Brevet FR2944876A1 — publié le 20101029

Procédé et système pour quantifier une température de jonction de composant. L'invention concerne un procédé et un système pour quantifier une température de jonction de composant électrique ou électronique pendant son fonctionnement. La fiabilité des composants électriques et électroniques à jonction dépend principalement de la température. Le facteur d'accélération du taux de défaillances des composants à jonction suit une loi d'Arrhenius dans laquelle intervient la température de jonction. Pour estimer la fiabilité d'un composant électrique ou électronique (EE) à jonction, il est essentiel de connaître précisément sa température de jonction réelle, lors de son utilisation dans le cadre des applications pour lesquelles il est prévu. Les normes de calculs de fiabilité prévisionnels EE, exigent généralement de renseigner précisément les températures de jonctions pour chaque composant actif tel que diode, transistor, circuit intégré ou autre. Le document FR2901634 divulgue un procédé et un dispositif de mesure de température de jonction d'un composant électronique lors d'une phase déterminée de fonctionnement du composant. Ce document enseigne une procédure de test qui nécessite de mettre en fonctionnement le composant électronique seul à différentes températures afin d'obtenir une courbe de charge en fonction de la température. La procédure de test présente l'inconvénient d'être réalisable principalement de manière unitaire, sans prise en compte de l'intégration du composant électronique dans un circuit électronique. La dissipation thermique des autres composants EE, carte de circuit imprimé (PCB), routage, dimensionnement de plan de masse, et autres influent considérablement la température de jonction. Un besoin se fait sentir pour quantifier en temps réel la température de jonction effective d'un composant EE dépendant sa mise en oeuvre dans son application. Dans le but de remédier aux problèmes posés par l'état connu de la technique, l'invention a pour objet un procédé dans lequel une température de jonction d'un composant électrique ou électronique, est quantifiée en fonction d'une puissance dissipée dans le composant, d'une température d'un environnement du composant et d'une résistance thermique avec l'environnement du composant. Particulièrement, la température d'environnement du composant est mesurée au moyen d'un capteur de température. Plus particulièrement, ledit environnement comprend un boîtier de température donnée qui contient le composant. Plus particulièrement encore, la résistance thermique est entre la jonction et le boîtier. Plus particulièrement aussi, ledit environnement comprend un air ambiant de température donnée. Plus particulièrement encore, la résistance thermique est entre la jonction et l'air ambiant. Alternativement, la résistance thermique est entre le boîtier et l'air ambiant. Avantageusement, la puissance dissipée dans le composant est estimée en fonction des températures du boîtier et de l'air ambiant et en fonction des résistances thermiques entre la jonction et l'air ambiant et entre le boîtier et l'air ambiant. Alternativement, la puissance dissipée dans le composant est estimée en fonction d'un courant et d'une tension appliqués à la jonction. De façon remarquable, la résistance thermique est préalablement calculée en divisant un écart entre une température de test de boîtier et une température de test d'air ambiant par une puissance dissipée de test. De façon remarquable encore, la résistance thermique est préalablement calculée en divisant un écart entre une température de destruction de jonction et une température de test d'air ambiant par une puissance dissipée de test conduisant à une destruction du composant. De façon remarquable aussi, la résistance thermique entre la jonction et le boîtier est préalablement calculée en soustrayant la résistance thermique entre le boîtier et l'air ambiant de la résistance thermique entre la jonction et l'air ambiant. L'invention a aussi pour objet un système pour quantifier une température de jonction d'un composant électrique ou électronique, comprenant un dispositif agencé pour calculer une puissance dissipée dans le composant, mesurer une température d'un environnement du composant et comprenant en mémoire au moins une valeur de résistance thermique entre le composant et l'environnement. Particulièrement, le système comprend au moins un capteur de température pour mesurer la température d'environnement du composant. Plus particulièrement, ledit environnement comprend un boîtier qui contient le composant de sorte que la 25 température mesurée est celle du boîtier. Plus particulièrement aussi, ledit environnement comprend un air ambiant de sorte que la température mesurée est celle de l'air ambiant. Avantageusement, le système comprend un capteur de 30 température du boîtier et un capteur de température de l'air ambiant de façon à estimer la puissance dissipée dans le composant. Cette puissance est estimée en fonction des températures du boîtier et de l'air ambiant et en fonction de résistances thermiques entre la 35 jonction et l'air ambiant et entre le boîtier et l'air ambiant. Alternativement, le système comprend un ampèremètre et un voltmètre de façon à estimer la puissance dissipée dans le composant en fonction d'un courant et d'une tension appliqués à la jonction. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faisant référence aux dessins donnés uniquement à titre d'exemple pour illustrer un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un système selon l'invention; - les figures 2 et 3 montrent des étapes de procédé conforme à l'invention. En référence à la figure 1, le repère 1 désigne un composant EE (Electrique/Electronique) qui comprend une jonction 2 entre une première partie reliée directement ou via un interrupteur 9, voire via une impédance 19, à une borne 8 d'une source 15 de tension électrique et une deuxième partie reliée, à la masse d'un circuit électrique ou électronique. Le composant 1 est encapsulé dans un boîtier 3 monté si besoin est, sur un radiateur 4. Le radiateur 4, facultatif, est utile pour les composants dits de � puissances � de façon à favoriser une dissipation de la chaleur produite par un courant le traversant la jonction 2 lorsqu'elle est soumise à une tension Uc. Un procédé conforme à l'invention, consiste à quantifier une température Ti de la jonction 2 en modélisant un comportement thermique du composant 1 au moyen d'une loi d'Ohm thermique. La loi d'Ohm thermique donne une puissance dissipée Pd entre la jonction 2 à une température Ti et le boîtier 3 à une température Tb en fonction d'une résistance thermique RTHib, exprimée par la relation : T.ùTb Pd RTH;b Lorsque le composant 1 fonctionne dans le cadre de l'utilisation pour laquelle il est prévu, le procédé conforme à l'invention, quantifie une température Tif de la jonction 2 en fonction d'une puissance dissipée Pdf, d'une température Tbf du boîtier et de la résistance thermique RTHib, de différentes manières possibles. L'indice f affecté à une variable indique que la variable est évaluée dans une phase de fonctionnement dans laquelle le composant est exploité dans le cadre de l'utilisation pour laquelle il est prévu. Selon une première manière, la température Tbf du boîtier 3 est mesurée par exemple au moyen d'un capteur 5 et la puissance dissipée Pdf est estimée en fonction du courant le qui traverse la jonction 2 et de la tension Uc à laquelle la jonction est soumise : Pdf IcUc Le courant le et la tension Uc peuvent être mesurés au moyen respectivement d'un ampèremètre 16 et d'un voltmètre 17 ou de préférence calculés en fonction des caractéristiques d'impédances du circuit et de l'état de fonctionnement du composant 1, notamment lorsque le circuit est trop complexe pour brancher un voltmètre et un ampèremètre dédié à chaque composant dont on veut quantifier la température de jonction. Une valeur de quantification de la température de jonction est alors calculée au moyen de la formule : Tf = Tbf + Pdf * RTHjb Une deuxième manière est plus adaptée lorsqu'il est difficile de mettre un capteur de température 5 sur le boîtier 3 de chaque composant dont on veut quantifier la température de jonction. La température Ta de l'air est alors estimée ou mesurée au moyen par exemple d'un capteur de température 7. Lorsque le boîtier 3 est à sa température d'équilibre Tbf, atteinte d'autant plus rapidement que l'inertie thermique du boîtier est faible, le bilan des puissances reçues et réémises, est nul de sorte que : Tbf = Ta + Pdf * RTHba Où RTHba est la résistance thermique entre le boîtier et l'air ambiant. Il est alors possible de calculer une résistance thermique équivalente entre la jonction et l'air, telle que : RTHia = RTHib + RTHba La valeur de quantification de la température de jonction est alors calculée au moyen de la formule : Tf =T +Pdf *RTH a ja RTHba En mesurant les températures Tbf et Ta au moyen de deux capteurs de température 5 et 7, la valeur de quantification de la température de jonction est alors calculée au moyen de la formule : 25 Tf = T a + Tbf ù * RTHja RTHba Quelque soit la manière utilisée pour mettre en oeuvre l'invention pour quantifier la température de jonction du composant pendant son utilisation dans le cadre d'une application, les résistances thermiques RTHib, 30 RTHba, sont des constantes. En absence de radiateur 4, la résistance thermique RTHba est liée à la géométrie du boîtier et à son mode de montage, par exemple sur un circuit imprimé. Le radiateur 4, lorsqu'il existe, est généralement 35 monté sur le boîtier 3 de façon à rendre négligeable une Une troisième manière est mieux adaptée lorsqu'il est difficile, voire impossible d'estimer la puissance dissipée Pdf en fonctionnement du composant, par exemple en raison d'un grand nombre d'états possibles du circuit comprenant le composant ou d'un coût prohibitif qui serait entraîné par le montage d'un voltmètre et d'un ampèremètre dédiés au composant. La puissance dissipée Pdf en fonctionnement est exprimable en fonction de la température Tbf du boîtier et de la température Ta de l'air ambiant : Pdf = Tbf ù T résistance thermique RTHbr entre le boîtier 3 et le radiateur 4, de sorte que la résistance thermique RTHba du radiateur représente valablement la résistance thermique RTHba du boîtier. Les composants EE sont classables en deux catégories parmi lesquelles on distingue les composants à faible puissance dissipée et les composants à forte les premiers, la résistance jonction et le boîtier est à la résistance thermique RTHba entre le l'air ambiant. Pour les seconds, la résistance RTHib entre la jonction et le boîtier est ou égale à la résistance thermique RTHba entre et l'air ambiant. le cas des composants ayant une faible puissance dissipée, la faible puissance se traduit par le type de boîtier utilisé pour le composant. Tous ces boîtiers (SO8, S014, S0T223, S0T23...) ont la caractéristique commune d'avoir une résistance RTHba et 20 donc RTH a quasi indépendante de l'application. En effet, il ne peut y avoir de radiateurs sur ce type de boîtier. De plus, l'espace d'air, séparant le boîtier et le circuit imprimé, fait que le concepteur de circuit ne peut modifier cette résistance par une couche interne du 25 circuit imprimé ou une surface de cuivre plus importante. En outre, la résistance thermique RTHib qui est interne au composant EE, plus grande que RTHba, permet de faire l'hypothèse simplificatrice selon laquelle la température de jonction est sensiblement égale à la température du 30 boîtier. Si la puissance dissipée est difficile à calculer comme c'est souvent le cas pour les mémoires, les circuits linéaires, les FPGA et autres, il suffit de mesurer la température du boîtier pour avoir un ordre de 35 grandeur de la température de jonction. puissance thermique supérieure boîtier et thermique inférieure le boîtier Dans 15 dissipée. Pour RTHib entre la Néanmoins, pour avoir une valeur réelle de la température de jonction du composant EE, le procédé de quantification qui vient d'être expliqué, est utilisable. Dans le cas des composants ayant une forte puissance dissipée, la forte puissance se traduit par le type de boîtier utilisé pour le composant. Tous ces boîtiers (DPACK, D2PACK, TO220 ...) ont la caractéristique commune d'avoir une résistance RTHba modifiable par l'application (ajout d'un radiateur, d'une plage de cuivre plus grande, de couches PCB internes ...). Il en résulte que la résistance RTHjb n'est plus forcément petite devant RTHba et donc la température de jonction n'est plus équivalente à la température de boîtier mesurée. Dans ce cas, il est vivement recommandé d'utiliser le procédé décrit ci-dessus car la température de jonction est différente de la température du boîtier. La résistance thermique Jonction/Boîtier RTHjb est rarement donnée dans les notices des fournisseurs. La littérature ne donne quasiment pas de détails suffisamment clairs pour évaluer cette résistance pour tous les composants. La résistance thermique Boîtier/Air ambiant RTHba est propre à l'application pour laquelle le composant est mis en oeuvre. Le routage, l'implantation des composants, la conception des éléments mécaniques tels que radiateurs, drains thermiques ou autres, interviennent sur la valeur de cette résistance thermique. Pour utiliser le procédé décrit ci-dessus de façon à quantifier précisément la température de jonction des composants EE, il est essentiel d'avoir la valeur de la résistance RTHjb et utile d'avoir la valeur de la résistance RTHba. Les étapes de procédé décrites à présent en référence aux figures 2 et 3, sont exécutées au préalable, par exemple sur banc d'essai, pour évaluer les 25 résistances thermiques qui ne sont pas connues par ailleurs. Une tension de test Uct fixée dans une étape 100, induit dans le composant, un courant de test Ict mesuré dans une étape 101. Une puissance dissipée Pdt égale au produit de la tension de test par le courant de test, est alors calculée dans une étape 102. Alternativement, il est aussi possible de fixer le courant de test Ict dans l'étape 100 et de mesurer dans l'étape 101, la tension de test Uct qui en résulte aux bornes du composant de façon à calculer de manière identique la puissance Pdt dans l'étape 102. Une température ambiante Tat de l'air et une température Tbt du boîtier mesurées pendant le test dans une étape 103, permettent alors de calculer la résistance thermique RTHba du boîtier au contact de l'air, dans une étape 104, en divisant l'écart de température entre le boîtier et l'air ambiant par la puissance dissipée Pat RTH ba = Tbt ù T' Pdt La résistance thermique RTHib entre la jonction et le boîtier, est calculée dans une étape 207 en retranchant la résistance thermique RTHba du boîtier au contact de l'air, de la résistance thermique RTH~a entre la jonction et l'air ambiant : RTH jb = RTH ja ùRTHba La résistance thermique RTH a entre la jonction et l'air ambiant, n'est pas donnée par le fournisseur du composant ou est donnée pour des conditions particulières de mise en oeuvre, avec par exemple une surface et une 30 épaisseur de cuivre minimale, qui ne correspondent pas nécessairement à la manière dont le composant est effectivement mis en oeuvre dans le circuit électrique. Cependant, le fournisseur du composant procure généralement une fiche technique (datasheet en anglais) 35 qui donne une température de jonction maximale T max, souvent de l'ordre de 150°C, dont une atteinte provoque une destruction du composant. La fiche technique donne généralement aussi une puissance nominale maximale Pmax de fonctionnement du composant pour une température ambiante maximale Tad de fonctionnement, souvent de l'ordre de 25°C, au-delà de laquelle il est nécessaire de procéder à un déclassement (derating en anglais) du composant, en d'autres termes au-delà de laquelle il est nécessaire de faire fonctionner le composant à une puissance inférieure à la puissance nominale Pmax• Pour estimer la résistance thermique RTH a entre la jonction et l'air ambiant, on sacrifie un composant de même type que les composants utilisés et monté de manière identique à ces composants dans leur utilisation. Dans une étape 200, le composant sacrifié est soumis à une température de test Tat supérieure à la température ambiante maximale Tad de déclassement. Une tension de test U,t est appliquée aux bornes du composant. Une alternative de mise en oeuvre consiste à appliquer un courant de test Ict sur une borne du composant. La tension de test U, respectivement le courant de test Ict, sont déterminés de façon à induire une puissance dissipée Pat qui ne provoque aucune destruction du composant. Le courant résultant Ict, ou respectivement la tension résultante U,t, est mesuré dans une étape 201 de façon à calculer la puissance dissipée Pdt dans une étape 202. Tant que la non destruction du composant est constatée dans une étape 203, on augmente la tension de test U,t, ou respectivement le courant de test Ict, dans une étape 204, de façon à augmenter la puissance dissipée Pdt La destruction du composant constatée dans une étape 205, indique que la température de jonction maximale T max est atteinte. La puissance dissipée Pat calculée dans l'étape 202 est alors utilisée dans une étape 206 pour calculer la résistance RTHib au moyen de la formule . Tjmax ùT at Pdt Un dispositif 10 comprend des instructions programmée pour exécuter tout ou partie des étapes de procédé qui viennent d'être décrites, de manière à produire une quantification Ti de la jonction 2 du composant 1. RTH ;a = REVENDICATIONS1. Procédé dans lequel une température (Ti) de jonction d'un composant électrique ou électronique, est quantifiée en fonction d'une puissance dissipée (Pdf) dans le composant, d'une température (Tbf, Ta) d'un environnement du composant et d'une résistance thermique (RTHib, RTH a, RTHba) avec l'environnement du composant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température (Tbf, Ta) d'environnement du composant est mesurée au moyen d'un capteur de température (5, 7). 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit environnement comprend un boîtier de température donnée (Tbf) qui contient le composant. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résistance thermique (RTHib) est entre la jonction et le boîtier. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit environnement comprend un air ambiant de température donnée (Ta). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la résistance thermique (RTH~a) est entre la jonction et l'air ambiant. 7. Procédé selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que la résistance thermique (RTHba) est entre le boîtier et l'air ambiant. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la puissance dissipée (Pdf) dans le composant est estimée en fonction des températures (Tbf, Ta) du boîtier et de l'air ambiant et en fonction des résistances thermiques (RTH a, RTHba) entre la jonction et l'air ambiant et entre le boîtier et l'air ambiant. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la puissance dissipée (Pdf) dans lecomposant est estimée en fonction d'un courant (In) et d'une tension (Us) appliqués à la jonction. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la résistance thermique (RTHba) est préalablement calculée en divisant un écart entre une température de test de boîtier (Tbt) et une température de test d'air ambiant (Tat) par une puissance dissipée de test (Pat) . 11. Procédé selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que la résistance thermique (RTH a) est préalablement calculée en divisant un écart entre une température de destruction de jonction (T max) et une température de test d'air ambiant (Tat) par une puissance dissipée de test (Pdt) conduisant à une destruction du composant. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la résistance thermique entre la jonction et le boîtier (RTHib) est préalablement calculée en soustrayant la résistance thermique entre le boîtier et l'air ambiant (RTHba) de la résistance thermique entre la jonction et l'air ambiant (RTH a) . 13. Système pour quantifier une température (Ti) de jonction (2) d'un composant électrique ou électronique (1), comprenant un dispositif (10) agencé pour calculer une puissance dissipée (Pdf) dans le composant, mesurer une température (Tbf, Ta) d'un environnement du composant et comprenant en mémoire au moins une valeur de résistance thermique (RTHjb, RTH a, RTHba) avec l'environnement du composant. 14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur de température (5, 7) pour mesurer la température (Tbf, Ta) d'environnement du composant. 15. Système selon l'une des revendications 13 ou 35 14, caractérisé en ce que ledit environnement comprend un boîtier (3) qui contient le composant. 16. Système selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que ledit environnement comprend un air ambiant. 17. Système selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (5) de température du boîtier (3) et un capteur (7) de température de l'air ambiant de façon à estimer la puissance dissipée (Pdf) dans le composant en fonction des températures (Tbf, Ta) du boîtier et de l'air ambiant et en fonction de résistances thermiques (RTH a, RTHba) entre la jonction et l'air ambiant et entre le boîtier et l'air ambiant. 18. Système selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend un ampèremètre (16) et un voltmètre (17) de façon à estimer la puissance dissipée (Pdf) dans le composant en fonction d'un courant (Ic) et d'une tension (Uc) appliqués à la jonction.