Détection des défauts latents sur les appareils électroniques

INTRODUCTION

Chaque entreprise manufacturière vise à livrer à ses clients des produits qui correspondent à des exigences de qualité sans cesse croissantes. Pour ce faire, les produits livrés doivent, bien entendu, respecter les spécifications techniques prévues, mais aussi être fiables pendant l'ensemble de leur période d'utilisation. Si le produit livré inclut des défauts reliés au processus de fabrication, ceux-ci peuvent le faire défaillir très rapidement lors de la livraison chez le client. Les défaillances de ce type sont appelées « défaillances de mortalité infantile ». Elles sont une cause majeure de désagrément pour le client face aux produits ou défauts latents. De plus, elles coûtent une somme considérable en termes de service après-vente aux fabricants, sans compter la détérioration du lien de confiance avec le client.

Le procédé « Environmental Stress Screening » (ESS) est utilisé principalement dans le domaine de l'électronique pour réduire les mortalités infantiles des produits avant la livraison chez le client. L'ESS est aussi appelé déverminage par la communauté scientifique française. Actuellement, l'implantation de l'ESS nécessite l'utilisation d'équipements de laboratoire relativement coûteux comme des tables de vibrations. Un projet de recherche et de développement réalisé au CRIQ a mené à la conception d'un équipement d'excitation vibratoire des plaques de circuits électroniques à moindre coût à l'aide de l'excitation acoustique.

ÉQUIPEMENTS DE VIBRATIONS

Passons rapidement en revue les caractéristiques des équipements potentiellement utilisables pour l'application du procédé ESS.

VIBRATEUR ÉLECTRODYNAMIQUE

C'est le vibrateur le plus versatile, car il permet facilement la génération et le contrôle du niveau de vibrations sur les produits. De plus, des modèles de vibrateurs multiaxiaux sont de plus en plus disponibles commercialement. Le coût élevé de ce type d'équipement constitue son principal désavantage. Plusieurs entreprises se priveront d'un équipement de vibrations de ce type en raison du manque de ressources financières et aussi humaines permettant de le faire fonctionner.

Figure 1 : Vibrateur électrodynamique

VIBRATEUR PNEUMATIQUE

Ce type d'équipement génère des vibrations dans le produit, qui doit obligatoirement être fixé sur une table de vibrations spécifique à l'équipement, et ce, à l'aide de marteaux pneumatiques qui frappent la surface de la table de vibrations avec une force et une fréquence précises. L'orientation et le positionnement des marteaux permettent d'obtenir une vibration multiaxiale. L'utilisation de cet équipement est en croissance, particulièrement à cause de son coût plus faible que les équipements électrodynamiques. Par contre, l'utilisation de ce type d'équipement est de plus en plus contestée dans le milieu de l'ESS, car la génération de vibrations non contrôlées est potentiellement nuisible ou fatale à certaines composantes ou produits.

Figure 2 : Vibrateur pneumatique et chambre thermique

VIBRATEUR ACOUSTIQUE

Ce type de vibrateur a été développé à l'intérieur d'un projet de recherche et développement et est actuellement utilisé en milieu industriel. Les coûts associés à la fabrication et à l'utilisation d'un vibrateur de ce type sont inférieurs à ceux des vibrateurs électrodynamiques ou pneumatiques. Le contrôle du niveau de vibrations à chaque fréquence d'intérêt est une des caractéristiques importantes du vibrateur acoustique. Le contrôle du niveau de vibrations à l'intérieur de la plage normale de fréquence de 20 à 2 000 Hz est essentiel. Ce type d'équipement permet une génération contrôlée de l'excitation vibratoire à des fréquences supérieures, ce qui constitue un avantage par rapport aux équipements conventionnels. La figure 3 illustre le vibrateur acoustique ESSAD et le système de contrôle vibratoire et thermique qui lui est associé. Le vibrateur acoustique est construit à l'intérieur d'une chambre d'isolation acoustique adaptée à la combinaison des stimulations vibratoires et thermiques. Cet équipement est constitué des six principaux systèmes :

1. Contrôle et mesures des vibrations.
2. Amplification et filtrage.
3. Émission sonore (basses fréquences et hautes fréquences).
4. Support et fixation.
5. Enceinte d'isolation acoustique.
6. Contrôle et mesures de température.

Figure 3 : Vibrateur acoustique ESSAD

Le tableau 1 présente une synthèse des informations discutées précédemment ainsi que les résultats d'une étude des caractéristiques et des coûts des principaux équipements conventionnels. Ces informations sont basées sur l'utilisation du procédé ESS sur des équipements dont la taille se rapproche d'un ordinateur de bureau. Les coûts d'installation ne sont pas inclus dans l'estimation.

Tableau 1: Comparaison des équipements de vibrations

IMPLANTATION INDUSTRIELLE DU VIBRATEUR ACOUSTIQUE ESSAD

Une version industrielle de l'équipement vibratoire ESSAD est actuellement utilisée depuis mai 2002 dans une entreprise électronique de pointe dans le domaine de la production et la conception de systèmes de contrôle de qualité de structures métalliques utilisant la technologie des courants de Foucault ou des ultrasons. Depuis l'implantation du vibrateur acoustique ESSAD, l'entreprise a sans cesse réduit ses coûts associés aux retours de garanties.

L'entreprise utilise le vibrateur acoustique ESSAD dans le but d'augmenter la robustesse mécanique des produits à la phase design (HALT) et aussi pour détecter les défaillances latentes pour l'ensemble des circuits provenant de la ligne de production (ESS). Au chapitre de la détection des défaillances latentes, l'entreprise a détecté plusieurs types de défauts latents à l'aide d'une méthodologie fondée sur la personnalisation des spectres ESS et l'excitation acoustique comme développée par les auteurs. Ces défauts incluent des défaillances mécaniques telles des connecteurs mal fixés ou des défauts électriques comme des mauvaises soudures de Circuits intégrés (CI) ou de BGA (Ball Grid Array) (voir figure 4). Ces trois types de défaillances sont des exemples typiques de l'importance de l'implantation d'un procédé ESS pour la détection de produits qui possèdent un fonctionnement normal à la sortie de la ligne de production, mais qui ne fonctionnent plus à la suite de la stimulation vibratoire du procédé ESS. Notons que chacune des stimulations thermiques et vibratoires que l'entreprise fait subir aux produits lors du procédé ESS a été validée comme étant sécuritaire à l'aide d'une procédure de vérification et ne réduit pas la vie utile des produits livrés aux clients de plus de 5 %.

L'implantation d'un procédé ESS à l'aide du vibrateur acoustique ESSAD a permis à l'entreprise d'augmenter la qualité des produits livrés aux clients tout en diminuant les coûts globaux de production.

Figure 4 : Mauvaises soudures de BGA (Ball Grid Array)