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Le prototype virtuel : une réponse aux contraintes économiques et tem-

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]).