Présentation générale des méthodes de test de la résistance électrique des circuits imprimés

Le contrôle de la qualité dans la production en série et le prototypage ont en commun une série de tâches d'une grande importance : la nécessité de tester les circuits imprimés. La batterie de tests spécifique que vous devrez effectuer sur l'assemblage de votre circuit imprimé (PCBA) dépend de son domaine d'application, des conditions d'utilisation idéales et bien sûr des normes sectorielles applicables à votre produit. Certains tests et certaines tâches d'inspection de base peuvent vous être demandés pour votre PCB/PCBA pendant la fabrication et l'assemblage. Il est bon d'effectuer ces tests ne serait-ce que pour assurer la continuité, pour veiller à ce que l'assemblage soit bien réalisé et simplement pour repérer tout défaut évident qui pourrait nécessiter une reprise.

Les applications à haute fiabilité peuvent nécessiter plus que de simples tests et inspections électriques, que ce soit pendant la fabrication ou l'assemblage, une fois les prototypes entre les mains d'une équipe de conception, et/ou par un laboratoire d'essai externe. Le test de résistance électrique n'est que l'un des tests possibles à effectuer sur les assemblages à haute fiabilité pour s'assurer que l'assemblage du circuit imprimé peut résister à des conditions électriques exigeantes. 

Principes de base des tests de résistance électrique

Pour commencer, lorsqu'un sujet comme la réalisation de tests est abordé, il arrive que les jeunes concepteurs pensent qu'ils ont oublié quelque chose ou qu'ils doivent prévoir de faire des tests poussés avant d'accepter un circuit imprimé fourni par leur fabricant. Vous allez réaliser de nombreux tests fonctionnels, mais vous n'aurez pas à vous soucier de quantifier spécifiquement les limites de résistance de votre circuit imprimé, à moins que vous ne soyez sous l'étroite surveillance d'un organisme de normalisation (tel que UL), que votre produit ne soit soumis à des exigences réglementaires ou que vous passez à une production en série.

Si vous faites du prototypage ou si vous ne produisez que de petites quantités de circuits imprimés à courte durée de vie, ne vous préoccupez pas trop de cet aspect. Les projets de loisirs, les prototypes simples, les projets de circuits imprimés de démonstration ou les projets ponctuels ne doivent généralement pas faire l'objet de tests de résistance électrique. Il y a quelques exceptions portant sur des circuits fabriqués en un seul exemplaire, comme les produits aérospatiaux hautement spécialisés (satellites, drones, etc.). Si votre circuit ne doit pas être déployé dans une zone ou dans des conditions où il y a un risque de contrainte électrique extrême, vous n'avez probablement pas besoin de tester la résistance électrique.

Cela étant posé, quel est l'état actuel de la technique en matière de tests de résistance électrique et à quoi se réfère exactement cette « résistance » ? Les principales méthodes utilisées pour tester la résistance rentrent dans les catégories suivantes :

• Les tests de surcharge électrique
• Les tests de décharge électrostatique
• Le rodage sous contrainte environnementale
• Les tests de cycle de vie accéléré

L'idée est d'identifier les problèmes qui pourraient créer une défaillance involontaire du circuit ou simplement de quantifier les cas où le circuit ne fonctionne pas comme prévu (ou les deux). D'autres tests de contrôle de la qualité peuvent être effectués pendant la fabrication, mais nous nous concentrerons pour l'instant sur la liste ci-dessus.

Tests de surcharge électrique (Electrical Overstress, EOS)

Ce phénomène est parfois confondu avec la décharge électrostatique, car il s'agit de deux formes de surcharge des composants. Le test de surcharge électrique est probablement le test de résistance électrique le plus simple qui puisse être réalisé : en gros, les composants sont surchargés et l'appareil à tester est surveillé jusqu'à ce qu'il arrête de fonctionner correctement.

Ce test est normalement effectué au niveau du wafer ou de l'appareil individuel simplement pour quantifier quand l'appareil cessera de fonctionner correctement et analyser son mécanisme de défaillance.

Les valeurs nominales maximales absolues figurant sur une fiche technique sont des recommandations basées sur les résultats des tests de surcharge électrique effectués sur les composants individuels. Ces valeurs sont définies avec une certaine marge de sécurité, il est donc possible de les dépasser. La surcharge électrique au niveau du système est une autre affaire. Pour la tester, vous devrez manuellement surcharger votre système au niveau de chaque interface et chaque point d'alimentation et surveiller les performances ou les sorties pour vous assurer que l'appareil peut résister à toute surcharge prévue.

Tests de décharge électrostatique (Electrostatic Discharge, ESD)

Comme son nom le laisse entendre, ce test vise à évaluer la capacité du PCBA à résister à des décharges électrostatiques. Lorsqu'une décharge électrostatique se produit, votre circuit imprimé interagit avec une impulsion électrique très forte, pouvant atteindre plus de 10 000 V et dépasser plusieurs ampères de courant. Une telle décharge peut détruire des composants si elle n'est pas détournée vers une masse de sécurité dans votre système. Les circuits ESD sont conçus pour absorber et/ou détourner les impulsions des ESD des composants vers la masse de sécurité de votre système. Certaines interfaces numériques, comme les normes IEEE 802.3 relatives aux couches physiques (PHY) Ethernet, présentent leurs propres exigences ESD qui doivent être respectées au niveau des composants.

Le JEDEC différencie les ESD au niveau des composants des ESD au niveau du système. Les concepteurs de circuits imprimés doivent tenir compte de ce qui se passe au niveau du système, car c'est la partie qu'ils peuvent contrôler.

Une décharge électrostatique au niveau du système se produit à l'intérieur du PCBA et peut affecter plusieurs composants, avec pour conséquence l'un des cas de figure suivants :

• Le système continue de fonctionner sans problème.
• Le système présente une perturbation/un blocage (défaillance passagère), mais pas de défaillance physique.
• Le système présente des dommages physiques (défaillance physique).

Plusieurs normes du secteur vont au-delà des normes de l'IPC et imposent des exigences quant à la capacité d'un dispositif à résister aux décharges électrostatiques. La méthode de test spécifique dépend des normes auxquelles est soumis votre produit (par exemple, IEC 62368-1/IEC 61000, ISO 10605 pour l'automobile, DO-160 pour l'avionique, etc.). Reportez-vous aux normes de sécurité applicables à votre produit et à votre secteur d'activité pour déterminer le niveau de protection contre les décharges électrostatiques dont votre produit a besoin.

Tests de rodage sous contrainte environnementale (Environmental Stress Screening, ESS)

Ces tests sont destinés à simuler de près l'environnement de déploiement idéal d'un appareil. Les tests ESS peuvent impliquer l'application de cycles thermiques, de tests de chute, de tests de vibration, de tests de choc thermique/mécanique et toute autre exposition environnementale ou mécanique qu'un appareil peut subir pendant son fonctionnement. Il existe également des tests plus spécialisés, comme des tests de collision, des tests de pression et d'humidité et même des tests d'altitude. Les systèmes à haute fiabilité doivent résister à tous ces facteurs environnementaux pendant le fonctionnement électrique, il est donc généralement nécessaire de recourir à une combinaison de tests pour s'assurer de la fiabilité du système.

Des tests fonctionnels sont également effectués avant, pendant et après ces tests pour déterminer si la conception tiendra le coup et si le fonctionnement de l'appareil sera préservé. Ces tests ne se limitent pas aux contraintes électriques, ils évaluent également le fonctionnement dans diverses situations présentant des contraintes telles que des surcharges électriques ou même des décharges électrostatiques. Comme il faut généralement recourir à une combinaison de tests spécialisés, une évaluation rigoureuse doit être réalisée par l'équipe de conception, et non par le fabricant.

Tests de cycle de vie accéléré

Il s'agit de l'ensemble des tests qu'il est possible de réaliser pour déterminer la durée de vie utile approximative d'un nouvel appareil. Les tests de cycle de vie accéléré sont souvent regroupés sous le terme « test de déverminage » (burn-in testing), bien qu'il existe plusieurs variantes de ces tests. Les tests de cycle de vie accéléré peuvent être divisés en plusieurs catégories :

• Tests de déverminage : méthode permettant d'identifier les composants et/ou assemblages qui tomberont en panne prématurément en utilisant des techniques statistiques.
• Tests de cycle de vie hautement accéléré (Highly accelerated life testing, HALT) : l'objectif est ici de soumettre un appareil à des contraintes jusqu'à ce qu'il cesse de fonctionner lorsqu'il est sollicité de manière excessive. On imite une utilisation excessive dans les conditions environnementales réelles dans lesquelles le dispositif sera déployé.
• Tests de résistance hautement accélérée (Highly accelerated stress testing, HAST) : similaires aux tests HALT dans la mesure où la conception est soumise à des contraintes jusqu'à sa défaillance totale.
• Rodage hautement accéléré (Highly accelerated stress screening, HASS) : ce test utilise les mêmes contraintes environnementales que les tests HASS, mais à des niveaux inférieurs, et il est généralement effectué après avoir réalisé un test HALT complet.

Ces tests de cycle de vie/contrainte peuvent être effectués parallèlement aux autres méthodes de test mentionnées ci-dessus, à condition toutefois que de disposer des chambres et de l'équipement de test appropriés. Ces combinaisons de tests peuvent être très spécialisées, mais elles sont essentielles pour déterminer la durée de vie et identifier les mécanismes de défaillance des produits électroniques.

Analyse de défaillance

Les tests de contrainte électrique ci-dessus visent à la fois à identifier les limites d'un appareil et à évaluer s'il peut résister aux conditions environnementales pendant son fonctionnement. Si vous constatez que la conception ne peut pas résister au niveau de contrainte prévu et qu'elle ne fonctionne pas correctement, il convient de procéder à une analyse de défaillance pour déterminer la cause profonde de la défaillance de l'appareil. La défaillance peut se produire au niveau du composant, du circuit imprimé ou des deux. Il faut donc procéder à une enquête minutieuse pour déterminer avec certitude le mécanisme de défaillance. Nous en parlerons dans de prochains articles.

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