État de l’art du test des assemblages de circuits imprimés électroniques

Les cartes électroniques sont utilisées dans tous les domaines de l’industrie, ce qui rend l’assurance de leur qualité une étape essentielle du processus de fabrication. Un circuit électronique dont la qualité n’est pas assurée peut présenter un dysfonctionnement dans l’une de ses tâches, dans le meilleur des cas. Dans le pire des cas, il pourrait être totalement inutile ou endommagé. En prenant comme exemple l’industrie automobile, où l’utilisation de l’électronique est largement répandue (le diagnostic de tous les modules ainsi que la communication entre eux se fait à l’aide de circuits électroniques), un défaut sur l’une des cartes électroniques montées (comme celui de déploiement des airbags par exemple) peut entraîner un accident, dans des circonstances particulières. Ce genre de problèmes pourrait se manifester sous deux formes différentes : économique et humaine. Du point de vue économique, le temps passé dans le diagnostic et la réparation de l’ensemble des cartes qui présentent le problème s’avère très coûteux, et les produits défectueux doivent être remplacés ou complètement retirés du marché. Dans un pire cas, un procès peut être déposé, engendrant ainsi le paiement d’indemnité de montant très élevé. Du point de vue humain, des vies peuvent être mises en danger si la qualité du circuit n’est pas assurée. L’assurance de la qualité d’un produit devient alors cruciale. L’assurance de la qualité (AQ) est définie comme toutes les actions planifiées ou systématiques, nécessaires pour assurer une confiance suffisante pour qu’un produit ou un service satisfasse les exigences de qualité [1]. Pour les produits électroniques, l’assurance de la qualité est une partie de la gestion de qualité qui offre pour les clients et les autres parties prenantes, une confiance fondée sur des faits, qu’un produit réponde aux besoins, aux attentes et aux exigences. L’AQ prétend assurer l’existence et l’efficacité des procédures qui tentent de s’assurer que les niveaux de qualité attendus seront atteints [1][2]. Toutes ces activités planifiées et systématiques sont normalement des tests effectués sur le produit. En se focalisant sur les PCBA, les tests mentionnés se déroulent en deux phases, une première phase consiste à tester électriquement tous les composants soudés sur le PCB, et la deuxième phase dans laquelle on évalue le fonctionnement de tout l’assemblage. Les modules qui seront testés ainsi que les exigences remplies déterminent la qualité du PCBA. Dans ce sens, si chaque composant compris dans le circuit est testé et toutes les exigences sont respectées, la qualité du circuit est assurée.

PRODUCTION ELECTRONIQUE

La production électronique est passée par plusieurs étapes de développement, l’invention du transistor au XXème siècle étant la plus remarquable. Cette dernière a conduit à d’autres jalons, tels que la technologie des microprocesseurs au début des années 70, l’Internet et la technologie mobile à la fin des années 90. Selon  Gordon Moore, pendant cette période, la densité des transistors sur une puce doublera tous les 18 mois; aujourd’hui, on parle de loi de Moore. Du point de vue des coûts et des performances, cette loi indique également que les vitesses de calcul doubleront tous les 18 mois si les ressources informatiques sont doublées [3]. Pour accompagner l’évolution de la densité d’intégration qui suit la loi de Moore, plusieurs techniques avancées d’encapsulation de puces ont été développées, le via traversant sur silicone, « ThroughSilicon Via », qui a été inventé pour l’empilage 3D de circuits intégrés [4]. De plus, le micro-via, introduit commercialement par IBM au début des années 90 [5, Chap. 11], a marqué la naissance des PCB à haute densité d’interconnexion « High-Density Interconnect » (HDI) [4], [5, Chap. 21].

Le 20ème siècle a été caractérisé par le développement de l’électronique miniaturisée pour des raisons d’économie, de performance et de portabilité. Cela a exercé une pression considérable sur la production électronique afin de relever les défis suivants [5] :
1. Manipulation des composants : les composants électroniques continuant à se miniaturiser, l’équipement d’assemblage doit intégrer des composants plus petits; les équipementiers ont donc dû développer de nouvelles solutions à cet effet.
2. Cadence de production : à mesure que la densité augmente, les fournisseurs d’équipement de fabrication doivent trouver de nouvelles solutions pour des étapes de fabrication plus rapides et efficaces, y compris les tests. Au fur et à mesure que le délai de mise sur le marché devient plus court, les fabricants doivent être plus rapides en ce qui concerne la planification des nouveaux produits afin d’accroître la cadence de production et mieux suivre le rythme de la concurrence sur le marché mondial.

Par ailleurs, au début du XXIème siècle, la production d’électronique verte a commencé à devenir une thématique importante. Des études statistiques ont montré que les livraisons mondiales d’appareils tels que les téléphones portables ont totalisé 4,68 milliards d’unités en 2019. Les expéditions devraient atteindre 4,78 milliards en 2019, en hausse de 2,1% selon Statista Inc [6]. Ce nombre élevé d’articles ainsi que le cycle de vie plus court des produits suscitent des préoccupations environnementales concernant l’augmentation des déchets électroniques et l’épuisement des ressources naturelles. Pour répondre à cette préoccupation, l’utilisation de plomb (Pb) et d’autres substances dans des produits électroniques a été interdite pour se conformer à la directive RoHS « Restriction of Hazardous Substances » depuis le début de l’année 2006 [7]. L’ensemble du processus de production électronique et toutes les matières premières doivent être exempts de substances restreintes, telles que le plomb que l’on trouve dans les alliages de soudure classiques. Cependant, la température nécessaire à la soudure a atteint un niveau qui a entrainé de nombreux problèmes de qualité et de fiabilité lors de la transition vers une électronique sans plomb. Les impacts négatifs du passage à une production d’électronique sans plomb sont les suivants :
1. Composants : Pour pouvoir souder avec des alliages sans plomb, la température doit être augmentée de 215 °C – 220 °C à 240 °C – 260 °C. De nombreux composants électroniques ont commencé à se fissurer immédiatement après le processus de refusion, d’autres ont vu leur boîtier se fissurer « popcorning » dû à l’évaporation de l’humidité à l’intérieur du boîtier, car ils ne pouvaient pas supporter la nouvelle température de reflux. Pour cette raison, les fournisseurs de composants ont dû mettre à jour la capacité de leurs composants à résister à des températures plus élevées [8, Chap. 45.4].
2. Soudage à la vague : le passage à un alliage sans plomb est problématique pour une soudure à la vague. Certains problèmes de qualité sont apparus dû à la rapide formation d’oxyde de soudure « drossing » caractérisant les alliages sans plomb « lead free », causant fréquemment des ponts de soudure « solder bridges » entre broches conductrices et des circuits-ouverts au niveau des composants traversant. La mise à jour de l’ensemble du processus et des équipements est donc nécessaire afin d’éviter ces problèmes [8, Chap. 45.4].
3. Oxydation : La majorité des alliages à braser sans plomb sont constitués d’une combinaison d’étain (Sn), de cuivre (Cu), d’argent (Ag), d’indium (IN), de bismuth (Bi) ou d’antimoine (Sb). SnAgCu (SAC) est largement utilisé comme alternative à l’alliage SnPb [5, Chap. 45.4]. D’autre part, le bismuth, le cuivre et le zinc s’oxydent facilement, ce qui dégrade la qualité du mouillage pendant le processus de brasage. L’utilisation d’azote en tant qu’atmosphère inerte pendant les processus de brasage à la vague et de refusion est devenue une étape supplémentaire nécessaire pour éviter l’impact des éléments des alliages sans plomb à température élevée [8, Chap. 45.4].
4. Test électrique: des températures plus élevées entraînent une quantité encore plus grande de résidus de flux (fluide qui décape les surfaces métalliques et facilite ainsi la soudure), ce qui a un impact négatif sur le test électrique, les sondes pouvant nécessiter plusieurs tentatives pour pénétrer dans les résidus du flux et obtenir un contact électrique sur les points de test [8, Chap. 45.4].
5. PCB: avec une soudure sans plomb, les PCB sont soumis à des températures plus élevées, ce qui entraîne une flexion accrue au niveau du PCB, augmentant ainsi la possibilité de délamination de ces derniers « PCB Warpage » [8, Chap. 45.4].
6. « Whiskers » : Les « trichites » sont des structures de filaments qui se développent sur des surfaces métalliques étamées pures. Elles peuvent provoquer des courts-circuits entre deux conducteurs et perturber l’intégrité du signal dans les hautes fréquences. Les « trichites » ne sont devenues un problème apparent qu’après le passage à la production d’électronique sans plomb [8, Chap. 1.6] [8, Chap. 57].

TEST ELECTRONIQUE

Bref historique

Les premières cartes électroniques assemblées consistaient en une poignée de composants discrets répartis à faible densité afin de minimiser la dissipation de chaleur. Les tests consistaient principalement à examiner visuellement ces cartes et éventuellement à mesurer quelques connexions à l’aide d’instrument de mesure simple. La vérification des performances de la carte ne parvient qu’après l’assemblage final du système [9, Chap. 2]. La première grande explosion de la complexité du PCB et la densité des composants assemblés est apparue après le développement du transistor dans les années 1950. Avec le premier ordinateur à transistors d’IBM, lancé en 1955 [9, Chap. 2], le grand nombre de fonctionnalités embarquées dans les cartes a entraîné une prolifération de nouvelles conceptions, d’applications plus vastes et de volumes de production beaucoup plus importants, ce qui a rendu les méthodes de test utilisées jusque-là insuffisantes pour déterminer la qualité du PCBA. La numérisation de l’électronique était à la rescousse, et a permis d’envisager des tests fonctionnels des PCBA antérieurs à l’intégration dans des systèmes finaux. Ces tests sont réalisés en exploitant les entrées/sorties des cartes pour injecter des signaux d’entrée et observer la réponse à la sortie, puis comparer le comportement du circuit imprimé avec sa fonctionnalité finale attendue [9, Chap. 2]. Cette approche a conduit au développement d’équipements de test fonctionnel automatique « Automatic Test Equipment » (ATE) pour les systèmes numériques [9, Chap. 2]. L’ATE génère les vecteurs de test pour le PCBA testé « Device Under Test» (DUT), et compare automatiquement les réponses mesurées avec celles attendues. En se basant sur cette comparaison, l’ATE déclare le DUT défectueux ou non défectueux. En revanche, les composants analogiques nécessitaient un effort plus important ou restaient non testés. Le développement d’une approche de mesure basée sur un amplificateur opérationnel a permis de tester des composants analogiques individuels à travers un lit à clous, ce qui correspond à la naissance du test in-situ « In Circuit Test » (ICT) à la fin des années 1960 [9, Chap. 2]. Avec l’évolution accélérée de la technologie, les testeurs ICT se retrouvaient peu à peu en manque de ressource. Avec l’émergence de la technologie de montage en surface « Surface-Mount Technology » (SMT) à la fin des années 1980, l’ICT a commencé à faire face à des problèmes d’accès physique. Les composants électroniques de petite taille ont abouti à des PCBA à haute densité intégrant des boîtiers à pas très fin, ce qui a rendu l’accès physique de test sur les broches de ces composants difficile et coûteux [10].

D’autres solutions ont été développées pour résoudre le problème de l’accès physique pour les boîtiers à pas fin et BGA. Dans les années 1990, la méthode de test « Boundary-Scan » (BST) a été mise au point pour tester les interconnexions entre circuits intégrés numériques sans utiliser l’ICT, ce qui permet de tester certains défauts de soudure sans recourir à un accès physique [10], [11, Chap. 1].

Au fur et à mesure que la technologie évoluait vers une électronique à haut degré d’intégration [12], [13], une mise en boîtier avancée et avec l’introduction des cartes à haute densité d’interconnexions « High Density Interconnect » (HDI), le test en production est devenu plus vital qu’auparavant. Selon une étude réalisée dans [14], le test d’un PCBA de complexité élevée (2500 composants, 17500 joints de soudure) est très coûteux et présente un degré de confiance inférieur en comparaison avec le test d’un PCBA moins complexe (75 composants, 425 joints de soudure). En effet, la performance d’une stratégie de test en production classique utilisée pour ces deux types de PCBA, chute drastiquement en termes de résolution de diagnostic (capacité de discrimination et de détection de défauts) et de confiance de test lors du passage du PCBA simple au PCBA complexe. La figure 1.2 montre les courbes de performance des testeurs ICT, AOI/AXI et du test fonctionnel (FT) lors du passage d’un PCBA de faible densité à un PCBA de haute densité [15]. Une géométrie plus restreinte des cartes a imposé des contraintes sur l’accès physique aux points de test. Par conséquent, les solutions d’accès physique connues aujourd’hui, telles que le système de sondes volantes « Flying Probes » (FPT) et le lit à clous de l’ICT, nécessitent davantage d’amélioration. D’autres méthodologies de test ont été proposées pour surmonter la limitation due à la réduction de la taille du PCB (Analyse et comparaison de ces techniques dans la section VI du chapitre III), toutefois, aucune de ces méthodes n’a connu un réel succès.

Test des cartes électroniques

Le test des PCBA est une étape du processus de production qui favorise la qualité, l’économie et la fiabilité. Elle consiste à détecter et à signaler les différences non intentionnelles entre le matériel produit et sa conception. Dans la plupart des cas, ces différences sont appelées défauts. En détectant un défaut, nous nous assurons que seuls les produits de qualité conformes aux spécifications de conception sont expédiés au client. En signalant un défaut, nous développons le processus de réalisation du produit en évitant la création de défauts similaires, améliorant ainsi le rendement. Avec les composants électroniques d’aujourd’hui, les tests ont joué un rôle important au cours du processus de réalisation du produit et, dans certains cas, leur rôle s’est étendu même après l’envoi du produit. Les efforts de test diffèrent d’un produit à l’autre, par exemple, les produits électroniques grand public ne sont pas soumis aux mêmes tests que ceux de l’automobile, de l’aéronautique ou ceux développés pour des applications critiques pour la sécurité. Pour les produits électroniques grand public, l’objectif principal est la fonctionnalité finale du produit. En revanche, pour l’électronique destinée à des applications critiques pour la sécurité, la qualité et la fiabilité sont importantes; dans de tels cas, il est obligatoire de tester la résistance des PCBA aux environnements critiques [9, Chap. 1]. Dans l’ensemble, le but des tests est la recherche à la fois de la qualité et de la réduction des coûts, qui sont mutuellement dépendantes. La qualité comme introduite au début de ce chapitre fait référence à la satisfaction du client, et l’économie au rendement industriel élevé. Déterminer la fiabilité est un autre rôle des tests. La fiabilité est directement liée à la rentabilité, car lorsque le produit est fiable chez le client, la société économisera des coûts de garantie et maintiendra sa bonne réputation [9, Chap. 1].

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Table des matières

Introduction générale
Partie I : État de l’art du test des assemblages de circuits imprimés électroniques
Chapitre I : Introduction au test de cartes électroniques
1. Introduction
2. Production électronique
2.1. Test électronique
2.1.1. Bref historique
2.1.2. Test des cartes électroniques
3. Problématique industrielle
3.1. Défis technologiques
3.2. Défis industriels : Densification
3.3. Défis économiques
4. Motivations de test
4.1. Sécurité
4.2. Économie
5. Objectifs
Chapitre II : Principaux défauts liés à l’assemblage des cartes électroniques
1. Vue d’ensemble de l’assemblage des cartes électroniques
1.1. Le procédé industriel d’assemblage de PCBA
1.1.1. Sérigraphie
1.1.2. Placement des composants
1.1.3. Brasage par refusion
1.1.4. Brasage à la vague
1.1.5. Contrôle de l’assemblage
2. Défauts d’assemblage
2.1. Défauts liés à la soudure
2.1.1. Circuits ouverts
2.1.2. Courts-circuits
2.1.3. Glissement de composants
2.2. Défauts liés au placement
2.2.1. Composants absents
2.2.2. Composants erronés
2.2.3. Composants de valeurs erronées
2.3. Défaut lié à la propreté
2.3.1. Effet des dendrites
2.4. Spectre de défauts
Chapitre III : Techniques et stratégies de test en production
1. Que veut-on dire par une stratégie de test ?
2. Couverture de test
3. La notion de testabilité et du « Design for Test »
3.1. Analyse prédictive de testabilité
4. norme IPC-A-610
5. Techniques de test et d’inspection industriels
5.1. Techniques par contact
5.1.1. Test in-situ
5.1.1.1. Lit-à-clous
5.1.1.2. Système à sondes mobiles
5.1.2. Boundary Scan Test (BST)
5.1.3. Test fonctionnel (FT)
5.2. Techniques sans CONTACT
5.2.1. Inspection visuelle manuelle
5.2.2. Inspection visuelle automatique : AOI
5.2.3. Inspection par rayon-X
5.3. Comparatif
6. Techniques de test en phase de recherche
6.1. Couplage capacitif associé au Boundary-scan
6.2. Test par courant de Foucault
6.3. Test par effet photoélectrique
6.4. Test par scan de champ magnétique
6.5. Test par imagerie infra-rouge
6.6. Test par techniques de micro-accès
7. Conclusion
Partie II : Proposition de solutions pour le test des cartes électroniques à forte densité et à signaux rapides
Chapitre IV : Approche de test par mesure du champ magnétique proche
1. Introduction
Partie 1 : Capteurs proposés pour le test par scan du champ magnétique proche
2. Discussion autour des capteurs magnétiques
2.1. Caractérisation d’un capteur GMR
2.1.1. Capteur AA003-02E
2.1.1.1. Principe de fonctionnement de la magnétorésistance géante
2.1.1.2. Boîtiers et dimensions
2.1.1.3. Axe de sensibilité
2.1.2. Résultats de caractérisation
2.1.2.1. Tension d’offset
2.1.2.2. Résolution
2.1.2.3. Sensibilité
2.1.2.3.1. Sensibilité à un champ magnétique créé par un aimant permanent
2.1.2.3.2. Sensibilité aux forts courants
2.1.2.3.3. Sensibilité aux faibles courants
2.1.2.4. Caractérisation dynamique
2.1.2.5. Sensibilité en fonction de la distance de mesure
2.2. Conclusion
Partie 2 : Détection de défauts d’assemblage en utilisant des signatures magnétiques en champ proche
1. Introduction
2. Description de l’approche de test proposée
2.1. Principe
2.2. Types de défauts d’assemblage détectés
3. Description de l’étude de cas : convertisseur DC/DC dÉvolteur
3.1. Scénario de défauts testés
3.2. Description des capteurs champ proche
3.2.1. Utilisation de sondes champ proche (NFP)
3.2.1.1. Procédure de test: Simulation et Expérimentation
3.2.2. Utilisation de capteurs GMR
3.2.2.1. Procédure de test : Simulations et Expérimentations
4. Simulations et résultats expérimentaux
4.1. Test des condensateurs de découplage
4.1.1. Signatures de référence
4.1.2. Signatures avec des valeurs incorrectes des condensateurs de découplage
4.1.3. Comparaison et analyse
4.2. Test des condensateurs de filtrage en sortie
4.2.1. Signatures avec des valeurs incorrectes des condensateurs de sortie
4.2.2. Comparaison et analyse
4.3. Test de l’inductance du filtre de sortie
5. Sources d’incertitude
6. Algorithme de détection de défaut
6.1. Détection des valeurs aberrantes
6.2. Détection des valeurs aberrantes à l’aide de l’analyse en composantes principales
7. Configuration de la simulation
8. Résultats
8.1. Scénarios de détection
8.2. Composante fréquentielle de détection
8.3. Détection de PCBA défectueux
8.4. Détection de composants défectueux
8.5. Discussion
9. Conclusion
Conclusion générale

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