Les caméras infrarouges dans le développement électronique

Ces dernières années, le développement de l’électronique fait apparaître une tendance claire : la densité d’intégration s’accroît. Aujourd’hui, les smartphones modernes sont nettement plus performants et pourtant leur taille n’augmente pas. C’est également le cas pour l’équipement informatique et l’électronique automobile ou grand public. Dans le développement, une attention particulière revient par conséquent aux problématiques thermiques. Les techniques de mesure infrarouge apportent ici une aide importante.

Dès 1965, Gordon Moore établit la règle d’or que l’on nomme aujourd’hui la loi de Moore : en 18 mois, la densité d’intégration de composants semi-conducteurs double. La performance constamment accrue des composants semi-conducteurs forme la base du développement de l’informatique moderne et de la numérisation, qui dominent aujourd’hui pratiquement tous les domaines de notre vie quotidienne.

La puissance dissipée génère de la chaleur

Il se trouve qu’une densité d’intégration toujours plus élevée entraîne l’augmentation de la quantité de chaleur produite par la puissance dissipée à l’intérieur des composants. S’ajoute la miniaturisation croissante qui peut entraver une dissipation efficace de la chaleur. Avec l’utilisation de l’électronique de puissance, comme par exemple dans la technologie de l’entraînement, les applications qui nécessitent des courants relativement élevés sont toujours plus fréquentes. La durée de vie de composants semi-conducteurs dépend fortement de la température. Lorsque la température s’accroît de 10 °C, leur durée de vie baisse d’environ 50 %. Pour les développeurs de modules électroniques, le défi consiste donc à prendre en compte le comportement thermique des circuits imprimés et des composants.

La technologie infrarouge est parfaite pour mesurer les températures de semi-conducteurs, de cartes de circuits imprimés ou de modules entiers. L’exécution du procédé est rapide, précis et sans contact, ce qui est particulièrement important dans la fabrication électronique. La mesure doit déterminer à quel endroit précis un circuit imprimé présente quelle température. Les causes pour des températures trop élevées sont multiples : composants défectueux, circuits mal dimensionnés ou points de soudure mal exécutés. Afin de relever fidèlement les températures de structures et de composants très petits sur un circuit imprimé, une caméra infrarouge à haute résolution est requise. Elle permet par exemple de déterminer avec précision quel composant d’un circuit imprimé présente une température trop élevée.

Les caméras infrarouges sont utilisées dans différentes phases du développement électronique. Bien souvent, les températures d’une carte de circuit imprimé sont simulées en amont à l’aide de modélisations thermiques. Ces modélisations peuvent ensuite être vérifiées grâce aux mesures sur prototypes. Lorsque des différences apparaissent, les données recueillies par les mesures peuvent être réinjectées dans les simulations en vue de l’amélioration des modèles. Les mesures sur prototypes permettent également d’identifier les composants qui consomment trop d’énergie. De cette manière, une reconnaissance précoce des erreurs de conception des circuits est possible. On peut également détecter l’influence mutuelle exercée par les composants d’un circuit imprimé.

Dans la production, on utilise souvent des modules livrés par des fournisseurs externes. Les techniques de mesure infrarouge sont alors utilisées pour soumettre ces modules à un contrôle initial de qualité. Ce contrôle peut être exécuté de manière exhaustive ou sur des échantillons. Pour la vérification finale dans le cadre du contrôle de qualité de modules ou de circuits imprimés terminés, on utilise également des caméras infrarouges. Au cours de tests « burn in », on peut par exemple identifier des composants ou des modules défectueux.

Le choix de la caméra infrarouge qui convient

Pour représenter les petites structures de modules électroniques, des caméras infrarouges de grande qualité sont nécessaires. Les caméras infrarouges modernes et performantes travaillent en règle générale avec une matrice de boromètres miniaturisés, qui sont rassemblés sur un chip. Ce détecteur microbolomètre dit FPA (Focal Plane Array) peut se composer de plus de 2 millions de pixels. Les bolomètres eux-mêmes ont une taille de 12 µm x 12 µm à 35 µm x 35 µm, et une épaisseur de 0,15 µm. La résistance des bolomètres change lorsqu’elle absorbe du rayonnement thermique. C’est de cette manière qu’apparaît l’image thermique avec à chaque fois une valeur de température par pixel.

Plus un capteur possède de pixels, plus la résolution sera grande. Or, comme le bolomètre individuel devient plus petit avec un plus grand nombre de pixels, le rayonnement thermique entrant par pixel sera plus bas. Pour atteindre la même résolution de température, de plus petits pixels doivent donc avoir une capacité de détection nettement plus élevée. Il faut par conséquent être très exigeant en matière d’isolation thermique, de coefficients de température et d’utilisation efficace de la surface de capteur. En pratique, on utilise une fréquence d’images moins élevée pour intégrer plus longtemps les signaux d’image. De manière générale, on peut retenir que le nombre de pixels, la fréquence d’images et la résolution de la température ne peuvent pas être augmentés indépendamment les uns des autres.

Influence de l’optique

Comme pour les appareils photo et les caméras vidéo, le capteur d’images ou le nombre de pixels de celui-ci ne sont pas les seuls garants pour des images de grande qualité. L’optique joue également un rôle important. Les objectifs des caméras infrarouges disposent souvent d’une puissance lumineuse élevée. Pour utiliser un maximum de rayonnement thermique tout en étant indépendant des absorptions atmosphériques, on travaille sur une plage spectrale de 8 µm à 14 µm. Mais on passe alors dans une zone de l’ordre du pixel où pour de très petits objets de la taille, par exemple, de 3 x 3 pixels, on mesure souvent une température trop basse. Or, pour un relevé fidèle des températures, il faut que la précision de mesure du système s’applique également aux petits objets. En effet, une résolution élevée uniquement basée sur le nombre de pixels ne serait pas d’un grand secours. À côté de la question de savoir quelle structure minimale peut être reconnue, il faut également se demander quelle doit être la taille minimale d’un objet sur une image pour que sa température puisse être déterminée avec fidélité.

Si la résolution se limite à un nombre réduit de petits pixels, on peut utiliser de plus petits objectifs à focale courte pour les champs de vision de dimension courante. Ces objectifs sont plus économiques, avec cependant le désavantage qu’une ouverture plus petite capte moins de lumière. Ceci doit à son tour être compensé par des capteurs plus sensibles. Le champ de vision de la caméra thermique dépend également de l’objectif choisi, qui peut se situer entre 6° et 90°. À mesure que la distance entre la caméra et l’objet s’accroît, la zone d’image captée augmente, tout comme la section d’image représentée par un pixel individuel. La résolution optique de l’instrument de mesure doit donc être choisie en fonction de la taille de l’objet de mesure et de la distance entre celui-ci et le capteur. En résumé, on peut dire que l’optique et le capteur d’une caméra thermique doivent être d’une qualité similaire et adaptés à la tâche de mesure spécifique afin d’obtenir une image thermique qui présente une bonne résolution à la fois sur le plan thermique et géométrique.

Les caméras infrarouges PI 450 et PI 640 d’Optris sont idéales pour les mesures sur modules électroniques. Leurs dimensions de détecteur sont de 382 x 288 pixels (PI 450) ou resp. de 640 x 480 pixels (PI 640). Grâce à l’optique de microscope interchangeable avec mise au point [illustration 2 : optique de microscope], elles captent également de très petits composants ou structures sur un circuit imprimé. Le plus petit diamètre de spot de mesure est de 42 µm pour la PI 450 et de seulement 28 µm pour la PI 640. Les températures sont relevées avec une précision de mesure de ±2 °C. La fréquence d’images maximale de 125 Hz permet également de visualiser les processus rapides. Les deux caméras infrarouges enregistrent à la fois des images fixes et des vidéos, que l’on peut analyser grâce au logiciel sous licence libre.