Cet article examine l’impact très réel des radiations cosmiques sur l’électronique de puissance.
Cette question est apparue lors d’une discussion sur les pannes d’électronique de puissance pour lesquelles il n’y avait initialement aucune explication viable.
Cependant, les rayons cosmiques ne sont pas une invention de Stanislav Lem ni un mythe de l’univers Star Wars. Les radiations cosmiques se composent de particules à haute énergie éjectées dans l’espace en grandes quantités par des étoiles comme le soleil. Le champ magnétique de la Terre dévie la plupart de ce qui s’y dirige, et seules quelques particules à haute énergie pénètrent dans l’atmosphère terrestre, entrant en collision avec d’autres particules et transférant leur énergie à ces partenaires de collision. En conséquence, davantage de particules à haute énergie sont produites, et d’autres collisions créent un effet en cascade connu sous le nom de pluie de particules.
En fait, il ne s’agit plus de la radiation cosmique d’origine, mais de la radiation secondaire qui en résulte. Comme l’intensité de la radiation dépend beaucoup de l’altitude géographique, on l’appelle également radiation de haute altitude.
Lorsque ses particules entrent en collision avec la structure cristalline, elles possèdent encore suffisamment d’énergie pour perturber les champs électriques des semi-conducteurs.
Si le désordre se propage le long du réseau cristallin, un canal conducteur peut se former dans le semi-conducteur, et celui-ci est alors détruit. Le processus est schématisé dans la Figure 1.
Ce phénomène est plus susceptible de se produire à des intensités de champ élevées dans le réseau cristallin, de sorte que les semi-conducteurs actuellement dans un état de blocage sont particulièrement affectés.
Figure 1. Mécanisme de défaillance dû à la radiation cosmique.
Au début des années 1990, l’influence des radiations cosmiques a été remarquée pour la première fois dans l’électronique de puissance. Les pannes survenues dans les convertisseurs de traction des trains ne pouvaient pas être expliquées initialement. Une expérience célèbre a étudié si les semi-conducteurs dans des dômes de sel profondément enfouis ont des fréquences de panne différentes de celles situées sur les sommets des montagnes.
Le résultat était clair : les systèmes souterrains fonctionnaient sans insuccès, tandis que ceux en haute altitude échouaient plus fréquemment.
Comme il ne peut être mesuré que statistiquement, ce modèle de défaillance est connu sous le nom de burn-in unique (SEB : Single Event Burnout).
La radiation cosmique peut-elle être une radiation gamma ?
Dès 1929, les physiciens allemands Walther Bothe et Werner Kolhörster ont tenté de prouver que la radiation cosmique postulée par Victor Franz Hess en 1912 était en réalité une radiation gamma. Leur dispositif expérimental était composé de deux compteurs Geiger-Müller et incluait un absorbeur entre eux, mais cela s’est avéré insuffisant. Même en utilisant une plaque d’or de 4 cm d’épaisseur, ils ont trouvé des coïncidences, c’est-à-dire des événements survenant simultanément dans les deux compteurs. Cette preuve a également démontré que la radiation cosmique ne pouvait pas être de la radiation gamma.
Elle a également conduit à la réalisation que les mesures de protection pour une application ou des assemblages de semi-conducteurs individuels contre ce phénomène dans un boîtier n’étaient pas économiquement viables.
L’expérience des années 1990 nécessitait plusieurs kilomètres de roches pour fournir un blindage adéquat.
Qu’est-ce qui maintient les taux de défaillance bas, même en haute altitude ?
Mathématiquement, le taux de défaillance d’un composant est le produit d’un taux de défaillance de base qui existe toujours, de divers facteurs influents tels que la tension et la température, et d’un facteur de correction pour l’altitude géographique.
La radiation de haute altitude elle-même est un facteur incontrôlable. La seule chose qui aide est de réduire le taux de défaillance de base.
Les pannes dans les composants augmentent avec la température du semi-conducteur. La force du champ prévaut également dans le semi-conducteur et est déterminante. Les deux peuvent être exploités.
Un composant surdimensionné en capacité de transport de courant a une variation de température plus faible pendant le fonctionnement, réduisant ainsi le taux de défaillance de base.
Le rapport entre la tension de blocage nominale et la tension appliquée au composant peut également être utilisé. Si, par exemple, des tensions allant jusqu’à 900 V sont prévues dans l’application, l’utilisation de composants de 1200 V est techniquement suffisante. Cependant, l’utilisation de composants de 1700 V réduit considérablement le taux de défaillance de base.
À quelle vitesse le taux de défaillance augmente-t-il avec l’altitude ?
Mesurer avec précision le taux de défaillance en fonction de l’altitude géographique au-dessus du niveau de la mer est extrêmement complexe et n’a été réalisé de manière holistique que par quelques institutions dans le passé.
Les données peuvent être utilisées pour illustrer l’influence croissante, comme le montre la Figure 2.
Figure 2. Influence de l’altitude géographique sur le taux de défaillance des composants électroniques de puissance
Le taux de défaillance pour les composants électroniques de puissance est également appelé le taux FIT. FIT signifie Failure In Time (Défaillance dans le temps). En termes industriels, Temps représente une période de 109 heures de fonctionnement. Ainsi, 1 FIT signifie que le composant échoue statistiquement dans les 109 heures. Cependant, le taux FIT ne dit rien sur le moment où le composant échouera ou quel composant d’un groupe est affecté.
Si un composant a 100 FITs et qu’il y a un million de pièces en utilisation, on peut supposer statistiquement qu’une défaillance se produira toutes les 10 heures.
L’influence additionnelle de la radiation cosmique devient évidente dans cet exemple.
Une application installée à Hambourg a 12 fois plus de chances de tomber en panne lorsqu’elle est utilisée dans la station de ski de Pilztal en Autriche à 3440 mètres d’altitude. À La Paz, en Bolivie, à une altitude de 3870 mètres, la probabilité de défaillance augmente d’un facteur 15.
Cela signifie que si une durée de vie de 10 ans est statistiquement atteinte à Hambourg, celle-ci peut rapidement être réduite à moins d’un an en montagne.
La situation est particulièrement critique lors de l’utilisation de semi-conducteurs de puissance dans des avions ou des satellites.
Conclusions
La radiation de haute altitude en tant que facteur influent sur la durée de vie d’un système d’électronique de puissance n’est pas un mythe mais un phénomène désormais bien connu et documenté. Si des probabilités de défaillance doivent être spécifiées pour des applications générales, il est judicieux de préciser leur fonctionnement en termes de paramètres électriques et thermiques ainsi que de l’altitude géographique à laquelle le système doit être utilisé. Si le développeur sait que l’application sera utilisée en haute altitude, des spécifications appropriées pour le choix des composants peuvent influencer positivement la fiabilité dès la phase de conception.
Cet article est coécrit par le Dr Martin Schulz et Karsten Haehre de Littelfuse, Inc.