L’électricité statique est une perturbation que tout le monde a déjà ressentie. Pourtant, peu de gens sauraient dire pourquoi elle détruit les semi-conducteurs, ni à quoi ressemble réellement le courant de décharge.
Cet article reprend les bases de la décharge électrostatique (ESD) et de la surtension, explique la forme d’onde du courant de décharge à partir du circuit équivalent du modèle machine (MM), puis aborde le choix des composants de protection. Dans le MM, l’inductance du chemin de décharge est déterminante et produit une oscillation amortie : c’est donc un bon support pour comprendre, à partir du circuit, pourquoi la forme d’onde oscille.
- D’où vient l’électricité statique
- Il n’existe pas un seul modèle de décharge : HBM et MM
- Le modèle machine (MM) : une décharge métallique vue comme un circuit équivalent
- La forme d’onde de décharge : oscillation amortie et amortissement
- Pourquoi cela détruit les semi-conducteurs
- Comment choisir les composants de protection ESD et surtension
- Où placer la protection, et comment raisonner
- La maîtrise de l’ESD en production
- En résumé
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D’où vient l’électricité statique
L’électricité statique naît du frottement entre isolants (effet triboélectrique). Sols en plastique, moquettes, vêtements en fibres synthétiques : les isolants du quotidien se chargent facilement. Et pas seulement le corps humain : les objets métalliques se chargent aussi, équipements de production, gabarits et outils compris.
Ce qui détermine la quantité de charge accumulée, c’est l’humidité. L’air sec est un excellent isolant ; quand l’humidité est élevée, l’air lui-même isole moins bien et la charge accumulée s’écoule d’elle-même. D’où l’abondance de statique pendant les mois secs de l’hiver.
Lorsqu’un objet chargé touche une borne d’un appareil, la charge stockée se décharge d’un coup. Cette énergie suffit largement à détruire un composant semi-conducteur.
Il n’existe pas un seul modèle de décharge : HBM et MM
Le circuit équivalent d’une décharge électrostatique dépend de ce qui se décharge. Deux modèles font référence.
- Modèle du corps humain (HBM : Human Body Model) : décharge depuis le bout du doigt d’une personne chargée. La norme (ANSI/ESDA/JEDEC JS-001) fixe C = 100 pF et R = 1,5 kΩ. La résistance étant élevée, la forme d’onde est une décroissance exponentielle sans oscillation.
- Modèle machine (MM : Machine Model) : décharge depuis un objet métallique chargé (équipement, gabarit). C = 200 pF, R ≈ 0 Ω. Une décharge métal-métal ne laisse presque aucune résistance : l’inductance du chemin de décharge entre en résonance et la forme d’onde devient une oscillation amortie.
Dans cet article, nous travaillons sur le MM, où l’effet de l’inductance — l’oscillation amortie — apparaît clairement sur le circuit équivalent.
Le modèle machine (MM) : une décharge métallique vue comme un circuit équivalent
Le modèle machine représente un objet métallique chargé par un circuit C–R–L. La charge stockée sur le métal (C) se décharge d’un seul coup à travers la résistance (R) et l’inductance (L) du chemin de décharge.
Signification de chaque élément (modèle machine, MM) :
- C (capacité équivalente) : représente la charge stockée sur l’objet métallique. La valeur du MM est de 200 pF.
- R (résistance de décharge) : dans une décharge métal-métal, la résistance du chemin est quasi nulle. La valeur du MM est de 0 Ω (quelques ohms en pratique). Faible, elle laisse passer un courant important et rend la réponse oscillante.
- L (inductance équivalente) : l’inductance du câblage du chemin de décharge, de l’ordre de 0,5 µH. R étant quasi nulle, cette L résonne avec C et engendre l’oscillation amortie — l’essence du MM.
- Interrupteur : représente l’instant où l’objet métallique touche la borne et où la décharge commence.
La forme d’onde du courant de décharge est la réponse de cette boucle série C–R–L.
Pour situer les choses, le MM a été imaginé à l’origine par des fabricants japonais de semi-conducteurs comme le pire cas du modèle du corps humain. Avec une résistance quasi nulle et donc un courant bien plus fort, il est plus destructeur que le HBM à tension de charge égale — d’où des tensions d’essai MM de quelques centaines de volts, inférieures aux kilovolts du HBM. Le MM ne fait plus partie des essais obligatoires de qualification des circuits intégrés (la JESD22-A115 est inactive depuis 2016 ; les essais obligatoires actuels sont HBM et CDM) : nous le traitons donc ici comme un modèle classique pour comprendre la physique de la forme d’onde.
La forme d’onde de décharge : oscillation amortie et amortissement
La forme d’onde du MM est la réponse du circuit RLC série formé par C, R et L. Son allure se divise en deux cas, selon que R est inférieure ou supérieure à la résistance critique 2√(L/C).
Pour C = 200 pF et L = 0,5 µH, la résistance critique vaut 2√(L/C) = 2√(0,5 µH / 200 pF) = 100 Ω.
- R inférieure à la résistance critique (le R ≈ 0 propre au MM) : la résonance L–C donne une oscillation amortie. La fréquence de résonance vaut
1/(2π√(LC)) ≈ 16 MHz. - R supérieure à la résistance critique : l’oscillation disparaît et la réponse devient une décroissance exponentielle sans oscillation.
Ce qui rend le MM redoutable, c’est cette résistance quasi nulle. L’impédance du chemin de décharge est fixée principalement par l’impédance de surtension √(L/C) = √(0,5 µH / 200 pF) ≈ 50 Ω : même sous une tension de charge de 200 V, le courant de crête atteint 200 V / 50 Ω ≈ 4 A. À tension égale, il circule un courant bien supérieur à celui du HBM (R = 1,5 kΩ), et cela en quelques nanosecondes.
Pourquoi cela détruit les semi-conducteurs
La grille d’entrée d’un CMOS est une électrode fortement isolée dont le diélectrique est un oxyde de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres. Quand le fort courant d’ESD traverse ce film, l’échauffement Joule localisé perce l’isolant en un point précis.
La puissance destructrice du MM vient de l’amplitude du courant de crête et de la rapidité de sa montée. Sans résistance ou presque, la charge stockée est libérée d’un coup. En énergie, E = ½ × C × V² : avec C = 200 pF et V = 200 V, E = ½ × 200×10⁻¹² × (200)² = 4 µJ. Cela paraît peu, mais l’énergie est délivrée en quelques dizaines de nanosecondes, accompagnée de plusieurs ampères de crête : fatal pour un diélectrique mince.
Un problème supplémentaire apparaît dans les appareils dont la borne d’entrée aboutit à un connecteur. Tant que le connecteur n’est pas enfiché, l’entrée CMOS reste fortement isolée et se charge facilement, et la décharge survient à l’instant de l’enfichage.
Comment choisir les composants de protection ESD et surtension
La parade de base contre l’ESD et les surtensions consiste à écrêter avec un composant de protection. Voici les principaux types.
Diode TVS (Transient Voltage Suppressor)
Une variante de diode Zener. Normalement non conductrice, elle passe en basse impédance dès que la tension dépasse sa tension d’écrêtage et absorbe l’excédent. Sa réponse est extrêmement rapide — de l’ordre de la picoseconde — ce qui lui permet de traiter des surtensions aussi raides que l’ESD.
- Type unidirectionnel : pour les surtensions dans un seul sens, comme une diode de redressement
- Type bidirectionnel : convient aussi à l’alternatif et aux surtensions inverses. Très utilisé pour protéger les lignes de signal
Varistance (ZNR / MOV)
Composant dont l’impédance chute brutalement lorsque la tension monte (résistance dépendante de la tension). Sa caractéristique étant symétrique, il fonctionne dans les deux sens. Sa réponse est un peu plus lente que celle d’une TVS, mais il absorbe davantage d’énergie, ce qui le destine à la protection des lignes d’alimentation.
GDT (éclateur à gaz)
Absorbe la surtension par un arc dans le gaz enfermé. Sa tension d’écrêtage est plutôt élevée (quelques dizaines de volts et plus) et il encaisse des surtensions de fort courant, comme la foudre. On l’emploie sur les lignes téléphoniques, les systèmes d’antenne, etc.
Où placer la protection, et comment raisonner
Placez le composant de protection le plus près possible de la borne d’entrée. L’objectif est d’écrêter la surtension avant qu’elle n’entre dans la carte.
Par ailleurs, pour en tirer le maximum, il faut minimiser l’inductance du chemin de raccordement. Si la piste allant du composant à la masse est longue, la chute L × di/dt annule l’action du composant. Pour une décharge à front rapide — grand di/dt, comme celle du MM — cette inductance de piste pèse particulièrement lourd.
La protection en cascade fonctionne aussi. Un GDT à l’entrée du connecteur pour les forts courants, plus une TVS à l’intérieur de la carte pour un écrêtage rapide et précis, couvre les grandes comme les petites surtensions.
La maîtrise de l’ESD en production
Indépendamment de la protection du produit fini, la maîtrise de l’ESD en fabrication et en assemblage compte tout autant. Comme le montre le modèle machine, une décharge issue d’un équipement ou d’un gabarit chargé produit un courant de crête très élevé. La borne d’entrée d’un CMOS reste fortement isolée tant qu’elle n’est pas câblée, et une charge même faible suffit à la détruire.
Mesures de base en atelier :
- Recouvrir le plan de travail d’un tapis conducteur et le relier à la terre via une résistance élevée (de l’ordre de 1 MΩ)
- Faire porter aux opérateurs un bracelet métallique, relié à la terre de la même façon
- Utiliser un sol conducteur et des chaussures conductrices (de 0,1 à 100 MΩ environ, une résistance trop faible présentant un risque d’électrocution)
- Employer des ioniseurs pour ioniser l’air et laisser la charge se dissiper naturellement
- Stocker et transporter les composants dans des sachets conducteurs (sachets ESD)
On relie à la terre via une résistance élevée parce que mettre brutalement à la terre un objet déjà chargé laisserait passer un fort courant et détruirait le composant. Le but est d’écouler la charge lentement.
En résumé
- L’électricité statique naît du frottement, et se chargent aussi bien les personnes que les objets métalliques (équipements, gabarits). Elle abonde en saison sèche, l’hiver
- Le circuit équivalent de l’ESD dépend de la source : une personne, c’est le HBM (100 pF / 1,5 kΩ, décroissance exponentielle) ; un objet métallique, le MM (200 pF / 0 Ω, oscillation amortie)
- Comme R ≈ 0 dans le MM, l’inductance du chemin résonne avec C et donne une oscillation amortie. Au-delà de la résistance critique 2√(L/C), cela devient une décroissance exponentielle
- Avec une résistance quasi nulle, le MM atteint des courants de crête de plusieurs ampères même sous quelques centaines de volts : de quoi percer un diélectrique CMOS mince
- Placez la protection (TVS, varistance, GDT) juste au connecteur, avec le chemin vers la masse le plus court possible
- En production aussi, sol conducteur, bracelets antistatiques et ioniseurs sont indispensables
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