Etude des mécanismes d'inflammation d'un matériau isolant en présence d'un point chaud d'origine électrique

Experimental study of dielectric material fire mechanisms induced by an electrical hot point

• Auteur / Autrice : Michèle Nsoumbi
• Direction : Philippe Testé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits imprimés

Mots clés libres

Courant de fuite

Inflammation

Printed Circuit Board (PCB)

Défaut

Echauffement

Résumé

Dans un objectif de prévention de défaillances sévères susceptibles de conduire à un amorçage de feu sur circuits imprimés, l'évolution rapide d'un défaut d'origine thermique sur un circuit de type FR-4 a été étudiée. Une étude préliminaire des caractéristiques électrique et chimique du matériau a été effectuée en fonction de la température. La défaillance a été modélisée par une surintensité contrôlée localisée au niveau d'un défaut de géométrie imposée. Les expériences ont été conduites jusqu'à rupture de la piste aboutissant ou non à un départ de feu. Le courant de fuite circulant dans le substrat s'est révélé être un paramètre pertinent pour évaluer la dégradation du circuit imprimé. Des cartographies thermiques de la surface et de l'épaisseur du substrat sous le défaut ont également été réalisées. Parallèlement à cette étude expérimentale, un modèle numérique électrothermique 3D développé sur cette structure a permis de décrire et valider la dominance d'un processus thermique jusqu'à la rupture de la piste. Un enregistrement détaillé des paramètres électriques synchronisé à une cinématographie rapide au moment de la rupture a permis d'identifier un mécanisme impliquant un décollement de piste au niveau du défaut lié à un emballement de la température et du courant de fuite localisés. Ce mécanisme a été associé à la présence d'un canal chaud au travers du substrat conduisant à : (i) un échauffement important et localisé du matériau par effet Joule susceptible de conduire l'inflammation, (ii) un entretien de chauffage du substrat après rupture de la piste contribuant à entretenir et à propager Ie feu, notamment par émission de composés inflammables.

In the objective of prevention of severe failures leading to fire in onboard printed circuit board, the aggravation of hot spots due to an electronic component defect was experimentally modelled by creating a controlled overload on a FR4 Printed Circuit Board (PCB) track. A two-sided PCB was considered for these experiments, in which the leakage current intensity flowing through the PCB was measured. The experiments were lead until the track rupture with or without fire ignition. Leakage current was found to be a reliable parameter for monitoring the PCB temperature and state of degradation. Concurrently, thermal space and time resolved measurements were made on the PCB surfaces and on the PCB cross section surface. In addition to experiments, a 3-D finite element model was also created to simulate the trace heating; good agreement was found with experiments within the model's assumptions, up to the point of the track rupture. A detailed record of the electrical parameters synchronized to a fast camera when the track rupture identified a mechanism involving a detachment of the track near the defect according to the current/temperature runaway phenomenon. Leakage current appeared as a contributor to fire ignition by Joule effect (intensity in the A range) and was also seen to sustain the heating of the PCB despite of the track rupture, and to support fire propagation through promoting the release of flammable compounds (e. G. Hydrogen, acetylene, ethylene measured at 300°C) via substrate heating.