1 - OBJECTIF

Cette note d'information vise à illustrer l'effet des surtensions sur le taux de défaillance des composants et des systèmes électroniques.

2 - INTRODUCTION

La fiabilité des composants électroniques et des processus de production a permis d'atteindre en quelques années des niveaux très élevés de fiabilité pour les dispositifs et systèmes électroniques.

Il est devenu assez courant pour les composants actifs et passifs de parler de processus 6s, c'est-à-dire avec un taux de défaillance de 3,4ppm, sinon meilleurs.

Face à ces améliorations technologiques et productives, les dispositifs et les systèmes mis sur le marché ne trouvent pas toujours un taux de défaillance également réduit.

Cet aspect est particulièrement important et délicat non seulement pour la continuité du service qui est vitale dans certains secteurs, mais aussi pour les activités de maintenance ordinaire et extraordinaire des sites, pour la gestion et l'allocation logistique des pièces de rechange et plus généralement pour le contrôle de l'état des installations.

Sans entrer dans le fond des critères et des modalités de conception robuste, seront présentés ci-après :

• Les paramètres qui améliorent la fiabilité des dispositifs et des systèmes électroniques;
• Les informations fournies par les méthodes de prévision de fiabilité;
• Comment les surtensions transitoires sont traitées dans les modèles de prévision de fiabilité;
• L'effet des surtensions sur le taux de défaillance des systèmes électroniques avec quelques références pratiques.

3 - RÉFÉRENCES

1. MIL-HDBK-338 Manuel de Conception de Fiabilité Électronique
2. MIL-STD-756 Modélisation et prédiction de fiabilité
3. MIL-HDBK-217 Prédiction de fiabilité des équipements électroniques
4. Manuel de Prédiction IRPH-2003
5. MANUEL DE DONNÉES DE FIABILITÉ : RDF 2000/IEC 62380 - Un modèle universel pour la prévision de fiabilité des composants électroniques, PCBs et équipements
6. Telcordia SR-332, Numéro-1
7. Manuel de Prédiction China 299B
8. MIL-HDBK-1547 - Pièces électroniques, matériaux et procédés pour les véhicules spatiaux et de lancement
9. EN61000-4-5 Compatibilité électromagnétique (CEM) -- Partie 4-5: Techniques d'essai et de mesure - Essai d'immunité aux surtensions
10. EN61000-4-4 Compatibilité électromagnétique (CEM) -- Partie 4-4 : Techniques d'essai et de mesure - Essai d'immunité aux transitoires électriques rapides / rafales
11. EN61643-11 Dispositifs de protection contre les surtensions de basse tension -- Partie 11 : Dispositifs de protection contre les surtensions connectés aux systèmes d'alimentation en basse tension - Exigences et tests
12. IEC 60634-4-44Installation électrique des bâtiments; protection pour la sécurité; protection contre la surtension
13. IEC 60634-4-443Installation électrique des bâtiments; protection pour la sécurité; protection contre la surtension d'origine atmosphérique
14. EN61663-1 Protection des structures contre la foudre - Lignes de télécommunication; installation en fibre optique
15. EN61663-2 Protection des structures contre la foudre - Lignes de télécommunication; lignes en conducteurs métalliques

4 - CRITÈRES POUR L'AMÉLIORATION DE LA FIABILITÉ DES DISPOSITIFS ET DES SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES

En général, il existe quatre méthodes pour améliorer la fiabilité et la robustesse des sous-ensembles et des systèmes électroniques (1) :

1. Augmenter la robustesse intrinsèque des composants et des sous-ensembles. Ceci peut être réalisé en trouvant un bon compromis entre coûts, dimensions, poids et en disposant de matériaux/composants plus robustes;
2. Réduire le stress moyen des sollicitations. Le stress auquel les sous-ensembles peuvent être soumis peut être réduit sans compromettre de manière significative les performances;
3. Contenir la variation des sollicitations. La gestion des sollicitations est difficilement contrôlable. La méthode la plus simple est d'imposer des limites dans l'utilisation des dispositifs/systèmes;
4. Limiter la variation dans la robustesse des composants en éliminant dès l'origine par des tests et/ou des contrôles les composants/sous-ensembles les plus faibles.

Pour le type de traitement que nous effectuons, nous concentrerons la présentation sur le deuxième point, en examinant les effets des surtensions sur la durée de vie des dispositifs et systèmes électroniques.

Ce qui suit présente les distributions de résistance des composants et/ou des systèmes électroniques aux surtensions et celle des surtensions transitoires auxquelles les composants peuvent être soumis dans leur fonctionnement dû à des phénomènes EMC.

La zone d'intersection est la zone d'insécurité, c'est-à-dire la condition dans laquelle la résistance est inférieure à la sollicitation et provoque la panne.

Le vieillissement modifie avec le temps la courbe de distribution de la résistance des composants, les rendant plus faibles. Graphiquement, le vieillissement déplace vers la gauche la courbe de distribution de la résistance à la surtension.

5 - PRÉVISIONS DE FIABILITÉ

Les prévisions de fiabilité utilisent des méthodes statistiques pour prédire la durée de service possible de l'appareil dans des conditions de fonctionnement normales. Elles sont également utilisées pour estimer la taille et la répartition des stocks en fonction de la maintenabilité et de la disponibilité requises pour le service.

Pour le calcul, des modèles sont disponibles qui sont fonction des contraintes électriques, thermiques, de l'environnement d'utilisation, du processus de production et de contrôle, de la maturité du produit et de la compétence du personnel de service.

Exemple : pour la prévision de fiabilité en référence au MIL-HDBK-217, la prévision de fiabilité d'un système électronique de n-composants est calculée avec la formule :

LP c'est le taux de défaillance du composant qui dépend des caractéristiques du composant et des facteurs correctifs :
Température (pT), Environnement de fonctionnement (pE), Qualité du processus de production (pQ), mode d'utilisation (pA), notation d'utilisation (pR)
Dans la courbe de prévision de fiabilité familiale des composants et dispositifs électroniques, le paramètre MTBF elle trouve sa place dans la période de vie utile du produit.

6 - EFFET DE SURTENSIONS SUR LE TAUX DE PANNE

Des micro-stress de courte durée peuvent donc avoir un impact important sur la durée de vie des composants.

Considérons maintenant comme exemple, une carte numérique à microprocesseur couramment utilisée dans le domaine industriel.

N. composants électroniques: 395
Technologie : SMD+THT

Prévision de fiabilité:
MÉTHODE DE CALCUL : TELCORDIA SR-332
MODÈLE DE PRÉVISION : SÉRIEL
MODÈLE DE CALCUL : Compte des pièces
ENVIRONNEMENT: GB
TEMPÉRATURE: 25°C
DT: 5°C
MTBF : 398.569hrs
TAR (Taux d'échec annuel) : 2,9%

Le taux de défaillance sur le terrain s'est avéré plus que doublé malgré le fonctionnement non continu de la machine, dans ce cas un entraînement.

L'analyse de défaillance des composants montre que la rupture due à la surtension représente plus de la moitié des pannes.

La vérification du projet a confirmé que la dévalorisation des tensions des composants est plus que suffisante pour l'application, l'approvisionnement en composants est effectué par des fournisseurs qualifiés, le processus de production est attentif à la manipulation des composants pour éviter les risques d'ESD pendant les opérations de picking, placing, soldering, testing et packaging, le service est assuré par du personnel qualifié.

Après les considérations appropriées, l'attention s'est portée sur les protections installées sur l'extrémité avant du réseau d'alimentation du système où des MOV avec une tension nominale de 275Vac ont été utilisés en configuration symétrique et asymétrique afin de garantir la protection à la fois en mode différentiel et commun.

Il y a trois aspects qui limitent la capacité de protection des MOV, même s'ils sont capables d'absorber une grande quantité d'énergie :

• La tension de protection sur laquelle ils interviennent est trop élevée pour les appareils en aval;
• Ces composants perdent progressivement, avec les sollicitations répétées, leur capacité de protection, c'est-à-dire que la tension de protection augmente, exposant davantage le système;
• La tension de protection des MOV n'est pas surveillable.

Réduire le taux d'échec en agissant sur le MTBF de la carte, c'est-à-dire en imposant un déclassement plus restrictif, serait coûteux et surtout inutile.

De la formule suivante, on note que le facteur accélérant la dégradation AF, dépend non seulement de la température, mais aussi de la tension à laquelle il est soumis selon une loi exponentielle.

7 - CONCLUSIONS

Le système de protection et de diagnostic SDS, en exploitant un mécanisme innovant, parvient à garantir un niveau de protection double par rapport aux SPD actuellement commercialisés et basés sur la technologie MOV, pour une même sollicitation appliquée. Ils disposent également d'une indication sur le niveau de protection, contrairement aux SPD qui surveillent exclusivement une éventuelle condition de défaillance ou de surchauffe du dispositif lui-même.