Brevet FR3142559A1 — publié le 20240531

L’invention concerne un procédé de mesure par thermographie d’une surface chauffante telle qu’une surface métallique, une surface en céramique en particulier une plaque chauffante électrique (2). L’invention consiste en ce que : on dépose sur la surface à mesurer, une couche homogène et d’épaisseur constante d’un matériau de revêtement, on chauffe la surface à une température déterminée ; et on capture une image thermique de ladite surface revêtue de ladite couche de matériau de revêtement, chauffée, à l’aide d’un appareil de mesure thermique, le matériau de revêtement présentant une émissivité détectable à la température déterminée dans la gamme spectrale de l’appareil de mesure thermique (5).le matériau de revêtement présentant une émissivité supérieure à celle de la surface dans la gamme spectrale de l’appareil de mesure thermique (5). Figure 1. Procédé de mesure par thermographie d’une surface chauffante, en particulier une plaque chauffante électrique. La présente invention a pour objet un procédé de mesure par thermographie d’une surface telle qu’une surface chauffante, en particulier une plaque chauffante électrique ainsi qu’une installation pour la mise en œuvre dudit procédé. Des surfaces métalliques chauffantes telles que les plaques chauffantes électriques sont notamment utilisées par les équipementiers de machines de déposition pour l’industrie des semi-conducteurs. Ces plaques permettent la mise en température de plaquettes en silicium, connues sous le terme anglais « wafer », plaquettes sur lesquelles on dépose le substrat requis à la gravure des puces électroniques. Ces équipements sont de très haute technicité et ils doivent par conséquent être très précisément caractérisés thermiquement. De ce fait, le critère d’homogénéité thermique en surface des plaquettes chauffées est crucial pour la qualité du dépôt de ce substrat. Il est donc important de proposer une plaque chauffante présentant une homogénéité thermique permettant un chauffage homogène desdites plaquettes. Aussi, lors de la fabrication de ces plaques chauffantes, il convient de mettre en place un contrôle de l’homogénéité thermique de la surface des plaques chauffantes, qui permet à la fois une mesure précise et répétable. Afin de réaliser une mesure de l’homogénéité thermique d’une surface métallique chauffée, on connaît différents procédés. Parmi ceux-ci, il existe des procédés de mesure par contact à l’aide de thermocouples ou de sondes à résistance (RTD) et des procédés de mesure à distance par caméra infrarouge ou par pyromètre, donc sans contact. Les procédés de mesure par contact sont mis en œuvre à l’aide de thermocouples, de sondes à résistance en contact avec la surface à contrôler, ce qui s’avère relativement intrusif et peut notamment modifier localement la température de la plaque, impactant ainsi la précision de la mesure. Des résistances de contact variables suivant l’endroit de la mesure et la pression exercée sur le capteur peuvent en outre nuire à la répétabilité des mesures. De plus, on doit attendre que l’objet atteigne une température au point de contact pour obtenir une lecture correcte, phénomène qui « pompe » la chaleur de l’objet et peut donc modifier la température du point de mesure. Par conséquent, il s’ensuit des risques de dérives des mesures dans le temps, en particulier lors de l’utilisation de thermocouples. Les procédés de mesure sans contact offrent l’avantage d’une méthode non intrusive. Par conséquent, la prise de mesure n’a aucune influence sur la température à la surface de la plaque testée. Pour réaliser des mesures de température sans contact dans les applications industrielles, on utilise des caméras thermiques ou des pyromètres. Les pyromètres et les caméras thermiques fonctionnent selon le même principe : ils détectent le rayonnement infrarouge et le convertissent en mesure de température. Les caméras thermiques ont toutefois plusieurs avantages par rapport aux pyromètres. En effet, un pyromètre indique seulement une valeur, alors que les caméras thermiques produisent une image complète. Ainsi, si on utilise un procédé de mesure par pyromètre, on mesure la température d'un seul point et la cartographie de la plaque nécessite alors de réaliser un grand nombre de mesures successives sur un laps de temps pendant lequel la plaque doit rester stable en température, ce qui peut s’avérer difficile à mettre en œuvre. La thermographie réalisée avec une caméra infrarouge permet d’établir le champ de température complet d’une surface métallique à contrôler en une seule mesure et sans contact. Toutefois, pour effectuer une mesure à distance de ce type, on rencontre un problème dans la mesure où les surfaces métalliques présentent une faible émissivité aux longueurs d’onde auxquelles sont sensibles les capteurs infrarouges usuels, c’est-à-dire entre 0.76 μm et 1000 μm, ce qui est défavorable à la précision de mesure. Afin de pallier les inconvénients cités, l’invention a pour objet un procédé de mesure par thermographie d’une surface chauffante telle qu’une surface métallique, une surface en céramique, en particulier une plaque chauffante électrique, l’invention consistant en ce que : on dépose sur la surface, une couche homogène et d’épaisseur constante d’un matériau de revêtement, on chauffe la surface à une température déterminée ; et on capture une image thermique de ladite surface revêtue de ladite couche de matériau de revêtement chauffée à l’aide d’un appareil de mesure thermique, le matériau de revêtement présentant une émissivité détectable dans la gamme spectrale de l’appareil de mesure thermique. De manière avantageuse, en déposant sur la surface telle qu’une surface métallique chauffante à tester un matériau dont l’émissivité est détectable, de préférence supérieure à celle de la surface métallique pour une température donnée, dans la gamme spectrale de l’appareil de mesure thermique infrarouge utilisé, de préférence une caméra thermique infrarouge, on peut alors récupérer une image thermique de manière simple et fiable. Cette émissivité est de préférence élevée et par exemple supérieure à 70% dans le domaine de longueurs d’onde de caméras infrarouges standards, c’est-à-dire de 7,5 à 14 µm. Avantageusement, la température déterminée de chauffage est choisie dans une plage de températures correspondant à des températures d’utilisation de la surface chauffante. Dans le cas où la surface chauffante est métallique et constitue une plaque chauffante électrique, la température est choisie dans la plage de 350 à 450 °C, de préférence 400°C, température d’utilisation de ladite surface. En particulier, l’émissivité du matériau de revêtement est supérieure à celle d’une surface métallique permettant ainsi de réaliser une mesure sans risque de mesures divergentes, instables et peu fiables du fait de la faible émissivité des métaux dans la gamme spectrale d’une caméra thermique à infrarouge. Le procédé de mesure sans contact selon l’invention permet de réaliser une mesure de température de surface de manière instantanée réalisable en millisecondes, et sans action mécanique (par contact d’un capteur) sur la surface à mesurer. L’invention propose un procédé de mesure par thermographie de la surface chauffante métallique qui est simple à mettre en œuvre et permet en outre de limiter les erreurs de mesure en surface d’une plaque en métal chauffée, par exemple entre 350 et 450°C. En effet, le procédé propose de déposer une couche de revêtement lisse et homogène ce qui permet d’obtenir un état de surface le plus homogène possible. Cet état de surface permet ainsi d’avoir une mesure uniforme, fiable et répétable. Il est en effet possible que la surface métallique présente des tâches, des rugosités par endroit, des traces d’usinage ou d’oxydations (soudures, chauffes précédentes) et que la caméra thermique infrarouge les interprète alors comme des zones de température différentes. Ceci est particulièrement problématique lorsque que l’on veut évaluer l’homogénéité thermique d’une plaque chauffante, chaque endroit de la plaque pouvant présenter une émissivité différente du fait de variation d’états de surface. La présence d’un matériau de revêtement sous forme d’une couche lisse et homogène permet donc avantageusement de masquer de tels défauts de surface et de rendre les mesures répétables, en évitant des variations d’émissivité et donc de températures lues par l’appareil de mesure thermique. Le procédé de l’invention s’applique avantageusement au surface chauffante en céramique également. En effet, le procédé s’applique également à toute surface en un matériau dont l’émissivité est suffisante pour être mesurée par thermographie mais dont la mesure peut cependant être perturbée du fait de l’état de surface. Ainsi, si la surface en céramique, s’il y a des variations d’état de surface (tâches, rayures…) qui se traduisent par des variations d’émissivité et donc de températures lues par l’appareil de mesure thermique, le dépôt du matériau tel que le kaolin va uniformiser l’état de surface et donc l’émissivité qui sera en tout point la même, évitant une variation des températures lues. L’invention permet ainsi avantageusement de favoriser l’uniformité de l’émissivité de la surface à mesurer. Selon l’invention, le matériau de revêtement est un matériau inerte, non toxique et qui, en outre, est facilement retirable de la surface métallique après mesure, tout en offrant une émissivité élevée suffisante pour réaliser la mesure ans une gamme spectrale de 7,5 à 14 µm d’une caméra thermique infrarouge standard. Selon une forme préférée de l’invention, un tel matériau est constitué d’une argile blanche tel que le kaolin constitué d’un aluminosilicate, par exemple à base de kaolinite de formule Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ; ou encore à base de Al 2 SiO 7 . 2 H 2 O de masse volumique 470 kg/m3, proposé sous la dénomination commerciale « Kaolin Blanc » de la société Merck. Cette argile blanche est mélangée à de l’eau, de préférence dans les proportions suivantes de 40% d’argile blanche et 60% d’eau. Ce mélange est ensuite déposé, pulvérisé sur la plaque chauffante à tester pour former une couche de revêtement homogène, d’épaisseur constante, de surface lisse et opaque. La couche est déposée pour être homogène et opaque, et présente de préférence d’une épaisseur constante comprise entre 50 µm et 100 µm. Un tel matériau est particulièrement avantageux car la couche d’argile blanche présente une émissivité élevée, de 0,96 à une température de 400°C, entre 5 et 14 µm, bien supérieure à celle de la surface métallique nue, ce qui permet d’utiliser des caméras infrarouges de type standard présentant une gamme spectrale de 7,5 à 14 µm par exemple. De manière avantageuse, l’argile blanche étant soluble dans l’eau, on dépose le mélange selon les proportions suivantes : 40% kaolin et 60% d’eau en volume, par pulvérisation manuelle sur la surface métallique, par exemple à l’aide d’un pistolet à peinture manuel. De manière préférée, ce même mélange peut être déposé, tel que pulvérisé, sur la surface métallique chauffante à l’aide d’un dispositif de dépôt automatique tel qu’un robot avec déplacement en XY et pression régulée. De plus, il est facilement retirable par lavage à l’eau sans risque de dommage de la surface métallique. Il est important qu’il ne reste aucun résidu du matériau de revêtement sur la surface, une fois la mesure effectuée. Une fois le mélange déposé sur la surface, on sèche celle-ci, soit à l’air libre soit dans une étuve à 150°C. Un revêtement homogène, d’épaisseur constante et présentant une forte émissivité dans la gamme spectrale d’un appareil de mesure thermique tel qu’une caméra thermique infrarouge standard permet donc avantageusement de pallier les incertitudes liées aux imperfections de la surface métallique à contrôler, en particulier pour les métaux à émissivité faible à moyenne. L’invention a également pour objet une installation pour la mise en œuvre du procédé de mesure par thermographie d’une surface métallique telle qu’une plaque chauffante électrique, selon l’invention caractérisé en ce qu’elle comprend : un poste de dépose d’une couche homogène et d’épaisseur constante d’un matériau de revêtement sur la surface métallique ; un poste de mesure thermique à distance de ladite surface revêtue et chauffée, à l’aide d’un appareil de mesure thermique. Le poste de dépose est un poste de dépose par pulvérisation du mélange d’argile blanche et d’eau constitué soit d’un dispositif de dépôt manuel tel qu’un pistolet à peinture soit d’un dispositif de dépôt automatique tel qu’un robot avec déplacement en XY et pression régulée. Le poste de dépose comporte également un poste de séchage soit à l’air libre, soit pourvu d’un appareil de séchage, tel qu’une étuve. Le poste de mesure par thermographie est constitué d’un châssis comportant des moyens de suspension de la surface revêtue pour permettre le positionnement de ladite surface dans la partie supérieure du châssis, des moyens de chauffage de la surface et des moyens de support d’un appareil de mesure thermique, les moyens de suspension étant agencés pour que la surface métallique revêtue et chauffée soit suspendue avec ladite surface dirigée vers la partie inférieure du portique, c’est-à-dire en direction du sol sur lequel est érigé le châssis, les moyens de support étant agencés pour que l’appareil de mesure thermique soit dirigé vers la surface chauffée revêtue suspendue. Ainsi, une caméra thermique infrarouge est posée sur le sol à l’aide des moyens de support tandis que la surface revêtue et chauffée, est suspendue au-dessus de ladite caméra thermique infrarouge, ce qui permet avantageusement de limiter les effets de la convection sur la surface métallique chauffée et donc les turbulences pouvant perturber la mesure. Afin de fiabiliser encore plus la mesure, le poste de mesure comprend également un écran de protection entourant la zone de mesure entre la surface métallique revêtue et la caméra thermique infrarouge afin d’atténuer les effets parasites de l’environnement. En effet, l’humidité de l’air peut absorber une partie du rayonnement, les éclairages ou autres sources à proximité peuvent parasiter la caméra infrarouge ou même encore la ventilation au sein du poste. L’écran de protection permet de manière avantageuse, de maîtriser ces paramètres ce qui contribue à obtenir une mesure thermique à distance par la caméra infrarouge fiable, non intrusive et répétable. On décrira maintenant l’invention plus en détails en référence au dessin dans lequel est représenté : une vue en perspective latérale d’un poste de mesure d’une installation pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention. Afin de réaliser une plaque chauffante en métal, une galette de métal tel que de l’acier, des alliages à base de nickel, est usinée. L’usinage permet ainsi de former une surface métallique à l’arrière de laquelle est logé un câble électrique chauffant. Du fait de leur utilisation dans le domaine de l’électronique, ces plaques doivent être très précisément caractérisés thermiquement. En particulier, le critère d’homogénéité thermique en surface est crucial. Aussi, lors de la fabrication de ces plaques chauffantes, il est important de pouvoir contrôler ce critère d’homogénéité thermique à l‘aide d’une mesure de la température en surface qui doit être précise et répétable, permettant en particulier de limiter les erreurs de mesure en surface d’une plaque chauffée à 400°C , température qui correspond à la température en utilisation. A cet effet, on réalise une mesure de la température sans contact de la surface de la plaque chauffante à l’aide d’une caméra thermique infrarouge, permettant ainsi d’obtenir à distance et sans contact, une image de l’ensemble de la surface de la plaque chauffante. Afin de réaliser une mesure fiable et répétable d’une plaque à une autre, le procédé selon l’invention propose, dans une installation selon l’invention, de déposer une couche de matériau de revêtement inerte tel qu’une argile blanche, de préférence du kaolin, sur la surface de la plaque chauffante pour constituer un revêtement homogène, de surface lisse et d’épaisseur constante, sur ladite surface métallique. Un tel revêtement confère un état de surface homogène ce qui permet une mesure fiable et répétable à l’aide d’une caméra infrarouge. Ainsi, les tâches, les rugosités éventuellement présentes par endroit à la surface métallique, sont masquées par la couche de matériau déposée ce qui évite que la caméra infrarouge ne les interprète comme des zones de température différente. La couche de revêtement permet donc de réaliser une mesure qui permet d’évaluer l’homogénéité thermique sans risque qu’un endroit de la plaque puisse présenter une émissivité différente du fait de variation d’états de surface, ce qui donnerait ainsi des résultats « erronés » quant au critère d’homogénéité réel. Le matériau de revêtement choisi est constitué d’une argile blanche, tel que le kaolin, comprenant un aluminosilicate (Al 2 SiO 7 .2H 2 O de masse volumique de 470 kg/m3). L’émissivité de l’argile blanche ou kaolin est très élevée dans la gamme spectrale entre 5 et 14 µm, correspondant à celle de la caméra thermique infrarouge utilisée, de type standard. Cette couche de matériau de revêtement autorise l’utilisation d’une caméra infrarouge de gamme spectrale standard (donc pour de grandes longueurs d’onde et une température de 400°C.) L’argile blanche ou kaolin étant facilement soluble dans l’eau, on prépare un mélange dans les proportions suivantes : 40% kaolin et 60% d’eau en volume. Ce mélange est alors aisément pulvérisé sur la plaque chauffante afin de réaliser la couche de revêtement présentant une surface lisse, opaque et homogène. Ce mélange est ainsi déposé dans un poste de dépose soit à l’aide d’un pistolet à peinture de type manuel, de façon régulière en croisant les passes, à env. 40cm de la surface à traiter. En variante, et de manière préférée, le poste de dépose comprend un dispositif de dépôt automatique tel qu’un robot avec déplacement en XY et pression régulée, qui quadrille la plaque chauffante à une distance de 30 à 50 cm afin d’obtenir une épaisseur constante de manière répétée. De préférence, l’épaisseur de kaolin déposé est dans une plage d’épaisseur entre 50 µm et 100 µm. Une épaisseur choisie dans cette plage est optimale pour éviter tout risque d’écaillage tout en étant suffisamment opaque. Une fois le mélange déposé, on sèche, la plaque chauffante revêtue, de préférence en étuve à 150°C. Ainsi, l’argile blanche dissoute dans l’eau est déposée en fine couche de manière relativement facile à contrôler, masquant l’état de surface de la plaque qui est en quelque sorte remis à zéro. Une fois le dépôt sec, le revêtement est suffisamment adhérent pour que l’on puisse manipuler la plaque chauffante ainsi traitée sans risque de décollement de la couche de revêtement. La couche de revêtement déposée ainsi obtenue offre une émissivité de 0.96 à 400°C. Cette valeur est déterminée au préalable par comparaison à un thermocouple type K gainé inox et de diamètre 0,5 mm mesurant la température de surface de la plaque en un endroit précis. La caméra thermique utilisée mesure en parallèle le même endroit, l’émissivité entrée dans la caméra est alors modifiée jusqu’à ce que caméra et thermocouple indiquent la même valeur. Cette double mesure est réalisée de nombreuses fois en différents endroits de la plaque. Le dépôt (revêtement) est stable jusqu’à 600°C, il permet donc de faire des tests d’homogénéité thermique sur n’importe quel support jusqu’à ce niveau de température. Ainsi, la caméra thermique infrarouge est réglée de manière fiable pour engager une chaîne de mesure de contrôle, ce qui permet de réaliser des mesures de contrôle de l’homogénéité thermique de plaques chauffantes fiables. La plaque chauffante revêtue de kaolin est mise en place dans un poste de mesure thermique. Ce poste comprend un châssis 1 constitué de trois montants 11 verticaux reposant par une partie inférieure ou pied 11a sur une surface d’appui, telle que le sol S d’une salle de mesure. L’extrémité supérieure 11b du montant 11 porte une traverse 12, les trois traverses 12 au niveau de leur jonction présentant des moyens de suspension 3 de la plaque chauffante 2 et des moyens de chauffage de la plaque, tels que des moyens de connexion électrique pour chauffer la plaque 2. Ces moyens de suspensions sont notamment constitués d’une embase 31 fixée aux traverses 12 et d’un fût 32 sur lequel est fixée la plaque chauffante électrique 2 avec sa surface revêtue du kaolin dirigée vers le sol. Des moyens de support 4 de la caméra thermique infrarouge 5 sont positionnés sur le sol, avec l’objectif de la caméra thermique infrarouge 5 tourné vers la surface revêtue suspendue au-dessus. Le maintien de la plaque chauffante 2 par les moyens de suspension 3 du châssis 1 avec sa surface chauffante dirigée vers le sol et au-dessus de la caméra thermique infrarouge 5 positionnée à proximité du sol et dirigée vers ladite surface métallique chauffée, permet de limiter les turbulences liées aux effets de la convection à la surface de la plaque 2. Un écran de protection 6 périphérique entoure la zone de mesure et permet ainsi d’atténuer les effets parasites de l’environnement Une fois la température de la plaque 2 stabilisée, il est possible de faire des thermographies infrarouges avec une répétabilité de ± 1°C à 400°C. Ceci permet de réaliser un test de performance fiable en fin de fabrication et de s’assurer qu’il n’y a pas de dérive en production. En fin de test, l’argile blanche peut être retirée facilement par lavage à l’eau, par exemple à l’aide d’un jet d’eau déminéralisée. Procédé de mesure par thermographie d’une surface thermographie d’une surface chauffante telle qu’une surface métallique, une surface en céramique, en particulier une plaque chauffante électrique , caractérisé en ce que : on dépose sur la surface à mesurer, une couche homogène et d’épaisseur constante d’un matériau de revêtement, on chauffe la surface à une température déterminée ; et on capture une image thermique de ladite surface revêtue de ladite couche de matériau de revêtement, chauffée, à l’aide d’un appareil de mesure thermique, le matériau de revêtement présentant une émissivité détectable à la température déterminée dans la gamme spectrale de l’appareil de mesure thermique (5). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’émissivité du matériau est supérieure à celle de la surface chauffante à la température déterminée, dans la gamme spectrale de l’appareil de mesure thermique (5). Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface chauffante est une surface métallique tel qu’une plaque chauffante électrique, chauffée à une température déterminée dans une plage de 350 à 450°C. Procédé selon l’une des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau de revêtement est une argile blanche tel que le kaolin constitué d’un aluminosilicate, à savoir Al 2 SiO 7 . 2 H 2 O de masse volumique de 470 kg/m 3 . Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’on mélange l’argile blanche à de l’eau, de préférence dans les proportions suivantes de 40% d’argile blanche et 60% d’eau puis le mélange est déposé pour former une couche d’épaisseur constante comprise entre 50 µm et 100 µm. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que on dépose le mélange par pulvérisation sur la surface soit à l’aide d’un dispositif de dépôt manuel tel qu’un pistolet à peinture manuel, soit à l’aide d’un dispositif de dépôt automatique tel qu’un robot avec déplacement en XY et pression régulée. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu’une fois le mélange déposé sur la surface, on sèche celle-ci soit à l’air libre soit dans une étuve à 150°C. Procédé selon l’une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la couche d’argile blanche présente une émissivité élevée, de 0,96 à une température de chauffe de 400°C, dans une gamme spectrale entre 5 et 14 µm. Installation pour la mise en œuvre d’un procédé de mesure par thermographie d’une surface chauffante telle qu’une surface métallique, une surface en céramique, en particulier une plaque chauffante électrique, selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend : un poste de dépose d’une couche homogène et d’épaisseur constante d’un matériau de revêtement sur la surface ; et un poste de mesure thermique à distance de ladite surface revêtue et chauffée, à l’aide d’un appareil de mesure thermique. Installation selon la revendication 9, caractérisé en ce que le poste de dépose est un poste de dépose par pulvérisation sur la surface d’un mélange d’argile blanche et d’eau, constitué soit d’un dispositif de dépôt manuel tel qu’un pistolet à peinture, soit d’un dispositif de dépôt automatique tel qu’un robot avec déplacement en XY et pression régulée. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le poste de dépose comporte également un appareil de séchage, tel qu’une étuve. Installation selon l’une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que le poste de mesure par thermographie est constitué d’un châssis (1) comportant des moyens de suspension (3) de la surface (2) revêtue pour permettre le positionnement de ladite surface (2) dans la partie supérieure du châssis (1), des moyens de chauffage de la surface (2) et des moyens de support (4) d’un appareil de mesure thermique, les moyens de suspension (3) étant agencés pour que la surface métallique (2) revêtue et chauffée soit suspendue avec ladite surface dirigée vers la partie inférieure du portique, c’est-à-dire en direction du sol (S) sur lequel est érigé le châssis (1), les moyens de support (4) étant agencés pour que l’appareil de mesure thermique soit dirigé vers la surface chauffée (2) revêtue suspendue. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le poste de mesure comprend également un écran de protection (6) entourant la zone de mesure entre la surface (2) revêtue et l’appareil de mesure thermique (5).