THERMOGRAPHIE INFRAROUGE APPLIQUEE

A LA MICRO ELECTRONIQUE

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I. RAYONNEMMENT INFRAROUGE-UTILISATION EN ELECTRONIQUE

I-1 Généralités

I.2 Mesures par cristaux liquides

I.3 Mesure par Delta Vbemètre

I.4 Mesure par thermographie infrarouge

  II- LES SYSTEMES D'ANALYSES INFRAROUGES

II.1 Généralités

II.2 Les Détecteurs Infrarouges

II.3 Les Optiques

II.4 Chaine d'acquisition et de traitement

II.5 Les Performances principales

III- MISE EN OEUVRE D'UNE CAMERA

III.1 Généralités

III.2 Modes de fonctionnement

IV- UTILISATION DE LA CAMERA INFRAMETRICS 760 ( banc du Laboratoire IXL)

IV.1 Caméra seule

IV.1 Caméra et logiciel de correction d'émissivité CIRPASS

IV.2 Module d'analyse transistoire et logiciel TTIR


I. RAYONNEMENT INFRAROUGE-UTILISATION EN ELECTRONIQUE

I-1 Généralités

L'étude du comportement thermique des composants électroniques et des assemblages de puissance tient aujourd'hui une place capitale dans la conception des fonctions électroniques soumises à environnement sévère. On sait en effet, que :

L'étude du comportement thermique du composant aidera donc à prévoir sa fiabilité, sa durée de vie et l'évolution de ses performances dans le temps.

Trois grandeurs essentielles caractérisent le composant d'un point de vue thermique :

Un assemblage quelconque peut donc, du point de vue thermique, trouver une représentation électrique équivalente sous la forme de réseau R,C en cascade.

Ces paramètres permettent une approche macroscopique des phénomènes et ne correspondent pas toujours à la réalité physique ; néanmoins il est nécessaire de déterminer ces caractéristiques avant d'affiner, si besoin, l'étude comportementale.

Nous nous intéresserons particulièrement à la résistance thermique, exprimée
en °C/W et définie par :

où :  sont respectivement la température de jonction et celle de référence (boîtier ou support dissipateur) et P, la puissance dissipée (W).

L'étude thermique des assemblages comporte naturellement deux volets :

Nous allons maintenant détailler le second point :

Trois méthodes sont utilisées au Laboratoire de microélectronique de Bordeaux (IXL) :

Les deux premières permettent d'accéder à la température de surface tandis que la dernière fournit la valeur de la résistance thermique.

I.2 Mesures par cristaux liquides

    Comme l'indique leur nom, les cristaux liquides constituent un corps dont l'état est intermédiaire entre celui du cristal (solide dont les molécules sont ordonnées dans
les 3 dimensions) et celui du liquide.

De par leur nature, ils allient la fluidité du liquide et l'arrangement ordonné des molécules qui est propre au cristal (état nématique).

La conséquence optique est intéressante :

- en dessous d'une certaine température, une onde optique polarisée garde sa cohérence après réfraction (anisotropie optique) tout en subissant une rotation du plan de polarisation.

- si la température s'élève, à partir d'un certain seuil se produit une transition qui marque le passage de l'état dit nématique à l'état liquide proprement dit : à partir de ce moment, l'onde optique polarisée est réfractée sans déphasage.

Si l'observation de l'onde optique polarisée réfractée est faite au moyen d'un analyseur croisé (filtre polarisé orthogonalement par rapport au polariseur), dans
le 1er cas on observera la réfraction lumineuse, bien qu'atténuée ; dans le second cas on observera une zone parfaitement noire.

    Le composant, mis sous tension, et recouvert d'une fine couche de cristaux liquides, est alors observé à l'aide d'un microscope optique. La limite entre zones claires et zones sombres marque l'isotherme de transition. En utilisant plusieurs cristaux de température de transition nématique isotrope différentes, l'on peut dresser une carte d'isothermes sur le composant observé avec une résolution spatiale inférieure à 10 mm.

I.3 Mesure par Delta Vbemètre

Une jonction PN parcourue par un courant direct constant voit la tension à ses bornes varier en fonction de la température suivant une loi linéaire (pente ? - 2 mV/°C environ) entre 0° et 200 °C (gamme d'observation utile du comportement thermique des composants). Cette propriété est utilisée par des appareils de mesure appelés
Delta Vbemètre. La courbe d'étalonnage tension-température du composant, réalisée à l'aide d'un bain de Fluorinert FC70 controlé en température, est d'abord enregistrée automatiquement. L'évolution du comportement thermique du composant par autoéchauffement est ensuite analysé. Cette mesure permet d'évaluer la dégradation des qualités thermiques d'un assemblage au cours du temps en calculant la variation de résistance thermique entre l'instant initial et l'instant final.

I.4 Mesure par thermographie infrarouge

    La thermographie infrarouge permet la mesure de température de surface et ses variations temporelles et spatiales, sur les échantillons examinés.

Le système d'acquisition est conçu pour transformer une image captée dans le domaine infrarouge et fonction de la luminance de l'objet observé, en une image visible et analysable par l'oeil humain.

Nous donnons maintenant brièvement le principe de base régissant ces mesures.

I.4.1 Rappel sur le rayonnement électromagnétique

    La matière échange en permanence de l'énergie avec le milieu extérieur sous forme de rayonnements électromagnétiques. L'origine de l'émission est liée à l'agitation moléculaire interne de la matière qui génère des transitions radiatives des électrons.

Cette agitation moléculaire est fonction de la température absolue de la matière. La gamme de rayonnements dits thermiques s'étend de 0,4 à 30 mm mais les moyens d'analyses infrarouge opèrent généralement dans la bande 3 à 15 mm.

Quatre phénomènes d'échanges entrent en jeu :

Par exemple, un corps dit opaque émet, réfléchit, absorbe mais ne transmet pas. Quelque soit le phénomène prépondérant, tout matériau envoie dans l'espace de l'énergie par rayonnement électromagnétique.

On définit la luminance énergétique spectrique directionnelle L'l comme étant un élément de flux en provenance d'un élément de surface dS, dans une direction donnée , sous un angle solide , dans un élément de bande spectrale . Elle s'exprime par :

en W . m-2 . sr-1 . mm-1.
 

I.4.2 Définition du corps noir

On définit également l'émetteur parfait appelé corps noir. C'est un objet idéal ( n'existant pas physiquement ) qui absorbe la totalité des rayonnements incidents quelles que soient leur longueur d'onde et leur direction et qui émet conformément à la loi de Planck (voir figure 2). La luminance énergétique spectrique est donnée par :

en W . m-2 . sr-1 . mm-1.

avec :

c1 = 3,741832.10-16 W.m-2

c2 = 1,438786.10-2 K.m

l = longueur d'onde en m

T = température en K

Cette formule est valable lorsque l'émission s'effectue dans le vide ou dans un milieu peu dense d'indice de réfraction voisin de 1.

Luminance en fonction de la longueur d'onde

On voit que le spectre d'émission est continu et qu'il présente un maximum dans l'infrarouge. Ceci explique l'association commune infrarouge-chaleur. On remarque aussi que si l'on travaille avec une caméra à une longueur d'onde donnée la luminance augmente avec la température : le signal de sortie sera donc une fonction croissante de la température du corps "noir". Enfin, ces courbes montrent que l'on peut avoir intérêt à travailler dans des longueurs d'onde plus courtes (3-5 mm) lorsque la température augmente afin d' améliorer la sensibilité de la caméra.

Intégré sur tout le spectre, on obtient la luminance énergétique totale qui répond à la loi de Stephan Boltzman :

en W.m-2

avec : s = 5,67032.10-8 W.m-2.K-4

I.4.3 Corps réel

En fait, les objets réels émettent un flux toujours inférieur à celui du corps noir idéal, quelles que soient la longueur d'onde et la température. On définit ainsi l'émissivité spectrale directionnelle e(l, d, T)^ de l'objet comme étant le rapport de la luminance énergétique spectrique directionnelle de l'objet à celle du corps noir, placés dans des conditions identiques de mesure. C'est une grandeur sans dimension comprise entre 0 et 1 dont la valeur est influencée par l'état de surface, la longueur d'onde, la direction d'émission et la température du matériau. Lorsque e(l, d, T)^ ne dépend pas de la longueur d'onde, on dit qu'il s'agit d'un corps gris. La connaissance de e(l, d, T) et une mesure de température relative permettent de remonter à la température de surface vraie de l'objet. La détermination de cette valeur est donc fondamentale en thermographie infrarouge quantitative.



II- LES SYSTEMES D'ANALYSES INFRAROUGES

II.1 Généralités

On distingue les caméras thermographiques et imageurs infrarouges . Si les deux permettent de visualiser des images, seule la caméra autorise des mesures quantitatives. Les balayages sont en général effectués de façon différente mais le traitement électronique traduit dans les deux cas, le flux capté dans la plage de sensibilité spectrale du détecteur, en un signal électrique d'intensité proportionnelle I(T). Un traitement vidéo permet ensuite de former l'image de la scène observée.

II.2 Les détecteurs infrarouges

On trouve essentiellement deux types de détecteurs thermiques et quantiques :

Le détecteur thermique (par exemple pyroélectrique) est excité par le flux reçu et s'échauffe. L'une de ses propriétés physiques (résistance etc) variant avec la température, cela provoque une variation du signal électrique issu du capteur.

Le détecteur quantique (photo voltaïque ou photoconducteur) délivre lui, un signal proportionnel au nombre de photons reçus. Il est plus rapide que le détecteur thermique et sera utilisé de préférence dans les caméras alors que le détecteur thermique sera plutôt réservé aux imageurs (thermographie non quantitative).

Ces deux types de capteur existent en mono détecteur ou sous forme de matrice. Le système de balayage sera bien entendu différent

Le mono détecteur HgTeCd Mercure-Tellure-Cadmium des caméras Inframétrics se comporte par exemple comme une photo-résistance voisine de 100 ? qui varie avec le flux du rayonnement auquel elle est sensible (sa résistivité est inversement proportionnelle à la quantité de flux reçue)

Les détecteurs sont refroidis à l'azote liquide (77° K), ou machine à cycle de Stirling de façon à minimiser leur bruit interne qui intervient dans les performances de résolution thermique des caméras.

II.3 Les Optiques

Les optiques sont réalisées en Germanium (transparente aux Infra-rouges contrairement au verre).

II.4 Chaine d'acquisition et de traitement

Un jeu de deux miroirs mobiles montés sur cadre mobile et situé derrière l'optique permet de balayer le champ à observer et focalise l'information sur le mono détecteur. Le premier miroir est animé d'un mouvement vertical par un signal à 50 Hz (fréquence trame), alors que le second assure le balayage ligne horizontal à 4 KHz. Des capteurs optiques ou à effet Hall contrôlent les débattements des miroirs. A chaque retour trame, un "chopper" (mini corps noir) piloté en fréquence par un moteur triphasé et monté sur une pièce mobile rotative est présenté devant le capteur pour une référence périodique du signal électrique. Cette information est conservée sous forme analogique dans les anciennes caméras et maintenant sous forme numérique. Elle sert à la restauration du niveau continu après amplification.

Des sondes de température placées dans le bloc optique permettent de corriger les paramètres en fonction de la température ambiante à l'intérieur du boitier.

L'information issue du capteur est amplifiée, remise en forme puis sommée à la composante continue fournie par le chopper, avant d'être convertie en données numériques sur 8 bits stockées alternativement sur deux mémoires ( écriture d'une trame sur l'une, pendant la relecture de l'autre).

Pour réceptionner l'équivalent d'une ligne, il faut 125 ms (demi-période du 4KHz). Pour la restituer au standard TV, 2 fois moins de temps est nécessaire (ligne vidéo de 64 ms); aussi la même ligne est répétée 2 fois de suite pour constituer la trame télévision.

A titre d'exemple, le synoptique général de la caméra Inframétrics 525 est donné figure 3
 

Figure 3


II.5 Les Performances principales

La qualité des mesures est basée sur deux critères principaux :

1) la résolution thermique

C'est l'aptitude de la caméra à discerner de faibles écarts de luminance ou de température. Cette résolution est essentiellement limitée par le bruit électronique de l'ensemble détecteur et chaine de traitement du signal ( analogique et numérique).

Ce qui explique le refroidissement extrême du détecteur et les très bonnes performances en bruit du préamplificateur (< 0,6nV/?Hz)

2) la résolution spatiale

C'est l'aptitude de la caméra à faire apparaitre la distinction entre des valeurs de luminance spatialement très voisines. Elle est limitée par la qualité de l'optique et le temps de réponse de toute la chaine électronique. D'où le choix de la bande passante de l'amplificateur et de la fréquence d'échantillonnage.

D'autres caractéristiques sont également importantes :

a) Plage de fonctionnement

La gamme de température couverte est généralement divisée en sous gamme. La limite basse est assez mal connue (entre -50 et -30°C suivant les longueurs d'ondes).

b) La dynamique

Elle est égale au rapport signal sur bruit maximal que la caméra peut présenter.

c) Dérive à court terme, à long terme

II.6 Calibrations

Chaque machine est calibrée individuellement de façon à obtenir une correspondance entre la valeur du signal électrique issu du capteur et la température ou la luminance de la cible (corps "noir"). Cette courbe est d'autant plus imporante qu'il ne s'agit pas d'une simple droite. L'information est conservée sous forme

de table en mémoire ou en fichier. Figure 4 : Courbe d'étalonnage



III MISE EN OEUVRE D'UNE CAMERA (banc du laboratoire IXL)

III.1 Généralités
 

Figure 5 : Banc de thermographie


Après étalonnage à l'aide d'un corps de référence aussi proche que possible du corps noir idéal, et correction d'émissivité, l'on peut directement mesurer la température de surface vraie, de l'objet observé. La correction d'émissivité peut être effectuée de deux manières :

- uniformisation de l'émissivité grâce a une fine couche de peinture noire déposée sur l'objet et d'émissivité voisine de 1.

- correction automatique par traitement numérique pixel par pixel sur les caméras de nouvelle génération. Dans ce cas, la cible est toujours considérée comme un corps gris, c'est à dire que son émissivité est supposée indépendante de la longueur d'onde dans la gamme d'analyse choisie. Le schéma ci-dessous illustre le principe de correction.

L'échantillon à tester est porté à deux températures de références (si possible les températures extrêmes correspondantes à la plage de travail).

Figure 4 : correction d'émissivité

Les flux I' sont mesurés et les flux I sont connus grâce aux courbes de calibration de la caméra. On en déduit par calcul et traitement logiciel, la valeur de l'émissivité et des radiations parasites de l'environnement. Cet type de correction est tout à fait fiable tant que l'émissivité moyenne de l'échantillon n'est pas inférieure à environ 0,3-0,4.

III.2 Modes de fonctionnement

Rappelons que balayage ligne sinusoidal de la caméra est effectué avec une fréquence 4 KHz. Une ligne est donc décrite en 1/2 période soit 125 ms. L'affichage sur le moniteur vidéo TV, lui, s'effectue en 64 ms .La structure de l'image affichée est donc "altérée" : chaque ligne de trame est répétée deux fois. Les première lignes de chaque trame sont, elles, en général réservées à des informations de "service". Plusieurs modes de fonctionnement sont possibles:

1) MODE IMAGE

En mode image "live", l'affichage est entrelacé comme suit :

Figure 5 : Structure image en mode image

Une nouvelle information est donc disponible pour notre oeil, en fait toute les 4 lignes.

Avec blanking (set up de la caméra ), l'image utile commence à la ligne 44. Sans blanking , elle commence à la ligne 29.

Ce mode est exploitable lors que l'image est fixe c'est à dire dans le cas d'une alimentation à puissance constante.

2) MODE LINE SCAN

Ce mode permet de visualiser le profil de température le long d'une ligne horizontale.

3) MODE FAST LINE SCAN

Dans ce mode, le balayage vertical est stoppé de sorte que la même ligne est affichée et reproduite sur toute la hauteur de l'image, (entrelacée en mode "live"). Lorsque l'image est figée par le logiciel de traitement THERMAGRAM, elle est automatiquement désentrelacée. La trame paire est localisée sur la moitié supérieure de l'écran et la trame impaire sur la moitié inférieure.

Dans ce mode, l'image utile commence à la ligne 29. Compte tenu du balayage sinusoidal de la caméra, les points situés sur une même verticale ne sont pas espacés du même intervalle de temps sauf pour la verticale médiane.

Figure 7 : Structure image en mode Fast Line Scan



IV. UTILISATION DE LA CAMERA INFRAMETRICS 760

IV.1 Caméra seule

a) mise en route

La mise en route de la caméra n'est pas instantanée : à l'initialisation logicielle, succède une phase de mise en température à 77 K du détecteur par un système à cycle de stirling. Une fois l'initialisation terminée, le message :

"initialisation complete"

apparait sur l'écran cristaux liquide.

Passer ensuite dans le menu "SETUP". On peut ici sélectionner l'émissivité (*) de la cible, la température ambiante de l'environnement (modifiable avec le "knob", bouton rond), la gamme d'analyse (3-12, 3-5 ou 8-12 mm), les facteurs de transmission optique (ex 0,96 pour notre télescope) etc . La ou les modifications se font avec les touches <- et -> en face avant.

Sur les pages suivantes ( 4 au total), on peut fixer le moyennage d'image 1 2 4 16, les unités thermiques, choisir de formatter une disquette, la polarité (blanc=chaud), la palette de couleur, activer le "blanking" (info de service sur le bandeau supérieur de l'image), ou modifier la date.

Sur la dernière page (modes auxiliaires), on peut affecter à la touche "Line/Aux" (en bas à gauche) l'une des fonctions proposées et notamment le Fast Line Scan.

Pour sortir du menu SETUP, il suffit d'appuyer sur une des autres touches du panneau avant.

(*) uniquement en mode image, en FLS elle est automatiquement bloquée à 1

b) Utilisation

Les touches de gauche permettent de choisir le mode Image, "Line" ou "Fast line scan" s'il a été programmé dans la phase de "set up". On peut faire apparaitre un curseur avec la touche "point" (déplacement avec les flèches), ou un carré ( shift point ) que l'on peut agrandir à volonté avec les touches flèches. La fonction "isotherm" fait apparaitre en sur intensité le contour isotherme. Shift image permet de modifier la palette de couleur.
 

IV.2 Caméra et logiciel de correction d'émissivité CIRPASS

Le logiciel de traitement d'image Thermagram et de correction d'émisivité CIRPASS se lance du PC par :

c:/ cd TTX

c:/TTX> TTX return

Vérifier que le copieur couleur est sous tension et actif car il est placé en série entre le PC et le moniteur d'affichage.

Tous les menus de traitement sont alors disponibles à la souris sur une barre située au bas de l'écran. Le déplacement Haut Bas de la souris permet l'accès à trois barres menu de couleurs différentes. Le déplacement latéral permet à l'accès aux différentes fonctions. On retrouve toutes les fonctions intrinsèques de la caméra mais aussi d'autres possibilités de traitement tels que combinaison d'images, incrustation, insertion de texte, tracés de profils surperposés sur l'image en mode "image" visualisation "3D", sauvegarde de tout ou partie d'image sous forme TIFF ou ASCII.

La correction d'émissivité se lance à partir de la troisième barre de menu par la fonction CIRPASS. L'utilisation est un peu longue et fastidieuse mais permet de s'affranchir des imperfections de la caméra (optique etc) et également de corriger efficacement l'émissivité tant que celle-ci reste supérieure à 0.3, 0.4. Cette correction s'effectue en plusieurs étapes (guidées par le menu) :

Sauvegarde de l'image à l'ambiante. Pose de curseurs éventuels pour le centrage de la cible.

Chauffage de la cible à la première température (TEMPTRONIC 41)

Choix du moyennage (4 images en général) puis sauvegarde

Chauffage à la deuxième température de référence

Sauvegarde en mémoire après moyennage

Calcul des radiations parasites du fond (automatique)

Calcul de la matrice Emissivité (automatique)

Sauvegarde éventuelle sur disque

Application de la matrice immédiate ou différée.

Pour application immédiate, attendre que le fond chuck de chauffage revienne à l'ambiante puis appliquer la puissance dans l'échantillon.
 

IV.2 Module d'analyse transitoire et logiciel TTIR

Mettre le module d'analyse (Ph Dondon © Copyright  2000) en série entre la caméra et et PC. Ce module permet de synchroniser l'impulsion de puissance appliquée à l'échantillon avec le top trame du signal vidéo. Lancer le logiciel Thermagram par TTX comme précédemment. Passer en mode Fast line scan. Réaliser une matrice émissivité et la stocker (TIFF). Réaliser la série d'images correspondante à l'analyse transitoire voulue. Toujours travailler sur une image figée sur une trame impaire. Puis appliquer la matrice émissivité et sauver les images corrigées en format TIFF.

IV.2.1  Description de la carte  d'analyse transitoire

 Le développement de cette nouvelle carte électronique doit nous permettre d'effectuer des analyses transitoires de courte durée ( de 20ms à 5,6 s) dont les résultats pourront être comparés avec ceux fournis par le Delta Vbemètre.

 La carte réalisée permet de :
 - synchroniser l'impulsion de puissance appliquée au composant observé avec le début d'une image utile et sur la trame impaire  (44 ème ligne en mode "image" et 29 ème ligne en mode fast line scan".
 - fixer la durée de l'impulsion de puissance entre 20 ms et 256 x 20 ms par pas de 20 ms
 - fixer la durée de l'impulsion de puissance entre 2 µs (resp 16µs) et 256 x 2 µs(resp 16µs) par pas de 2 µs (resp 16µs).
 - prendre une "photo"( en fait figer l'image") en synchronisme avec le top trame (pour ne pas "déchirer" l'image) par pas de 20 ms à partir de 20 ms et jusqu'à 256 x 20 ms.

 Le cycle d'acquisition est lancé par bouton poussoir. En lançant plusieurs cycles successifs et en modifiant à chaque fois l'instant d'observation, l'on pourra ainsi, après correction d'émissivité et stockage des images figées, reconstituer point par point l'évolution de température du composant observé.
Si la constante de temps thermique de celui-ci est très supérieure à 20 ms, l'on pourra pratiquement  regarder l'évolution en mode "image" ou  en mode "fast line scan". Dans le cas contraire, l'analyse ne pourra se faire qu'en mode "fast line scan". Dans ce mode en effet, l'image figée est automatiquement désentrelacée de sorte que deux lignes spatialement voisines représentent des points temporellement consécutifs, ce qui n'est pas le cas en mode image.

 L'on peut donc figer l'image sur un top trame paire ou impaire. Par contre, la trame paire occupe toujours la partie supérieure de l'écran.

Figure 3


 Suivant l'instant où l'on fige l'image, l'on obtient l'affichage suivant :

 Dans la première situation, la partie haute de l'écran est  temporellement postérieure à celle du bas. Dans la deuxième, c'est le contraire. Il faut donc, suivant le cas, "inverser"ou non  les deux trames. N'oublions pas cependant que, quelque soit la situation, nous observons en mode "fast line scan" l'évolution en température d'une seule et unique ligne horizontale.

 Un traitement informatique est donc nécessaire pour restituer l'ordre chronologique des trames affichées .L'image (corrigée) est stockée sous forme de fichier compressé TIFF et il y aura autant de fichiers que d'images figées. Il faut ensuite décompresser le fichier, le convertir en ASCII, supprimer 1 ligne sur 2 de chaque trame puis rectifier l'échelle des temps compte tenu du balayage sinusoidal de la caméra. Enfin, il faudra récupérer dans chaque fichier les informations nécessaires pour afficher point par point l'évolution température en fonction du temps. Le traitement  devra permettre en outre, de "lisser" la courbe obtenue et d'identifier la ou les constantes de temps principales.

IV.2.2  Exemple de résultat d'analyse