PROCEDE ET DISPOSITIF D’ESTIMATION DU VIEILLISSEMENT D’UN COMPOSANT ELECTRONIQUE

L’invention concerne le domaine de l’électronique et plus particulièrement un procédé et un dispositif d’estimation du vieillissement d’un composant électronique.

Il est connu d’estimer la durée de vie d’un composant électronique en fonction de test calibrés prévoyant un profil de fonctionnement ou spécification thermique comprenant une pluralité de plages de fonctionnement définies chacune par une température de fonctionnement et par une durée. Tant que le composant électronique n’a pas « consommé » ledit profil, il est censé rester opérationnel. Cependant le composant électronique présente le plus souvent un profil de vie qui ne reproduit pas le profil de test. Les conséquences d’une défaillance d’un composant électronique peuvent être très variables, du simple arrêt de la fonction réalisée à un incendie/explosion ou d’autres conséquences pouvant mettre en danger des vies humaines, particulièrement dans l’automobile où des fonctions critiques sont confiées à l’électronique.

Aussi est-il avantageux de pouvoir estimer le vieillissement d’un composant électronique afin de prévoir une maintenance avant une défaillance potentiellement critique.

Pour cela l’invention propose un procédé d’estimation du vieillissement d’un composant électronique comprenant les étapes suivantes : - compilation d’une spécification thermique du composant électronique afin de déterminer une durée de vie de référence, - détermination d’une quantité de température de référence, - mesure de la température réelle du composant électronique en fonctionnement, - détermination d’une quantité de température réelle, - détermination d’un temps de fonctionnement équivalent à la température réelle, - transposition de ce temps de fonctionnement équivalent à la température de référence pour obtenir un temps de fonctionnement équivalent transposé,

- cumul des temps de fonctionnement équivalent transposés pour obtenir une durée de vie consommée, comparable à la durée de vie de référence.

[0006] Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :

· une spécification thermique comprend une série de couples température spécifiée, temps de fonctionnent spécifié et sa compilation comprend les étapes suivantes : - choix d’une température de référence, - pour chaque couple, correction du temps de fonctionnement spécifié, par transposition de ce temps de fonctionnement spécifié à la température de référence pour obtenir un temps de fonctionnement spécifié transposé, - sommation de tous les temps de fonctionnement spécifiés transposés pour obtenir une durée de vie de référence, • la transposition du temps de fonctionnement spécifié est effectuée selon la formule TimeSpecTransi = TimeSpeci / ATemp, avec Atemp un facteur d’accélération, préférentiellement déterminé par la loi d’Arhennius selon la formule ATemp = exp[(- Ea/k)(1/Temp1 - 1/Temp2)] avec Ea une énergie d’activation constante égale à 0,7, k une constante de Boltzmann égale à 8,62x10-5, Templ une température initiale, ici la température spécifiée et Temp2 une température finale, ici la température de référence,

• la détermination de la quantité de température de référence est réalisée selon la formule QTempRef = PRef x R x TimeOnRef, avec QTempRef la quantité de température de référence, PRef une puissance de référence, préférentiellement la puissance de référence utilisée pour établir la spécification thermique, R une résistance thermique du composant électronique et TimeOnRef un temps de fonctionnement de référence,

• la mesure de la température réelle du composant électronique en fonctionnement est effectuée au moins durant le temps de fonctionnement réel,

• la détermination de la quantité de température réelle est réalisée par intégration de la température réelle sur le temps de fonctionnement,

• la détermination du temps de fonctionnement équivalent est effectuée par une loi proportionnelle, selon la formule TimeEquiv = (QTempCur / QTempRef) x (TimeOnRef / TimeOnCur) x TimeOnRef, avec TimeEquiv le temps de fonctionnement équivalent, QTempCur la quantité de température réelle, QTempRef la quantité de température de référence, TimeOnRef le temps de fonctionnement de référence et TimeOnCur le temps de fonctionnement réel,

• la transposition du temps de fonctionnement équivalent est effectuée selon la formule TimeEquivTransi = TimeEquiv / ATemp, avec Atemp un facteur d’accélération, préférentiellement déterminé par la loi d’Arhennius selon la formule ATemp = exp[(- Ea/k)(1/Temp1 - 1/Temp2)] avec Ea une énergie d’activation constante égale à 0,7, k une constante de Boltzmann égale à 8,62x10-5, Templ une température initiale, ici la température réelle et Temp2 une température finale, ici la température de référence,

• le procédé comprend encore une étape de comparaison, calculant une proportion de la durée de vie consommée relativement à la durée de vie de référence, la comparant à un seuil donné, préférentiellement égal à 95%, et déclenchant une alerte en cas de dépassement.

Dans un deuxième aspect de l’invention, un dispositif comprenant des moyens de mise en œuvre d’un tel procédé, où au moins une partie du dispositif est implanté au plus près du composant électronique.

Selon une autre caractéristique au moins une partie du dispositif est implantée à distance du composant électronique et centralise les données d’une pluralité de composants électroniques. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles :

[Fig. 1] montre un composant électronique dans son environnement,

[Fig. 2] représente une spécification thermique,

[Fig. 3] illustre l’étape de détermination d’une quantité de température réelle

[Fig. 4] illustre l’étape de compilation d’une spécification thermique,

[Fig. 5] montre un synoptique du procédé.

La figure 1 illustre un composant électronique 1 dont on souhaite estimer le vieillissement au regard de la température. Pour cela le composant électronique 1 est équipé d’un capteur de température 3. De plus en plus de composants électroniques sont fabriqués en intégrant un capteur de température 3. Aussi, avantageusement ce capteur de température intégré peut être utilisé. A défaut, un capteur de température 3 dédié peut être installé sur ou à proximité du composant électronique 1.

Ce capteur de température 3 est utilisé pour suivre en continu la température du composant électronique 1. Cette observation de la température permet d’estimer les contraintes thermiques subies par le composant électronique 1 et est une porte d’entrée vers une estimation de son vieillissement.

A partir de mesures de température réalisées au cours de la vie du composant électronique 1 , un procédé estime le vieillissement réel du composant électronique 1 en fonction des contraintes réellement subies.

Pour cela le procédé comprend les étapes suivantes :

- compilation d’une spécification thermique 2 du composant électronique 1 afin de déterminer une durée de vie de référence TotalTimeRef,

- détermination d’une quantité de température de référence QTempRef,

- mesure de la température réelle TempCur du composant électronique 1 en fonctionnement,

- détermination d’une quantité de température réelle QTempCur,

- détermination d’un temps de fonctionnement équivalent TimeEquiv à la température réelle TempCur,

- transposition de ce temps de fonctionnement équivalent TimeEquiv à la température de référence TempRef pour obtenir un temps de fonctionnement équivalent transposé TimeEquivTrans,

- cumul des temps de fonctionnement équivalent transposés TimeEquivTrans pour obtenir une durée de vie consommée TotalTimeCons, comparable à la durée de vie de référence TotalTimeRef.

Tel qu’illustré à la figure 5, sur un synoptique figurant les grandeurs traitées par des bulles et les étapes par des flèches, le procédé peut s’analyser en trois branches. Une première branche, la plus à gauche, vise à établir une référence TotalTimeRef, représentative de la durée de vie du composant électronique 1. Les étapes de cette branche peuvent avantageusement être réalisées, une fois pour toutes, préalablement à toute utilisation du composant électronique 1 , au cours d’une phase préparatoire, le cas échéant commune à tous les composants électronique 1 d’un même type.

Les contraintes thermiques subies par un composant électronique 1 dépendent de nombreux facteurs : puissance, tension, intensité, température, variation de température, durée d’application, etc. Afin de pouvoir comparer une sollicitation à faible température ou puissance appliquée pendant un temps court et une sollicitation à température élevée appliquée pendant un temps plus long, et de pouvoir cumuler leur effet en termes de vieillissement du composant électronique 1 , il convient de choisir une grandeur indicative du vieillissement. Selon l’invention, une grandeur possible est une quantité de température, homogène au produit (ou à l’intégrale) d’une température par un temps d’application et exprimée en °C.s. Cette grandeur va permettre de rapporter toute sollicitation thermique du composant électronique 1 à un temps de vieillissement comparable à la durée de vie de référence TotalTimeRef.

Dans la branche la plus à droite, il est déterminé une telle quantité de température dite de référence QTempRef. Cette grandeur de référence, caractéristique du composant électronique 1 , est déterminée pour une application d’une température de référence TempRef, typiquement arbitraire, pendant une durée de référence TimeOnRef.La durée de référence TimeOnRef est, à l’instar de la puissance de référence Pref, une grandeur choisie pour établir la spécification thermique. Ici encore, cette détermination peut avantageusement être réalisée, une fois pour toutes, préalablement à toute utilisation du composant électronique 1 , au cours d’une phase préparatoire, le cas échéant commune à tous les composants électronique 1 d’un même type.

La branche centrale ou principale comprend des étapes réitérées à chaque utilisation ou ensemble d’utilisations du composant électronique 1. A chaque utilisation est mesurée la température réelle TempCur du composant électronique 1 en fonction du temps, au moins sur le temps de fonctionnement réel TimeOnCur. A partir de ces mesures il est déterminé une quantité de température réelle QTempCur. Cette quantité de température réelle QTempCur permet, relativement à la quantité de température de référence QTempRef qui permet de comparer des durées comparables, de déterminer un temps de fonctionnement équivalent TimeEquiv. Ce temps de fonctionnement équivalent TimeEquiv est ensuite, pour pouvoir comparer des températures comparables, transposé pour obtenir un temps de fonctionnement équivalent transposé TimeEquivTrans dont les conditions de temps et de température sont comparables à celles de la durée de vie de référence TotalTimeRef. Tous les temps de fonctionnement équivalent transposés TimeEquivT rans, homogènes, peuvent être cumulés dans une durée de vie réelle ou consommée TotalTimeCons qui peut être comparée à la durée de vie de référence TotalTimRef. La durée de vie consommée TotalTimeCons, établie et mise à jour à chaque utilisation du composant électronique 1 , fournit en temps réel un indicateur de la durée de vie consommée ou, par complémentarité, un indicateur du reste à vivre probable.

Selon une caractéristique, la durée de vie de référence TotalTimeRef est établie comme suit, avantageusement à partir d’une spécification thermique 2. Telle qu’illustrée à la figure 2, une telle spécification thermique 2 comprend une pluralité de couples, comprenant une température, ou un intervalle de température, spécifié TempSpec1-TempSpec8, génériquement désigné TempSpeci, associée à un temps de fonctionnement spécifié TimeSpec1-TimeSpec8, génériquement désigné TimeSpeci. Ainsim la spécification thermique de la figure 2 comprend huit tels couples : de (TempsSped , TimeSpeci) à (TempSpec8, TimeSpec8). Une spécification thermique 2 est disponible en ce qu’elle est généralement fournie avec un composant électronique 1 par son fournisseur.

Afin d’obtenir une seule grandeur durée de vie de référence T otalTimeRef, tous ces couples sont compilés. Cette compilation est réalisée de la manière suivante, plus particulièrement illustré par la figure 4. Il est choisi une température de référence TempRef, par exemple 150°C. Ce choix est typiquement arbitraire. Ensuite, le temps de fonctionnement spécifié TimeSpeci de chaque couple est transposé. La transposition modifie le temps de fonctionnement pour le rendre égal au temps de fonctionnement si la température spécifiée TempSpeci avait été la température de référence TempRef. La spécification thermique de la figure 4, apparaissant aux deux premières colonnes, comprend cinq couples. Le premier couple indique un temps de fonctionnement spécifié TimeSpeci de 4500h pour une température spécifiée TempSpeci de 80°C. La transposition d’une température spécifiée de 80°C à la température de référence de 150° introduit un facteur scalaire correctif de 44,77. Aussi le premier temps de fonctionnement spécifié transposé TimeSpecTransI est égal à 4500h/44,77 soit 101 h. Autrement dit, 4500h de fonctionnement à 80°C provoquent le même vieillissement que 101 h de fonctionnement à 150°C. Il est procédé de même pour tous les couples de la spécification thermique, les résultats apparaissant en cinquième colonne. Ensuite tous les temps de fonctionnement spécifiés transposés TimeSpecTransi ou « vieillissements élémentaires », étant homogènes, peuvent être sommés. Ils sont cumulés pour obtenir une durée de vie de référence TotalTimeRef, soit ici 672h.

La transposition peut être réalisée par toute formule modélisant une influence de la variation de température sur le vieillissement. Selon une caractéristique, la transposition peut être réalisée selon la loi d’Arrhenius. La loi d’Arrhenius permet de déterminer un facteur d’accélération ATemp fonction d’une température initiale et d’une température finale. Ce facteur, par exemple illustré à la quatrième colonne de la figure 4, s’applique scalairement à un temps de fonctionnement ou à un temps avant défaillance. Il est ainsi appliqué la formule TimeSpecTransi = TimeSpeci / ATemp pour déterminer un temps de fonctionnement spécifié transposé TimeSpecTransi.

Le facteur d’accélération ATemp est déterminé par la loi d’Arrhenius qui stipule un comportement exponentiel, selon la formule ATemp = ATempI / ATemp2 = exp[(- Ea/k)(1/Temp1 - 1/Temp2)] avec ATempI un taux de défaillance à une température initiale Templ , ATemp2 un taux de défaillance à une température finale Temp2, Ea une énergie d’activation constante égale à 0,7, k une constante de Boltzmann égale à 8,62x10-5, Templ une température initiale et Temp2 une température finale.

Dans le cas d’application à la compilation de la spécification thermique 2, la température initiale Templ est ici respectivement chacune des températures spécifiées TempSpeci et la température finale Temp2 est la température de référence TempRef à laquelle tout est ramené.

Revenons maintenant sur la branche de droite du synoptique de la figure 5. Le procédé détermine une quantité de température de référence QTempRef. Ceci est réalisé selon la formule QTempRef = PRef x R x TimeOnRef. QTempRef est une quantité de température de référence qui va être utilisée ensuite comme étalon de vieillissement. PRef est une puissance de référence. Cette puissance de référence PRef est préférentiellement la puissance de référence utilisée par le fournisseur pour établir la spécification thermique 2. R est une résistance thermique du composant électronique 1 et TimeOnRef un temps de fonctionnement de référence, choisi pour établir la spécification thermique.

Continuons maintenant avec la branche principale du diagramme de la figure 5. A chaque utilisation du composant électronique 1 , la température réelle TempCur du composant électronique 1 en fonctionnement est mesurée au moins durant le temps de fonctionnement réel TimeOnCur. Il peut être mesuré une unique température, par exemple maximum ou moyenne pour représenter une plage de fonctionnement. Avantageusement, une courbe température réelle TempCur en fonction du temps est relevée en permanence, ou au moins durant le temps de fonctionnement réel TimeOnCur. Un exemple d’une telle courbe est montré à la figure 3.

A partir de cette mesure de température réelle TempCur, il est déterminé une quantité de température réelle QTempCur. Selon une caractéristique, cette détermination est réalisée par intégration de la température réelle TempCur sur le temps de fonctionnement réel TimeOnCur. Ceci est figuré, sur la figure 3 par l’aire se trouvant sous la courbe.

Cette grandeur quantité de température réelle QTempCur est indicative du vieillissement subi par le composant électronique 1 durant le temps de fonctionnement TimeOnCur à la température réelle TempCur. Il convient maintenant afin de pouvoir cumuler les différents vieillissements élémentaires de le replacer dans un référentiel connu et surtout unique. Pour cela il convient de corriger cette grandeur QTempCur d’une part temporellement et d’autre part au regard de la température.

La correction temporelle s’effectue en rapportant la quantité de température réelle QTempCur à la quantité de température de référence QTempRef précédemment déterminée. Ceci permet de déterminer un temps de fonctionnement équivalent TimeEquiv. Selon une caractéristique il est considéré que l’influence du temps sur une sollicitation thermique est proportionnelle. Aussi il est utilisé une loi proportionnelle, selon la formule TimeEquiv = (QTempCur / QTempRef) x (TimeOnRef / TimeOnCur) x TimeOnRef. TimeEquiv est le temps de fonctionnement équivalent, QTempCur la quantité de température réelle, QTempRef la quantité de température de référence, TimeOnRef le temps de fonctionnement de référence et TimeOnCur le temps de fonctionnement réel.

Le temps de fonctionnement équivalent TimeEquiv correspond à un fonctionnement à la température réelle TempCur. Aussi convient-il de le transposer pour une température de référence TempRef, afin d’obtenir des grandeurs comparables.

La transposition peut être réalisée par toute formule modélisant une influence de la variation de température sur le vieillissement. Selon une caractéristique, la transposition peut être réalisée selon la loi d’Arrhenius. La loi d’Arrhenius permet de déterminer un facteur d’accélération ATemp fonction d’une température initiale et d’une température finale. Ce facteur s’applique scalairement à un temps de fonctionnement ou à un temps avant défaillance. Il est ainsi appliqué la formule TimeEquivTrans = TimeEquiv / ATemp pour déterminer un temps de fonctionnement équivalent transposé TimeEquivTrans.

Le facteur d’accélération ATemp est déterminé par la loi d’Arrhenius qui stipule un comportement exponentiel, selon la formule ATemp = ATempI / ATemp2 = exp[(- Ea/k)(1/Temp1 - 1/Temp2)] avec ATempI un taux de défaillance à une température initiale Templ , ATemp2 un taux de défaillance à une température finale Temp2, Ea une énergie d’activation constante égale à 0,7, k une constante de Boltzmann égale à 8,62x10-5, Templ une température initiale et Temp2 une température finale.

Dans le cas d’application à la transposition du temps équivalent TimeEquiv, la température initiale Templ est ici la température réelle TempCur et la température finale Temp2 est la température de référence TempRef à laquelle tout est ramené.

Les temps de fonctionnement équivalents transposés, étant tous exprimés dans un même référentiel, peut être ajoutés. Leur cumul permet de déterminé une durée de vie consommée TotalTimeCons, qui est homogène et donc comparable à la durée de vie de référence TotalTimeRef.

Selon une caractéristique, le procédé comprend encore une étape de comparaison entre la durée de vie consommée TotalTimeCons et la durée de vie de référence TotalTimeRef. Il est ainsi avantageusement possible de calculer une proportion de la durée de vie consommée TotalTimeCons relativement à la durée de vie de référence TotalTimeRef et de la comparer à un seuil donné. Selon une caractéristique, un dépassement du seuil est utilisé pour déclencher une alerte. Cette alerte peut être à l’attention de l’utilisateur/conducteur, ou encore du personnel de maintenance. Ce seuil peut être quelconque en fonction de la criticité affectée au composant électronique 1. Un seuil de 95% peut être avantageusement retenu pour garder une marge de 5% avant une défaillance du composant électronique 1.

L’invention concerne encore un dispositif comprenant des moyens de mise en œuvre d’un tel procédé. Tel qu’illustré à la figure 1 , un tel dispositif intègre ou non le composant électronique 1 , un capteur de température 3 et au moins une partie 4, telle une unité de traitement. Cette partie 4 est avantageusement implantée au plus près du composant électronique 1. Ainsi pour un composant électronique 1 automobile embarqué sur un véhicule, la partie 4 est elle aussi embarquée sur le véhicule.

Selon une autre caractéristique, au moins une partie 5 du dispositif est implanté à distance du composant électronique 1 et centralise les données d’une pluralité de composants électroniques 1. La partie 4 et la partie 5 communique avantageusement au moyen d’une liaison sans fil.

Selon un mode de réalisation, la partie 4 locale assure principalement l’acquisition des mesures de température. Elle réalise avantageusement un prétraitement des données, par exemple un cumul des temps de fonctionnement équivalent transposés TimeEquivTrans, afin de ne pas engorger la liaison. Elle peut par exemple cumuler les temps de fonctionnement équivalent transposés pour un cycle de fonctionnement, soit entre deux coupures du contact pour un véhicule.

Au contraire la partie 5 distante assure plutôt la fonction de comparaison avec la durée de vie de référence TotalTimeRef. Dans le cas où la partie 5 distante est partagée entre plusieurs/tous les composants d’un même type, ou d’un même véhicule, elle peut encore traiter statistiquement les données remontées afin d’améliorer la maintenance prédictive. L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention a cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.