Brevet FR3131378A1 — publié le 20230630

Dispositif de déclenchement de décharge électrostatique et procédé d’utilisation associé La présente invention se rapporte à un dispositif de déclenchement de décharge électrostatique (1 ; 101) caractérisé en ce qu’il comporte, en outre : - un générateur d’impulsions (14 ; 114) propre à générer une impulsion électrique ; - une électrode micro-ruban (15 ; 115) comportant localement une section (16 ; 116) présentant une courbure plus élevée que le reste de l’électrode, de manière à créer un effet de pointe propre à renforcer le champ électrostatique au voisinage de ladite section, en particulier dans une zone intermédiaire entre ladite première zone et ladite seconde zones ; et, - une ligne d’amenée (20 ; 120) connectée entre une sortie dudit génération d’impulsions et une extrémité de l’électrode micro-ruban, la ligne d’amenée ayant une impédance électrique adaptée à celle de l’électrode micro-ruban permettant d’amener une impulsion émise par le générateur d’impulsions, jusqu’à l’électrode micro-ruban. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Dispositif de déclenchement de décharge électrostatique et procédé d’utilisation associé. L’invention a pour domaine celui des dispositifs de déclenchement de décharge électrostatique pour le test d’éléments, et en particulier de composants électroniques, permettant la génération contrôlée d’un arc électrique entre une première zone d’un premier élément et une deuxième zone d’un second élément, du type comportant un moyen d’établissement d’une différence de potentiel entre les premières et secondes zones. Les satellites embarquent des systèmes comportant une grande variété de composants électriques ou électroniques. En particulier, les panneaux solaires de satellite, permettant l’alimentation en puissance électrique de celui-ci, comportent une matrice d’éléments photovoltaïques, respectivement constitués d’une cellule solaire recouverte d’une couche de verre (dénommée «Coverglass » en anglais). L’ensemble est communément appelé Solar Cell Assembly (SCA). Au cours de l’utilisation du satellite, sous l’effet du bombardement des particules du vent solaire, des différences de potentiel importantes peuvent apparaître entre une première zone de la surface d’un élément photovoltaïque et une seconde zone de la surface soit du même élément photovoltaïque, soit d’un élément photovoltaïque voisin, ou soit d’un élément de structure du satellite. Plus la différence de potentiel est élevée, plus la probabilité d’apparition d’une décharge électrostatique entre les premières et secondes zones augmente. Une décharge électrostatique est un soudain et momentané passage de courant électrique entre deux points portés à des potentiels électriques différents. Ce courant peut endommager le ou les équipement(s) électronique(s) impliqués, au voisinage des points de naissance et d’absorption de la décharge. En effet, le passage de courant électrique génère un arc électrique dont le flux radiatif intense et le flux thermique élevé favorisent les réactions chimiques, de sorte que des molécules (ou les ions) du matériau constitutif de la zone à l’intérieur de laquelle naît ou disparaît la décharge, sont vaporisées permettant des échanges moléculaires et ioniques. Une fois le courant de la décharge dissipé, le refroidissement conduit à la solidification des produits des réactions. L’ensemble de ces réactions thermomécaniques modifient les propriétés mécaniques et/ou électriques du matériau constitutif du composant électronique. Une décharge électrostatique forte peut ainsi occasionner une dégradation immédiate des composants électroniques impliqués. Une décharge ou la répétition du passage de décharges électrostatiques, même plus faible peut également conduire, à long terme, à la dégradation des composants impliqués. Il faut donc être capable de sélectionner les composants électroniques devant entrer dans la fabrication d’un système destiné à être embarqué à bord d’un satellite, en fonction de leur tenue, c’est-à-dire de leur capacité à résister aux courants électriques. Pour ce faire, ont été mis au point des dispositifs permettant de réaliser des tests de qualification des composants électroniques. Un tel dispositif permet de déclencher, de manière contrôlée, une décharge électrostatique entre des zones spécifiques de la surface d’un ou plusieurs éléments à tester, dans le but de déterminer les propriétés de ces décharges électrostatiques et d’en déduire les propriétés de tenue de ces éléments. Une manière connue de déterminer les propriétés d’une décharge électrostatique est d’analyser le spectre de la lumière émise par la décharge. En effet, le long du parcours de la décharge se crée un plasma, par ionisation des molécules du milieu séparant les deux zones entre lesquelles se développe la décharge. Ces molécules proviennent de la vaporisation et de l’ionisation des composants chimiques constitutifs des matériaux des zones des éléments entre lesquelles se développe la décharge. Le plasma émet une lumière dont la fréquence permet de tracer les atomes constitutifs des différentes molécules ou ions du plasma généré. Pour ce faire, la lumière est analysée au moyen de spectromètres optiques branchés sur des fibres optiques qui canalise la lumière jusqu’à l’instrument d’analyse. Par essence même, une décharge électrostatique peut se produire à de multiples endroits. Ainsi le lieu et la fréquence d’apparition sont aléatoires et il est difficile voire presque impossible de positionner une fibre optique au bon endroit, c’est-à-dire à l’endroit où va avoir lieu la décharge, et de déclencher la mesure à l’instant même où la décharge apparait. Pour étudier les effets et pallier ce problème, des décharges sont volontairement déclenchées avec des dispositifs électriques générateurs de hautes tensions et d’arcs. Un dispositif de déclenchement de décharge électrostatique du type précité connu comporte, en plus d’un moyen d’établissement d’une différence de potentiel entre les premières et secondes zones entre lesquelles on souhaite déclencher une décharge, deux pointes métalliques espacées d’un millimètre l’une de l’autre et placées à proximité d’une zone intermédiaire entre les premières et secondes zones. L’application entre ces deux pointes d’une différence de potentiel secondaire adaptée, de l’ordre de 500 V, génère une décharge électrostatique d’amorçage. La décharge d’amorçage déclenche à son tour, par un effet de cascade, une décharge électrostatique principale entre les zones pré-chargées des composants électroniques à tester. Ce dispositif connu présente de nombreux désavantages. Il n’est en particulier pas adapté à l’analyse spectrale de la lumière émise par la décharge principale car la décharge d’amorçage, qui produit également de la lumière, dont l’intensité est généralement bien supérieure à celle de la lumière de l’arc de la décharge principale, éblouit l’analyseur spectral utilisé pour observer la décharge principale. En conséquence, la précision des mesures effectuées est réduite. De plus, la décharge d’amorçage génère localement un plasma qui modifie les propriétés ainsi que la réalité de la génération et de la propagation de l’arc de la décharge principale. Enfin, un tel dispositif connu ne permet pas d’obtenir une bonne synchronisation entre le déclenchement du fonctionnement de l’analyseur spectral et celui de la décharge principale à étudier. Or, une telle synchronisation entre l’analyseur spectral et la survenue de la décharge principale est primordiale pour la qualité des mesures. Ce défaut de synchronisation provient du fait que la survenue d’une décharge électrostatique est un phénomène aléatoire. Pour une même différence de potentiel entre deux composants, on ne sait pas à quel instant précis une décharge va se développer. Ainsi, dans le dispositif de l’art antérieur, on ne connaît pas l’instant de déclenchement de la décharge d’amorçage, et, une fois celle-ci déclenchée, l’instant de déclenchement de la décharge principale. Dans ces conditions, la synchronisation du moyen de mesure ne peut pas être effectuée avec précision. Cela se joue sur des durées généralement bien inférieures à la microseconde. L’invention a donc pour but de pallier aux problèmes précités Pour cela l’invention a pour objet un dispositif de décharge électrostatique permettant la génération contrôlée d’une décharge entre une première zone d’un premier élément et une seconde zone d’un second élément, du type comportant un moyen d’établissement d’une différence de potentiel entre lesdites première et seconde zones. Le dispositif de décharge électrostatique comprend en outre : - un générateur d’impulsions propre à générer une impulsion électrique ; - une électrode micro-ruban comportant localement une section présentant une courbure plus élevée que le reste de l’électrode, de manière à créer un effet de pointe propre à renforcer le champ électrostatique au voisinage de ladite section, en particulier dans une zone intermédiaire entre ladite première zone et ladite seconde zones ; et, - une ligne d’amenée connectée entre une sortie dudit génération d’impulsions et une extrémité de l’électrode micro-ruban, la ligne d’amenée ayant une impédance électrique adaptée à celle de l’électrode micro-ruban permettant d’amener une impulsion émise par le générateur d’impulsions, jusqu’à l’électrode micro-ruban. Selon d’autres caractéristiques de l’invention, le dispositif de décharge électrostatique de l’invention comporte l’une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes considérées seules ou selon toutes les combinaisons possibles. Lesdits premier et second éléments à tester constituent deux parties d’un même composant électronique. Ladite ligne d’amenée est un câble coaxial dont le conducteur externe est placé à un potentiel de référence, et dont l’âme est connectée électriquement, d’une part, à la sortie du générateur d’impulsion et, d’autre part, à l’électrode micro-ruban. Le moyen d’établissement d’une différence de potentiel est apte à créer, entre les premières et secondes zones, une différence de potentiel entre 500 et 5000 V, de préférence entre 750 et 2500 V, notamment 1000 V. Le moyen d’établissement d’une différence de potentiel comporte un moyen d’éclairage du type lampe à lumière à spectre ultraviolet. Le moyen d’établissement d’une différence de potentiel comporte un canon à électron. L’électrode micro-ruban est disposée entre l’élément à tester et la lampe à lumière à spectre ultraviolet et est réalisée en un treillis métallique. Le dispositif comporte une ligne de retour reliée à l’autre extrémité de l’électrode micro-ruban et un dispositif propre à absorber, en tout et partie, l’impulsion émise par le générateur d’impulsion, tel qu’un atténuateur. Le générateur d’impulsion est propre à générer des impulsions ayant une amplitude entre 100 et 4000 V, de préférence entre 200 et 1000 V, notamment 500 V, et d’une durée comprise entre 1 et 50 ns, de préférence entre 2 et 20 ns, notamment 10 ns. Le dispositif comporte un analyseur spectral résolu dans le temps dont le fonctionnement est synchronisé avec le déclenchement de la décharge électrostatique entre les premières et secondes zones. L’invention a également pour objet un procédé d’utilisation d’un dispositif tel que précédemment décrit, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à : - positionner sur le dispositif, relativement l’une à l’autre, une première zone d’un premier élément et une seconde zone d’un second élément, de sorte que la section présentant une courbure plus élevée que le reste de l’électrode micro-ruban soit située au voisinage d’une zone intermédiaire entre les premières et secondes zones ; - établir une différence de potentiel entre lesdites première et second zones, ladite différence de potentiel étant insuffisante pour déclencher une décharge électrostatique entre lesdites première et seconde zones ; - émettre une impulsion électrique et la transmettre depuis le générateur d’impulsions, à une extrémité de la ligne micro-ruban, au moyen d’une ligne d’amenée ayant une impédance adaptée à celle de l’électrode micro-ruban, ladite impulsion étant propre, en passant au niveau de la section présentant une courbure plus élevée que le reste de l’électrode micro-ruban, à renforcer le champ électrique dans ladite zone intermédiaire, de manière à garantir le déclenchement d’une décharge électrostatique entre lesdites première et seconde zones. L’électrode et la ligne d’arrivée forme ainsi une électrode de type ligne micro-ruban adaptée en impédance caractéristique. L’utilisation d’une ligne micro-ruban adaptée permet à une impulsion de se propager sans se déformer, d’abord dans le câble coaxial, puis de la même manière dans la ligne micro-ruban car celles-ci auront la même impédance caractéristique. (Généralement de 50 Ohms). Cela permet de transporter l’impulsion haute tension, jusqu’au droit du défaut qui renforce le champ, sans perte significative et sans déformation. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront plus clairement de la description détaillée qui va suivre, donnée à titre indicatif et nullement limitatif, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : La est une représentation schématique d’un premier mode de réalisation du dispositif selon l’invention permettant le déclenchement contrôlé d’une décharge électrostatique entre deux zones situées sur des composants voisins ; La est une représentation schématique d’un second mode de réalisation du dispositif selon l’invention permettant le déclenchement contrôlé d’une décharge électrostatique entre deux zones d’un même composant électronique. Dispositif de déclenchement de décharge électrostatique (1 ; 101) permettant la génération contrôlée d’une décharge entre une première zone d’un premier élément et une seconde zone d’un second élément, du type comportant un moyen d’établissement (10, 11 ; 110, 111) d’une différence de potentiel entre lesdites première et seconde zones, caractérisé en ce qu’il comporte, en outre : - un générateur d’impulsions (14 ; 114) propre à générer une impulsion électrique ; - une électrode micro-ruban (15 ; 115) comportant localement une section (16 ; 116) présentant une courbure plus élevée que le reste de l’électrode, de manière à créer un effet de pointe propre à renforcer le champ électrostatique au voisinage de ladite section, en particulier dans une zone intermédiaire entre ladite première zone et ladite seconde zones ; et, - une ligne d’amenée (20 ; 120) connectée entre une sortie dudit génération d’impulsions et une extrémité de l’électrode micro-ruban, la ligne d’amenée ayant une impédance électrique adaptée à celle de l’électrode micro-ruban permettant d’amener une impulsion émise par le générateur d’impulsions, jusqu’à l’électrode micro-ruban. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et second éléments à tester constituent deux parties d’un même composant électronique. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite ligne d’amenée (20) est un câble coaxial dont le conducteur externe (22) est placé à un potentiel de référence, et dont l’âme (21) est connectée électriquement, d’une part, à la sortie du générateur d’impulsion (14) et, d’autre part, à l’électrode micro-ruban (15). Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d’établissement d’une différence de potentiel (10 ; 110, 111) est apte à créer, entre les première et seconde zones, une différence de potentiel entre 500 et 5000 V, de préférence entre 750 et 2500 V, notamment 1000 V. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d’établissement d’une différence de potentiel comporte un moyen d’éclairage du type lampe à lumière à spectre ultraviolet (111). Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’électrode micro-ruban (115) est disposée entre l’élément à tester et la lampe à lumière à spectre ultraviolet (111) et est réalisée en un treillis métallique. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une ligne de retour (26 ; 126) reliée à l’autre extrémité de l’électrode micro-ruban (15 ; 115) et un dispositif (30 ; 130) propre à absorber, en tout et partie, l’impulsion émise par le générateur d’impulsion (14 ; 114). Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur d’impulsion (14 ; 114) est propre à générer des impulsions ayant une amplitude entre 100 et 4000 V, de préférence entre 200 et 1000 V, notamment 500 V, et d’une durée comprise entre 1 et 50 ns, de préférence entre 2 et 20 ns, notamment 10 ns. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un analyseur spectral résolu dans le temps dont le fonctionnement est synchronisé avec le déclenchement de la décharge électrostatique entre les première et seconde zones. Procédé d’utilisation d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à : - positionner sur le dispositif (1 ; 101), relativement l’une à l’autre, une première zone d’un premier élément (3 ; 103) et une seconde zone d’un second élément (5 ; 104), de sorte que la section (16 ; 116) présentant une courbure plus élevée que le reste de l’électrode micro-ruban (15 ; 115) soit située au voisinage d’une zone intermédiaire entre les première et seconde zone ; - établir une différence de potentiel entre lesdites première et second zones, ladite différence de potentiel étant insuffisante pour déclencher une décharge électrostatique entre lesdites première et seconde zones ; - émettre une impulsion électrique et la transmettre depuis le générateur d’impulsions (14 ; 114), à une extrémité de la ligne micro-ruban, au moyen d’une ligne d’amenée (20 ; 120) ayant une impédance adaptée à celle de l’électrode micro-ruban, ladite impulsion étant propre, en passant au niveau de la section (16 ; 116), à renforcer le champ électrique dans ladite zone intermédiaire, de manière à garantir le déclenchement d’une décharge électrostatique entre lesdites première et seconde zones.