Reliability investigations of bipolar silicon phototransistor arrays for space applications

[FR] Les travaux de thèse s'inscrivent dans le contexte d'une évaluation de la fiabilité de matrices de phototransistors bipolaires en technologie silicium pour des applications de codage optique angulaire en environnement spatial. Après un état de l'art relatif aux technologies des phototransistors et un rappel sur leur fonctionnement physique, les conditions environnementales spécifiques liées au domaine spatial sont décrites. La caractérisation des paramètres électro-optiques des phototransistors, associée à une phase préliminaire de métrologie, a été effectuée à partir de bancs dédiés. L'étude de la sensibilité aux charges mobiles de technologies issues de différents fondeurs, habituellement piégées aux interfaces et identifiée comme un mécanisme fortement pénalisant en terme de durée de vie opérationnelle, a permis d'optimiser et fiabiliser une nouvelle source européenne. Une méthodologie originale basée sur le concept des plans d'expérience D-optimal a été mise en œuvre et validée. L'objectif est d'estimer le taux de dégradation d'un ou de plusieurs paramètres clés du composant en fonction des conditions environnementales imposées par l'orbite de rotation du satellite à partir d'un nombre limité d'expériences réalisées au sol.[EN] The research activities presented in this thesis are related to the specific contextof the qualification tests, for space missions, of new sources of silicon phototransistor arraysfor optical angular encoders. Our studies on a first source revealed the fragility of thattechnology in active storage and ionizing radiation because of its sensitivity to oxidestrapped charges. Then, a study on a second set of components was performed in order toanalyze the reliability of phototransistors subjected to several constraints in terms of bothionizing and displacement doses. The methodology of Design of Experiments was for thefirst time implemented and validated in this context. Thanks to this methodology, it ispossible to obtain an estimate of the degradation of one or more key parameters of thecomponent in environmental conditions for a given mission profile with a limited number ofexperiments.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Microelectronique hybride couches epaisses : conception, hybridation et evaluation de capteurs :evaluation de la technologie par des methodes d'analyses physiques et physico-chimiques nondestructives

SIGLECNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Evaluation et caractérisation d'une technologie d'assemblage MCM-L pour environnement haute pression forte température (120 MPa, 175C)

La première partie de cette étude consiste en l'analyse des besoins en électronique pour environnements sévère, c'est-à-dire sous contraintes combinée pression/température (HPFT), ainsi que les différents domaines d'application potentiels. La deuxième partie est consácrée à l'établissement d'une liste des modes de dégradations des matériaux d'assemblages pour la fabrication de prototypes, destinés à fonctionner sous 120 MPa de pression et 175C de température. Les modèles analytiques pour chaque mode de dégradation sont listés. Nous avons ensuite conçu et réalisé un banc de test environnemental pour étudier nos prototypes. La troisième partie consiste en une étude comportementale théorique des composants électroniques sous contraintes combinées pression et température. Cette étude a été complétée et corrélée par une analyse expérimentale. Enfin la quatrième partie est une analyse exprérimentale des prototypes réalisés pour notre étude. Cette analyse à porté sur la robustesse de la fonction électronique, mais aussi sur les dégradations des différentes options d'assemblage réalisés. Cette analyse a été complétée par une étude en simulation par la méthode des éléments finis.the first part of this study is an analysis of electronics needs for severe environmental conditions, that is pressure/temperature combined stress, and so the different potentials applications domains, The second part establish a liste of degradation modes of assembly materials implied in prototypes manufacture. These protoypes are intend to word under 120Mpa of pressure and 175C of température. Analytic modelisation of each degradation modes are listed; Then we designed and realised an environmental test bench to study our prototypes. The third part is a theoretical behavioural study of components parts under pressure/temperature combined stress. This study has been completed through an experimental analysis. Finally, the fourth part is an experimental analysis of complete prototypes manufactured for our study. This analysis deals about sturdiness of the electronic funcion, so as about the different assembly options degradations of each protoypes. This analysis has been completed with a simulation study using finite elements method.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Contribution à la modélisation et au développement expérimental de la technique d'acoustique picoseconde pour l'analyse des circuits intégrés

Ce travail présente l'application de la technique d'acoustique picoseconde à l'analyse des circuits intégrés. Le principe est de générer et de détecter des ondes acoustiques de très haute fréquence au moyen d'impulsions laser ultracourtes. Un dispositif expérimental a été conçu basé sur le principe de l'terféromètre de Sagnac. Un simulateur numérique a été développé afin d'aider à l'interprétation des résultats expérimentaux. Le potentiel de la technique pour la caractérisation et l'analyse non destructive de composants microélectroniques est illustrè à travers plusieurs résultats expérimentaux.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Techniques d'analyse par imagerie acoustique 3 D (utilisation du traitement du signal par ondelettes de Morlet)

Le but de notre travail est d'étudier la fiabilité des assemblages issus des technologies récentes, ce qui nécessite des outils de contrôle non destructif. Nous avons donc tout d'abord exminé les principales technologies d'assemblages ainsi que les processus conduisant à leur défaillances. Nous avons ensuite examiné les méthodes de contrôle non destructif. Parmi ces différentes méthodes la microscopie acoustique est celle qui possède le plus fort potentiel mais il se révèle nécessaire d'utiliser des outils de traitement du signal. Dans un second temps nous avons donc examiné les outils de traitement du signal et conclut que le plus adéquat dans notre cas était un traitement temps ondelettes. La spécificité de notre problématique nous a conduit à développer une méthode spécifique d'extraction de l'intensité et de la position des échos : la méthode d'analyse par ondelettes sans construction des chaînes. Une fois la méthode mise au point, nous l'avons implémenté, analysé sa robustesse puis ses performances sur des signaux théoriques, puis sur des signaux réels. Nous avons ensuite analysé des assemblages. Notre technique nous permets de faire une image 3 D du composant et de ses interfaces, de mesurer des caractéristiques mécaniques tels que module de Young coefficient de Poisson ou matrice compliance. De voir leur évolution au cours d'un vieillissement, ainsi que de localiser des défaillances telles que crack ou fissures.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Evaluation de la fiabilité de composants optoélectroniques pour des applications spatiales (apport des caractérisations et des modélisations électro-optiques)

Ce mémoire présente les résultats de travaux portant sur l analyse de la fiabilité de diodes laser de pompe émettant à 980 nm et de photodiodes InGaAs pour des applications spatiales. La sévérité de l environnement spatial (vide, radiations, contraintes thermomécaniques) impose d évaluer la robustesse de ces deux technologies qui ont été spécialement conçues pour des applications de télécommunications sous-marines. L objectif de ce mémoire est donc de proposer une méthodologie d évaluation de la fiabilité en s appuyant la caractérisation électro-optique, l analyse physico-chimique et la modélisation. Les diodes laser ont été vieillies sous ultravide (pression de 10-7 mbar) pendant 5000h sous 800 mA et 60C. Certains composants, dont l herméticité du boîtier a été volontairement rompue, ont présenté des défaillances de type COD (Catastrophic Optical Damage). Les caractéristiques des composants, dont le boîtier est resté hermétique, n ont cependant pas dérivé. Après avoir modélisé les caractéristiques électriques du composant, mené des analyses physiques (AFM, MEB, MET, cathodoluminescence et ToF-SIMS) et calculé la variation de la pression à l intérieur du boîtier, nous avons estimé la durée de vie du composant fonctionnant sous ultravide à 26 ans.Les photodiodes ont été irradiées par des protons d énergie comprise entre 30 et 190 MeV sous une fluence comprise entre 5.1010 et 1012 p/cm , entrainant une augmentation du courant d obscurité de trois décades. La modélisation du courant d obscurité a permis d estimer la durée de vie du composant en environnement spatial à 15 ans.Ces travaux ont également contribué à mettre en évidence des mécanismes de dégradation peu documentés (COD sous vide, difficulté d ajustement avec le NIEL, dégradation du réseau de Bragg exposé aux rayonnements ionisants), ce qui permet de mieux appréhender le comportement des diodes laser et des photodiodes exposées à l environnement spatial.In this work, the reliability of 980 nm pump laser diode and InGaAs photodiode modules has been estimated for space applications. The space environment is particularly harsh (vacuum, radiation, thermal and mechanical stresses) for these electro-optical devices, which were designed for long-haul submerged telecommunication applications. The main objective of this thesis is to provide a guideline for the space evaluation of optoelectronic devices, using characterization, physical analysis and modeling.Eight laser diodes were aged in vacuum (10-7 mbar) during 5000h, at 60C and 800 mA bias current. The hermeticity of four of them was voluntarily broken to simulate a long term vacuum exposition. Three of four non-hermetic devices failed during the ageing, because of COD (Catastrophic Optical Damage) whereas the electro-optical characteristics of hermetic devices remained unchanged. The MTBF of laser diodes operating in vacuum was estimated to 26 years, by means of modeling (electro-optics and pressure) and physical analyses (AFM, SEM, TEM, cathodoluminescence, ToF-SIMS).InGaAs photodiodes were irradiated by protons, with energies ranging from 30 to 190 MeV and fluences ranging from 5.1010 to 1012 p/cm . The dark current increased by three decades after irradiation. The photodiode MTBF was then estimating to 15 years using dark current modeling.This study also permitted to show up almost new failure mechanisms (COD under vacuum, NIEL scaling errors in InGaAs, Bragg grating degradation under ionizing radiation and its effects on laser diode stabilization), which could contribute to the space evaluation of laser diodes and photodiodes for future missions.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF