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
Après avoir modélisé les étapes "Matières Premières / Fabrication des composants" et "Utilisation" du cycle de vie, on calcule les impacts environnementaux avec la méthode européenne PEF EF3.1. 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
L'empreinte environnementale du bloc fonctionnel est caractérisée avec plusieurs indicateurs :
- Masse de la BOM hors PCB (mg)
- Surface du circuit imprimé pour équiper les composants (mm2)
- MP / Fabrication des composants : indicateur d'impact sur le changement climatique (GWP, kg CO2 eg.)
- MP / Fabrication des composants : indicateur d'impact sur l'épuisement des ressources abiotiques (ADP-e, kg Sb eq.)
- Rendement énergétique (%)
- Utilisation, en France : indicateur d'impact sur le changement climatique (GWP, kg CO2 eg.)
- Utilisation, en Europe : indicateur d'impact sur le changement climatique (GWP, kg CO2 eg.)
- Fiabilité : à définir
- Réparabilité : voir avec les critères de calcul issus des travaux de Valeo
Les deux catégories d'impacts environnementaux GWP et ADP-e sont calculées par deux modélisations séparées : logiciel SimaPro (+ base de données Ecoinvent) et logiciel EIME (+ base de données CODDE). Ensuite, une moyenne des impacts est calculée.
On aboutit au tableau de synthèse de l'empreinte environnemental du bloc fonctionnel.
| Masse BOM (mg) | Surface PCB (mm2) | MP / Fab. GWP | MP / Fab. ADP-e | Rendement (%) | Utilisation (FR) GWP | tilisation (EU-27) GWP | Fiabilité | Réparabilité |