Pourquoi les tests de fiabilité des circuits imprimés？ ?
Dans l'ère actuelle de développement rapide des produits électroniques, les cartes de circuits imprimés (PCB), en tant que composants centraux de l'équipement électronique, leur fiabilité est directement liée à la performance et à la durée de vie de l'ensemble du produit.L'essai de fiabilité des PCB vise à garantir la qualité du produit est une partie importante de la qualité du produit, qui par une série de moyens d'essai rigoureux pour évaluer la performance des PCB dans une variété d'environnements et de conditions de travail, pour assurer la stabilité à long terme du fonctionnement du produit PCB. Les essais de fiabilité des circuits imprimés constituent un élément important de l'assurance de la qualité des produits.
1. Essais de performance électrique :
Les performances électriques permettent de garantir le bon fonctionnement des circuits.
Test de continuité
Le test de continuité est l'une des étapes les plus fondamentales et les plus cruciales des tests de fiabilité des circuits imprimés. L'objectif premier de ce test est de vérifier si tous les chemins conducteurs du circuit imprimé présentent des circuits ouverts ou des courts-circuits. Dans la pratique, les techniciens utilisent des testeurs de circuits spécialisés pour vérifier la continuité de chaque chemin conducteur et s'assurer que toutes les connexions électriques sont conformes aux exigences de conception. Pour ce qui est des tests de continuité, les techniciens ont recours à des testeurs de circuits spécialisés. circuits imprimés multicouchesLe test de continuité des traces de la couche interne est particulièrement important, car les traces cachées sont difficiles à inspecter visuellement.
Les tests de continuité modernes utilisent généralement les méthodes de la sonde volante ou du lit de clous, ce qui permet une identification rapide et précise des circuits ouverts ou courts. Pendant le test, un petit courant est appliqué pour mesurer la résistance entre deux points, ce qui permet de déterminer si la connexion est normale. Les tests de continuité doivent être effectués non seulement après la production, mais aussi avant et après les opérations suivantes Assemblage du PCB afin de s'assurer qu'aucun dommage n'est survenu au cours de la fabrication.
Test de résistance d'isolation
Le test de résistance d'isolement permet d'évaluer les performances d'isolement entre différents conducteurs d'un circuit imprimé. Pendant le test, une tension continue (généralement 100V, 250V ou 500V, selon les spécifications du produit) est appliquée entre deux conducteurs et la résistance d'isolement est mesurée. Ce test est particulièrement important pour les applications à haute tension et les circuits imprimés multicouches, car une mauvaise isolation peut entraîner des fuites, des courts-circuits, voire des risques d'incendie.
Les circuits imprimés de haute qualité exigent généralement une résistance d'isolation de l'ordre du mégaohm (MΩ) ou plus, les normes spécifiques variant en fonction de l'utilisation du produit et de l'environnement d'exploitation.Par exemple, les appareils médicaux et les circuits imprimés pour l'aérospatiale exigent des performances d'isolation plus strictes que l'électronique grand public.Les facteurs environnementaux tels que la température et l'humidité doivent également être pris en compte, car ils influencent considérablement les performances des matériaux d'isolation.
Test de tension de tenue diélectrique (Hi-Pot)
Le test de tension diélectrique résistante (également connu sous le nom de test hipot) est essentiel pour évaluer la fiabilité du système d'isolation d'une carte de circuit imprimé.Il consiste à appliquer une tension supérieure à la tension de fonctionnement normale (généralement 2 à 3 fois la tension de travail) entre les conducteurs ou entre les conducteurs et la terre afin de vérifier la sécurité du circuit imprimé dans des conditions anormales de haute tension.Pendant le test, la tension est progressivement augmentée jusqu'à un niveau prédéterminé et maintenue pendant une durée spécifiée (généralement 1 minute) pour observer si un claquage ou une décharge se produit.
Ce test est particulièrement important pour les cartes d'alimentation, les équipements à haute tension et les applications critiques en matière de sécurité.La défaillance peut se manifester par un arc électrique, une rupture ou une carbonisation des matériaux d'isolation.Il convient de noter que le test du hipot est destructif et peut causer des dommages cumulatifs aux matériaux d'isolation, de sorte qu'il ne doit pas être répété sur le même produit.
Test d'impédance
Les appareils électroniques évoluant vers des fréquences et des vitesses plus élevées, le contrôle de l'impédance des circuits imprimés est devenu de plus en plus important.Le test d'impédance permet de vérifier si l'impédance caractéristique des lignes de transmission sur une carte de circuit imprimé est conforme aux spécifications de conception, ce qui est crucial pour l'intégrité du signal et la minimisation des interférences électromagnétiques.Le test est généralement effectué à l'aide d'un analyseur de réseau ou d'un réflectomètre à domaine temporel (TDR) pour mesurer l'impédance à des fréquences spécifiques.
Les déséquilibres d'impédance peuvent provoquer des réflexions de signal, des anneaux et des dépassements, dégradant gravement les performances du système.Pour les circuits numériques à grande vitesse (par exemple, la mémoire DDR, les interfaces PCIe) et les circuits analogiques à haute fréquence (par exemple, les frontaux RF), un contrôle précis de l'impédance est fondamental pour garantir la qualité du signal.Les concepteurs doivent tenir compte de facteurs tels que la largeur de la trace, l'épaisseur du diélectrique, le poids du cuivre et la constante diélectrique, et valider le produit réel par des tests.
2. Essais de performance mécanique
Propriétés mécaniques pour évaluer l'intégrité structurelle des PCB.
Test de résistance au pelage
L'essai de résistance au décollement est une méthode standard d'évaluation de la force d'adhérence entre la feuille de cuivre et le substrat du circuit imprimé. Ce test quantifie l'adhérence en mesurant la force nécessaire pour décoller la feuille de cuivre du substrat. Un testeur de résistance au décollement spécialisé est utilisé pour décoller une largeur spécifique de feuille de cuivre à une vitesse et un angle constants (généralement 90 degrés) tout en enregistrant la force de traction.
Une bonne résistance au pelage est essentielle pour garantir la fiabilité des circuits imprimés en cas de contraintes thermiques, de vibrations mécaniques et d'utilisation à long terme.Selon les normes IPC, la résistance au pelage des circuits imprimés standard ne doit pas être inférieure à 1,1 N/mm, les exigences étant plus élevées pour les applications à haute fiabilité.Les modes de défaillance comprennent la séparation de la feuille de cuivre du substrat ou la rupture de la feuille de cuivre, souvent causée par un mauvais laminage, un mauvais traitement de la surface du cuivre ou des problèmes de qualité du substrat.
Essai de flexion
L'essai de flexion est principalement utilisé pour circuits imprimés souples (FPC) et les cartes rigides-flexibles afin d'évaluer leur durabilité en cas de flexions répétées. L'échantillon est serré dans un dispositif spécialisé et plié à un angle (par exemple, 90 ou 180 degrés) et à une fréquence (par exemple, 100 cycles par minute) spécifiés jusqu'à ce qu'il y ait rupture ou qu'un nombre prédéterminé de cycles soit atteint.
Ce test simule les contraintes mécaniques rencontrées dans les applications réelles, telles que les zones de charnière dans les téléphones pliables ou les sections de pliage dans les dispositifs portables.Les résultats des essais permettent d'optimiser la sélection des matériaux, la conception des empilages et le rayon de courbure. Il convient de noter que les performances électriques doivent également être vérifiées après l'essai de flexion, car les dommages mécaniques ne sont pas toujours visibles à l'œil nu, mais peuvent affecter la fonctionnalité du circuit.
Essai de contrainte thermique
Le test de contrainte thermique évalue la stabilité mécanique d'un PCB à des températures élevées, en particulier la fiabilité des joints de soudure et des vias.La méthode la plus courante consiste à immerger l'échantillon dans de la brasure en fusion à 288°C pendant 10 secondes (simulant la soudure par refusion) et à vérifier qu'il n'y a pas de délamination, de cloquage ou de séparation de la feuille de cuivre.Pour les produits à haute fiabilité, plusieurs cycles de chocs thermiques peuvent être nécessaires.
Ce test révèle les problèmes liés à l'inadéquation du coefficient de dilatation thermique (CDT), l'une des principales causes de défaillance due à la contrainte thermique.L'inspection post-test par microscopie ou par imagerie à rayons X doit se concentrer sur les structures internes, en particulier sur l'intégrité des parois des microvias.Pour les cartes d'interconnexion à haute densité (HDI), la fiabilité des microvia est particulièrement critique en raison de leur susceptibilité aux contraintes thermiques.
3. Essais d'adaptabilité à l'environnement
Le test d'adaptabilité environnementale des circuits imprimés vérifie principalement la performance des circuits imprimés dans diverses conditions extrêmes afin de garantir la fiabilité des circuits imprimés.
Test de vieillissement à haute température
Le test de vieillissement à haute température évalue la stabilité des performances des PCB en cas d'exposition prolongée à des températures élevées. Les échantillons sont placés dans un environnement dépassant les températures de fonctionnement normales (par exemple, 125°C ou 150°C) pendant des centaines, voire des milliers d'heures, avec des contrôles périodiques des changements électriques et physiques. Ce test accélère le vieillissement des matériaux, ce qui permet de prévoir la durée de vie du produit dans des conditions normales.
Les principaux paramètres contrôlés sont la résistance d'isolation, la perte diélectrique et la dégradation de la résistance mécanique.Les températures élevées peuvent entraîner une décoloration du substrat, une fragilisation, une décomposition de la résine ou une migration des métaux.Pour les applications à haute température (par exemple, l'électronique du compartiment moteur de l'automobile), ce test est particulièrement important pour sélectionner les matériaux ou les processus inadaptés.
Essai de chaleur humide
Le test de chaleur humide simule les effets d'une humidité et d'une température élevées sur les PCB, évaluant la résistance à l'humidité et la résistance à la corrosion des composants métalliques.Les conditions typiques sont 85°C et 85% d'humidité relative (RH), pour une durée de 96 à 1000 heures.Pendant et après le test, la résistance d'isolation, la résistance d'isolation de surface (SIR) et la corrosion des métaux sont vérifiées.
Les environnements humides peuvent induire divers modes de défaillance, notamment une réduction des performances d'isolation, la croissance de dendrites provoquant des courts-circuits, la corrosion des joints de soudure et la formation de cloques sur le revêtement.Pour les équipements extérieurs, l'électronique automobile et les applications marines, une excellente résistance à la chaleur humide est essentielle.Les contrôles fonctionnels post-test doivent se concentrer sur les circuits à haute impédance et les composants à pas fin, car ces zones sont plus sensibles à la contamination et à l'humidité.
Essai au brouillard salin
L'essai au brouillard salin évalue spécifiquement la résistance à la corrosion des circuits imprimés et des finitions de surface dans des environnements salins et humides.Les échantillons sont exposés à un brouillard salin de 5 % à 35 °C pendant 24 heures à plusieurs centaines d'heures, selon les exigences du produit.Ce test est particulièrement important pour les applications côtières, marines et automobiles.
Les inspections post-test doivent porter sur les composants métalliques (p. ex. plaquettes, broches et connecteurs) afin de déceler toute corrosion ou modification des performances du matériau isolant.Les choix de finition de surface (par exemple, ENIG, étain par immersion, OSP) affectent considérablement les résultats.Il convient de noter que l'essai au brouillard salin est un essai de corrosion accéléré et que les résultats peuvent différer des performances réelles, mais qu'ils fournissent des données comparatives sur les matériaux.
Essai de cyclage thermique
Le test de cyclage thermique évalue la résistance des circuits imprimés à la contrainte thermique en passant de manière répétée d'une température extrême à l'autre (par exemple, de -40°C à +125°C).Chaque cycle comprend généralement des périodes d'arrêt de la température et des transitions rapides, le nombre total de cycles pouvant aller de plusieurs centaines à plusieurs milliers.Ce test permet de mettre en évidence les disparités d'ECT, la fatigue des joints de soudure et la délamination interfaciale.
Les inspections post-test comprennent des contrôles visuels, des analyses transversales et des tests fonctionnels.Les modes de défaillance les plus courants sont les fissures dans les joints de soudure, les ruptures de via, la fatigue des billes BGA et la délamination du substrat.Les applications automobiles et aérospatiales imposent des exigences strictes en matière de cycles thermiques en raison des fluctuations de température importantes et fréquentes.
4. Essais de performance chimique et d'applications spéciales
Test de contamination ionique
Les tests de contamination ionique quantifient les contaminants ioniques résiduels sur les surfaces des PCB, qui peuvent provoquer une migration électrochimique et une corrosion.La méthode IPC-TM-650 est couramment utilisée pour mesurer les changements de conductivité des solvants après le nettoyage des échantillons.Les résultats sont exprimés en concentration équivalente de NaCl en μg/cm².
Une forte contamination ionique (par exemple, due à des résidus de flux, des empreintes digitales ou des produits chimiques) réduit considérablement la résistance d'isolation de la surface et peut entraîner la formation de dendrites et de courts-circuits dans les environnements humides.Pour les produits à haute fiabilité, la contamination ionique doit être strictement contrôlée.Le nettoyage après essai et l'amélioration des processus sont des solutions clés.
Test d'adhérence des revêtements de surface
Les essais d'adhérence des revêtements de surface (par exemple, masque de soudure, encre de légende, revêtements conformes) évaluent la force d'adhérence entre les couches de protection et les substrats.Les méthodes courantes comprennent l'essai au ruban (application et retrait rapide d'un ruban standard), l'essai de coupe transversale (traçage d'une grille et évaluation du détachement) et l'essai d'abrasion.
Une mauvaise adhérence peut entraîner une délamination du revêtement en cours d'utilisation, compromettant ainsi la protection.Les facteurs d'influence comprennent la propreté de la surface, les processus de durcissement et la compatibilité des matériaux. Les échecs des tests justifient des révisions du prétraitement, des paramètres de durcissement et de la sélection des matériaux.
Essais EMI/EMC
Les tests d'interférence électromagnétique (EMI) et de compatibilité électromagnétique (EMC) évaluent les caractéristiques électromagnétiques d'un PCB, y compris les émissions rayonnées et l'immunité.Les tests sont effectués dans des chambres blindées à l'aide d'antennes, de sondes et d'équipements spécialisés pour mesurer l'intensité des champs électromagnétiques à des fréquences spécifiques.Pour les appareils numériques et sans fil à grande vitesse, de bonnes performances EMI/EMC sont essentielles.
Les considérations de conception comprennent les stratégies de mise à la terre, le blindage, les circuits de filtrage et l'optimisation de la disposition.Les défaillances nécessitent souvent une amélioration des conceptions d'empilage, du routage des traces ou des composants de filtrage supplémentaires.Il convient de noter que les problèmes de compatibilité électromagnétique apparaissent souvent tardivement, mais qu'ils doivent être abordés dès le début de la conception.
Test de fiabilité des joints de soudure
Les tests de fiabilité des joints de soudure évaluent les performances à long terme sous contrainte mécanique et thermique.Les méthodes courantes comprennent les essais de cisaillement (mesure de la force de rupture des joints de soudure), les essais de traction et les essais de fatigue thermique.Pour les boîtiers avancés tels que les BGA et les CSP, la fiabilité des joints de soudure est particulièrement critique.
Les résultats permettent d'optimiser la conception des patins, les processus de brasage et la sélection des matériaux.Les techniques d'analyse des défaillances telles que l'inspection par rayons X, la pénétration de colorants et la coupe transversale permettent de diagnostiquer les problèmes de brasage.Le brasage sans plomb a accru l'importance de ces tests en raison de la fragilité des alliages sans plomb.
5. Problèmes courants de fiabilité des circuits imprimés et solutions
Question 1 : Décollement des PCB à haute température
Solution:
- Utiliser des matériaux à haute Tg (par exemple, Tg ≥170°C) pour une meilleure résistance à la chaleur.
- Optimiser les paramètres de laminage pour un écoulement et un durcissement corrects de la résine
- Inspecter le traitement cuivre de la couche interne pour vérifier que la rugosité de la surface est suffisante.
- Envisager des matériaux pré-imprégnés plus compatibles
- Pour les applications à haute fréquence, choisir des matériaux chargés de céramique à faible CDT.
Problème 2 : Circuits ouverts de la couche interne pendant le test de continuité
Solution:
- Améliorer la qualité du forage pour assurer des connexions correctes entre les couches internes
- Optimiser la métallisation des trous (désémaillage, placage) pour une couverture uniforme
- Ajuster les paramètres de gravure pour éviter une gravure excessive
- Utiliser des substrats indéformables pour minimiser le retrait.
- Réduire les contraintes thermiques lors du nivellement à l'air chaud et de la soudure
L'analyse transversale est recommandée pour localiser les points de rupture.
Question 3 : Corrosion du cuivre après un essai au brouillard salin
Solution:
- Appliquer des finitions de surface plus épaisses comme l'ENIG ou l'or dur
- Pour les applications sensibles au coût, utiliser de l'argent par immersion ou des OSP améliorés.
- Assurer une couverture complète du masque de soudure avec un bon scellement des bords
- Améliorer le nettoyage pour éliminer les résidus corrosifs
- Éviter le cuivre exposé sur les bords de la carte ; envisager le placage des bords.
- Choisir des alliages de cuivre résistants à la corrosion
Numéro 4 : Défauts de contrôle de l'impédance dans les circuits à haute fréquence
Solution:
- Mesure précise des écarts d'impédance
- Garantir une épaisseur constante du diélectrique grâce à un contrôle plus strict du processus
- Ajustement des conceptions de largeur et d'espacement des traces
- Utiliser des matériaux avec des constantes diélectriques stables (faible Dk/Df)
- Optimiser l'empilement des couches grâce à des plans de référence ininterrompus
- Collaborer avec les fabricants sur les capacités des processus
- Effectuer des simulations de pré-production
Problème 5 : Soulèvement de la pastille après une soudure sans plomb
Solution:
- Utiliser des matériaux à haute Tg ou sans halogène pour une meilleure résistance à la chaleur.
- Optimiser la conception des tampons pour éviter la concentration thermique (par exemple, les gouttes d'eau).
- Réduire les températures et les temps de brasage tout en maintenant la qualité
- Assurer une bonne liaison entre le cuivre et le substrat grâce à des traitements de surface
- Pour les plaques en cuivre épais, utiliser un préchauffage progressif afin de réduire les contraintes.
- Envisager des substrats à faible CDT comme les cartes à âme métallique ou les cartes en céramique
- Optimiser les ouvertures des masques de soudure pour éviter les concentrations de contraintes
Conclusion
L'essai de fiabilité des circuits imprimés est un élément clé pour garantir le fonctionnement stable à long terme des produits électroniques tout au long du cycle de vie de la conception, de la fabrication et de l'application. Un système d'essai complet inclut les performances électriques, les propriétés mécaniques, l'adaptabilité environnementale et les propriétés chimiques, ainsi que d'autres dimensions, ce qui permet d'identifier efficacement les défauts potentiels et les maillons faibles. Les problèmes de fiabilité courants tels que la délamination, les circuits ouverts, la corrosion, les écarts d'impédance et les défauts de soudure peuvent être résolus par une analyse systématique et des mesures d'amélioration ciblées. Le choix d'un fabricant de circuits imprimés expérimenté, la mise en place d'un processus de test de fiabilité solide et la prise en compte des facteurs de fabricabilité et de fiabilité dès le début du processus de conception sont des moyens efficaces d'améliorer la qualité des produits.