Electronique Mag - Le journal de l'électronique.
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Flux RSS . À la pointe de l’ingénierie et de la technologie, des contrôleurs électroniques sont déployés au sein d’environnements de plus en plus difficiles, en particulier dans les applications d’extraction pétrolière ou gazière en mer, ou encore dans des secteurs comme l’aéronautique, la défense ou l’automobile. De nouvelles générations de composants, notamment des condensateurs, sont nécessaires pour résister aux températures, aux pressions ainsi qu’aux chocs et aux vibrations mécaniques extrêmes rencontrés aujourd’hui.
L’exploration pétrolière et l’industrie de production actuelles illustrent parfaitement les exigences croissantes applicables aux équipements high-tech, et en particulier aux composants électroniques. Une fois épuisés les gisements pétroliers les plus facilement accessibles, les activités sont poursuivies dans des environnements plus extrêmes et plus difficiles ; forages plus profonds, ou plus éloignés des côtes par exemple. Avec des coûts d’exploitation en millions de dollars par jour, tout temps d’arrêt suite à une panne d’équipement se traduit très rapidement par un coût extrêmement élevé. Les conditions dans lesquelles le matériel de forage et d’extraction doit fonctionner sont devenues extrêmement difficiles.
L’un des puits de pétrole les plus profonds à ce jour, le puits Tiber de BP, découvert en 2009, se trouve à plus de 1250 mètres sous les eaux du Golfe du Mexique, et a été foré à une profondeur de plus de 35.000 pieds (environ 10,700m). De tels projets obligent l’industrie à redéfinir les termes employés pour décrire les conditions de forage. Le code de bonnes pratiques de l’Institut Britannique de l’Energie, avait initialement défini ce qui caractérisait un puits HPHT (High-Pressure High- Temperature, ou haute-pression haute-température), comme présentant des températures à l’état naturel en fond de puits supérieures à 149°C, et nécessitant des équipements capables de fonctionner à des pressions de plus de 69 MPa (10.000 psi ou 700 kg/cm2).
Ces valeurs ne sont plus adéquates pour caractériser les puits les plus extrêmes aujourd’hui, et de nouvelles définitions voient le jour. Bien que ces appellations ne soient pas encore normalisées au niveau mondial, on parle maintenant de puits uHPHT (Ultra High-Pressure High- Temperature, ou Ultra haute-pression ultra haute-température) pour des puits atteignant des températures de 204°C à 260°C et des pressions de 139 MPa à 241 MPa, ou de puits xHPHT (Extra High Pressure/High Temperature, ou Extra haute-pression extra haute-temperature) pour des puits au fond desquels règnent des températures au-dessus de 260°C et des pressions audessus de 241 MPa.
En outre, l’utilisation de nouveaux processus comme la fracturation hydraulique ("fracking" en anglais) ou le forage horizontal, présentent de nouveaux risques, notamment des vibrations ou des chocs importants, qui peuvent compromettre les interconnexions électriques des contrôleurs électroniques ou des enregistreurs de données. Parallèlement, la commande de matériels installés à des profondeurs très basses devient plus complexe, et nécessite la supervision de plus grandes quantités de signaux. Par conséquent, le matériel électronique doit non seulement être plus robuste physiquement et beaucoup plus fiable, mais doit également disposer de canaux de transmission de données et de fonctionnalités supplémentaires, en dépit de contraintes d’encombrement très strictes. À mesure que la demande d’instrumentation sophistiquée augmente, la taille des composants devient une considération de plus en plus importante.
Le forage profond extrême n’est qu’un exemple parmi d’autres, d’applications susceptibles d’exposer les appareils électroniques à des conditions environnementales extrêmement difficiles. Les sondes géophysiques, les commandes installés dans les moteurs d’avions, les contrôleurs d’alimentation de véhicules électriques ou hybrides, ou les systèmes de défense modernes sont également soumis à des températures, à des chocs, et à des vibrations de plus en plus extrêmes.
Pour certains types de composants, le criblage ou la caractérisation à haute température permet le plus souvent de vérifier l’adéquation des performances à l’environnement cible. Avec d’autres composants, comme les MLCC (Multi-Layer Ceramic Capacitor, ou condendateur céramique multi-couches), souvent utilisés à des fonctions telles que la synchronisation ou l’accord, la génération d’impulsion, le découplage, le filtrage, la suppression de transitoires, le blocage ou le stockage de l’énergie, une architecture ou des matériaux améliorés peuvent permettre d’obtenir de meilleures performances.
Les MLCC à diélectrique X7R offrent une combinaison attractive de performances et de coût pour les applications générales. Les dispositifs à diélectrique C0G, par opposition, sont capables de maintenir une capacité plus stable sur une large plage de températures.
La Figure 1 montre comment la capacité effective d’un condensateur à diélectrique C0G en zirconate de calcium, breveté par KEMET, demeure relativement constante jusqu’à des températures supérieures à 200°C, tandis qu’un dispositif X7R avec une capacité de départ beaucoup plus élevée se détériore rapidement au-dessus de 125°C, jusqu’à atteindre une valeur proche de celle du condensateur C0G, lorsque la température continue d’augmenter. Pour garantir la capacité souhaitée à la température de fonctionnement nominale, le concepteur peut économiser une place précieuse sur la carte, en utilisant un MLCC relativement petit à diélectrique C0G, plutôt qu’un dispositif plus gros à diélectrique X7R qui doit présenter une capacité nominale plus élevée.
Figure 1 : Un gros condensateur X7R serait nécessaire pour fournir la capacité souhaitée à la température de fonctionnement prévue.
En plus d’offrir la stabilité de température exceptionnelle du diélectrique C0G, la formulation KEMET haute-température au zirconate de calcium, présente aussi une résistance IR (Insulation Resistance, ou résistance d’isolement) plus élevée au départ que les autres diélectriques haute-température C0G ou X7R, d’où une fiabilité supérieure. Bien que l’IR de composants C0G, tout comme celle de composants X7R, ait tendance à diminuer quand la température d’utilisation augmente, dans le cas d’un condensateur X7R cette résistance peut chuter de plusieurs Gohms à 25°C, à seulement quelques centaines de Kohms quand la température augmente. La Figure 2 montre comment les condensateurs C0G haute-température au zirconate de calcium présentent une IR plus de 18 fois supérieure à celle de composants X7R comparables, avec des valeurs supérieures à 1 G ? jusqu’à des températures proches de 250°C.
Figure 2 : Une valeur de résistance d’isolement de départ supérieure assure une meilleure fiabilité aux températures autour de 200°C.
Les propriétés mécaniques des MLCC peuvent aussi être améliorées grâce à une combinaison de sélection de matériau et d’architecture de condensateur. Les chocs et les vibrations mécaniques peuvent être particulièrement nuisibles dans les applications modernes de forage, particulièrement quand de l’électronique doit être installée dans l’outil de forage lui-même. Les MLCC en gros boîtiers sont connus pour être particulièrement vulnérable à la fissuration lorsqu’ils sont exposés à des niveaux de chocs et de vibrations élevés.
En ramenant la taille de boîtier des MLCC à un format tel que 0603, on réduit considérablement la vulnérabilité aux chocs mécaniques. En outre, de nouveaux matériaux C0G à haute-résistance mécanique ont été développés, qui permettent de résister à des chocs correspondant à des valeurs "g" très élevées. Le diélectrique haute-température du C0G KEMET offre une haute résistance mécanique, avec un module de rupture plus de deux fois supérieur à celui du meilleur matériau X7R du marché.
Des tests de chocs ont été réalisés en appliquant une force de 500 "g" à des condensateurs X7R standard et à des condensateurs C0G haute-température et hauterésistance, avec deux tailles de boîtiers, afin d’illustrer l’amélioration de résistance à la fissuration permise par le nouveau diélectrique C0G. Des condensateurs ont été soudés sur une carte de test et soumis à un total de 120 chocs en X, Y et Z. Le taux de défaillance des composants à diélectrique X7R a été de 4 pour 40, alors qu’aucune défaillance n’a été observée avec le nouveau diélectrique C0G.
Figure 3 : Les MLCC moulés à sorties radiales bénéficient d’une résistance améliorée aux chocs et aux vibrations.
Les MLCC moulés à diélectrique C0G à sorties radiales et boîtier moulé résistant à la température (Figure 3), ont démontré une résistance aux chocs encore supérieure. La présence de pattes sur le condensateur réduit les contraintes, ce qui améliore la solidité mécanique. Néanmoins, il faut s’assurer que les joints de brasure soient capables de résister aux températures opérationnelles élevées. Les MLCC moulés, à diélectrique C0G haute-température et sorties radiales, KEMET C052H et C062H, sont assemblés avec un alliage HMP (High Melting Point, ou point de fusion élevé), pour assurer l’intégrité des connexions de sortie. Des tests d’arrachement exécutés à 200°C avec un appareil de test ont démontré une résistance à l’arrachement supérieure à 3 kg. Ceci dépasse sensiblement l’effort minimum spécifique à température ambiante, qui est de 1.8 kg. Enfin, le placage or des fils de sortie assure une performance optimale jusqu’aux températures les plus élevées.
Les MLCC haute-température à diélectrique C0G intégrant ces fonctionnalités de pointe, sont disponibles en boîtiers CMS (composants pour montage en surface), ou en boîtiers moulés à sorties radiales, pour une résistance supérieure. La stabilité du diélectrique C0G spécial haute-température, garantit une capacité stable en fonction du temps et de la tension, et une dérive en température limitée à ±30ppm/°C entre -55°C et 200°C. En plus d’une résistance d’isolement élevée, ces condensateurs présentent aussi un faible facteur de dissipation aux températures jusqu’à 200°C, ainsi qu’une faible ESR (Equivalent Series Resistor, ou résistance série équivalente) aux fréquences élevées.
Le test HALT (Highly Accelerated Life Testing, ou test de vieillissement accéléré) réalisé sur des condensateurs radiaux moulés à différentes tensions et à 200°C, en utilisant l’analyse de Weibull et la prévision avec l’équation de Prokopowicz et de Vaskas (P-V), a permis d’établir un MTTF (Mean Time To Failure, ou durée de vie opérationnelle moyenne) de 86 millions d’années.
En outre, une durée de vie de 1000 heures à 200°C et à tension nominale a été démontrée. La résistance d’isolement, mesurée à 0, puis à 250, 500 et 1000 heures, pour estimer la fiabilité, n’a montrée aucune défaillance, ni aucune dégradation. D’autres tests à long terme, notamment des tests d’humidité, de durée de stockage, de chocs thermiques -55°C/+220°C, ainsi que des tests mécaniques de chocs et de vibrations, ont démontré l’absence de défaillance et une très haute fiabilité de ces dispositifs.
Les exigences accrues imposées aux systèmes de contrôle électroniques fonctionnant dans les puits de pétrole les plus profonds aujourd’hui, nécessitent de nombreuses améliorations tant au niveau de la conception que de la construction des composants. De nouveaux diélectriques sophistiqués, associés à des brasures et à des finitions hautes-performances, ont permis d’améliorer les caractéristiques électriques et mécaniques des condensateurs, pour résister aux conditions environnementales les plus sévères (uHPHT et xHPHT) définies par l’industrie pétrolière.
