Fiche Technologie

1. Objet et Périmètre

Cette fiche couvre les matériaux et technologies de composants électroniques clé entrant dans la composition du sous-ensemble de conversion et de gestion de l'énergie (AC/DC, DC/DC, LDO, gestion de batterie). Le document apporte des informations d'impacts environnementaux afin de guider les concepteurs dans la sélection de règles d'écoconception (cf. fiches opérationnelles).

2. Composants

Condensateurs

Comparatif technologique (composition) et d'impacts entre le Tantale, le céramique et l'électrolytique

Comparatif pour une capacité de 10 uF

Un condensateur est formé de deux armatures métalliques séparées par un isolant, le diélectrique. Le condensateur chargé forme donc une réserve d’énergie. 

La grande variété des matériaux diélectriques employés implique de nombreux types de condensateurs aux propriétés diverses. En particulier, chaque type de composant a un domaine de fréquence qui lui est propre. 

• Condensateurs à film plastique (polyester, polystyrène, polycarbonate, polypropylène…) : quel usage classique ?
• Condensateurs céramiques : usage en hautes fréquences 
• Condensateurs électrolytiques à l'aluminium : usage en basses fréquences 
• Condensateurs au tantale : ...

Domaines d’utilisation dans une fonction d'alimentation

• Accumulation d’énergie
• Filtrage d’une alimentation continue

Comparatif de Material Declaration 

• Metallized Polyester Film (Kemet)
• Tantale (Kemet)
• Aluminium Electrolytic (TDK)

	Techno Film
Element / Anode / Active Part	Metallized PET Film	PET
		Alu
	Metal Spray	Tin
		Zinc
		Alu
		Copper
Encapsulation / Molding Epoxy	Thermosetting Resin	Epoxy resin
	Halogen free plastic case	PBT + Glass Fiber
Termination / Leadframe	Core Metal
	Finish plating
Masse totale

Inductances

Transformateurs

Diodes

Généralités technologiques

Le système européen de codification normalisé Pro Electron permet d'identifier le matériau (première lettre) et la fonction (deuxième lettre) des composants semi-conducteurs dont les diodes.

Codification du matériau semi-conducteur de base :

• A : Germanium (Ge) – Rare aujourd'hui, utilisé dans l'ancien matériel.
• B : Silicium (Si) – Le plus courant pour les diodes de puissance et de signal.
• C : Arséniure de Gallium (GaAs) – Pour les diodes spécifiques (LED, haute fréquence).

Codification du type de diode (et de la fonction) :

• A : Diode de signal (faible puissance)
• B : Diode de capacité variable (Varicap)
• C : Diode Zener (régulation de tension)
• L : Diode de puissance (rectification)
• S : Diode de commutation (switching)
• X : Diode multiplicatrice (ex: pour les doubleurs de tension)
• Y : Diode de redressement (puissance)
• Z : Diode Zener (parfois utilisé alternativement à C)
  

En écoconception, la codification Pro Electron est utile car elle permet d'identifier rapidement :

• Le matériau (impact minier : Silicium vs Germanium vs Gallium)
• La fonction réelle (éviter le surdimensionnement : utiliser une diode de signal là où une diode de puissance est spécifiée par erreur, ou inversement)
• La qualité (composant "grand public" vs "industriel"), ce qui influence directement la fiabilité du sous-ensemble électronique

Exemples de Déclaration de Matériaux : 

• Diode de signal, BAS16  : https://www.nexperia.com/chemical-content/BAS16.html
• Diode Schottky BAR43 : https://www.st.com/en/diodes-and-rectifiers/bar43.html#quality-reliability

Données d'impact environnemental

Comparatif simplifié de matériaux (extraction minière et procédés de fabrication des semi-conducteurs).

Type	Boitier	Masse de réf.	GWP (kg CO2e)	ADP-e (kg Sb eq.)	POCP (kg NMVOC eq.)	EP-fw (kg P eq.)
Diodes Trisil, transil et Schottky; Fab. en Chine	SMA ; SMB ; SMC ...	107 mg	3,10E-01	6,99E-07	4,31E-04	6,59E-07
Diodes de signal	SOT23 ; SOT89 ; SOT323 ...	18 mg	2,37E-02	2,41E-07	3,36E-05	4,99E-08

Note : indicateurs d'impacts de la base CODDE (méthode PEF EF 3.1). Score moyen de qualité des données. Voir le glossaire général pour les acronymes. 

Transistors de puissance

Régulateurs / Convertisseurs

On distingue 3 niveaux d'intégration : Le module, le convertisseur et le contrôleur. On prendra ici le cas du convertisseur abaisseur Buck.

Le Module

C'est la version la plus intégrée des convertisseurs.

Pour les solutions faibles et moyennes puissances, la fonction est intégrée dans un boitier qui comprend le contrôleur, les transistors et l'inductance. Suivant les cas les transistors peuvent être intégrés sur la même puce que le contrôleur ou être 2 puces distinctes et utiliser une technologie différente pour un meilleur rendement. 

Pour les convertisseurs de plus forte puissance, les composants discrets sont montés sur un PCB dédié qui peut être assemblé sur le PCB produit avec les passifs (notamment des condensateurs et des filtres) nécessaires.

Les principaux avantages sont :	Les principaux inconvénients sont :
La conception est simplifiée avec un nombre minimal de composants extérieurs La configuration est déjà testée et validée par le fabricant, peu de risques lors de la mise en oeuvre. Rapide à intégrer dans le produit Peu d'interconnexions donc une meilleure fiabilité	Solution chère Solution pas toujours optimisée pour l'application  Souvent relativement grand pour avoir de bonnes performances  impossible à réparer sauf dans le cas des alimentation forte puissance sur PCB

Le convertisseur (diodes et MOS intégrés)

Il s'agit de la version intermédiaire. Le contrôleur et les transistors sont intégrées, l'inductance et les condensateurs sont externes.

Les principaux avantages sont :	Les principaux inconvénients sont :
L'intégration de la partie puissance simplifie le routage et réduit l'encombrement Les performances peuvent être un peu optimisées avec le choix d'une inductance présentant des faibles pertes. C'est un compromis entre facilité de mise en oeuvre et performances Le cout est généralement relativement bas	Pas toujours possible d'optimiser la fonction  Faiblement réparable

Le contrôleur (Inductance et MOS externes)

C'est la version discrète du convertisseur. Le concepteur peut optimiser le choix des composants pour une application dédiée.

Les principaux avantages sont :	Les principaux inconvénients sont :
Conception flexible pour optimiser le cout et la performance Le circuit peut être optimisé pour l'application spécifique Plus facile à réparer du fait des composants discrets	Conception plus complexe  Circuit plus gros sur le PCB Cout généralement plus élevé

Exemple 1 : conception d'un convertisseur Buck 3.3V - 1A à partir d'une source 24V. Comparaison des 3 topologies de Texas Instruments

Configuration	Module	Convertisseur	Contrôleur
Référence	TPSM33615-ADJ	TPS542021-DDC	LM5148
Fréquence de fonctionnement	794.7kHz	500kHz	210.4kHz
Rendement	91.2%	93.5%	94.3%
Nombre de composants	9	12	18
Surface occupée typique	69mm²	303mm²	1858mm²
Cout estimé de la fonction	1.42€	3.31€	16.97€

Exemple 2 : conception d'un convertisseur Buck 3.3V - 20A à partir d'une source 48V. Comparaison des 3 topologies de Texas Instruments

Configuration	Module	Convertisseur	Contrôleur
Référence	LMZ13610	LM61495	LM3150
Fréquence de fonctionnement	350kHz	301.3kHz	183.65kHz
Rendement	77%	92.8%	93.9%
Nombre de composants	7	16	16
Surface occupée typique	683mm²	782mm²	1197mm²
Cout estimé de la fonction	18.38€	2.43€	13.03€

2)    Critères

·         Matériaux

o   Transistor :

§  Silicium

§  Composés GaN, SiC

o   Ferrites (filtres, transformateurs, inductances)

o   Condensateurs :

§  Tantale

§  Isolants (Condensateurs film)

·         Acrylique

·         Polycarbonate

·         Polyester

·         Polyéthylène

·         Polypropylène

·         Polyuréthane

§  Céramiques

§  Aluminium

o   Taille de PCB nécessaire

·         Occupation du PCB

o   Surface

o   Nombre de couches

o   Technologie (Standard 2, 4, 6-couches, IMS, Flex, Rigid-Flex)

o   Intégration des composants dans le PCB (inductances planar, condensateurs)

Exemples d'évaluation d'impacts environnementaux

comparatifs d'ACV de quelques technos emblématiques

Références bibliographiques

Pierre Mayé, Aide-mémoire composants électroniques, 6e édition, Dunod, Septembre 2021

Recommandations des industriels

à traiter, ventiler ...

Industriel	Verbatim	Etape Roue de Brezet
ATLANTIC	Quelle matière ? (dont CRM)        Piste de représentation: Matrice de choix ou radar par techno ?	1
BODET	Privilégier l'utilisation de condensateurs céramiques plutôt que chimique car leur durée de vie est supérieure	6
EMKA	privilégier des technologies non issues de terres rares	1
EMKA	privilégier des matériaux « courants » et recyclables comme le fer et l’aluminium	1
EMKA	privilégier les batteries à hautes densités énergétiques et les alimentations à haut rendement	1 ; 5
GUILLEMOT	Technologies de batteries : Li-Ion, NiMH … Piles vs. Accumulateur (rechargeable)	1 ; 5
EMKA	transmission d’énergie par ondes radio (sur porteuse AM)	0
EMKA	technologie sans fil par induction qui permet de « partager l’énergie » (CF Partage batterie Android)	0
EMKA	énergies renouvelables (cinétique, solaire, etc)	0
GUILLEMOT	Quelle technologie des transistors de puissance ? MOSFET vs. GaN ?	1 ; 5
GUILLEMOT	Types de condensateurs : électrolytique, tantale …	1