1.1 Contexte Industriel
1.1.2 Le prototype virtuel : une réponse aux contraintes économiques et tem-
L’utilisation généralisée de la CAO dans l’industrie a généralisé l’utilisation de modèles nu- mériques des produits développés. Ces modèles numériques peuvent faire l’objet de traitements (toujours numériques) visant à tester leurs fonctionnalités [Solomalala 07, Cottet 08, Cottet 12]. On parle alors de prototypes virtuels. Les tests réalisés sur les prototypes virtuels permettent de diagnostiquer des anomalies de manière précoce pour un coût significativement réduit (temps et coût de mise en œuvre du prototype réduits), mais sont menés sur des modèles numériques avec les imprécisions liées aux approximations des modèles utilisés. Ainsi, les prototypes virtuels ne permettent pas nécessairement une validation exhaustive du produit mais réduisent de manière drastique le nombre de prototypes physiques nécessaires. Le cycle de développement à travers le PLM devient alors celui proposé dans la figure 1.2 où les tests sur prototypes physiques suc- cèdent aux tests sur prototypes virtuels après que ceux-ci aient permis une pré-validation du système, du module ou de la fonctionnalité considérés.
L’utilisation de prototypes virtuels s’est donc généralisée pour la simulation de comporte- ments physiques. Différents logiciels sont utilisés pour la simulation des différents comporte- ments physiques souhaités. Par exemple, le laboratoire Power Electronics Associated Research Laboratory (PEARL)/Platform for Research on power electronic Integration and Management of Energy and Storage devices (PRIMES) propose de simuler l’ensemble du comportement phy- sique de composants d’électronique de puissance en mettant en œuvre différents outils de calcul
Motivation et contexte des travaux Prototype virtuel Prototype ph ysique Analyse du besoin Spécification du système Spécification détaillée Conception du système Conception détaillée Spécification, conception Implémentation V alidation du module V alidation de l’intégration Approbation de module Approbation du système Déploiement de système Test, intégration, validation V alidation du module V alidation de l’intégration Approbation de module Approbation du système Déploiement de système Test, intégration, validation • • • • • F igure 1.2 – Cycle de dév eloppement d’un produit industriel av ec prototypes virtuels.
Planification interactive de trajectoire en Réalité Virtuelle
numérique [Solomalala 07] (figure 1.3). Ainsi, des simulations de comportement mécanique, thermique, magnétique, électrique et de dynamique des fluides sont réalisées pour pré-valider le produit avant la réalisation de prototypes physiques.
Les simulations réalisées à l’aide de prototypes virtuels peuvent aussi inclure des tests de fonctionnement cinématique. Des modules de gestion des degrés de liberté cinématique des sys- tèmes, intégrés aux logiciels de CAO (Motion module pour Solid Works [Dassault Systemes 14c], DMU Kinematics pour CATIA [Dassault Systemes 14a], Motion Simulation pour UniGraphics [Siemens 14b]) permettent de réaliser une analyse cinématique du système et ainsi de l’animer pour en vérifier le fonctionnement.
D’autres outils définissent des trajectoires d’assemblage ou de démontage de systèmes et permettent donc de vérifier la possibilité d’intégration des différents éléments d’un produit (Ki- neoCam figure 1.4(a) [Siemens 14a]). Ces outils rencontrent cependant de grandes difficultés à définir des trajectoires d’assemblage de systèmes fortement intégrés où les manipulations des composants sont fortement contraintes (plusieurs heures de calcul nécessaires).
Des logiciels comme Delmia permettent, eux, de simuler l’ensemble d’une ligne de produc- tion (figure 1.4(b)) [Dassault Systemes 14b]. Les différents postes d’un atelier sont alors modé- lisés (matériel utilisé, produits manipulés, agencement, opérations effectuées) afin de vérifier la cohérence des différents postes d’une part et de la ligne de production d’autre part.
Ce genre de structure « 3D » permet également de
repenser la manière de concevoir un module de puissance,
en compactant l’ensemble et ainsi d’envisager une
intégration verticale des composants de puissance. D’un
point de vue système, le tableau 2 ci-dessous permet de
comparer à puissance égale, le poids d’un onduleur Primes
avec un équivalent commercial.
Onduleur intégré
« technologie
bumps »
Onduleur commercial
« technologie
bonding »
Puissance
1MW
1MW
Masse
46kg
109kg
Technologie de
refroidissement
Refroidissement
intégré à eau
Refroidissement à air
forcé
Tableau 2 : Comparaison des caractéristiques d’un onduleur
Primes et commercial à « bonding »
Des campagnes d’essais de fiabilité ont permis d’évaluer
les capacités de cette technologie.
Tout d’abord des essais de cyclages passifs et
environnementaux ont révélé les modes de défaillance
standards conformes aux technologies de packaging du
commerce, à savoir des délaminations aux interfaces
céramique/métal des substrats métalliques isolés, ou des
reprises d’humidité des polymères, mais sans influence
néfaste de cette nouvelle technologie. Au contraire,
l’insertion de certains bumps dits « mécaniques » en
périphérie des substrats, notamment dans les angles de
métallisation, permet de repousser l’apparition de ces
délaminations, par un renfort mécanique local rigidifiant la
structure.
Des campagnes de cyclage actif ont également été
menées. En effet, des essais à différents deltas de
Température ont permis d’éprouver les interconnexions en
les comparant à la technologie wire bonding. En exemple,
pour un Tj de 60°C, les premiers fils de bonding se
décollent (fissures à l’interface) aux alentours de 300 000
cycles, alors que la technologie Bump dépasse aisément les
650 000 cycles. Le mode de défaillance se présente alors
sous forme de fissures au niveau des brasures de bump.
(Cf. Figure 5)
Figure 5 : Microsection d’une brasure bump après
vieillissement (fissure)
Pour parvenir à ce résultat, cette technologie a pu
bénéficier d’un certain nombre de degrés de liberté
supplémentaires. Outre l’aspect matériaux qui reste non-
négligeable (alliage de brasure, matériau du bump, de la
métallisation), le paramètre géométrique de cette structure
3D offre la possibilité d’insérer des bumps « mécaniques »,
c’est-à-dire n’ayant aucune fonction électrique, mais
permettant d’absorber les contraintes thermomécaniques
locales, l’insertion et la disposition des bumps étant
modélisée par l’élaboration d’une méthodologie de
conception,
fortement
aidéwww.ascii.fre
par
une
plateforme de modélisation Multi-domaine et Multi-
physique.
B. Modélisation Multi-domaine et Multi-physique
A travers les outils dont dispose Primes, des études ont
été menés sur une représentation Tridimensionnelle du
composant, incluant le packaging, ses connectiques [3],
ainsi que le système complet. Plusieurs exemples de
simulation et d’optimisation, illustrés sur la figure 6, seront
discutés par la suite. Ils présenteront les contraintes
thermiques sur chaque puce pour des phases d’utilisation
sévères et illustreront la tendance des déformations
mécaniques qui en résultent.
Figure 6 : Simulation des contraintes thermique (à gauche) et
mécanique (à droite) sur un interrupteur élémentaire Bump [4]
L’objectif de cette plateforme (fig.7) est de combiner les
différents phénomènes physiques sur une géométrie
d’interrupteur de puissance.
Figure 7 : plateforme de simulation PRIMES
Grâce à cette plateforme de modélisation, des gains
multi-physiques notables ont pu être soulignés.
Nous pouvons en premier lieu citer la très forte
diminution de la résistance ainsi que de l’inductance des
bumps qui est flagrante en comparaison aux wire-bonding.
Le tableau 2 ci-dessous oppose un fil de bonding standard
(diamètre 500µm) avec un bump cylindrique (diamètre
2mm, longueur 2mm), à une fréquence de 1kHz ainsi qu’à
1Mhz :
Figure 1.3 – Simulations physiques réalisées sur prototypes virtuels (proposition laboratoire PEARL/PRIMES [Lasserre 12]).