Brevet FR2959031A1 — publié le 20111021

PROCEDE D'EVALUATION DE LA FIABILITE D'UN EQUIPEMENT ELECTRONIQUE La présente invention concerne un procédé d'estimation de la fiabilité et de la durabilité d'un équipement électronique pour véhicule soumis à des stress en tensions présentant des motifs transitoires réguliers. Dans un souci de gain en consommation de carburant et de préservation de l'environnement, les développements futurs des constructeurs automobiles porteront essentiellement sur des véhicules hybrides. Cette rupture technologique entraîne des impacts importants au niveau AEE (Architecture Electrique Electronique) notamment en termes de sollicitation de certains éléments électroniques de commutation, tels que des interrupteurs, des relais, ou des puces (« smarts »). Dans un véhicule hybride, des phases de vie du véhicule telles que le redémarrage du moteur thermique, ou la recharge de la batterie, peuvent entraîner des fluctuations de la tension d'alimentation ou des variations de tension sur les entrées/sorties de l'équipement électronique. Par rapport à un véhicule utilisant uniquement un moteur thermique, ces régimes transitoires ne sont plus négligeables. Par exemple, pour un véhicule utilisant uniquement un moteur thermique le démarrage du moteur thermique à lieu lors de la mise en fonctionnement du véhicule, alors que dans un véhicule hybride le démarrage du moteur thermique peut avoir lieu pendant le fonctionnement du véhicule. Ces nouveaux stress électriques peuvent avoir des impacts sur la durabilité et/ ou la fiabilité de l'équipement électronique. Pour répondre à cette problématique complexe, il est nécessaire de mettre en oeuvre une analyse de l'équipement électronique orientée électronique et Sûreté de Fonctionnement (SdF). On connaît des normes d'analyse de fiabilité prévisionnelle. Cependant les modèles de fiabilité utilisés par ces normes sont valables pour des signaux en régime permanent, et ne prennent pas en compte les stress électriques transitoires. La demande de brevet FR-A-2876452 décrit un procédé pour optimiser une séquence de sollicitation d'un essai accéléré en contrainte. Le procédé utilise la loi d'Arrhenius pour les équipements sollicités uniquement en température. Le procédé permet d'affiner les séquences d'essai. Il existe donc un besoin pour une méthode de test de fiabilité pour des équipements électroniques qui subissent des stress électriques transitoires réguliers. Pour cela, l'invention propose un procédé d'estimation de la fiabilité d'un équipement électronique pour véhicule comportant des composants électroniques, le procédé comprenant : - la détermination du taux de défaillance des composants de l'équipement sous l'effet d'une première condition de tension appliquée aux composants et à une température moyenne atteinte en cours d'utilisation de l'équipement ; - la détermination d'une première valeur d'auto-échauffement des composants soumis à la première condition de tension et à une température prédéterminée; caractérisé en ce que le procédé comprend en outre - la détermination d'une deuxième valeur d'auto-échauffement des composants soumis à une deuxième condition de tension à la même température prédéterminée ; - la comparaison de la différence des première et deuxième valeurs d'auto- échauffement par rapport à un seuil d'auto-échauffement, et, pour les composants pour lesquels la différence des première et deuxième valeurs d'auto-échauffement est supérieure au seuil d'auto-échauffement, - l'établissement pour ces composants de l'évolution de leur taux de défaillance en fonction d'une augmentation de température, puis - la détermination de l'effet de l'évolution du taux de défaillance de ces composants sur le taux de défaillance global de l'équipement. Selon une variante, la détermination du taux de défaillance des composants de l'équipement est réalisée en fonction d'un modèle et d'une norme. Selon une variante, l'établissement de l'évolution du taux de défaillance est réalisé par - la détermination des taux de défaillance 2(T) sous l'effet de la première condition de tension et sous l'effet d'une température T=Tnom + AT obtenue par des incrémentations AT successives de la température moyenne Tnom atteinte en cours d'utilisation de l'équipement ; - le rapport entre les taux de défaillance 2(T) et le taux de défaillance 4 pour obtenir un taux de défaillance réduit déterminé à partir de l'expression À(T) " "réduu - l'établissement de courbes, pour chaque composant, de la variation du taux de défaillance réduit en fonction de l'incrémentation de la température moyenne atteinte en cours d'utilisation de l'équipement. Selon une variante, la détermination de l'effet de l'évolution du taux de défaillance des composants sur le taux de défaillance global de l'équipement est réalisée par : - la détermination sur les courbes respectives des composants du taux de défaillance réduit pour une incrémentation de la température correspondant à la différence des première et deuxième valeurs d'auto-échauffement desdits composants, - le calcul du taux de défaillance global de l'équipement à partir du taux de défaillance de chaque composant de l'équipement, le taux de défaillance étant augmenté du taux de défaillance réduit le cas échéant. Selon une variante, le seuil d'auto-échauffement est de 5°C. Selon une variante, le procédé comprend en outre, - la comparaison du taux de défaillance global de l'équipement à des spécifications, et, si taux de défaillance global de l'équipement est supérieur aux spécifications, - une étape de réalisation d'actions correctives sur la conception des composants. Selon une variante, les étapes du procédé sont réalisées sur des composants sélectionnés en fonction de leur exposition aux conditions de tensions appliquées à l'équipement électronique. Selon une variante, l'équipement électronique est un calculateur de véhicule hybride. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre 20 d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui montrent : - figure 1, un schéma présentant l'évaluation de la fiabilité et de la durabilité d'un équipement électronique ; - figure 2, un graphe représentant le taux de défaillance réduit de composants de l'équipement électronique en fonction d'une variation de température. 25 L'invention se rapporte à un procédé d'évaluation de la fiabilité d'un équipement électronique. L'évaluation de la fiabilité et de la durabilité de l'équipement électronique prend en données d'entrée le profil de vie de l'équipement. Le profil de vie désigne l'ensemble des conditions d'utilisation de l'équipement, et est constitué du profil de mission environnemental et du profil de 30 sollicitations des interfaces de l'équipement. Le profil de mission environnemental définit les contraintes environnementales exercées sur l'équipement électronique. Ces contraintes environnementales dépendent principalement de la zone d'implantation de l'équipement électronique dans le véhicule, ainsi que de la zone géographique de vente du véhicule. Le profil de 35 mission environnemental peut comprendre par exemple la température T, le niveau de vibration exprimé en GRMS, ou l'humidité relative RH. Le profil de sollicitation des interfaces peut être composé des signaux d'entrée d'une part et des signaux de sortie d'autre part. Durant les étapes de test un fonctionnel, c'est-à-dire un ensemble de signaux liés à une application, est appliqué sur l'équipement. Le fonctionnel utilise les états des entrées de l'équipement, et a une influence sur les états de sortie et le comportement thermique de l'équipement. Le procédé de l'invention comprend une étape d'étude de fiabilité prévisionnelle électronique des composants de l'équipement électronique. L'objectif de cette étude est d'estimer théoriquement la fiabilité des composants électroniques mis en application sur l'équipement électronique pour ainsi déterminer la fiabilité et la durabilité de l'équipement électronique. L'étude de fiabilité prévisionnelle utilise des recueils de fiabilité tels que les normes RDF2000, ou FIDES 2004. L'étude est réalisée sous l'effet d'une première condition de tension constante et d'une température prédéterminée Tnom appliquées aux composants. La température prédéterminée Tnom correspond à la température moyenne extérieure lors d'une utilisation selon un profil de mission (voir figure 1). Cette étape comprend la détermination du taux de défaillance des composants sous l'effet de la première condition de tension appliquée aux composants et de la température Tnom. On obtient le taux de défaillance global de l'équipement avec l'ensemble des taux de défaillance de chaque composant de l'équipement. Lorsque la température est un facteur de stress principal, le modèle d'Arrhenius est utilisé pour déterminer la fiabilité de l'équipement. C'est en particulier le cas pour les équipements comprenant un diélectrique, un semi-conducteur, du plastique, ou un filament de lampe incandescente. Le modèle d'Arrhenius est défini par l'expression suivante B` z=Axexp ù T, où, i est la durée de vie moyenne du composant, A est une constante expérimentale spécifique au composant, B est une constante égale à , avec Ea b l'énergie d'activation du composant en électronVolt (eV), et Kb la constante de Boltzmann égale à 8,62x10-5 eV/K, T est la température du composant exprimée en Kelvin (K). Le taux de défaillance est en relation avec la durée de vie moyenne déterminée par l'expression précédente. L'énergie d'activation Ea est propre à chaque famille de composants électroniques. Le tableau 1 ci-dessous présente les énergies d'activation en fonction des familles et technologies des composants électroniques obtenues à partir des normes de fiabilité prévisionnelle RDF2000, ou FIDES 2004. Tableau 1 Types de composants Ea (en eV) Condensateurs céramiques 0,1 Condensateurs 0,12 électrolytiques solides Condensateurs tantale 0,15 Composants magnétiques 0,15 Résistances 0,15 Condensateurs plastique 0,25 Transistors MOS, IGBT 0,3 Condensateurs aluminium 0,4 solide Photocoupleurs 0,4 Diodes 0,4 Transistors bipolaires, 0 ,4 ASGA Diodes LED 0,6 Circuits intégrés 0,7 Plus l'énergie d'activation Ea est élevée, plus la famille du composant est sensible à une augmentation de température, et donc plus son taux de défaillance augmente par rapport aux autres familles de composants électroniques. Le graphe à droite du schéma explicatif de la figure 1 présente un exemple de l'évolution du taux de défaillance de l'équipement en fonction du temps exprimé en années. La vie de l'équipement électronique peut être décomposée en une période de jeunesse, une période de « vie utile », et une période de vieillesse. La durabilité caractérise la durée de la vie utile de l'équipement. La défiabilité caractérise l'augmentation du taux de défaillance depuis le début jusqu'à la fin de la vie utile de l'équipement. Les prévisions réalisées à l'aide des normes de fiabilité sont valables uniquement pendant la période de «vie utile» de l'équipement. En figure 1 la période de vie utile correspond au fond de la courbe en forme de « baignoire ». La première condition de tension peut être une tension nominale d'utilisation de l'équipement. La première condition de tension peut être par exemple une tension constante de 13,5V, ou de 14V. La température Tnom peut être une température nominale de l'équipement correspondant à la température moyenne atteinte en cours d'utilisation. Par exemple la température Tnom est égale à 50°C. Le profil de vie peut être un profil de vie moyen représentatif d'un fonctionnement nominal de l'équipement. L'étape de fiabilité prévisionnelle peut indiquer que la température est le facteur de stress principal parmi les paramètres du profil de mission environnemental. 5 Les modèles de fiabilité utilisés par les normes n'étant valables que pour des profils de vie en régime permanent, tels que des stress thermiques ou électriques constants, le procédé de l'invention comprend alors une étape d'essai de validation thermique. A cette étape, l'équipement dont le taux de défaillance des composants a été déterminé théoriquement à l'étape précédente, est soumis à des conditions de stress thermique et électrique variables. Cette étape comprend la détermination de l'auto-échauffement des composants, afin de déterminer la température maximale subie par les composants dans leur environnement. L'auto-échauffement est défini comme la différence de température entre la température au voisinage du composant et la température ambiante extérieure à l'équipement. Cet essai permet de vérifier l'étude théorique sur les caractéristiques de l'équipement réalisée dans l'étape précédente. Par exemple l'essai de validation thermique permet de vérifier les calculs de puissances dissipées, ou les hypothèses d'échauffement prises en compte dans les études de fiabilité prévisionnelle électronique. L'essai se déroule de la façon suivante : - une tension d'alimentation est appliquée à l'équipement ; - un fonctionnel représentatif d'une utilisation de l'équipement dans un véhicule (situation de vie client) est défini ; le fonctionnel peut correspondre par exemple à un autoradio fonctionnant en mode FM avec un volume de niveau 20 selon les normes utilisées par la demanderesse ; - on connaît la température ambiante de test pour le calcul de l'auto-échauffement ; il s'agit par exemple de la température ambiante du laboratoire lors du test; - la température des composants est ensuite acquise, la température étant la 25 température à la surface du boîtier du composant. L'essai peut être réalisé à une première et une seconde température ambiante prédéterminée. Par exemple l'essai peut être réalisé à une température de T1 de 23°C et à une température de T2 de 85°C. Pour chaque température ambiante, on vérifie que l'équipement est 30 fonctionnel, c'est-à-dire que l'équipement continue à envoyer des informations selon le fonctionnel défini ci-dessus (par exemple, l'autoradio fonctionne correctement en mode FM avec un volume de niveau 20). Pour les composants passifs, la température acquise est la température de boîtier. On vérifie que la température du composant passif reste inférieure à une 35 valeur maximale admissible par le composant. Pour les composants actifs, la température du composant est égale à la température de jonction définie comme la somme de la température de boîtier et du produit de la puissance dissipée par le composant par la résistance thermique de jonction/boîtier du composant. L'auto-échauffement correspond ici au produit de la puissance dissipée par le composant par la résistance thermique de jonction/boîtier du composant. L'essai de validation thermique permet de valider que les échauffements sont transposables de la température Ti à la température T2 car parmi les trois modes d'échange thermique (convection, conduction et rayonnement), le mode d'échange thermique prépondérant est la conduction thermique par entre autres le plan de masse, les pattes du composant, le radiateur ou la soudure. Les températures peuvent être mesurées par des thermocouples et/ou une caméra thermique. Pour s'affranchir des résultats erronés, on attend la stabilisation thermique pour réaliser la mesure des températures. L'étape d'essai de validation thermique est réalisée pour une tension d'alimentation correspondant à la première condition de tension, ce qui permet d'obtenir une première valeur d'auto-échauffement des composants et également à une deuxième condition de tension, ce qui permet d'obtenir une deuxième valeur d'auto-échauffement des composants (pour une même température prédéterminée T1 ou T2 par exemple). La deuxième condition de tension est un profil de stress en tension particulier, qui présente des motifs transitoires réguliers. Le procédé de l'invention comprend ensuite pour chaque composant une étape de comparaison à une température prédéterminée de la différence des première et deuxième valeurs d'auto-échauffement par rapport à un seuil d'auto-échauffement. La température prédéterminée peut être la température Ti, ou la température T2. Cette comparaison peut être obtenue par exemple en superposant les cartographies thermiques mesurées à la température Ti pour respectivement la première condition de tension (Tension_nominale) et la seconde condition de tension (Tension_à_étudier). Le seuil d'auto-échauffement est par exemple de 5°C. Pour les composants pour lesquels la différence des première et deuxième valeurs d'auto-échauffement est inférieure au seuil : Auto _ echauf _ Cmpt _ Tenion _ no min ale ù Auto _ echauf _ Cmpt _Tension _ à _ étudier 5°C on peut considérer que stress en tension n'a pas d'impact sur la fiabilité ni sur la durabilité de ces composants. Le taux de défaillance de ces composants calculé lors de la première étape est validé. Pour les composants pour lesquels la différence des première et deuxième valeurs d'auto-échauffement est supérieure au seuil d'auto-échauffement : Auto _ echauf _ Cmpt _Tension _ no min ale ù Auto _ echauf _ Cmpt _Tension _ à _ étudier > 5°C on procède à nouveau au calcul de la fiabilité sur le composant et donc la durabilité de l'équipement. On procède ainsi à l'établissement de l'évolution du taux de défaillance en fonction de l'augmentation de la température. En effet, cela signifie que l'influence du stress de la tension à étudier peut avoir un impact thermique sur les composants électroniques en relation direct avec le stress. Les facteurs dits « qualitatifs » (routage/implantation...) sont également prise en compte puisque les autres composants électroniques/électriques û EE û (en lien indirects avec le stress) peuvent subir l'échauffement des composants EE en lien direct avec le stress. Pour réaliser l'étude du taux de défaillance des composants en fonction de la température du composant, on trace les courbes du taux de défaillance (ou courbes de défiabilité) en fonction de la température ambiante externe à l'équipement à l'aide des modèles (par ex. norme FIDES) mis en oeuvre lors de l'étape de l'étude de fiabilité prévisionnelle ci-dessus, et ce, pour chaque grande famille et technologie de composant présentes dans l'équipement et présentant un delta d'auto échauffement supérieure à +5°C. Famille Technologie Condensateur Condensateur céramique Condensateur chimique Condensateur tantale... Résistance Résistance bobinée à faible dissipation Résistance bobinée à forte dissipation Chips résistif... Diode Diode signal Pour cela, on effectue à nouveau le calcul de taux de défaillance réalisé lors de l'étape de l'étude de fiabilité prévisionnelle ci-dessus en faisant varier le champ température de l'item « profil de mission environnemental » de l'item « profil de vie » de l'équipement. Le taux de défaillance des composants va augmenter en fonction de la température ambiante. De préférence toutes les courbes du taux de défaillance en fonction de leur famille et technologie sont reportées sur un unique graphique pour mieux constater le ou les composants pénalisant. Pour cela, on établit les courbes, pour chaque composant, de la variation du taux de défaillance réduit Xréduit en fonction de la température T=Tnom + AT obtenue par des incrémentations AT de la température moyenne Tnom. Le taux de défaillance réduits Xréduit est déterminé à partir de l'expression 2 éduit où X(T) est le taux de défaillance déterminé sous l'effet de la première condition de tension et sous l'effet d'incrémentations successives de la température moyenne en cours d'utilisation de l'équipement (soit Tnom + AT, l'incrémentation étant par exemple de 5°C depuis Tnom), X0 est le taux de défaillance du composant sous l'effet de la première condition de tension et de la température Tnom tel que déterminé lors de l'étape d'étude de fiabilité prévisionnelle. Le taux de défaillance réduit Xréduit est un facteur aggravant le taux de défaillance X0 des composants. La figure 2 présente un exemple de l'établissement des courbes, pour chaque composant, de la variation du taux de défaillance réduits acquis sur des composants en fonction de la différence de température Delta T correspondant à l'incrément par exemple de 5°C depuis Tnom. Les courbes 4-8 correspondent respectivement à un circuit intégré, un condensateur aluminium solide, un transistor MOS, une résistance, et un condensateur céramique. De préférence, dans un souci de simplification du procédé, on ne réalise l'établissement de ces courbes que pour les composants dont la différence des première et deuxième valeurs d'auto-échauffement entraîne une élévation du taux de défaillance au-delà du seuil d'auto-échauffement (par exemple de 5°C). Pour les composants dont la différence de l'auto-échauffement dans la première condition de tension et de l'auto-échauffement dans la deuxième condition de tension est supérieure au seuil (de 5°C par exemple), on relève sur la courbe respective le taux de défaillance réduits Xréduit en fonction de cette différence. Par exemple, sur la courbe 5, pour une différence de 10°C entre l'auto-échauffement dans la première condition de tension et l'auto-échauffement dans la deuxième condition de tension, le taux de défaillance réduits Xréduit est d'environ 5. Le taux de défaillance X0, pour les composants de la famille et de la technologie des condensateurs aluminium solide, tel que déterminé lors de l'étape d'étude de fiabilité prévisionnelle est aggravé d'un facteur 5. On procède ainsi pour tous les composants pour lesquels la différence des première et deuxième valeurs d'auto-échauffement est supérieure au seuil d'auto-échauffement. On calcule ensuite à nouveau le taux de défaillance global de l'équipement, chaque taux de défaillance étant augmenté du taux de défaillance réduit le cas échéant. Puis, on compare le taux de défaillance global de l'équipement à des spécifications pour déterminer si l'équipement est suffisamment fiable et durable. Le taux de défaillance global est comparé au taux de défaillance global maximal admissible déterminé par l'exigence spécifiée de fiabilité. Si le taux de défaillance global de l'équipement est inférieur aux spécifications, l'équipement est validé. Si le taux de défaillance de l'équipement est supérieur aux spécifications, l'équipement est invalidé, et l'on procède alors à des actions correctives sur la conception des composants les plus pénalisants. Selon un mode de réalisation, les étapes du procédé sont réalisées sur des composants sélectionnés en fonction de leur exposition aux conditions de tensions appliquées à l'équipement électronique. Les composants directement en lien avec les conditions de tensions appliquées à l'équipement électronique sont appelés composants de «rang 1 ». L'entrée de ces composants subit directement les variations de tension d'alimentation. Les autres composants qui ne sont pas directement en lien avec les conditions de tensions appliquées à l'équipement peuvent être appelés composants de «rang 2 ». Pour ces composants de rang 2, un autre composant est positionné entre la source de tension et leur entrée. Ces composants sont donc moins critiques que les composants de rang 1 pour établir la fiabilité et la durabilité de l'équipement vis-à-vis d'un stress en tension particulier. Le procédé de l'invention permet de valider la fiabilité et la durabilité des équipements électroniques soumis à des stress en tension particuliers. Le procédé de l'invention nécessite peu de moyens (équipement, main d'oeuvre par exemple) et de temps. Le procédé est applicable sur tous types de calculateur. En particulier, le procédé peut être utilisé dans un calculateur électronique de véhicule hybride. Le procédé est compatible avec les phases de développement du véhicule et présente un coût faible. REVENDICATIONS1. Un procédé d'estimation de la fiabilité d'un équipement électronique pour véhicule comportant des composants électroniques, le procédé comprenant : - la détermination du taux de défaillance (X0) des composants de l'équipement sous l'effet d'une première condition de tension appliquée aux composants et à une température moyenne (Tnom) atteinte en cours d'utilisation de l'équipement ; - la détermination d'une première valeur d'auto-échauffement des composants soumis à la première condition de tension et à une température prédéterminée; caractérisé en ce que le procédé comprend en outre - la détermination d'une deuxième valeur d'auto-échauffement des composants soumis à une deuxième condition de tension à la même température prédéterminée ; - la comparaison de la différence des première et deuxième valeurs d'auto-échauffement par rapport à un seuil d'auto-échauffement, et, pour les composants pour lesquels la différence des première et deuxième valeurs d'auto-échauffement est supérieure au seuil d'auto-échauffement, - l'établissement pour ces composants de l'évolution de leur taux de défaillance en fonction d'une augmentation de température, puis - la détermination de l'effet de l'évolution du taux de défaillance de ces composants 20 sur le taux de défaillance global de l'équipement. 2. Le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination du taux de défaillance des composants de l'équipement est réalisée en fonction d'un modèle et d'une norme. 3. Le procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que 25 l'établissement de l'évolution du taux de défaillance est réalisé par - la détermination des taux de défaillance (X(T)) sous l'effet de la première condition de tension et sous l'effet d'une température T=Tnom + AT obtenue par des incrémentations AT successives de la température moyenne Tnom atteinte en cours d'utilisation de l'équipement ; 30 - le rapport entre les taux de défaillance (X(T)) et le taux de défaillance (X0) pour obtenir un taux de défaillance réduit (Xréduit) déterminé à partir de l'expression 2 édu À(T)- l'établissement de courbes, pour chaque composant, de la variation du taux de défaillance réduit (Xréduit) en fonction de l'incrémentation de la température moyenne atteinte en cours d'utilisation de l'équipement (Tnom + AT). 4. Le procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la détermination de l'effet de l'évolution du taux de défaillance des composants sur le taux de défaillance global de l'équipement est réalisée par : - la détermination sur les courbes respectives des composants du taux de défaillance réduit (Xréduit) pour une incrémentation de la température correspondant à la différence des première et deuxième valeurs d'auto-échauffement desdits composants, - le calcul du taux de défaillance global de l'équipement à partir du taux de défaillance de chaque composant de l'équipement, le taux de défaillance étant augmenté du taux de défaillance réduit (Xréduit) le cas échéant. 5. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le seuil d'auto-échauffement est de 5°C. 6. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre, - la comparaison du taux de défaillance global de l'équipement à des spécifications, et, si taux de défaillance global de l'équipement est supérieur aux spécifications, - une étape de réalisation d'actions correctives sur la conception des composants. 7. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les étapes du procédé sont réalisées sur des composants sélectionnés en fonction de leur exposition aux conditions de tensions appliquées à l'équipement électronique. 8. Le procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'équipement électronique est un calculateur de véhicule hybride.