CNES - inspection de composants critiques pour des missions spatiales avec la tomographie à rayons X

19 mai 2022
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Le Laboratoire d'Expertise du CNES, grâce à la tomographie à rayons X, réalise un contrôle non destructif d'optocoupleurs pour les futures missions spatiales. Une compréhension approfondie des mécanismes de défaillance des composants critiques est l'un des principaux aspects permettant de porter la fiabilité des équipements au niveau requis par la criticité de ces missions. JUICE - Jupiter Icy moons Explorer est la première mission de grande envergure du programme Cosmic Vision 2015-2021 de l'ESA. 
Le CNES soutient cette mission dont l'objectif est d'accomplir un tour unique du système Jupiter qui comprendra des études approfondies de trois satellites potentiellement océaniques : Ganymède, Europe et Callisto.
Système nano-ct de RX Solutions pour le laboratoire du CNES
L'inspection de composants critiques au CNES : l'optocoupleur haute tension.

Un optocoupleur est un composant électronique qui fonctionne comme un isolateur. Il protège le circuit électronique et isole les composants critiques des hautes tensions. 
L'optocoupleur utilise un émetteur de lumière, généralement une diode électroluminescente (LED), pour fournir un signal optique interne à un photodétecteur et à un amplificateur. Les optocoupleurs offrent un très haut degré d'isolation entre le signal électrique qui commande la LED et la sortie de l'amplificateur car il n'y a pas de connexion électronique directe entre eux, seulement le signal optique.

Analyse de défaillances d’optocoupleurs pour les instruments spatiaux grâce à la tomographie à rayons X

Sur la mission JUICE, l'expérience PEP (Particle Environment Package) est un instrument permettant de mesurer les particules et le plasma grâce à 6 capteurs. 
Parmi eux, l'instrument JDC (Jupiter Dynamics and Composition) est un spectromètre de masse ionique (1 eV-41 keV, M/DM = 30) conçu et fabriqué par l'IRF (Kiruna, Suède) avec une contribution technique du laboratoire IRAP de Toulouse. 
Il vise à étudier les populations de particules chargées et neutres dans les environnements magnétiques de Jupiter (magnétosphère en rotation rapide), de Ganimede (mini-magnétosphère), et au voisinage des lunes Europe et Calisto.
Certains éléments électro-optiques de l'instrument sont polarisés par une haute tension statique. 
Pour un fonctionnement précis de l'instrument, les hautes tensions doivent être exploitées avec une grande précision. 
De plus, pour permettre certaines mesures, la haute tension doit être balayée très rapidement à des intervalles très précis (taux > 1kV/ms). 
Des optocoupleurs personnalisés sont donc utilisés dans le circuit de fonctionnement de la haute tension.
L'optocoupleur conçu par le laboratoire IRAP possède deux branches indépendantes de chaînes de LED, assurant la redondance du circuit. 
Si des défauts fonctionnels sont constatés sur les deux branches, l'optocoupleur défectueux peut limiter fortement la capacité scientifique de l'ensemble de l'instrument. 
Dans l'analyse suivante, des défauts fonctionnels ont été observés sur certains optocoupleurs après un test de cycle thermique. 


Kateryna KIRYUKHINA
Experte analyse technologique au CNES
Vue artiste de JUICE © ESA ATG Medialab 2017

La tomographie à rayons X au CNES


Pour étudier l'origine de ce comportement électrique, une inspection par tomographie a été réalisée. La tomographie à rayons X est devenue une technologie essentielle pour la caractérisation d’échantillons en 3D. La tomographie offre la possibilité d'inspecter un échantillon de manière non-destructive et de visualiser à haute résolution les structures internes.

Un scan tomogrpahique rapide peut générer un ensemble de données qui permettent d’évaluer l'aspect structurel, électrique et dimensionnel d'une pièce. L'origine d'un défaut, telle une anomalie de soudure, la présence de porosités, la contamination, un problème d'interconnexion... sera rapidement identifiée. 

L'inspection par tomographie à rayons X a été réalisée dans le laboratoire du CNES, sur un équipement RX Solutions EasyTom 160 (système CT de la Gamme Nano). Ce système, qui combine deux sources de rayons X micro et nano foyers, permet de répondre aux applications les plus difficiles jusqu’à des résolutions de 0,4 µm.
La défaillance de l'optocoupleur, mise en évidence par le test électrique, pourrait avoir plusieurs origines, liées aux composants et aux interconnexions des fils de liaison et aux contraintes thermomécaniques.

D'où les deux différents scans à rayons X effectués sur l'optocoupleur : le premier pour visualiser l'ensemble de l'échantillon et le second pour zoomer sur la LED et observer plus en détail la zone de fixation de la puce. Les deux scans permettent d'obtenir des détails très nets, ainsi qu'un contraste et une luminosité équilibrés, nécessaires pour voir avec précision les principaux composants internes de l'optocoupleur. Les 4 LEDs et la photodiode peuvent être inspectées avec précision ainsi que les zones de fixation de chaque LED.
Scan n°1 - le set-up
Scan n°1 - le set-up
Scan n°1 - résultats de l'échantillon complet
Scan n°1 - résultats de l'échantillon complet
Scan n°2 - le set-up
Scan n°2 - le set-up
Scan n°2 - résultats sur le zoom de la zone de fixation de la LED
Scan n°2 - résultats sur le zoom de la zone de fixation de la LED
Scan n°1 - le set-up
Résolution: 11µm / voxel; Temps de scan : 1h20; Tube à rayons X: Nano-focus 160 kV; Détecteur à rayons X: flat panel
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Scan n°1 - résultats de l'échantillon complet
Le résultat du scan est un volume 3D complet de l'intérieur de l'optocoupleur, mettant en évidence tous les composants internes. Réalisé à une résolution de 13 µm, le scan offre un ensemble de données permettant d'inspecter en détail les zones de montage des LEDs. Il offre un rendu global et permet d'inspecter sa structure dans son ensemble.
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Scan n°2 - le set-up
Résolution: 2µm / voxel, Temps de scan : 2h30, Tube à rayons X: Nano-focus 160 kV, Détecteur à rayons X: CCD Camera
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Scan n°2 - résultats sur le zoom de la zone de fixation de la LED
Un deuxième scan, en retirant la protection plastique autour de l'optocoupleur, se concentre sur les principaux éléments électriques, les 4 LEDs et la photodiode. L'identification de la source de défaillance la plus probable nous oriente vers la réalisation d’un troisième scan avec une résolution accrue à 2 µm ciblant la LED et sa zone de connexion.
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La tomographie à rayons X, un outil clé face aux défis des composants électroniques


Après un premier test électrique qui mis en évidence un défaut sur l'optocoupleur, la tomographie à rayons X permet de trouver l'origine de ce défaut, de manière non-destructive. En quelques heures, l'inspection par tomographie à rayons X a donné toutes les indications sur l'optocoupleur et constitue la meilleure technologie pour obtenir l'origine du défaut mis en évidence lors des tests électriques.
 
Cela permet de choisir le bon design pour assurer la fiabilité de l'équipement qui volera dans quelques années dans l'environnement jovien et permettra une multitude de nouvelles découvertes scientifiques !
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