Méthode ACV des blocs fonctionnels
Objet
Cette fiche décrit la méthode employée pour calculer les impacts environnementaux de blocs fonctionnels. L'Analyse du Cycle de Vie (ACV) est appliquée. Pour illustrer l'approche retenue, l'exemple du montage LDO d'une fonction Alimentation est décrit.
Méthodologie
Phase de fabrication du cycle de vie
La nomenclature des composants (BOM) du montage est le point de départ. Pour le cas présent, on identifie les composants typiques ainsi qu'une surface de circuit imprimé nécessaire (cf. tableau ci-après).
| Type de composant | Référence | Technologie | Boitier / Format | Quantité | Masse unitaire (mg) | Masse totale (mg) |
| Circuit intégré | LP5907UVX-1.8/NOPB | CMOS | BGA, 4 broches | 1 | 0.4 | 0.4 |
| Condensateur 2.2uF | C0603C225K9PACTU | Céramique | CMS 0603 | 2 | 6.5 | 13 |
| Circuit imprimé | FR4, 2 couches | 3.3 * 5 = 16.5 mm2 | 1 | 49.5 | 49.5 |
Normes de déclaration des matériaux
Les normes IPC-1752 et IEC 62474 établissent un format d'échange standardisé, basé sur le schéma XML, pour optimiser la circulation des données au sein de la chaîne d'approvisionnement électronique. Elles permettent aux fournisseurs de communiquer précisément la composition chimique et matérielle de leurs composants.
Ces standards facilitent la collecte d'informations essentielles pour garantir la conformité réglementaire (notamment vis-à-vis des directives RoHS et REACH) et soutenir l'éco-conception. Grâce à la Déclaration Complète des Matériaux (FMD - Full Material Declaration), chaque substance et matériau intégré au composant est détaillé, offrant une transparence totale du produit.
Informations de la masse des composants
- Circuit imprimé : masse calculée avec l'hypothèse de 2.998 kg/m2 soit 2.998 mg/mm2 (source : base de données CODDE)
- Circuit intégré : masse documentée dans la déclaration complète des matériaux (FMD) du fabricant Texas Instruments
source : https://www.ti.com/materialcontent/en/report?pcid=216326&opn=LP5907UVX-1.8/NOPB
- Condensateur : masse documentée dans la DataSheet du fabricant KEMET
Modélisation de la nomenclature
| Type de composant | Technologie | Boitier / Format | Modèle de matériau / procédé des bases de données ACV |
| Circuit intégré | CMOS | BGA, 4 broches | Modèle spécifique : voir ci-après |
| Condensateurs 2.2uF | Céramique | CMS 0603 |
Modèle générique de condensateur céramique (CMS ; conforme RoHS ; fabrication en Chine) |
| Circuit imprimé | FR4, 2 couches | 3.3 * 5 = 16.5 mm2 | Modèle générique de circuit imprimé (conforme RoHS ; 2.998 mg/mm2 ; fabrication en Chine) |
Modélisation spécifique de circuits intégrés
L'approche consiste à exploiter le contenu d'une déclaration de matériaux. Pour le cas présent, on dispose du tableau suivant pour le composant LDO de Texas Instruments.
| Component | Substance | Amount (mg) |
Component Level Percentage % |
|---|---|---|---|
| Semiconductor Device | |||
| Ceramics / Glass | Doped Silicon | 0.263699 | |
| Sub-Total | 0.263699 | 65,92475 |
|
| Solder Bump | |||
| Copper and Its Alloys | Copper | 0.000616 | |
| Nickel and Its Alloys | Nickel | 0.000062 | |
| Other Nonferrous Metals and Alloys | Tin | 0.121116 | |
| Precious Metals | Silver | 0.001479 | |
| Sub-Total | 0.123273 | 30,81825 |
|
| Back Side Coating | |||
| Other Inorganic Materials | Silica | 0.007174116 | 55.066899 |
| Other Organic Materials | Carbon Black | 0.00022045 | 1.692128 |
| Other Plastics and Rubber | Imidazole Derivative | 4.89629E-05 | 0.375828 |
| Thermoplastics | Epoxy | 0.005584471 |
42.865145 |
| Sub-Total | 0,013028 |
3,25700 |
|
| Total | 0.4 | 100 |
A partir de la masse de la puce (Semiconducteur device), on peut estimer sa surface de silicium en appliquant le ratio de densité du silicium (0.669 mg/mm2). Ensuite dans un logiciel d'ACV (SimaPro ou EIME), on saisit la fabrication de la puce (procédés semi-conducteur "Front-End") et son encapsulation dans le boitier (procédés semi-conducteur "Back-End"). Le tableau ci-après détaille la correspondance entre les matériaux du circuit intégré et les modèles disponibles dans les bibliothèques de données des logiciels d'ACV.
| Matériau | Valeur | Unité | Modèle de matériau / procédé des bases de données ACV |
| Procédé Front-End | |||
| Puce (Doped Silicon) | 0.263699 / 0.699 = 0.377253219 |
mg | Wafer de silicium; à l'usine de semiconducteurs ; fabrication en Chine |
| Procédé Back-End |
|
||
| Copper | 0.000616 | mg | Production primaire de cuivre |
| Nickel | 0.000062 | mg | Production primaire de nickel |
| Tin | 0.121116 | mg | Production primaire d'étain |
| Silver | 0.001479 | mg | Production primaire d'argent |
| Epoxy Thermoplastics + Silica | 0.012758587 |
mg | Production de résine plastique renforcée à la fibre de verre |
| Consommation électrique | 0.08 | Wh | 200 Wh/g de circuit intégré (source : Ecoinvent pour le Back-End des transistors) ; mix électrique Global |
Phase d'utilisation du cycle de vie
Un scénario est défini pour estimer les impacts de la consommation énergétique des composants pendant leur usage. Pour le présent bloc fonctionnel, on fait l'hypothèse qu'il alimente un dispositif de faible consommation avec les usages suivants pendant une heure :
- mesure pendant 20 s
- transmission pendant 1 s
- le reste du temps en veille pendant 3579 s
Le tableau ci-après résume le bilan énergétique.
| Mesure | Transmission | Veille | Total | |
| Durée (s) | 20 | 1 | 3579 | |
| Iout (A) | 2,00E-02 | 2,50E-01 | 1,00E-06 | |
| Pin (W) | 0,075 | 1,051 | 4,50E-04 | |
| Pout (W) | 0,036 | 0,45 | 1,80E-06 | |
| Rendement | 48,3% | 42,8% | 0,4% | |
| Plost (W) | 0,039 | 0,601 | 4,48E-04 | |
| Pertes sur 1 an (Wh) | 1,90 | 1,46 | 3,90 | 7,26 |
| Pertes sur 5 ans (Wh) | 9,49 | 7,31 | 19,52 | 36,32 |
Interprétation des résultats d'ACV
Les impacts environnementaux des étapes « Matières Premières / Fabrication des composants » et « Utilisation » ont été calculés selon la méthode européenne PEF EF3.1. Pour garantir la robustesse et la fiabilité des résultats, une double modélisation a été conduite en parallèle sur deux logiciels distincts : SimaPro (avec la base de données Ecoinvent) et EIME (avec la base de données CODDE).
La démarche s’est déroulée en deux temps : un contrôle initial a d’abord vérifié la cohérence des données d’inventaire de cycle de vie (ICV) entre les deux environnements pour assurer leur homogénéité de base. Des itérations successives ont ensuite permis d’affiner les modèles jusqu’à l’obtention de résultats d’impacts convergents et bien homogènes entre les deux outils. In fine, les valeurs d’impacts retenues correspondent à la moyenne des résultats issus de chacune des deux modélisations.
Phases de matières premières et de fabrication des composants
Le graphique ci-après illustre la contribution des composants aux différentes catégories d'impacts environnementaux. Pour 14 indicateurs, le circuit intégré contribue à environ 80% des résultats (c'est le procédé de fabrication de la puce semiconducteurs qui est l'explication) . Pour l'indicateur ADP-e (épuisement des ressources abiotiques), on constate que le circuit imprimé contribue à environ 70% du résultat (en raison de la quantité de cuivre). Enfin pour l'indicateur CTUh (toxicité humaine cancérigène), on constate que les condensateurs contribue à environ 80% du résultat.
Pour la suite de l'analyse, on retient les 2 catégories d'impacts qui sont représentatives dans les équipements électroniques : GWP (changement climatique, exprimé en kg CO2eq) et ADP-e (épuisement des ressources abiotiques, exprimé en kg SBeq - SB est le symbole du métal antimoine).
Avec la même méthode pour les autres montages, on obtient deux tableaux comparatifs des ratios d'impacts dont les valeurs ont été normalisées par rapport à la valeur minimale.
Indicateur GWP
| LDO (BGA) | LDO (SOT-23) | LDO puissance | Buck | Boost | Buck-Boost |
| 1,0 | 1,5 | 31,7 | 1,4 | 4,8 | 6,0 |
Indicateur ADP-e
| LDO (BGA) | LDO (SOT-23) | LDO puissance | Buck | Boost | Buck-Boost |
| 1,0 | 3,9 | 67,4 | 90,9 | 113,1 | 116,6 |
Phases de matières premières, de fabrication des composants et d'usage
Pour le scénario d'usage, on considère que le Bloc Alimentation reçoit l'énergie électrique du réseau basse tension. Deux réseaux sont modélisés : le mix électrique Français (Electricity mix; Production mix; low voltage; 2022; France, FR) et le mix électrique européen (Electricity mix; Production mix; low voltage; 2022; Europe, EU-27).
Le graphique ci-après montre la répartition des impacts GWP entre les étapes de Fabrication (incluant les matières premières) et d'Utilisation.
Le tableau ci-après illustre la contribution respective de la phase d'usage selon le mix énergétique.
| Impacts GWP | LDO (BGA) | LDO (SOT-23) | LDO puissance | Buck | Boost | Buck-Boost |
|
% Use Mix électrique, FR |
21,9% | 16,2% | 2,6% | 2,6% | 1,8% | 1,0% |
|
% Use Mix électrique, EU-27 |
55,8% | 46,4% | 10,6% | 10,6% | 7,5% | 4,3% |