Identifier et caractériser les processus d’assemblage et de test de PCB endommagés à l’aide du test de jauge de contrainte

Les ingénieurs utilisent des PCB et des produits à base de PCB depuis des décennies, alors pourquoi les défaillances dues au stress sont-elles un problème croissant aujourd’hui ? Pour tenter de répondre à cette question, les experts ont examiné comment les tendances prédominantes dans l'industrie électronique au cours des dernières années ont un impact sur les limites de contrainte maximales admissibles pour les PCB. Deux des tendances les plus pertinentes sont :

• Une plus grande utilisation de soudure sans plomb au lieu de la soudure étain-plomb traditionnelle
• Utilisation plus fréquente de composants BGA (Compact Ball Grill Array)

Les raisons de ces tendances et des avantages qui en découlent sont évidentes. La directive RoHS (Restriction of Hazardous Substances) est entrée en vigueur dans l’Union européenne en juillet 2006. Cette directive limite l'utilisation de six matières dangereuses, y compris le plomb, dans la fabrication de divers types d'équipements électroniques et électriques. L'inconvénient de cela est que la plupart des alternatives de soudure sans plomb ont une fragilité plus élevée, et lorsqu'il s'agit de processus d'assemblage et de test pendant la fabrication, la soudure sans plomb est plus sujette aux fissures que la soudure étain-plomb traditionnelle lorsqu'elle est soumise à des contraintes.

Les composants BGA présentent de nombreux avantages par rapport aux boîtiers à montage en surface, notamment une densité de broches plus élevée, une meilleure conduction de la chaleur et une prévention de la surchauffe en raison de sa résistance thermique plus faible, et des performances électriques supérieures en raison de la courte distance – et donc d’une impédance plus faible – entre le boîtier et le PCB. Revers de la médaille, les composants BGA présentent certains inconvénients, notamment une inspection coûteuse, une réactivité réduite à la dilatation thermique et une flexion et des vibrations plus élevées par rapport aux composants montés en surface avec des fils plus longs. Les composants BGA ne sont pas très efficaces pour répartir uniformément les contraintes et sont plus sujets à la fissuration de la rotule de soudure, en particulier sur les rangées internes.

Chacune des deux tendances ci-dessus abaisse individuellement la limite de contrainte mécanique maximale qui peut être appliquée directement à un PCB. Combinées, elles augmentent considérablement les possibilités de fissures de joint de soudure si la contrainte maximale admissible est dépassée et rendent presque obligatoire la caractérisation des cartes et des équipements environnants pour des niveaux de contrainte maximaux. Les processus d’assemblage et de test tels que le test en circuit (ICT), le dépannage ou le test de vérification finale (FVT) impliquent de maintenir la carte dans une forme de montage puis d’effectuer une tâche. Si ces appareils ne sont pas conçus correctement, ils ont tendance à appliquer des contraintes plus élevées que celles autorisées en toute sécurité sur les PCB. Même les appareils bien conçus ont tendance à appliquer des contraintes plus élevées au fil du temps sur le circuit imprimé à l'intérieur.

Pour éviter les défaillances de manière proactive et identifier les conceptions ou processus problématiques, vous pouvez implémenter un test de jauge de contrainte sur le circuit imprimé pour caractériser ces processus susceptibles d’entraîner des contraintes élevées pour les contraintes maximales et vous assurer qu’ils sont dans les limites autorisées. Si les valeurs de contrainte mesurées dépassent le niveau de contrainte maximal autorisé pour la carte, vous pouvez retravailler ou repenser le montage ou modifier le processus selon les besoins pour ramener ces valeurs dans les limites autorisées. La directive IPC/JEDEC-9704 identifie les processus d’assemblage et de test problématiques et fournit des étapes systématiques pour la mise en œuvre d’un test de jauge de contrainte pour PCB.

CIB (fondée à l'origine sous le nom d'Institute for Printed Circuits et désormais connue sous le nom de CIB : Association Connecting Electronics Industries) est une association professionnelle mondiale dédiée à l’excellence concurrentielle et au succès financier de ses 2 600 entreprises membres qui représentent toutes les facettes de l’industrie de l’interconnexion électronique, y compris la conception, la fabrication de PCB et l’assemblage électronique. En 2004-2005, l'IPC et le Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) ont publié deux lignes directrices concernant les contraintes mécaniques sur les BPC. La norme IPC/JEDEC-9702 est une directive sur la caractérisation des déformations et la norme IPC/JEDEC-9704 est axée sur les tests de jauges de contrainte de cartes de câblage imprimées.

Téléchargez une copie intégrale de la directive IPC/JEDEC-9704 à partir du site Web de la CIB.
Téléchargez une copie intégrale de la directive IPC/JEDEC-9704 à partir du site Web du JEDEC.

Dans les sections suivantes de ce white paper, découvrez les quatre étapes de test des jauges de contrainte pour PCB recommandées par la directive IPC-9704.

Avec les tests de jauges de contrainte à PCB, vous pouvez évaluer quantitativement et caractériser les processus potentiels à forte contrainte et dommageables, mais vous devez d’abord identifier ces processus pour implémenter les tests. Selon le document directif IPC/JEDEC-9704, les étapes de fabrication généralement caractérisées sont :

1. Processus d'assemblage SMT
   • Processus de dépannage (routage) de la carte
   • Tous les processus de manipulation manuelle
   • Tous les processus de reprise et de retouche
   • Installation du connecteur
   • Installation des composants
2. Processus de test de carte
   • Test en circuit (TIC)
   • Test fonctionnel de carte (BFT) ou test fonctionnel équivalent
3. Ensemble mécanique
   • Ensemble dissipateur thermique
   • Support de carte/assemblage raidisseur
   • Intégration de la carte système ou assemblage du système
   • Installation d’une carte d’interconnexion de composant périphérique (PCI) ou fille
   • Installation de deux modules de mémoire en ligne (DIMM)
4. Environnement d'expédition

Bien que les TIC et la BFT soient généralement les opérations de déformation/déformation les plus élevées de la liste ci-dessus, des dommages sont possibles dans tout autre processus, et vous devriez implémenter des tests de déformation sur autant de processus que possible.

Une fois que vous avez identifié les processus, vous pouvez implémenter les quatre étapes suivantes d’un test de jauge de contrainte de PCB :

1. Sélectionner un capteur de jauge de contrainte
2. Préparer le circuit imprimé pour le test et le montage des jauges de contrainte
3. Mesure de la déformation
4. Analyser et rapporter des données

Une jauge de contrainte est un dispositif dont la résistance électrique varie proportionnellement au degré de contrainte du dispositif. Le document d'orientation IPC/JEDEC-9704 recommande d'utiliser des jauges de contrainte à rosette empilées à trois éléments pour les essais de jauges de contrainte pour PCB.

Une jauge de contrainte en rosette (figure 1) se compose de trois jauges de contrainte indépendantes empilées les unes sur les autres. Contrairement à une jauge de contrainte en fil de liaison, qui peut mesurer la déformation dans une seule direction, une jauge de contrainte en rosette mesure l’état complet de la déformation à la surface d’une pièce. Autrement dit, vous pouvez mesurer non seulement les deux déformations d’extension, ex et ey, mais aussi la déformation de cisaillement, gxy, par rapport à un système d’axe x-y donné.

Figure 1. Jauge de contrainte en rosette empilée à trois éléments

En supposant que les axes x et y sont spécifiés, vous pouvez monter deux jauges dans les directions x et y pour mesurer les déformations d'extension associées dans ces directions. Cependant, il n'existe aucun moyen direct de mesurer la déformation en cisaillement, gxy. Il n'est pas non plus possible de mesurer directement les déformations principales car les directions principales ne sont généralement pas connues.

La solution à ce problème consiste à reconnaître que l'état 2D de déformation en un point (sur une surface) est défini par trois quantités indépendantes que vous pouvez prendre comme (a) ex, ey et gxy ou (b) e1, e2 et q, où le cas (a) fait référence aux composantes de déformation par rapport à un système arbitraire d'axes xy et le cas (b) fait référence aux déformations principales et à leurs directions. Chaque cas définit entièrement l'état de déformation 2D sur la surface et peut être utilisé pour calculer les déformations par rapport à tout autre système de coordonnées. Cette situation implique que vous devriez être capable de déterminer ces trois quantités indépendantes si vous pouvez effectuer trois mesures indépendantes de déformation à un point de la surface. L’approche la plus évidente consiste à placer trois jauges de contrainte ensemble dans une « rosette » avec chaque jauge orientée dans une direction différente et toutes situées le plus près possible les unes des autres pour approximer une mesure en un point. Si vous connaissez les trois déformations et les directions de jauge, vous pouvez résoudre les déformations principales et leurs directions ou, de manière équivalente, l'état de déformation par rapport à un système de coordonnées xy arbitraire. Les relations nécessaires sont les équations de transformation de déformation, et la construction en cercle de Mohr fournit une bonne visualisation de ce processus.

Selon la directive IPC/JEDEC-9704, les détails de la jauge de contrainte recommandée sont les suivants :

• Jauge de contrainte à rosette rectangulaire (0/45/90) empilée à trois éléments
• 1,0 à 2,0 mm, ² nominal, taille du capteur de jauge
• Jauges de contrainte de 120 ou 350 W
• Des plots d'attache de fil conducteur situés à ou des fils conducteurs attachés d'un côté de la jauge de contrainte

Plusieurs sociétés fournissent des jauges de contrainte à rosette empilées à trois éléments, par exemple Kyowa (KFW-D17, une jauge de contrainte à feuille triaxiale étanche) et Vishay (C2A-06-062WW-350 ou C2A-XX-062LR-350, une jauge de contrainte à rosette rectangulaire à usage général).

Étant donné que seule une contrainte mécanique limitée est appliquée avant le refluage de la technologie de montage en surface (SMT) et, plus important encore, parce que les joints de soudure ne sont formés qu’après le refluage, la caractérisation de la contrainte n’est requise que pour les opérations d’assemblage et d’essai suivant le refluage du SMT. Typiquement, un minimum de deux cartes de test sont instrumentées. Ils ne doivent pas nécessairement être électriquement fonctionnels, mais ils doivent mécaniquement représenter la conception la plus récente.

Les données suggèrent que les défaillances liées aux contraintes se produisent au niveau des composants CBGA. La directive IPC/JEDEC-9704 vous recommande de mesurer tout périphérique BGA dont la taille du boîtier est supérieure ou égale à 27 mm. Par exemple, vous devez caractériser les composants BGA ruban, BGA flip chip, BGA amélioré, BGA céramique et BGA à faible autonomie qui répondent à cette exigence.

Cela inclut la sélection de l'emplacement où vous allez monter les jauges de contrainte. S'il n'y a pas d'espace pour monter une jauge de contrainte sur la carte, vous devrez peut-être faire de la place sur le circuit imprimé en enlevant les composants déjà montés sur la carte de test.

La préparation de la carte est une partie essentielle du processus d’instrumentation. Une bonne préparation de la carte aide à assurer le bon collage des jauges de contrainte ; cela, à son tour, améliore la précision de lecture. Vous devez également fixer la jauge de contrainte conformément aux instructions fournies par les fournisseurs de jauges de contrainte et d’adhésifs. Notez que les jauges de contrainte nécessitent l’utilisation de systèmes adhésifs spécialement formulés, et les fournisseurs de jauges de contrainte fournissent généralement ces informations. Vous trouverez des détails supplémentaires sur la préparation de la carte, la fixation de la jauge de contrainte et le routage des fils dans le document de ligne directrice IPC/JEDEC-9704.

NI est un fabricant d’équipements matériels et logiciels de test, de mesure et de contrôle, la plupart des produits matériels étant basés sur des PCB. NI met en œuvre un test de jauge de contrainte pour PCB sur les produits qu’elle fabrique conformément à la directive IPC/JEDC-9704, en particulier sur les produits sans plomb avec des composants BGA de taille supérieure ou égale à 27 mm. La figure 2 montre un exemple de carte de test chez NI avec des jauges de contrainte montées et prêtes à subir les TIC.

Figure 2. Carte de test avec jauges de contrainte montées dans un appareil ICT

Après avoir préparé la carte et monté les jauges de contrainte, la troisième étape du test des jauges de contrainte pour PCB consiste à connecter les capteurs à l’instrumentation d’acquisition de données et à exécuter le test réel. La durée du test peut varier – il peut généralement s’exécuter pendant 5 à 10 secondes pendant l’enregistrement des données. IPC/JEDEC-9704 recommande de prêter attention aux paramètres suivants lors de l'exécution du test :

• Fréquence de balayage (fréquence d'échantillonnage)
• Résolution d'échantillonnage et paramètre de gain
• Nombre de voies
• Échantillonnage simultané
• Tension d’excitation

Fréquence de balayage

La fréquence de balayage, ou fréquence d'échantillonnage, est la fréquence à laquelle les données sont échantillonnées en nombre d'échantillons par seconde (Hz). Pour les tests de jauges de contrainte à PCB, une fréquence de balayage minimale de 500 Hz est recommandée, bien que les fréquences de balayage typiques varient de 500 Hz à 2 kHz. Cette fréquence d'échantillonnage garantit la capture de tout événement dynamique haute fréquence susceptible de se produire. Considérons, par exemple, des mesures à deux fréquences différentes, comme le montre la figure 3. Lorsqu’elle est échantillonnée à 4 fois la fréquence, la figure 3b) montre un pic de tension qui n’a pas été capturé avec une fréquence d’échantillonnage plus lente dans la figure 3a).

Figure 3 a) et b) : Exemple avec deux fréquences d'échantillonnage différentes

Résolution d'échantillonnage

La résolution d'échantillonnage fait référence au nombre de bits du convertisseur analogique/numérique (C A/N) dans le matériel d'acquisition de données. Plus la résolution est élevée, plus le signal en entrée change petitment qui peut être détecté et plus la mesure est précise. Pour les tests de jauges de contrainte à PCB, une résolution d’échantillonnage minimale de 12 à 16 bits est recommandée. Les C A/N ont également un paramètre de gain (le facteur par lequel le signal est amplifié), et définir la valeur de gain appropriée garantit de tirer le meilleur parti des bits de résolution disponibles sur le matériel d’acquisition de données.

Nombre de voies

Le nombre de voies de surveillance disponibles limite le nombre de mesures en un passage. Au moins 12 voies de mesure sont requises pour surveiller quatre rosettes empilées montées aux quatre coins d'une puce BGA, et au moins trois voies sont requises pour mesurer une rosette empilée. Bien que vous puissiez effectuer plusieurs passages s'il n'y a pas assez de voies, vous devez surveiller les trois jauges d'une rosette empilée au même chargement pour éviter toute erreur de calcul de déformation pendant l'analyse.

Échantillonnage simultané

Vous devez surveiller les trois jauges dans une rosette empilée au même chargement et dans le même passage. Le périphérique d'acquisition de données que vous utilisez dicte comment effectuer ces mesures. Deux des techniques courantes sont le multiplexage et l'échantillonnage simultané. Les périphériques d'acquisition de données qui offrent le multiplexage comportent un C A/N et des voies d'échantillonnage séquentiellement. Pour les tests de jauges de contrainte à PCB, un échantillonnage séquentiel peut entraîner des valeurs de contrainte mal calculées. Les périphériques d'acquisition de données avec échantillonnage simultané offrent un C A/N individuel par voie, résultant en des mesures prises sur toutes les voies exactement en même temps et éliminant toute erreur dans les calculs de déformation.

Figure 4. Échantillonnage séquentiel vs. simultané

Complément de pont et tension d’excitation

Chacune des trois jauges individuelles d’une rosette empilée est une jauge quart de pont qui nécessite un complément de pont et une tension d’excitation – tous deux fournis par l’instrumentation d’acquisition de données – pour fonctionner.

Le complément de pont pour un capteur de jauge de contrainte en quart de pont comprend la fourniture de trois des quatre bras d’un pont de Wheatstone (figure 5), où la jauge agit comme le quatrième bras.

Figure 5. Pont de Wheatstone

Comme le matériau PCB a une faible conductivité thermique, les jauges sont plus susceptibles de chauffer en raison du courant électrique qui les traverse. Alors que l’utilisation d’une configuration à trois fils et quart de pont réduit cet effet, vous devriez équilibrer la tension d’excitation avec le rapport signal/bruit (SNR). Si la valeur de déformation dérive considérablement alors que la carte est au repos, diminuez la tension jusqu'à ce que cet effet disparaisse ou que le rapport S/B devienne acceptable. En général, un niveau d'excitation de 2 V devrait fournir des performances satisfaisantes.

Une fois que vous avez acquis les données de contrainte brutes, vous pouvez commencer la dernière étape du test de jauge de contrainte PCB : analyser ces données pour calculer les contraintes résultantes (maximum et minimum) induites sur la carte pendant le test. Vous pouvez effectuer cette analyse en ligne pendant le test ou hors ligne une fois le test terminé et après avoir recueilli toutes les données.

Les détails de l'analyse varient en fonction des critères de limite de déformation que vous utilisez. De nombreux critères de limite de déformation peuvent nécessiter l’obtention de taux de déformation ou de calculs de déformation principaux à l’aide des équations du cercle de Mohr. Selon la directive IPC-9704, vous devez au minimum fournir les valeurs de pic de la déformation principale ou axiale (maximum et minimum) pour chaque étape surveillée.

Une façon courante de rapporter les données est d'utiliser un graphe déroulant déformation/vitesse de déformation, où l'axe des y représente la déformation principale maximale admissible (ustrain) et l'axe des x représente la vitesse de déformation (ustrain/seconde). La vitesse de déformation est le changement de la valeur absolue de déformation entre deux lectures consécutives. Un exemple de graphe déroulant déformation/vitesse de déformation est illustré à la figure 6 (avec la permission des directives IPC/JEDEC-9704).

Si vous n'avez pas besoin d'analyser les données en ligne, vous pouvez exporter les données sur disque et les stocker dans un format de fichier approprié pour l'analyse hors ligne.

Figure 6. Exemple de graphe déroulant déformation/vitesse de déformation

NI est un leader mondial du marché de l’acquisition de données sur PC, avec une gamme complète de produits adaptés aux applications sur bureau, PC portables, environnements industriels et solutions embarquées. Au fur et à mesure que les technologies analogiques, numériques et de bus ont évolué, NI les a constamment intégrées dans ses produits. Aujourd’hui, NI propose une variété de plates-formes d’acquisition de données et de mesure de capteurs pour différents besoins en fonction des types de mesure, du nombre de voies, des résolutions souhaitées et d’autres exigences clés.

Les plates-formes matérielles NI de la Série C et PXI sont conçues pour les mesures de tension, de courant et de capteur.  Chacune de ces plates-formes comprend des modules de mesure spécifiques aux déformations idéaux pour mesurer les jauges de contrainte. Lorsque vous combinez du matériel NI avec le logiciel NI LabVIEW, vous créez un système de test de jauge de contrainte pour PCB flexible et modulaire.

La Série C est une famille de 3,4 x 2,7 x 0,9 po. Modules d’E/S interchangeables au sein de nos plates-formes matérielles CompactDAQ et CompactRIO. Le module de mesure de déformation/pont NI 9237 à quatre voies est recommandé pour les tests de jauges de contrainte à PCB. Il offre une résolution de 24 bits et une fréquence d’échantillonnage de 50 kéch./s par voie, toutes deux bien supérieures aux spécifications recommandées.

Figure 7. Module NI 9237 de la série C avec un châssis CompactDAQ

La plate-forme PXI inclut 6,3 x 3,9 x 1 dans des modules logés dans un châssis robuste pouvant aller de 4 à 18 emplacements.  Le fond de panier du châssis comprend des bus de cadencement et de synchronisation intégrés pour un cadencement et un déclenchement de précision.  Il existe plus de 1500 types de modules sur la plate-forme PXI, y compris les modules de pont NI PXIe-4330 et NI PXIe-4331 à huit voies avec une résolution de 24 bits.  Pour la plupart des tests de jauges de contrainte à PCB, le PXIe-4330 est suffisant avec une fréquence d’échantillonnage de 25 kéch./s/voie, mais le PXIe-4331 avec 102,4 kéch./s/voie est disponible lorsque des fréquences d’échantillonnage très élevées sont requises.  La plate-forme PXI est recommandée pour les mesures de déformation les plus performantes.

Figure n°8. Châssis NI PXI Express à 8 emplacements

Le logiciel de programmation graphique LabVIEW est conçu pour le développement d'applications de test, de mesure et de contrôle évolutives. Il offre une interface transparente avec le matériel d’acquisition de données via l’Assistant NI DAQ convivial et le puissant driver NI-DAQmx. Outre les plus de 700 fonctions d'analyse intégrées, LabVIEW inclut des structures de données de base telles que des tableaux et des clusters et des blocs de construction de programmation de base tels que des boucles, des structures Condition et des diagrammes d'états, ce qui étend sa capacité à adresser pratiquement n'importe quelle application. Grâce à son approche graphique, LabVIEW dispose d ' interfaces utilisateur intuitives permettant d ' obtenir tout type de commandes et d ' indicateurs, par exemple des diagrammes de déformation ou de vitesse de déformation.

Figure 9. Programmation graphique NI LabVIEW

LabVIEW combine l'acquisition de données, l'analyse et la génération de rapports dans un seul environnement logiciel, ce qui en fait un outil extrêmement convaincant pour les tests de jauges de contrainte pour PCB. 

NI propose plusieurs options matérielles pour les mesures de déformation, notamment la Série C et le PXI.  Chacune de ces solutions est basée sur le driver NI-DAQmx et utilise la même API LabVIEW, de sorte que vous pouvez facilement passer d'une plate-forme à une autre avec un minimum ou aucune modification des logiciels existants à mesure que votre besoin en nombre de voies augmente.

Le logiciel NI DIAdem permet de gérer, d ' analyser et de rapporter des données recueillies lors d ' acquisitions de données ou générées lors de simulations. Les capacités d’analyse et de génération de rapports hors ligne de DIAdem en font un outil parfait pour un accès rapide aux grands volumes de données collectées lors des tests de jauges de contrainte à PCB, pour des rapports cohérents et pour la visualisation des données.

Avec un programme de vérification et de surveillance des déformations utilisant des systèmes basés sur la Série C et LabVIEW, NI a réussi à éviter les défaillances liées aux déformations et les retours sur le terrain. NI fabrique plus de 500 produits matériels uniques, dont la plupart sont à base de PCB. Avec l’introduction de la directive IPC/JEDEC-9704, NI a utilisé des tests de jauges de contrainte pour PCB en interne, en particulier sur les produits sans plomb avec des composants BGA de plus de 27 mm sur 27 mm.

Bien que les dernières technologies disponibles aujourd’hui telles que les réseaux de grilles à billes et les matériaux de soudure sans plomb permettent aux ingénieurs de concevoir des produits électroniques petits et respectueux de l’environnement, les ingénieurs sont confrontés à de nouveaux défis dans la conception et la fabrication de PCB et de produits à base de PCB. Les tests de jauges de contrainte pour PCB relèvent l'un de ces défis en identifiant de manière proactive les processus à forte contrainte et potentiellement dommageables dans la fabrication de produits à base de PCB. Avec des logiciels flexibles et du matériel modulaire, NI propose des systèmes évolutifs qui peuvent répondre à vos besoins en matière de test de jauges de contrainte pour PCB.

Références

[1] CIB-9704 Directive
        http://portal.ipc.org/Association/Index.htm
[2] Transformation de contrainte et théorie de la jauge de rosette
        http://www.ae.gatech.edu/people/jcraig/classes/ae3145/Lab2/strain-gage-rosette-theory.pdf

Ressources associées

• En savoir plus sur les solutions NI pour les tests structurels