit à des règles de conception pour des optimisations paramétrées.

Depuis 1996, mes activités de recherche se sont inscrites dans les champs des nanosciences, de la physique des semi-conducteurs, des micro/nanotechnologies, et des MEMS/NEMS (Micro/Nanosystèmes électromécaniques). En particulier, j'ai rejoint en octobre 2000 le groupe Microsystèmes Silicium de l'IEMN sur le sujet des résonateurs micro-électromécaniques et de leurs applications pour le traitement du signal en gamme RF et IF. Cette activité a permis de développer les techniques de caractérisation électrique des dispositifs ainsi que leur modélisation électromécanique. A partir de 2002, j'ai étendu mes activités dans le domaine des MEMS vers les micro-actionneurs et les micro-capteurs, dont les applications concernent les nanotechnologies et la biologie. Je me suis appliqué au développement d'actionneurs électrostatiques pour un fonctionnement en milieu liquide, et au développement de capteurs capacitifs et piézorésistifs aux performances ultimes pour des applications nanométriques. Depuis 2007, l'activité de recherche se concentre sur l'utilisation des résonateurs MEMS en tant que nouvelle génération de sondes de microscopie à force atomique (AFM) à hautes performances. Cette activité est actuellement soutenue par le Conseil Européen de la Recherche (ERC) dans le cadre d'un financement Starting Grant dont je suis le bénéficiaire. En 2009, nous avons démontré le concept des sondes MEMS AFM en obtenant les premières images de microscopie, et en 2010 nous avons obtenu des images d'origamis d'ADN à la cadence rapide d'une image par seconde. Le travail de recherche se focalise maintenant sur le développement des sondes afin d'en améliorer les performances en termes de fréquence de vibration, de résolution en force et de vitesse d'acquisition. Un autre aspect concerne l'utilisation de ces sondes pour l'analyse rapide du comportement dynamique de nanobiosystèmes en milieu liquide. Ces travaux s'inscrivent dans une vision à plus long terme visant à développer des solutions à base de MEMS et de NEMS pour l'instrumentation scientifique et la nanocaractérisation multimodale.

L'objectif de ce travail est d'étudier les transistors à effet de champ à haute mobilité électronique (HEMT) réalisés en Nitrure de Gallium par des mesures en bruit basse fréquence et de réaliser un oscillateur à faible bruit de phase en bande-X. Dans la première partie, nous décrivons succinctement les propriétés du matériau, le transistor ainsi que les sources de bruit basses susceptibles d'êtres présentes dans une structure de type HEMT. La méthodologie de mesure et le banc de bruit basse fréquence sont présentés. Une étude comparative est réalisée sur les comportements en bruit basse fréquence des composants épitaxiés sur différents substrats (Si, SiC, Al2O3). Enfin, une les variations de l'index de fréquence g du bruit en 1/fg relevées sur certains composants sont corrélées au mécanisme de transport des électrons dans la structure : pour cela, nous avons confronté les mesures en bruit basse fréquence avec des simulations physiques. La seconde partie s'intéresse aux composants épitaxiés sur un substrat de Carbure de Silicium. Une méthodologie d'extraction de composantes mathématiques du spectre de bruit basse fréquence est présentée puis validée. Des études en fonction de la polarisation et de la température ont permis de découvrir l'origine des pièges et de les localiser. Enfin, une corrélation avec une étude physique (SIMS) est présentée. Dans la troisième partie, nous développons un modèle large signal afin de réaliser un démonstrateur en bande X. Les performances à l'état de l'art de l'oscillateur sont ensuite présentées (POUT=20dBm, Lf(100kHz)=-105 dBc/Hz à 10 GHz).

Ces travaux de thèse visent à aborder la fiabilité des composants RF-MEMS (commutateurs en particulier) pendant la phase de conception en utilisant différents approches de procédés de fabrication. Ça veut dire que l'intérêt est focalisé en comment éliminer ou diminuer pendant la conception les effets des mécanismes de défaillance plus importants au lieu d'étudier la physique des mécanismes. La détection des différents mécanismes de défaillance est analysée en utilisant les performances RF du dispositif et le développement d'un circuit équivalent. Cette nouvelle approche permet à l'utilisateur final savoir comment les performances vont évoluer pendant le cycle de vie. La classification des procédés de fabrication a été faite en utilisant le Technology Readiness Level du procédé qui évalue le niveau de maturité de la technologie. L'analyse de différentes approches de R&D est décrite en mettant l'accent sur les différences entre les niveaux dans la classification TRL. Cette thèse montre quelle est la stratégie optimale pour aborder la fiabilité en démarrant avec un procédé très flexible (LAAS-CNRS comme exemple de baisse TRL), en continuant avec une approche composant (CEA-Leti comme moyenne TRL) et en finissant avec un procédé standard co-intégré CMOS-MEMS (IHP comme haute TRL) dont les modifications sont impossibles.