Analyse de la physique des défaillances pour les PCBs et les assemblages électroniques

Avant de pouvoir intégrer un PCB dans un système, un dispositif ou un véhicule critique, vous devez prouver sa fiabilité et sa qualité. Du côté de la fabrication, c'est une des raisons pour lesquelles nous disposons de nombreux tests, inspections et normes de qualité industrielles qui s'appliquent aux assemblages de PCB et aux composants individuels. Du côté de la conception, il est important pour les concepteurs d'effectuer une évaluation des risques pour les systèmes critiques afin de garantir qu'un design fonctionnera pendant la durée de vie attendue, ainsi que d'identifier les points potentiels de défaillance dans les systèmes à haute fiabilité.

Le domaine de la conception et de l'analyse électronique qui aborde ces préoccupations de fiabilité est appelé Physique de la Défaillance. Bien que ce champ d'étude ait été initialement appliqué aux circuits intégrés et qu'il soit toujours utilisé dans ce domaine à des fins de conception, il a été par la suite appliqué aux assemblages électroniques et, plus récemment, aux mécanismes de défaillance dans les matières premières. Ces méthodes commencent par des tests approfondis et l'analyse de données de prototypes et de coupons de test, ainsi que par quelques équations de base qui peuvent fournir des estimations approximatives de la fiabilité et du temps avant défaillance.

Qu'est-ce que la Physique de la Défaillance ?

La Physique de la Défaillance implique de comprendre les relations entre les caractéristiques physiques d'un produit, comment elles varient en raison des processus de fabrication, et comment elles sont affectées par l'environnement d'exploitation du produit. Ce domaine constitue la base de nombreuses simulations et calculs d'analyse de fiabilité, dont certains sont mis en œuvre dans des applications de solveur de champ. Le domaine est parfois appelé Analyse de la Physique de la Fiabilité. Un domaine connexe de l'analyse de fiabilité et de l'évaluation des risques est l'analyse du pire cas.

Peu importe comment vous l'appelez, certains des calculs de base impliqués dans la Physique de la Défaillance offrent plusieurs avantages qui aident à guider une conception.

• Identifier les points critiques de défaillance : L'emplacement sur une conception où un produit est censé échouer devrait être identifié tôt, et cela ne devrait pas reposer sur l'opinion d'un ingénieur. Si un point de défaillance peut être identifié avec des chiffres précis, cela élimine l'opinion et la subjectivité d'une conception.
• Prédire le temps jusqu'à la défaillance : Certains des calculs de base disponibles dans la méthodologie de la Physique de la Défaillance sont utilisés pour prédire le temps moyen jusqu'à la défaillance pour des conditions d'exploitation spécifiques. Bien qu'il s'agisse juste d'une moyenne, ils aident à quantifier l'impact de l'environnement sur la fiabilité.
• Justifier les choix de conception : Adopter une approche sérieuse en matière de fiabilité peut aider à justifier des choix de conception importants, tant au niveau du circuit qu'au niveau de l'agencement.

En résumé, les tâches et les analyses impliquées dans la Physique de la Défaillance aident à expliquer ce qui a échoué et pourquoi cela a échoué. Allant plus loin, l'application d'une analyse statistique et le développement de modèles empiriques aident les concepteurs à identifier quand une défaillance pourrait survenir pour des conditions de test données, basées sur une totalité de mécanismes de défaillance possibles. C'est dans ce dernier domaine que les ingénieurs de test et les ingénieurs de fiabilité passent leur temps pour s'assurer que les PCBAs sont aussi fiables que possible.

Développer des modèles à partir des données

Certains des modèles classiques utilisés dans la littérature initiale sur la Physique de la Défaillance publiée dans les années 1970 et 1980 étaient basés sur un mélange de modèles empiriques et de physique fondamentale. C'est particulièrement le cas pour les défaillances induites thermiquement et par vibration, deux domaines qui ont été les plus étudiés dans le champ de la Physique de la Défaillance. En plus des défaillances induites thermiquement, les défaillances induites chimiquement ont été étudiées, et il existe un modèle empirique qui traite des défaillances liées à l'humidité dans les connexions fil de liaison/pad de liaison.

Méthodes empiriques et basées sur la simulation

Les méthodes empiriques se concentrent sur la détermination des paramètres dans les modèles basés sur la physique, ou sur le développement d'un modèle pour quantifier la relation entre deux variables mesurées. Les techniques typiques impliquent une régression univariée ou multivariée avec un modèle de loi de puissance, ce qui est assez simple pour être réalisé dans Excel. Dans certains cas, des simulations peuvent être utilisées en amont en raison de la complexité de certains problèmes.

Les défaillances thermiques et thermomécaniques pourraient être évaluées ensemble de deux manières. Les méthodes d'essai principales incluent les tests à haute température sous la norme MIL-STD-810G Méthode 501.5, ou le cyclage thermique sous la norme MIL-STD-810G Méthode 503.5. La première aborde les défaillances thermiques dans les dispositifs à semi-conducteurs, tandis que la dernière peut être utilisée pour évaluer les défaillances au niveau de la carte dues à des excursions thermiques répétées. Les domaines d'intérêt dans les tests de cyclage thermique incluent la défaillance mécanique dans les pads, les vias (particulièrement les joints et les vias à haut rapport d'aspect), et les joints de soudure. En raison de la complexité d'un PCBA typique, des simulations simplifiées peuvent être utilisées, mais typiquement les données sont prises à partir de tests pour déterminer les paramètres dans un modèle empirique.

Les mécanismes de défaillance dus aux vibrations et aux contraintes mécaniques sont plus insidieux car il n'existe pas de bonne méthode pour calculer cela à la main dans une PCBA. Des tests sont nécessaires pour évaluer la fatigue et les défaillances induites par les vibrations. Il existe un texte qui examine ces problèmes pour l'électronique en général, et il inclut certains modèles empiriques qui ont été utilisés pour quantifier les défaillances induites par les vibrations dans l'électronique. Vous pouvez trouver ce texte ci-dessous :

• D. S. Steinberg, Analyse des Vibrations pour l'Équipement Électronique, 3ème Édition. John Wiley & Sons Inc., New York (2000).

En examinant les défaillances à partir d'un échantillon aléatoire de PCBAs ou de coupons de test, les tests de stress/longévité accélérés et l'inspection des composants défaillants peuvent aider les ingénieurs de test à identifier précisément l'élément de conception qui a échoué, ainsi que le mécanisme de défaillance. Les résultats de tests et de simulations ont été utilisés par le passé pour développer des modèles basés sur la thermodynamique avec des paramètres déterminés empiriquement, qui sont ensuite utilisés pour estimer les taux de défaillance une fois que les éléments de conception sont réutilisés dans un nouveau produit. Par itération successive dans des conceptions complexes, cela guide le processus de conception pour identifier et éliminer continuellement les défauts.

Méthodes Statistiques

Une approche plus générale consiste à examiner statistiquement les échecs d'occurrence sans supposer un mécanisme physique sous-jacent, suivi par l'identification précise de la cause première de l'échec par inspection. Après une inspection plus approfondie, il devient possible de déterminer le principal mécanisme entraînant la probabilité de défaillance. Avec suffisamment de données, on peut construire une courbe comme celle montrée ci-dessous ; cette courbe montre une fonction de distribution continue de Weibull (CDF) définissant le temps moyen jusqu'à la défaillance pour tous les temps inférieurs à la valeur trouvée sur l'axe des x.

Cette distribution, et son utilisation dans la prédiction de la défaillance des produits, sont des sujets que je réserverai pour un autre article. Si vous avez accès à un programme comme Mathematica ou MATLAB, vous pourriez prendre votre jeu de données et effectuer la procédure d'ajustement ci-dessus par vous-même pour quantifier la fiabilité et le temps moyen jusqu'à la défaillance.

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