une m Éthode originale et rapide...

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Sénart, 27 et 28 novembre 2003 Journées d’études de thermographie instrumentale et industrielle

UNE MÉTHODE ORIGINALE ET RAPIDE D’ÉTALONNAGE

D’UNE CAMÉRA THERMIQUE POUR DES APPLICATIONS

EN ÉLECTRONIQUE

Michel BERTELEAU-HENNART

THALES COMMUNICATIONS TCF/DMD/PEA

160, Boulevard de Valmy BP-82 F-92704 COLOMBES Cedex Tél. 33(0)1 41 30 43 30 E-mail: [email protected]

Résumé. Dans un souci de simplicité et de réactivité pour l’étalonnage de sa caméra thermique, l’auteur, chimiste de formation, transpose la méthodologie d’emploi de substances chimiques étalons associés à l’utilisation d’un banc chauffant de KOFLER préconisé pour la détermination des points de fusion caractérisant des molécules nouvellement synthétisées. Ces étalons de températures caractérisés par leur changement d’état (solide-liquide) en fonction de la température participent à l’étalonnage de notre chaîne de mesures par thermographie infrarouge.

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1. PREAMBULE

Thalès Communications (appartenant au pôle Défense de Thalès) est un architecte global de systèmes et de solutions d’informations et de communications pour l’ensemble des besoins opérationnels des armées de terre, de l’air et des forces navales avec une forte implication dans le domaine civil. Les projets développés font appel à la conception de matériels devant prendre en compte de multiples contraintes liées aux environnements et profils de mission envisagés sur des aspects entre autres thermiques : augmentation de la complexité des équipements combinée avec des niveaux d’intégration de plus en plus élevés qui contribue à la nécessité de prendre en compte les facteurs thermiques dés les phases préliminaires du développement. La direction des méthodes de développement et technologies (DMD) est dotée de moyens de simulation Flotherm code de calcul 3D pour les aspects thermiques et fluidiques et de moyens de mesures associés, caméra thermique infrarouge et banc de ventilation avec relevés de température débit et pression. Pour assurer des calculs de fiabilité corrects, il est nécessaire de posséder ces données thermiques en particulier pour les composants identifiés « critiques ».

2. INTRODUCTION

Dans nos métiers où volume et poids doivent être minimisés, la partie électronique fait appel à des technologies de haute intégration nécessaires à l’intégrité du signal et à la compatibilité électromagnétique. Nos fonctions électroniques emploient des composants de taille très réduite (boîtiers millimétriques) ou des pastilles rassemblant une architecture complexe telle que, par exemple, un ampli 30 GHz (voir figures 1 et 2).

Figure 1 - Vue de la puce MMIC & zoom sur les doigts de grille des transistors (cercle rouge)

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Figure 2 - Vue visible de l’ampli RF. Puce As-Ga épaisseur 70µm, L=2,33mm l=1,80mm. Ampli à 4 étages de la classe 2W à 30GHz. Puissance dissipée 1,5 W.

L’un des grands intérêts de la mesure par radiométrie réside dans le fait qu’il n’y a aucun contact physique entre le capteur et la scène observée. Par contre, un inconvénient subsiste : la mesure s’effectue « en vue directe » de l’objet, donc hors de son contexte d’exploitation normal, ce qui peut être contourné dans bien des cas [1].

A l’époque de l’acquisition de notre système de thermographie en 1992 et dans l’application de microélectronique de puissance, on ne disposait pas de micro corps noirs pouvant permettre de facilement étalonner les associations d’optique permettant un champ d’observation de nos puces, hybrides et composants pour lesquels la thermomicroscopie était recherchée.

Les problèmes d’étalonnages rencontrés sur des corps noirs dont on disposait étaient principalement :

� possibilité aussi de mettre au point (focalisation) sur l’ouverture utile du corps noir ;

� dimensions trop importantes du corps noir induisant un échauffement de l’optique et donc une dérive de la caméra. On peut éliminer ce problème par la prise de vue d’une seule image après la mise au point optique sur le corps noir ; néanmoins, la mauvaise résolution thermique obtenue en thermomicroscopie nécessite des prises de vues en séquence destinées à obtenir une image débruitée par moyennage temporel afin d’améliorer la validité du point d’étalonnage en cours.

3. RAPPEL DU PRINCIPE D’ETALONNAGE D’UNE CAMERA

THERMIQUE

Pour une configuration de la caméra (objectif, ouverture ou temps d’intégration, filtre), il s’agit d’établir une courbe de correspondance entre la valeur de température d’un corps noir et la valeur du thermosignal (luminance) fourni par la caméra pour cette température.

Il faut au moins 4 points d’étalonnage par configuration mais le nombre de points dépend de l’étendue du calibre pour la configuration considérée.

On modélisera en conséquence les points relevés par une fonction mathématique classique s’approchant de la loi de PLANCK.

L’équation 1 donne le rayonnement mesuré par la caméra sur un corps noir à la température T

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L°(T) = A/(C exp (B/T) –1) (1)

T exprimé en Kelvin

L° exprimé en unité arbitraire de la caméra (volts, unité numérique, unité isothermique, etc…)

Les méthodes mathématiques qui consistent à déterminer les constantes A, B et C en fonction des couples mesurés ne sont pas exposées ici.

4. PRESENTATION DE L’ETALONNAGE TEL QU’IL EST REALISE

AUJOURD’HUI A THALES COMMUNICATIONS

4.1. BANC DE KOFLER

C’est un appareillage destiné à la mesure rapide des points de fusion entre 50°C et 260°C.

Il se compose tel qu’on peut le voir dans la figure 3a d’un bloc métallique chauffé de manière dissymétrique. Curseur avec échelle de lecture des températures. S’étalonne en un point avec une substance connue.

Figure 3a - banc de KOFLER Figure 3b - profil de température théorique (courbe noire) et réelle (mesurée par thermographie courbe bleue).

4.2. SUBSTANCES ETALONS

Dans notre protocole d’étalonnage, nous utilisons comme références de température les températures de changement d’état solide-liquide de 8 substances pures et neutres classées ci-après dans l’ordre croissant de température et correspondant à notre plage usuelle d’observation de nos électroniques (surtout en cas d’analyse de défaillance).

Il est naturellement possible avec d’autres produits de choisir d’étalonner une autre configuration.

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Benzil 95°C

Acétanilide 114,5°C

Phénacétine 134,5°C

Benzanilide 163°C

Salophène 191°C

Dicyanamide 210°C

Saccharine 228°C

Figure 4 - détails du matériel nécessaire : substances (tubes), réceptacle rainuré pour les cristaux, (plaque de cuivre) et matériaux d’émissivité connue.

4.3. METHODE D’ETALONNAGE

On mesure la luminance sur une zone de référence adjacente aux quelques cristaux déposés sur une plaque chauffante dont on contrôle la montée en température.

Cette zone de référence dispose d’une émissivité connue de sorte à définir la luminance qu’aurait émise le corps noir à la même température. Naturellement cette émissivité est aussi élevée que possible afin de minimiser et de négliger les rayonnements réfléchis en provenance de l’environnement.

4.4. RESULTATS

Tableau de mesure réalisé en juillet 2003

mini maxi mini maxi mini maxi

68 20 21 19 20 20 21

95 27 28 28 29 28 28

114,5 34 34 35 36 35 35

134,5 44 45 44 45 43 44

163 60 62 58 60 61 63

mini maxi mini maxi

A 3030 2923 45 21

B 1730 1706 979 630

C 1 1 0,184 0,314

UI mesurés UI calculés avec C=1 UI calculés avec C ?1T(°C)

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Figure 5 - Evolution temporelle de la température du réceptacle rainuré. La verticale rouge montre le changement d’état de la phénacétine et la luminance correspondante à corriger de l’émissivité de la zone de référence.

4.5. EXEMPLE DE MONTAGE DANS LE CAS D’UNE PASTILLE

Figure 6 - Situation de mesure avec caméra montée en thermomicroscope sur véhicule test en conditions de fonctionnement.

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5. CONCLUSIONS

Avantages obtenus :

� - aucun besoin de thermoréguler le corps chauffant (réceptacle rainuré) avec une extrême exactitude puisqu’on visualise un changement d’état.

� - le coût de mise en œuvre et d’acquisition reste très faible (dizaines d’euro par rapport à un minimum de 3500€ à l’époque de mise en place.

� - autres substances possibles pour d’autres configurations de caméra.

Il reste le désavantage de connaître exactement l’émissivité de la zone de référence, qui pourrait être transformée en micro-corps noir sur le réceptacle rainuré.

Aujourd’hui la méthode reste valable. Il existe des micro-corps noirs. : on ne connaît pas suffisamment les caractéristiques et dont on peut se passer avec cette technique.

BIBLIOGRAPHIE

[1] Radiométrie infrarouge appliquée aux matériels électroniques. G. PAULET et C. CORREC . IT N°346, SCTF. Thomson –CSF Oct.1983

[2] Mesures par thermographie infrarouge. D. PAJANI. Add Editeur. Déc. 1989

[3] Thermomicroscopy in the analysis of pharmacartials. M. KUHNERT. Brandstatter, Perg. Press Oxford 1971

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