Comment tester un circuit imprimé : méthodes et mesures de base

Zachariah Peterson
|  Créé: June 17, 2021  |  Mise à jour: January 18, 2022
Comment tester un circuit imprimé

Les fabricants savent que la fabrication de circuits imprimés comporte de nombreux tests et contrôles de qualité. Les contrôles qualité visent en principe à garantir la possibilité de fabriquer la conception à grande échelle avec une qualité élevée, or une grande partie d'entre eux peuvent être effectués en arrière-plan sans que le concepteur s'en rende compte.

D'autres tests importants, notamment la mise en service de la carte et les tests de fonctionnement, relèvent généralement de la responsabilité du concepteur lors du prototypage, et seront intégrés à la fabrication lors de la production à grande échelle.

Quel que soit le niveau de test et d'inspection que vous devez effectuer, il est important de déterminer les exigences de base auxquelles votre conception doit satisfaire et de les communiquer à votre fabricant. Si c'est la première fois que vous passez du prototypage à la production de masse, nous avons dressé une liste des critères de test afin de vous aider à comprendre comment tester un circuit imprimé.

Comment tester un circuit imprimé pendant sa fabrication

Plusieurs procédures de test sont effectuées au cours de la fabrication et de l'assemblage. Elles visent à évaluer la qualité et le rendement des circuits imprimés nus et à vérifier l'absence de défaut après l'assemblage. En outre, des tests électriques sont effectués au cours de la fabrication/l'assemblage et comparés à la netlist de la conception.

Pour les prototypes, les tests ne s'arrêtent pas à la fabrication. Une fois les cartes reçues, l'équipe de conception doit soumettre le tout à des tests de mise en service et à des tests de fonctionnement avant de finaliser la conception. Pour des séries de milliers ou de millions de cartes, il vous faudra automatiser certaines de ces opérations afin de garantir un rendement et une qualité élevés.

Tester un circuit imprimé et réaliser des inspections mécaniques

Les cartes nues sont soumises à un certain nombre de tests et d'inspections mécaniques au cours de la fabrication afin de vérifier le bon déroulement des opérations et de veiller au bon assemblage des cartes :

Test

Objet

Critère

Inspection visuelle et radiographique

Vise à détecter tout résidu, délaminage ou autre dommage sur les couches de surface (visuel) et les couches internes (rayons X). La radiographie est également utilisée pour inspecter les boîtiers BGA et QFN afin de vérifier que la soudure est correcte et que les connexions sont fermées.

Réussite ou échec

Test de pelage

Mesure la force nécessaire pour détacher une carte stratifiée après la construction et le durcissement complet de l'empilage.

Réussite ou échec + valeur spécifique

Tests de trempage dans un bain de soudure

Détermine la soudabilité des trous traversants plaqués (PTH), ainsi que la capacité du canon de via à résister à la chaleur pendant le soudage avant échec.

Réussite ou échec

Inspection optique automatisée (AOI)

Utilisée pour détecter automatiquement les défauts d'assemblage, tels que les soudures insuffisantes, les joints fissurés, les connexions ouvertes (par exemple, le keyholing ou l'effet Manhattan dans les cas extrêmes). De nouvelles méthodes d'AOI développées avec le deep learning sont utilisées pour repérer les joints à froid.

Réussite ou échec

Ces tests ont pour but de déterminer d'éventuels problèmes de qualité inhérents au processus de fabrication, les reprises nécessaires ou tout autre aspect de la conception qui entraîne un échec.

Réaliser des tests électriques pendant la fabrication

Des tests électriques sont également effectués au cours de la fabrication afin de vérifier l'absence de défaut, d'écart d'impédance ou de résidu conducteur provenant de la soudure :

  • Le test en circuit : vérifie la présence d'ouvertures et de courts-circuits ainsi que de valeurs précises de tension/intensité sur les points de test. On utilise parfois un dispositif de test pour mesurer une forme d'onde précise. En outre, des tests électriques de mise sous tension ou hors tension peuvent être effectués avec des composants ou des points de test particuliers pour vérifier la présence de défauts dans les composants.
  • Le test ROSE (resistivity of solvent extract) : cette mesure de conductivité est utilisée pour vérifier l'absence de tout résidu provenant du soudage.
  • La réflectométrie temporelle (TDR) : ce test sert à mesurer l'impédance dans les pistes asymétriques et différentielles. Il peut être effectué sur un coupon de test ou sur une carte de test à l'aide d'un dispositif. Il sera nécessaire par la suite de retirer le dispositif et de procéder à une nouvelle analyse afin d'évaluer correctement l'intégrité du signal.
Test électrique pour tester un circuit imprimé
Les testeurs à sonde volante sont utilisés pour sonder des points spécifiques sur le PCB afin de vérifier la présence de défauts.

Les tests d'impédance contrôlée nécessitent de vous appuyer sur les données et l'expérience de votre fabricant avant de démarrer votre conception. Si vous commandez un service d'impédance contrôlée auprès de votre fabricant, celui-ci vérifiera que vos spécifications d'impédance sont respectées par les matériaux qu'il utilise.

Veillez simplement à ce que cela soit clairement indiqué à votre fabricant, par exemple sur vos notes de fabrication.

Comment tester un circuit imprimé : les tests de résistance

La liste ci-dessus comprend les principaux tests nécessaires pour détecter les défauts et garantir une fabrication de qualité. En complément, il se peut que votre carte doive passer des tests plus rigoureux permettant de la pousser à ses limites.

Après l'assemblage, le circuit imprimé peut être soumis à une batterie de tests de résistance en vue de vérifier qu'il répond aux exigences minimales de rendement et de fiabilité. Ces tests visent à évaluer la fiabilité à court et à long terme des circuits imprimés dans des conditions environnementales idéales.

Toutefois, ils ne concernent pas toutes les cartes. Pour les petites séries de prototypes, ces tests ne sont généralement pas effectués, pas même par le fabricant. En revanche, la carte nue et l'assemblage définitif peuvent être soumis à des procédures d'inspection afin de vérifier leur conformité aux normes de fiabilité.

  • Tests de vibration, par exemple dans le cadre des normes Mil-Aero
  • Tests de sécurité anti-incendie NEMA/NFPA/FAA
  • Tests de choc thermique
  • Tests HALT/HASS (tests de déverminage)
  • Tests d'exposition à l'environnement
  • Tests de résistance électrique
  • Tests de sécurité UL
  • Tout autre test propre à un produit ou à un secteur d'activité (IEC, ISO, etc.).

Si votre fabricant n'est pas en mesure d'effectuer ces tests plus poussés, il existe des entreprises spécialisées qui certifient les nouveaux produits à l'aide d'une méthodologie complète et d'une série de tests.

Les tests UL et les tests de résistance électrique sont généralement les plus importants lors du développement de produits grand public ou commerciaux, car ils définissent les exigences de base en matière de fiabilité. Pour les autres produits, par exemple médicaux, automobiles ou aérospatiaux, les normes sont beaucoup plus strictes, tant au niveau des classes IPC que des normes industrielles (SAE, MIL-STD, etc.).

Fiabilité et analyse des échecs

Comment analyser la fiabilité et comprendre les causes profondes des échecs ? Lorsqu'une carte est sollicitée jusqu'au point de défaillance, ou qu'elle ne remplit tout simplement pas les exigences énumérées ci-dessus, il convient d'en rechercher les causes profondes.

La première chose à faire est de procéder à des tests de fonctionnement (voir ci-dessous) afin de déterminer les fonctionnalités et/ou les éléments défaillants. Vous pourrez ainsi identifier précisément le point de la carte à l'origine de la défaillance. Outre les tests électriques, on utilise souvent des microsections pour déterminer avec précision les points de la conception qui sont défaillants et leur mécanisme exact.

Analyse de microsections pour tester un circuit imprimé
Voici quelques exemples intéressants de défaillances que l'on peut observer dans une microsection. [Source: Grosshardt, et al.]

Si vous avez accès à des applications de simulation et à une grande puissance de calcul, vous pouvez même exécuter des simulations de résistance pour quantifier divers paramètres : le temps moyen jusqu'à défaillance, l'emplacement exact ou encore la nature des défaillances mécaniques causées par la chaleur. Vous pouvez également examiner votre conception afin de déterminer les modifications à apporter au processus de conception ou de fabrication.

Lorsqu'une défaillance est constatée et qu'elle se produit en dehors des conditions de fonctionnement normalement prévues, on considère que le test est réussi du moment que la conception est conforme à vos normes de conception et de fiabilité.

Aucune conception n'est infaillible, il ne faut donc pas être surpris si, à un moment donné, la vôtre échoue sous une contrainte extrême. L'objectif ici est de déterminer qu'elle peut fonctionner de manière fiable dans des conditions de déploiement raisonnables. Les normes de fiabilité ont été mises au point pour traiter ce point précis, et concevoir un circuit imprimé en respectant ces normes est la première étape pour en garantir la fiabilité.

Homologation

Avant de soumettre votre carte à une batterie de tests de fiabilité, il est important de bien garder à l'esprit les normes de fiabilité et de sécurité tout au long du processus de conception. À ce propos, les normes IPC fixent certains critères de conception essentiels à la fiabilité :

  • La spécification générique sur le rendement des circuits imprimés IPC-6011
  • La spécification sur le rendement et l'homologation des circuits imprimés rigides IPC-6012D
  • La spécification sur le rendement et l'homologation des circuits imprimés flexibles/rigides-flexibles IPC-6013D

Ces normes fournissent des directives et des tolérances dimensionnelles spécifiques que doivent respecter les cartes une fois produites. Soyons clair : ces directives ne précisent pas les dimensions des pastilles, des pistes, des trous ou d'autres caractéristiques que les cartes doivent respecter, mais un ensemble de critères minimums pour chacune des classes de produits IPC.

On peut ainsi déterminer les dimensions que la carte doit respecter en fonction des tolérances de fabrication du fabricant et de la classe du produit. Par exemple, on peut citer les bagues annulaires pour les appareils de classe III selon la norme IPC 6012.

Tests de fonctionnement

Les tests de fonctionnement pour les produits électroniques sont très variés. Beaucoup ont pour but de vérifier que le produit fournit l'expérience utilisateur souhaitée et qu'il fonctionne tel que prévu lors de sa conception.

Cela relève de la responsabilité de l'équipe de conception pendant la phase de prototypage, et non du fabricant. Rappelez-vous que le travail de votre fabricant est de vous fournir un PCBA conforme électriquement aux données de conception que vous lui avez fournies. Son rôle n'est généralement pas d'effectuer la vérification de fonctionnement, à moins que vous ne puissiez l'aider à automatiser ces tests.

Si la conception ne produit pas les résultats escomptés lors des tests de fonctionnement, il incombe au concepteur de diagnostiquer les problèmes et de les résoudre. Le concepteur ou l'ingénieur chargé des tests peut être amené à effectuer manuellement certaines mesures électriques, à faire des essais avec le micrologiciel et à remonter le fil de la conception afin de trouver les causes des éventuels défauts. Une fois ces causes localisées, elles peuvent être corrigées lors de la prochaine révision et, idéalement, être intégrées aux exigences de test lors de la production de masse.

Si vous passez à une production plus importante et que le fonctionnement ou la conformité aux normes de votre produit exige la réussite de tests électriques, thermiques ou mécaniques précis, vous devez indiquer ces informations à votre fabricant, élaborer des procédures de test en interne ou confier ces opérations à une société de test externe.

Parlez-en le plus tôt possible au fabricant ou au prestataire externe afin de vous assurer qu'il comprend parfaitement vos besoins et qu'il est en mesure d'automatiser ces tests en vue de garantir la qualité du produit. Ces opérations prennent du temps au départ, certes, mais savoir que tous les défauts possibles ont été anticipés lors de la conception vous apportera une certaine tranquillité d'esprit.

Les meilleurs outils de conception de circuits imprimés d'Altium Designer® vous offrent tout ce dont vous avez besoin pour définir les exigences de test dans vos schémas et sous forme de documents à joindre à vos e-mails. Lorsque vous êtes sur le point d'envoyer votre conception au fabricant, vous pouvez facilement communiquer vos données de conception à ce dernier grâce à la plateforme Altium 365™.

Avec Altium 365 et Altium Designer, réussir une revue de conception et communiquer les exigences de test et les éventuelles modifications est un véritable jeu d'enfant.

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A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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