Aperçu des tests de fiabilité des PCB/PCBA et de l'analyse des défaillances

Les tests de fiabilité et l'analyse des défaillances d'un PCB/PCBA vont de pair ; lorsque les conceptions sont poussées à leurs limites, leurs modes de défaillance doivent être déterminés par une inspection et une analyse approfondies. Certains de ces tests et causes potentielles de défaillance sont pris en charge par les fabricants car ils peuvent survenir pendant la fabrication de la carte nue, tandis que d'autres problèmes potentiels avec le PCBA devraient être abordés par une équipe de conception lors du prototypage et de la qualification de conception. Les conceptions à haute fiabilité, telles que dans des domaines comme l'aviation et la défense, peuvent nécessiter des tests et des qualifications environnementaux étendus pour garantir qu'ils fonctionneront dans l'environnement prévu.

Pour commencer sur ce sujet, il est important de comprendre les aspects de qualification qui régiront votre conception de carte nue et le PCBA. Nous examinerons les différentes dimensions de la fiabilité du PCB/PCBA, ainsi que certaines des techniques d'analyse de défaillance standard utilisées pour identifier les besoins potentiels de changement de conception.

Aperçu des Normes de Test de Fiabilité des PCB

Les tests de fiabilité impliquent largement l'exposition d'un PCB ou d'un PCBA fini à des conditions environnementales extrêmes (chaleur, corrosion, humidité, etc.), suivie de tests de performance pour s'assurer que l'appareil peut résister à ces conditions. Dans la discipline des tests de fiabilité, il existe de nombreuses sources possibles de stress sur un PCB et le PCBA fini :

• Chargement mécanique (charge statique, vibration et essais de choc selon les normes MIL-STD/IPC/SAE)
• Chargement thermique ou climatique (flux de chaleur, température extrême, choc thermique selon IPC-TM-650 2.6.7 et MIL-STD-202G ; cyclage thermique selon MIL-STD-883 Méthode 1011, IPC-9701A [6], et JEDEC JESD22-A106)
• Chargement électrique (haute puissance, vérification de la dérating, CEM, tous conformes aux normes IPC/IEC/SAE) et conformité UL
• Chargement chimique (corrosion ou autre exposition chimique correspondant à l'environnement de déploiement)
• Exposition aux radiations ionisantes (calculée comme dose ionisante totale (TID))
• Exposition à la poussière, aux particules et aux liquides
• Tests de vieillissement artificiel pour les assemblages électroniques (HALT, HASS, HATS, etc.)

Qu'implique le test de fiabilité ?

Une évaluation de la fiabilité d'un PCB nécessite un ensemble de tests qui se concentrent sur chacun des domaines mentionnés ci-dessus. Des tests de base sur les cartes fabriquées seront effectués sur votre empilement par votre fabricant, et celui-ci devrait être en mesure de certifier que la carte nue sera conforme à vos exigences telles que vous les spécifiez dans vos notes de fabrication de PCB. Pour l'assemblage de PCB (PCBA), les tests et la fiabilité peuvent être plus étendus. Votre fabricant/assembleur effectuera sa propre série de tests et d'inspections pour vérifier la conformité à une classe de produit IPC et aux normes IPC de base sur les cartes nues, mais il reviendra souvent à l'équipe de conception ou à une entreprise de tests sous contrat d'effectuer des tests plus spécialisés (tests environnementaux ou chimiques) sur la conception pour vérifier sa fiabilité.

Les guides pour les tests dans l'un de ces domaines impliqueraient une série d'articles, donc je ne vais pas aborder tous ces aspects des tests et de la vérification de fiabilité. Les documents de normes fournis par l'IPC, MIL-STD, SAE, NASA/DO et d'autres organisations fournissent des orientations dans ce domaine, ainsi que des procédures spécifiques pour effectuer ces tests. L'IPC-TM-650 contient des méthodes de test standardisées pour les PCB, mais les autres documents mentionnés ci-dessus peuvent aller au-delà des exigences de l'IPC-TM-650 pour des produits et industries spécifiques.

Analyse de Défaillance des PCB

Déterminer les limites de fiabilité d'un PCB consiste à identifier les défaillances, ainsi que leur origine dans le dispositif. Une fois qu'une défaillance de la carte se produit, elle doit être investiguée. La défaillance peut survenir progressivement en raison de dommages accumulés (par exemple, la fatigue), de manière erratique (aléatoire ou intermittente), ou soudaine (due à des chocs). Lorsque les modes de défaillance sont étudiés, l'application des tests ci-dessus implique de soumettre le PCBA à un stress cumulatif jusqu'à la défaillance (thermique, mécanique et environnementale), puis d'examiner la carte pour localiser et examiner la défaillance spécifique.

Le tableau ci-dessous associe les modes de défaillance standard d'un PCB aux méthodes d'inspection et d'analyse de défaillance utilisées dans un PCB.

Identifier les défauts dans chacun de ces domaines nécessite une certaine compétence. Certains de ces défauts sont évidents, comme une corrosion extrême due à l'exposition à l'humidité, tandis que d'autres ne sont évidents que pour l'œil formé. Par exemple, identifier une défaillance à partir d'une image aux rayons X n'est pas si évident en raison du contraste et de la résolution dans l'image enregistrée.

Quelque chose comme la filamentation anodique conductrice due à un fonctionnement prolongé à haute tension ou la fracture d'un barillet de via pendant le fonctionnement est assez facile à repérer, soit à partir d'un échantillon de microsection, soit à partir d'une image SEM. Les deux sont clairement visibles avec la technique d'imagerie appropriée. À titre d'exemple, l'image ci-dessous montre une fracture clairement visible dans une microsection, ce qui peut créer une défaillance intermittente.

Une fois qu'un défaut ou une défaillance est identifié, certaines mesures doivent être prises pour empêcher le problème de se produire pendant le fonctionnement, ou pour modifier la conception afin qu'elle soit plus résiliente face à ce type de problème. Cela doit être abordé au cas par cas, en fonction du type de défaut et du mécanisme qui a causé la défaillance.

Réflexions Finales

L'essentiel à retenir ici est qu'aucun PCBA ne sera invincible, et toute conception peut finalement être soumise à un stress jusqu'à la défaillance catastrophique. Si les contraintes appliquées sont si extrêmes qu'elles sont très peu susceptibles d'être jamais rencontrées pendant le fonctionnement lorsque déployées dans l'environnement prévu pour le produit, alors vous pouvez considérer votre conception comme réussie d'un point de vue fiabilité. Lors des tests de fiabilité et de l'investigation des défaillances, il est utile de considérer les modes de défaillance que votre dispositif sera le plus susceptible de rencontrer pendant le fonctionnement et de s'attaquer d'abord à ceux-ci.

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