Brevet FR2957423A1 — publié le 20110916

PROCEDE DE MESURE D'UN MODE DE DÉFAILLANCE DE COMPOSANT SENSIBLE La présente invention concerne un procédé pour mesurer un mode de défaillance d'un composant sensible dans un circuit électrique comportant une pluralité de composants, notamment dans un circuit électrique de véhicule automobile. Conventionnellement, pour la réalisation de dispositifs électroniques et électriques, il est connu de dimensionner en fonction de règles de métier, par exemple des sections des fils conducteurs ainsi que des calibres des fusibles qui sont disposés pour protéger des composants. Par ailleurs, en vue d'évaluer la robustesse d'une conception électrique, il est connu de réaliser au préalable et en cours d'élaboration, une analyse des modes de défaillances, de leurs effets et de leur criticité « AMDEC » (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis en anglais). Dans la mise en oeuvre d'une telle analyse, on identifie en fonction de règles de métier basées sur l'expérience et de manuels de référence, la ou les défaillance(s) que peut subir un composant. Une telle identification permet ensuite de déterminer, de façon théorique, les conséquences potentielles que peuvent engendrer de telles défaillances sur le dispositif électrique global. Cette analyse permet de déterminer l'intérêt ou non de modifier la mise en oeuvre du composant défaillant afin de limiter la probabilité du défaut. Puis, lorsque la conception du circuit électrique est finalisée, des essais de validations électriques et mécaniques sont réalisés. Ainsi, le document FR0950890 divulgue un procédé pour observer et connaître l'impact d'une défaillance d'un composant monté dans un dispositif électrique pour une durée de vie élevée. Le procédé enseigné dans le document précité, permet de prévenir une anomalie thermique provoquée par un échauffement local excessif d'origine électrique qui peut conduire à atteindre une température suffisamment élevée pour enflammer les matériaux du substrat et/ou des autres composants du dispositif. Le procédé antérieurement enseigné comporte notamment une simulation de défaillance du composant en le court-circuitant. Certains composants sensibles qui appartiennent à la classe comprenant les condensateurs de type tantale, provoquent en cas de défaillance, des comportements de circuit qui ne sont plus observables en mettant hors circuit le composant sensible par court-circuitage. Notamment le court-circuitage du composant sensible occulte son augmentation de température propre pouvant aller jusqu'à l'enflammer lorsqu'il reste alimenté en défaillance. L'invention a pour but de proposer un procédé de 20 mesure plus complet que les procédés antérieurement connus. Dans ce but, l'invention a pour objet un procédé tel que défini dans la partie introductive qui comprend des étapes consistant à : 25 - identifier au moins un composant critique potentiellement générateur d'une contrainte excessive sur ledit composant sensible ; mettre le composant critique identifié en défaut ; 30 mettre sous tension le circuit électrique de façon à ce que la mise en défaut du composant critique génère ladite contrainte excessive sur le composant sensible ; mesurer un comportement du circuit électrique 35 représentatif dudit mode de défaillance. Particulièrement, le composant sensible est un condensateur tantale. Particulièrement aussi le composant critique est mis en défaut en court-circuitant une sortie sur une entrée du composant critique. Plus particulièrement, on court-circuite le composant critique au moyen d'une impédance calibrée pour générer une contrainte excessive qui est supérieure à une contrainte nominale exercée sur le composant sensible en fonctionnement normal du circuit électrique. Plus particulièrement aussi, on court-circuite le composant critique au moyen d'une impédance calibrée pour générer une contrainte excessive qui est supérieure ou égale à une contrainte maximale admissible par le composant sensible. Particulièrement encore le circuit électrique est 15 mis sous tension au moyen d'une alimentation stabilisée en tension non limitée en courant. Selon différentes alternatives avantageuses de mise en oeuvre du procédé, le comportement du circuit électrique est un comportement électrique mesuré par 20 capture de valeurs de courant consommé en régime transitoire et en régime permanent et/ou un comportement thermique mesuré par capture de valeurs de température de points chauds en régime transitoire et en régime permanent de sorte que le procédé est arrêté ou non 25 lorsqu'une stabilisation thermique des points chauds est atteinte. De préférence, le procédé est arrêté lorsqu'un départ de feu nécessite une intervention extérieure pour l'éteindre. 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, de modes de réalisations faisant références aux figures annexées ci-jointes sur lesquelles : 35 la figure 1 représente un exemple d'agencement de composants dans un circuit électrique ; la figure 2 représente un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Pour des raisons de clarté, les éléments apparaissant sur différentes figures ont été désignés par des références similaires. De même, seuls les éléments utiles pour la compréhension de l'invention ont été représentés, et ceci de manière schématique sans astreinte de respect d'aucune échelle. La figure 1 représente à titre purement illustratif et non limitatif, une partie de schéma de circuit électrique 50 comprenant plusieurs composants 10, 20, 30, 40 pour expliquer les étapes de procédé conforme à l'invention. Pour réaliser une alimentation électrique fournissant par exemple 5 volts sur une borne 45, le composant 10 est un régulateur linéaire par exemple mais non nécessairement du type disponible dans le commerce sous la dénomination NCV4276, le composant 20 est une résistance par exemple de 10 KQ, le composant 30 est un condensateur classique de par exemple 100 nF et le composant 40 est un condensateur de type ou technologie tantale de par exemple 100 nF. Les condensateurs de technologie Tantale forment, avec les condensateurs céramiques, aluminium et film, l'une des familles les plus utilisées dans les designs électroniques. Les principales utilisations de ces condensateurs se trouvent dans les fonctions filtrage, découplage, liaison, constante de temps, réserve d'énergie... On peut distinguer pour les condensateurs Tantale 30 deux grandes familles, elles-mêmes divisées en plusieurs sous groupes . - Les condensateurs à électrolyte solide avec : - Les boîtiers métalliques à sorties par fils ; - Les boîtiers plastiques à sorties par fils ; 35 - Les boîtiers pour montage en surface (CMS) ; - Les condensateurs à électrolyte non solide (ou gélifié) avec : - les boîtiers argent ; - les boîtiers tantale ; Dans le domaine de l'Automobile, c'est principalement la technologie à électrolyte solide en boîtier CMS qui est utilisée. Cette technologie offre un bon compromis entre les caractéristiques électriques (capacités, résistance série...) et le coût. Cependant, ce type de composant est très sensible aux contraintes excessives (overstress en anglais) électriques de nature surtension, ondulation de courant, ondulation de tension, tension inverse... De plus, lorsqu'une défaillance intervient, il y a risque de générer un départ de feu car le condensateur tantale se comporte à 80% en court-circuit franc avec présence de flammes (risque CCA : Court-circuit Aggravé). Le procédé de l'invention permet de remédier à l'absence antérieure de méthodes et d'essais de validation permettant d'observer et de connaître l'impact (effet client) sur un design électrique/électronique suite à une défaillance de ce type de composant. En effet, pendant toute la durée de vie d'un véhicule égale à 15 ans, une multitude d'aléas (stress process, au montage, en après-vente, défaillance aléatoire, overstress, dérive du fondeur de composant...) peuvent se produire avec pour effet de fragiliser et de mettre en défaillance le composant. Dans l'exemple illustré par la figure 1, le composant sensible est un condensateur Tantale. Le procédé enseigné est intéressant pour tout type de composant sensible tel que par exemple le type des transistors MOSFET, des transistors bipolaires notamment à grille isolée (IGBT pour Insulated Gate Bipolar Transistor en anglais), des diodes de puissance notamment utilisées comme protection contre les inversions de polarité lorsque ces composants sont situés en amont d'un composant électronique. Les circuits combinant électronique de puissance et intégration de circuit (Smart Power en anglais) peuvent aussi constituer des composants sensibles. Le procédé de l'invention permet une mise en place (setup en anglais) de test en deux phases : La première phase, de nature théorique comprend essentiellement une étape qui consiste à identifier les composants critiques potentiellement générateurs de contraintes excessives sur le composant sensible dont on veut mesurer le mode de défaillance dans un circuit électrique. On rappelle que, dans l'élaboration d'une analyse de type AMDEC (Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets et de leur Criticité, traduit en anglais par FMECA pour Failure Modes, Effects and Criticality Analysis), le mode de défaillance est la forme observable d'un dysfonctionnement d'un dispositif ou d'une opération au sein d'un système étudié. L'identification des composants critiques, peut se faire notamment en exploitant celui ou ceux des éléments suivants qui sont disponibles : 1) Schéma électronique du calculateur étudié ; 2) Liste des composants (famille, technologique...) 3) Fiche technique (Datasheet en anglais) des composants électriques et électroniques (EE) ; 4) Emplacement et agencement des composants EE ; 5) Routage des composants sur les plans de conception (design en anglais). Par exemple, schéma de la figure 1 permet une identification du composant 10 comme critique par reconnaissance du conducteur électrique 25 qui relie la sortie 5 du composant 10 au composant 40 matérialisé par un condensateur de technologie Tantale, et à la borne 45 pour délivrer une tension stabilisée de 5 V. La tension stabilisée servant à alimenter un micro-contrôleur (non représenté), une défaillance peut avoir pour effet désagréable à l'égard du conducteur, c'est à dire du client du constructeur, de faire caler le moteur en cas de commande du moteur par le micro-contrôleur. Une entrée 1 du composant 10 est reliée par un conducteur électrique 11 à une source de tension de par exemple 14 volts. Une entrée 2 est prévue pour inhiber le composant 10 et une entrée 4 est prévue pour appliquer une référence en tension ou en courant au composant 10. Les entrée-sorties 3 et 6 du composant 10 sont reliées à la masse. Un défaut du composant 10 risque de générer une ou des contraintes excessives (overstress en anglais) sur le condensateur de technologie Tantale qui constitue le composant sensible 40. La contrainte excessive peut être une surtension électrique, une surintensité de courant électrique ou une fréquence trop élevée, la liste de contraintes excessives possibles, ici présentée, n'est pas exhaustive. La deuxième phase, de nature pratique comprend essentiellement des étapes de préparation et des étape de test à proprement parler ou d'essai qui sont exécutées sur un exemplaire concret du circuit électrique et/ou électronique conforme au schéma analysé en première phase. Les étapes de préparations peuvent être exécutées dans l'ordre ci-après énoncé ou dans un ordre différent, voire parallèlement selon la manière que l'opérateur préfère pour les mettre en oeuvre. Par exemple la cinquième étape peut se faire avant la première étape. Une première étape de préparation consiste à prendre une carte électronique supportant le circuit, hors de la définition mécanique, c'est à dire hors de son boîtier. Une deuxième étape de préparation consiste à disposer la carte en termes d'inclinaison, d'orientation, de connectique, de charges représentatives ou autres de manière à prendre en compte l'implantation de la carte dans son environnement d'application. Une troisième étape de préparation consiste à établir une température ambiante de par exemple 25°C pour réaliser l'essai. Une quatrième étape de préparation consiste à fixer la tension d'alimentation nominale correspondant aux conditions normale d'utilisation du circuit, par exemple une tension de 14 V pour un calculateur. Une cinquième étape de préparation consiste à mettre en place les moyens de test appropriés pour utiliser une alimentation stabilisée non limitée en courant, observer (to monitor en anglais) le courant consommé en régimes transitoire et permanent et utiliser une caméra thermique et/ou des thermocouples, de façon à évaluer le comportement thermique complet de la carte électronique en régimes transitoire et permanent. Une sixième étape de préparation consiste à paramétrer des critères d'arrêt des étapes d'essai comprenant une atteinte de la stabilisation thermique des points chauds, notamment sur les composants et sur la zone de circuit imprimé (PCB pour Printed Circuit Board en anglais), les défaillances entraînant un départ de feux (CCA) nécessitant une intervention extérieure pour l'éteindre. L'enchaînement d'étapes d'essai expliqué à présent avec le support de la figure 2, est répété autant de fois que nécessaire de façon à provoquer un défaut qui simule une unique défaillance à la fois pour chaque mode de défaillances de tous les composants critiques, dont la mise en défaut génère une contrainte excessive sur le composant sensible 40 étudié, notamment un condensateur Tantale. L'enchaînement d'étapes d'essai est aussi répété autant de fois qu'il existe de composants sensibles sur la carte, par exemple de condensateurs Tantale. Une première étape d'essai consiste à mettre en défaut le composant critique 10 qui a été identifié dans la phase préliminaire d'analyse du circuit électrique. Plus précisément, on relie le conducteur électrique 25 au conducteur électrique 11 par un shunt 15 de façon à mettre le composant critique 10 en défaut en court- circuitant la sortie 5 sur l'entrée 1 du composant critique 10. Le shunt 15 est par exemple une impédance calibrée pour générer une contrainte excessive qui est supérieure à une contrainte nominale exercée sur le composant sensible 40 en fonctionnement normal du circuit électrique 50. Dans la mesure où le circuit des figures 1 et 2 est prévu pour délivrer une tension stabilisée de 5 V sur la borne 45, la contrainte nominale exercée sur le composant 40 est de 5 V. Pour une tension d'alimentation du circuit à 14 V, une impédance calibrée à la valeur de celle du composant 20 applique donc une tension de 7 V sur le composant 40. Le terme « contrainte excessive » (Overstress en anglais) signifie dans ce cas que les grandeurs électriques appliquées sur le composant 40 sont supérieures aux contraintes nominales d'une conception sans défaillance avec présence possible d'un impact sur la fiabilité et/ou sur la durée de vie de l'équipement. Le shunt 15 est par exemple encore une impédance calibrée pour générer une contrainte excessive qui est supérieure ou égale à une contrainte maximale admissible par le composant sensible. Le terme « contrainte excessive » signifie dans ce cas que la contrainte appliquée est supérieure aux valeurs préconisées dans la fiche technique ( datasheet en anglais ) du fondeur. Si par exemple la contrainte maximale est de 10 V, l'impédance du shunt 15 est calibrée à une valeur très faible, par exemple inférieure à 50 mS2 (milliohms). Une tension d'alimentation du composant 10 à 14 V applique alors une tension de 14 V sur le composant sensible 40. Une deuxième étape d'essai consiste à mettre sous tension le circuit électrique 50 de façon à ce que la mise en défaut du composant critique 10 génère la contrainte excessive sur le composant sensible 40. Le circuit électrique 50 est de préférence mis sous tension au moyen d'une alimentation stabilisée en tension non limitée en courant de façon à ne pas faire agir d'autres protections que les protections propres au circuit. Une troisième étape d'essai consiste à mesurer un comportement du circuit électrique 50 représentatif du mode de défaillance. Le comportement du circuit électrique 50 est par exemple un comportement électrique mesuré par capture de valeurs de courant consommé en régime transitoire et en régime permanent. Le comportement du circuit électrique 50 est par exemple encore un comportement thermique mesuré par capture de valeurs de température de points chauds en régime transitoire et en régime permanent. L'enchaînement d'étapes d'essais qui vient d'être expliqué, est arrêté lorsqu'une stabilisation thermique des points chauds est atteinte ou lorsqu'un départ de feu nécessite une intervention extérieure pour l'éteindre, notamment lorsque le composant sensible 40 est un condensateur tantale. On notera que le principe du procédé de mesure ou de test qui vient d'être exposé, repose essentiellement sur la connaissance des modes de défaillances des composants EE pouvant provoquer des contraintes excessives sur les condensateurs de technologie Tantale. Le procédé décrit ne met pas directement la technologie à risque (condensateur Tantale) en défaut mais identifie les composants EE en coupe d'ordre 1 vis-à-vis de l'événement redouté CCA (court-circuit aggravé). On rappelle que des composants sont en coupe d'ordre 1 lorsqu'une unique défaillance est suffisante pour provoquer l'événement redouté. Une fois le (s) mode (s) de défaillance (s) identifiés, le procédé est agencé pour les provoquer afin de connaître leur effet sur les condensateurs Tantales, et valider la propagation de la défaillance sur le modèle de circuit analysé. Lors de l'exécution du procédé, on obtient un relevé complet (transitoire et permanent) du courant alimentant la carte EE et un relevé complet (transitoire et permanent) de la température des points chauds (composants et zone PCB) jusqu'à la stabilisation thermique. En cas de dégradation visible de composants EE ou du PCB, des photographies ou un film des zones endommagées sont pris. La durée d'application de la contrainte qui permet d'atteindre une stabilisation thermique, est indiquée. On notera encore que le procédé ci dessus décrit permet de valider de façon exhaustive le comportement du circuit conçu EE en régimes transitoire et permanent, en cas de défaillances de condensateurs de types tantales, en compte notamment l'efficacité des mises en oeuvre, la propagation des sur les autres composants EE, la prise en composants dans leur environnement réel procédé est calculateurs 20 Electriques/Electroniques. Le procédé ne nécessite que très peu de moyens (équipement, personnel...) et de temps en adéquation totale avec les phases de développement Automobile, notamment de part le coût des essais très faible. 25 Le domaine d'application de l'invention est celui des véhicules en général. Le procédé selon l'invention peut s'appliquer à tout type de dispositif électrique ou électronique embarqué au sein des véhicules automobiles. De ce fait, l'invention est applicable au domaine 30 automobile, aéronautique, ferroviaire ou encore maritime. en prenant protections défaillances compte des (placement, applicable implantation, routage...). Le pour tester de nombreux REVENDICATIONS1. Procédé pour mesurer un mode de défaillance d'un composant sensible (40) dans un circuit électrique (50) comportant une pluralité de composants (10, 20, 30, 40), caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant à : identifier au moins un composant critique (10) potentiellement générateur d'une contrainte excessive sur ledit composant sensible (40) ; mettre le composant critique (10) identifié en défaut ; mettre sous tension le circuit électrique (50) de façon à ce que la mise en défaut du composant critique (10) génère ladite contrainte excessive sur le composant sensible (40) ; mesurer un comportement du circuit électrique (50) représentatif dudit mode de défaillance. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit composant sensible (40) est un condensateur tantale. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit composant critique (10) est mis en défaut en court-circuitant une sortie (5) sur une entrée (1) du composant critique (10). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on court-circuite le composant critique (10) au moyen d'une impédance calibrée pour générer une contrainte excessive qui est supérieure à une contrainte nominale exercée sur le composant sensible (40) en fonctionnement normal du circuit électrique (50). 5. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'on court-circuite le composant critique (10) aumoyen d'une impédance calibrée pour générer une contrainte excessive qui est supérieure ou égale à une contrainte maximale admissible par le composant sensible (40). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit électrique (50) est mis sous tension au moyen d'une alimentation stabilisée en tension non limitée en courant. 10 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le comportement du circuit électrique (50) est un comportement électrique mesuré par capture de valeurs de courant consommé en 15 régime transitoire et en régime permanent. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le comportement du circuit électrique (50) est un comportement thermique 20 mesuré par capture de valeurs de température de points chauds en régime transitoire et en régime permanent. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il est arrêté lorsqu'une stabilisation thermique 25 des points chauds est atteinte. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est arrêté lorsqu'un départ de feu nécessite une intervention extérieure pour 30 l'éteindre.5