Le développement rapide du secteur mécatronique et un résultat du couplage de l’électronique et de la mécanique, cela permet aux acteurs industriels de ce secteur de réduire le volume, la masse, la consommation et le coût des systèmes embarqués et donc de gagner des parts de marché. Pour Concevoir de nouveaux systèmes mécatroniques, les fabricants sont confrontés à de nombreux défis. En plus de la compétitivité en termes de coût et de temps de développement, les industriels doivent répondre à un ensemble d’exigences qui sont exprimées par un donneur d’ordre via un cahier des charges, qui est le document qui regroupe ces exigences, précise les conditions et les phases d’utilisation, les performances, les conditions opérationnelles et environnementales, les conditions de stockage et de transport et les niveaux de fiabilité qui sont attendus. Pour répondre à cet ensemble d’exigences, le fabricant doit assurer un haut niveau de performance et de bon fonctionnement dans des conditions d’exploitation de plus en plus sévères et sur des périodes d’exploitation de plus en plus longues.
Comportement thermomécanique et fiabilité des packagings mécatroniques
En vue de produire des dispositifs plus petits et bien contrôlables, l’intégration de l’électronique dans les systèmes mécaniques est en forte expansion, cela conduit à des nouveaux dispositifs mécatroniques qui permettent aux acteurs industriels de réduire le volume, la masse, la consommation et le coût des systèmes embarqués. Tout en réduisant le coût et la durée de développement, un système mécatronique doit assurer un bon fonctionnement et un niveau de performance élevée pendant des longues durées d’exploitation et dans les conditions d’utilisation qui sont de plus en plus sévères, ce qui nécessite une maîtrise à la fois de la conception et de la validation.
En principe, la conception d’un nouveau système mécatronique s’effectue à base d’un ensemble des exigences exprimées par un donneur d’ordre par le biais d’un cahier des charges. Ces exigences précisent les performances demandées, les conditions opérationnelles et environnementales d’utilisation ainsi que le niveau de fiabilité attendu. Suite à une analyse des contraintes qui répond aux exigences du cahier des charges, les concepteurs précisent les blocs et les modules qui peuvent réaliser les fonctions et répondre aux exigences demandées. Ce processus de traduction des exigences fonctionnelles est reconduit jusqu’aux éléments de l’architecture de base du système mécatronique qui comporte une caractérisation et une spécification des équipements électroniques, qui le constitue, et leurs composants.
Généralement, un système mécatronique est dit fiable s’il réalise les fonctions attendues dans les conditions d’emploi et de durée de vie. Les sollicitations opérationnelles et environnementales se traduisent au niveau des structures de base de l’architecture par des contraintes d’origine thermique, mécanique, électrique, électromagnétique ou chimique. Ces contraintes peuvent interagir et engendrer des mécanismes de défaillance complexes dans les composants électroniques ou dans les matériaux utilisés pour les connexions ou pour les assemblages. On dit qu’un système mécatronique est défaillant si un de ses composants est défectueux.
Système mécatronique
Les systèmes mécatroniques sont très utilisés dans la conception et la fabrication des systèmes complexes, ils constituent une grande révolution qui a affecté le monde industriel avec ses différents secteurs. L’introduction de ces systèmes dans le monde du transport et en particulier le secteur automobile a profondément amélioré les processus de développement et de fabrication. Ainsi, la fabrication des voitures n’est plus reposée sur des dispositifs purement mécaniques contrôlés par quelques commandes électroniques, mais sur l’intégration de sous-systèmes et des composants de technologies différentes .
Définition
La mécatronique (mechatronics en anglais) a été utilisé la première fois pour désigner le contrôle des moteurs électriques, le terme, proposé par un ingénieur de Yaskawa Electric Co. du Japon en 1969, a par la suite évolué et eu un caractère multidisciplinaire qui associe plusieurs secteurs d’activité de technologies différentes dans la conception et la fabrication d’un produit. Selon le Comité Consultatif de Recherche Industrielle et de Développement de la Communauté Européenne
– Industrial Research and Development Advisory Committee of the European Community) [39, 73]. La mécatronique est « la combinaison synergique de l’ingénierie mécanique de précision, de la commande électronique et du système informatique dans la conception des produits et des processus de fabrication ».
La mécatronique n’est pas intrinsèquement une science ou une technologie, elle doit être considérée comme une attitude, une manière fondamentale de regarder et de faire des choses et, par sa nature, elle exige une approche unifiée .
Cycle de développement
La caractéristique principale des systèmes complexes est qu’ils résultent d’une combinaison de soussystèmes de technologies différentes. Dans les différentes technologies : mécanique, électronique ou logiciel, le cycle en V est le premier modèle utilisé pour leur développement, ensuite, ce cycle a été généralisé au développement des systèmes complexes, en particulier des systèmes mécatroniques, afin d’avoir une terminologie commune et de proposer une méthodologie globale, avec des étapes communes aux différentes technologies [90]. Le modèle de développement selon le cycle en V intègre les différentes phases de développement, depuis la spécification jusqu’à la validation du produit .
Analyse/Spécification
C’est la première phase dans le développement d’un système. Elle consiste à la réalisation de l’analyse des besoins et des spécifications. Cette phase propose la définition des fonctionnalités, des interfaces, des contraintes et des exigences du système, la préparation du plan qualité, du plan de validation, de l’étude de faisabilité, la définition du niveau de la fiabilité souhaitée du système. La traduction de la spécification système en spécifications particulières, pour chaque composant selon les différentes technologies, est la difficulté majeure des systèmes mécatroniques [90].
Conception
La conception constitue la deuxième phase de développement d’un système. Elle débute par la définition de l’architecture du système, puis des sous-systèmes et de leur fonctionnement, du plan de tests et d’essais et de l’analyse des risques. Dans le cas des systèmes mécatroniques, une simulation du futur système englobant toutes les technologies est effectuée [90].
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Table des matières
Introduction générale
1 Comportement thermomécanique et fiabilité des packagings mécatroniques
1.1 Introduction
1.2 Système mécatronique
1.2.1 Définition
1.2.2 Cycle de développement
1.2.2.1 Analyse/Spécification
1.2.2.2 Conception
1.2.2.3 Réalisation
1.2.2.4 Vérification
1.2.2.5 Validation
1.3 Présentation des équipements électroniques
1.3.1 Rôle et fonctions du packaging électronique
1.3.2 Niveaux de packaging et d’interconnexion des produits électroniques
1.3.3 Assemblage et technologies d’interconnexion
1.3.4 Types de boîtiers électroniques
1.3.4.1 Boîtiers par insertion
1.3.4.2 Boîtiers pour montage en surface (à grille métallique)
1.3.4.3 Boîtiers de type QFN
1.3.4.4 Boîtiers matriciels (de type BGA)
1.3.4.5 Chip Scale Packages (CSP)
1.3.5 Les phases du cycle de vie d’un équipement électronique
1.4 Mécanismes de défaillance
1.4.1 Fatigue thermique
1.4.2 Fracture fragile
1.4.3 Déformation plastique
1.4.4 Le délaminage
1.5 Essais de vieillissement thermomécanique appliqués aux équipements électroniques
1.6 Lois de comportement des alliages de brasure
1.6.1 Comportement en fluage
1.6.2 Comportement viscoplastique avec modélisation de l’écrouissage
1.6.2.1 Modèle d’Anand
1.6.2.2 Modèle de Busso
1.6.2.3 Modèle de Lemaître et Chaboche
1.7 Fiabilité des assemblages électroniques
1.7.1 Fonction de performance et probabilité de défaillance
1.7.2 Méthode de simulation de Monte Carlo
1.7.3 Méthodes d’approximation FORM et SORM
1.7.4 Couplage mécano-fiabiliste
1.8 Conclusion
2 Algorithmes évolutionnaires assistés par métamodèles
2.1 Introduction
2.2 Présentation des stratégies évolutionaires
2.2.1 Principes des stratégies d’évolution
2.2.2 Opérateurs évolutionnaires
2.2.2.1 Opérateurs de sélection
2.2.2.2 Opérateurs de recombinaison
2.2.2.3 Opérateurs de Mutation
2.3 Covariance Matrix Adaptation Evolution Stratégie (CMA-ES)
2.3.1 Mutation ou échantillonnage
2.3.2 Sélection et recombinaison
2.3.3 Adaptation de la taille du pas et de la matrice de covariance
2.4 Techniques de métamodélisation
2.4.1 Notations et mise en œuvre d’un métamodèle
2.4.2 Plans d’expérience et échantillonnage de l’espace des paramètres
2.4.2.1 Plans d’expérience usuels
2.4.2.2 Méthodes de remplissage de l’espace (Space Filling Design)
2.4.3 Différents types de métamodèles
2.4.3.1 Régression polynomiale
2.4.3.2 Le métamodèle de krigeage
2.4.3.3 Réseaux à fonctions de bases radiales (RBF)
2.4.3.4 Autres métamodèles
2.4.4 Validation
2.5 CMA-ES assistée par le krigeage
2.5.1 Gestion et mesure de la qualité du krigeage
2.5.1.1 Gestion du krigeage
2.5.1.2 Mesure de la qualité du krigeage
2.5.2 Algorithme KA-CMA-ES
2.5.3 Tests numériques
2.6 Conclusion
3 Optimisation globale des joints de brasure via l’algorithme KA-CMA-ES
3.1 Introduction
3.2 Présentation du système étudié
3.2.1 Cas des fils de connexion (wire bonding)
3.2.2 Cas des joints de brasure
3.3 Modèles de fatigue thermique des joints de brasure
3.3.1 Modèle de Coffin-Manson
3.3.2 Modèle de Morrow
3.3.3 Modèle de Coffin-Manson modifié en fréquence
3.3.4 Modèle Morrow modifié en fréquence
3.3.5 Modèle de Darveaux
3.4 Modélisation et analyse par la méthode des éléments finis du boîtier PQFP
3.4.1 Modélisation
3.4.2 Propriétés des matériaux
3.4.3 Chargement thermique
3.4.4 Modèle de fatigue choisi pour les joints de brasure
3.4.5 Résultats numériques
3.5 Optimisation globale des joints de brasure du boîtier PQFP
3.5.1 Formulation du problème
3.5.2 Simulations numériques
3.6 Conclusion
Conclusion générale