Comment fonctionne le cycle thermique ?

Parmi les tests les plus courants pouvant être réalisés en chambre climatique figurent les cycles thermiques.

Dans l'article suivant, nous illustrerons les généralités des cycles thermiques et des chambres de cycles thermiques, avec quelques exemples tirés des réglementations internationales régissant les essais de produits et de matériaux.

Que sont les cycles thermiques ?

Un cycle thermique est défini comme tout test thermique récursif dans lequel la température est régulièrement modifiée, atteignant un pic de température élevée et un pic de température basse. 

Un cycle thermique est considéré comme terminé lorsque la température revient à sa valeur initiale. Cependant, dans la plupart des essais, la procédure doit être répétée un nombre minimal de fois pour obtenir les résultats souhaités. Comme nous le verrons, ce nombre minimal est déterminé par la réglementation applicable à la catégorie de produit concernée.

Les essais de cyclage thermique diffèrent des essais de choc thermique par le temps nécessaire à la transition d'un environnement chaud à un environnement froid. Le « temps de stabilisation » de l'échantillon lors d'un cycle thermique est d'au moins dix minutes, et la limite de la nouvelle zone de température doit être atteinte en moins de 15 minutes.

En revanche, lors d'un test de choc thermique, quelques secondes suffisent pour transférer l'échantillon d'un environnement à un autre afin d'obtenir le facteur de choc. Ce choc est en réalité provoqué par la ,ce qui le distingue des tests thermiques classiques.

Les chambres à cycle thermique

Bien que le calendrier des transferts et la précision des valeurs de température soient fondamentaux, le cycle thermique est, dans sa généralité, l'un des tests les plus simples et peut être réalisé dans n'importe quelle chambre climatique permettant la modification des valeurs de température et le contrôle des valeurs d'humidité.

Toutes les chambres climatiques standard sont donc également des chambres de cyclage thermique.

La plupart des chambres à cycles thermiques peuvent être programmées pour exécuter le cycle de manière autonome.

Procédures internationales pour les cycles thermiques

Il n'existe pas de procédure internationale pour les cycles thermiques.

Les essais de cyclage thermique en chambre climatique constituent un test environnemental si courant qu'il est exigé pour de nombreux types de produits et de matériaux. L'industrie électronique, par exemple, est l'un des secteurs les plus concernés, la norme MIL-STD-883E en étant un parfait exemple. Les essais de corrosion des métaux incluent également le cyclage thermique, conformément à la norme ISO 13573:2012 .

Ces procédures sont très spécifiques et prescrivent :

• température de l'extrémité froide du cycle
• température de l'extrémité chaude du cycle
• durée maximale de transfert
• durée minimale de stabilisation
• nombre minimal de cycles thermiques requis

Pour obtenir des informations plus précises, il est nécessaire de consulter la documentation technique relative au secteur et aux matériaux que nous devons tester.

Chambres de cyclage thermique FDM.

Les chambres climatiques FDM sont les outils idéaux pour réaliser une grande partie des cycles thermiques nécessaires aux essais de matériaux.

Si les valeurs requises par le test atteignent des températures extrêmes, il est conseillé d'utiliser une chambre climatique.

Les chambres climatiques et les chambres environnementales FDM mettent en œuvre les meilleures technologies et peuvent programmer les cycles thermiques de manière autonome grâce à l'interface innovante revoFACE.

Pour plus d'informations, n'hésitez pas à nous contacter.

Cycle thermique vs. choc thermique vs. cycles automobiles

Les termes « cycle thermique », « choc thermique » et « cycles thermiques automobiles » ne sont pas synonymes. Examinons les principales différences :

Le cycle thermique décrit dans ce guide est un cycle générique : transitions programmées entre hautes et basses températures avec une rampe contrôlée, dans une seule chambre. Les variantes (choc, automobile, ICH) adaptent les paramètres et les normes à des applications spécifiques.

Questions fréquentes sur le cyclage thermique

Combien de cycles thermiques sont nécessaires pour un test standard ?

Cela dépend de la norme. La norme IEC 60068-2-14 Nb préconise généralement de 2 à 100 cycles pour les applications électroniques grand public et générales. La norme automobile AEC-Q100 exige 1 000 cycles. MIL-STD-810, méthodes 501/502 , recommande de 3 à 10 cycles à haute sévérité. Pour les qualifications aérospatiales selon la norme RTCA DO-160, on observe de 20 à 100 cycles. Ce nombre doit toujours être adapté au profil de mission du produit.

Quelle est la différence entre une rampe « linéaire » et une rampe « à choc » ?

La rampe linéaire consiste en une transition contrôlée à vitesse constante (par exemple, 5 °C/min) entre les deux températures d'essai, avec un palier intermédiaire. Le profil de choc (ou de changement rapide) implique des transitions en quelques minutes ou en moins de 30 secondes (choc pur). Le choix dépend de la norme : la norme IEC 60068-2-14 utilise des rampes linéaires pour le niobium, tandis que celle du sodium utilise des chocs. La rampe influence considérablement la contrainte mécanique induite.

Une humidité contrôlée est-elle nécessaire pendant le cycle thermique ?

Pas toujours. Le cycle thermique « sec » n'affecte que la température — cas d'utilisation typique d'une enceinte thermostatique — et suffit pour les essais de dilatation mécanique. Le thermo-hygrométrique (à humidité contrôlée) est requis pour les essais de corrosion, de pénétration d'humidité et de délamination des boîtiers électroniques. Des normes telles que la norme CEI 60068-2-30 (cycles thermiques en milieu humide) et la norme MIL-STD-810, méthode 507, intègrent le contrôle de l'humidité au profil thermique.

Puis-je simuler des profils d'utilisation réels (non sinusoïdaux) ?

Oui, grâce aux chambres d'essai équipées d'un programmateur avancé (comme le revoFACE FDM), il est possible de charger des profils personnalisés à partir de fichiers CSV, de reproduire des données de télémétrie réelles collectées sur des véhicules ou des systèmes, et de reproduire des cycles non linéaires à plusieurs étapes. Cette de test de profil de mission est de plus en plus demandée dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et du stockage d'énergie (où les tests sont effectués dans des chambres d'essai de batteries) afin de réduire le surdimensionnement et de mieux corréler les résultats de laboratoire avec la durée de vie réelle du produit.

Normes de référence

• IEC 60068-2-14:2009 — Essais environnementaux – Essai N : Changement de température. Couvre Na (rapide), Nb (linéaire), Nc (rapide, deux bains liquides).
• JEDEC JESD22-A104F — Cycle de température, norme JEDEC pour la qualification des circuits intégrés avec 6 conditions (A-T3) entre -65°C et +150°C.
• MIL-STD-810H Méthode 501/502 — Haute/basse température pour les équipements militaires, avec 8 procédures pour le stockage, l'exploitation et le cyclage.
• ISO 16750-4:2023 — Véhicules routiers – Charges climatiques, référence automobile pour le cycle thermique sur les calculateurs et les modules électroniques.
• AEC-Q100 Grade 0/1/2/3 — Test de cyclage thermique requis pour la qualification des circuits intégrés automobiles, avec 1000 cycles de grade 1.
• RTCA DO-160G Section 5 — Variation de température pour l'avionique, profil avec rampes définies par l'altitude de fonctionnement.
• EN 50155:2017 — Applications ferroviaires – Équipements électroniques, avec classes de cycle thermique T1-T3.

Sources faisant autorité

• CEI – Commission électrotechnique internationale. Organisme international de normalisation électrotechnique, responsable de la série de normes d'essais environnementaux CEI 60068.
• JEDEC Solid State Technology Association. Organisation américaine qui publie les normes de référence JESD22 pour les semi-conducteurs.
• L'Automotive Electronics Council (AEC)publie la norme AEC-Q100 pour la qualification des circuits intégrés automobiles et exige un test de cyclage thermique obligatoire.
• RTCA. Organisation américaine qui publie la norme DO-160 pour l'avionique, la référence mondiale en matière de qualification environnementale aérospatiale.

Autres questions fréquemment posées sur le cyclage thermique

Comment calcule-t-on l'accélération d'un cycle thermique par rapport à la réalité ?

Le modèle le plus couramment utilisé est l' de Coffin-Manson modifiée pour la fatigue thermomécanique : N_{_f,test} / N_f,field</sub> = (ΔT_{_field} / ΔT_{_test})ⁿ × (f_{_field} / f_test)^m</sup> × exp[E_{_a}/ k × (1/T_max,field</sub> – 1/T_{_max,test})]. Les exposants typiques pour les soudures SnAgCu sont n ≈ 1,9-2,5 et m ≈ 0,33. Pour un_essai de 165 °C (norme AEC-Q100, grade 1) contre un_champ de 60 °C (sous le capot d'un véhicule), un facteur d'accélération de 10 à 20 est obtenu ; ainsi, 1 000 cycles AEC-Q100 correspondent à environ 15 ans de durée de vie du véhicule. L'énergie d'activation typique E_{_a} est de 0,5 à 0,7 eV pour les mécanismes de fatigue thermique, et de 0,9 à 1,1 eV pour la diffusion métallique (électromigration combinée). Les constructeurs automobiles exigent généralement un coefficient de sécurité de 1,5 à 2 sur le nombre de cycles calculé.

Quelle est la différence entre un cycle thermique à temps de maintien long et un cycle thermique à temps de maintien court ?

La durée de maintien (temps passé à la température extrême) détermine le mécanisme de défaillance prédominant. Des durées de maintien courtes (2 à 10 min) accélèrent principalement les mécanismes réversibles liés à la dilatation élastique, utiles pour les essais de fatigue des BGA et des MLCC. Des durées de maintien longues (30 à 60 min) permettent les phénomènes de diffusion et de fluage , pertinents pour les soudures, les adhésifs et les composés intermétalliques. La norme JEDEC JESD22-A104, condition G, prescrit une durée de maintien de 10 min (typique pour l'électronique grand public), tandis que pour les essais aérospatiaux ESCC ECSS, une durée de 60 à 120 min est recommandée afin de simuler de longues périodes en orbite à l'ombre. Ce choix influe également sur la durée de vie globale : 1 000 cycles avec une durée de maintien de 10 min et des transitions de 5 min correspondent à environ 500 heures ; avec une durée de maintien de 30 min, cette durée passe à 1 000-1 500 heures. Les temps de séjour très longs nécessitent une stabilité à long terme de la chambre de ±0,5°C, avec une répétabilité vérifiée via la cartographie IEC 60068-3-5.

Comment combiner cycle thermique et humidité dans un profil THB ?

Le test THB (Température et Humidité Bias) est un test de chauffage et d'humidité avec polarisation électrique, généralement conforme à la norme JEDEC JESD22-A101 (85 °C/85 % RH, 1 000 heures) ou norme IEC 60068-2-30 Db (cycles de 24 h entre 25 °C avec ≥ 95 % RH et 40 ou 55 °C avec 93 % RH). Dans le test THB JEDEC, la température et l'humidité restent constantes ; dans le test Db, la température oscille et de la condensation se forme sur l'échantillon pendant la montée en température, avec une humidité ≥ 95 %. La condensation, combinée à la tension appliquée, accélère la corrosion électrochimique, l'électromigration ionique et le décollement de la passivation. Les enceintes THB doivent gérer le point de rosée sans geler ni surchauffer les capteurs d'humidité : l'humidification est obtenue par injection de vapeur ultrafiltrée, grâce à des capteurs HMI capacitifs placés à des points stratégiques non exposés à la condensation directe. La tolérance typique est de ± 2 °C/± 3 % RHest utiliséle procédé HAST à 130 °C/85 % RH dans un autoclave pressurisé.

Quelles sont les différences entre les profils de code 01, 02 et 03 de la norme ISO 16750-4 ?

La norme ISO 16750-4 définit trois niveaux de sévérité des contraintes thermiques pour les véhicules. Code 01 (habitacle) : de -40 °C à +85 °C pour les composants de l’habitacle, 1 000 cycles typiques. Code 02 (compartiment moteur, hors contact direct avec le moteur) : de -40 °C à +125 °C, 1 000 cycles, pour les calculateurs situés dans le compartiment moteur, hors contact direct. Code 03 (sur le moteur) : de -40 °C à +150 °C ou +155 °C, pour les capteurs et actionneurs montés sur le bloc-moteur, 500 à 1 000 cycles. Les profils de contrainte comprennent un palier de 30 minutes à chaque température extrême, des rampes de montée en température de 1 à 3 °C/min et une stabilisation pendant au moins 50 % du temps d’exposition à ce régime thermique. La correspondance avec la norme AEC-Q100 est la suivante : Code 01 ≈ Grade 3/2, Code 02 ≈ Grade 1, Code 03 ≈ Grade 0. Les tests nécessitent des chambres environnementales avec une plage de -50/+170 °C pour avoir une marge sur les points de consigne et une vérification post-test des paramètres électriques sur 100 % des échantillons.