Les systèmes électroniques évoluent rapidement, et les circuits imprimés sont de plus en plus utilisés dans des environnements exigeants, allant des dispositifs grand public aux machines industrielles, en passant par les systèmes automobiles et les applications aérospatiales. Il est devenu crucial d’assurer la durabilité à long terme des circuits imprimés, car les défaillances peuvent entraîner des réparations coûteuses, des rappels de produits ou même des risques pour la sécurité.
La fiabilité dans la conception des circuits imprimés fait référence à la capacité du circuit à remplir sa fonction de manière constante tout au long de sa durée de vie prévue, même sous des conditions environnementales et opérationnelles variées. La fiabilité fait partie intégrante de la conception des circuits imprimés. Elle nécessite d’anticiper les modes de défaillance potentiels et de les atténuer de manière proactive.
La durabilité à long terme dépend de facteurs tels que la sélection des matériaux, la gestion thermique, la stabilité mécanique et le respect des principes de la conception en vue de la fabrication. En tenant compte de ces paramètres dès le début de la phase de conception, il est possible de créer des circuits imprimés robustes qui offrent des performances constantes.
Les défaillances des circuits imprimés proviennent souvent d’oublis dans la conception, tels que des choix de matériaux inappropriés, un routage de pistes sous-optimal ou une considération insuffisante des contraintes environnementales comme la température, l’humidité et les vibrations. Avec le temps, ces problèmes peuvent entraîner un délaminage, une fatigue des joints de soudure ou même une défaillance totale.
Examinons en détail comment ces facteurs contribuent à garantir la fiabilité et à prolonger la durée de vie des circuits imprimés actuels.
Le choix des matériaux joue un rôle fondamental dans la détermination de la longévité et de la résilience d’un circuit imprimé. Différentes applications nécessitent différents substrats en fonction de leurs propriétés mécaniques, thermiques et électriques.
Le substrat, généralement en FR-4, est un choix courant en raison de son équilibre entre coût et performance. Cependant, dans les applications à haute température ou haute fréquence, d’autres matériaux comme le polyimide ou les laminés céramiques peuvent être nécessaires. Ces matériaux offrent une stabilité thermique supérieure et une perte de signal plus faible, les rendant idéaux pour les applications aérospatiales, automobiles ou médicales où aucune défaillance n’est envisageable. De plus, dans des environnements hostiles, tels que les applications aérospatiales ou automobiles, les matériaux doivent présenter des températures de transition vitreuse (Tg) plus élevées, ainsi qu’une meilleure résistance à l’humidité et aux produits chimiques.
L’épaisseur du cuivre et la qualité de la métallisation jouent également un rôle crucial (Image 1). Des pistes de cuivre plus épaisses améliorent la capacité de transport de courant et réduisent l’échauffement par résistance, tandis qu’une métallisation de haute qualité prévient l’oxydation et assure la solidité des joints de soudure. Il faut calculer avec soin la capacité de transport de courant des pistes à l’aide d’outils comme la norme IPC-2221, en s’assurant que la conception respecte ces directives.
Image 1 : Calcul nécessaire de la largeur des pistes en fonction des contraintes de courant
Dans les environnements à températures fluctuantes, il est nécessaire d’employer des matériaux à faible coefficient de dilatation thermique (CTE). Un CTE non adapté entre le circuit imprimé et ses composants peut entraîner des contraintes, provoquant des défaillances des joints de soudure et une déformation de la carte. De plus, le système de résine utilisé dans le laminé a un impact significatif sur l’absorption d’humidité et la résistance chimique. Le polyimide, par exemple, offre une stabilité thermique et une résistance chimique supérieures par rapport aux résines époxy standard, le rendant adapté aux environnements hostiles. En outre, la qualité et l’épaisseur de la feuille de cuivre sont primordiales. Un cuivre de haute pureté garantit une conductivité optimale, tandis qu’une épaisseur adéquate prévient la production excessive de chaleur et les chutes de tension.
La sélection du masque de soudure et de la finition de surface appropriés, comme le nickel-or chimique (ENIG) ou le nivelage de brasure à l'air chaud (HASL), peut améliorer la résistance à la corrosion et l’aptitude au soudage, prolongeant ainsi la durée de vie du circuit imprimé.
Une topologie de circuit imprimé bien conçue a un impact significatif sur sa fiabilité à long terme. Un placement correct des composants, un routage des pistes et le respect des principes de conception en vue de la fabrication (DFM) réduisent la probabilité de défauts et de défaillances.
Le placement des composants doit être prévu de manière à minimiser les points chauds thermiques et les points de contrainte mécanique. Les composants à haute puissance tels que les régulateurs de tension, les processeurs et les transistors de puissance doivent être placés dans des zones où la dissipation de chaleur est efficace, comme à proximité de dissipateurs thermiques ou dans des zones ouvertes avec un bon flux d’air (Image 2). De plus, les circuits analogiques et numériques sensibles doivent être séparés pour éviter les interférences de bruit, garantissant ainsi des performances constantes.
Image 2 : Réduction du risque de défauts et de surchauffe grâce au placement et à la séparation des composants
Le routage des pistes est tout aussi important pour maintenir l’intégrité du signal et prévenir la dégradation à long terme. Les pistes de signal haute vitesse doivent suivre des techniques de routage à impédance contrôlée, tandis que les plans d’alimentation et de masse doivent être correctement conçus pour réduire les fluctuations de tension. Éviter les angles de piste vifs, assurer une largeur de piste adéquate et utiliser plusieurs via pour les connexions d’alimentation et de masse peuvent considérablement améliorer la durabilité d’un circuit imprimé.
La chaleur excessive est l’une des principales causes de défaillance des circuits imprimés. Les composants qui surchauffent peuvent se dégrader avec le temps, entraînant des défauts intermittents ou des pannes complètes. Il est donc essentiel de prévenir ce phénomène qui peut dégrader les joints de soudure, affaiblir les matériaux de la carte et entraîner une défaillance prématurée.
Une gestion thermique efficace commence par un placement correct des composants, en s’assurant que les parties générant de la chaleur sont espacées de manière adéquate et positionnées à proximité de caractéristiques de dissipation thermique comme les via ou les dissipateurs thermiques.
L’une des méthodes les plus efficaces pour gérer la chaleur dans une conception de circuit imprimé est l’utilisation de via thermiques et de cuivre de remplissage. Les via thermiques agissent comme des conduits de chaleur, transférant l’excès de chaleur des composants vers les couches internes ou les dissipateurs thermiques. Le cuivre de remplissage et les grands plans de masse aident également à répartir la chaleur de manière plus uniforme, réduisant les pics de température localisés qui pourraient provoquer une déformation ou une fatigue des matériaux. De plus, l’incorporation de points de contact thermique et l’utilisation de matériaux à haute conductivité thermique peuvent aider à dissiper la chaleur de manière plus efficace.
La distribution de l’alimentation est un autre facteur clé à prendre en compte. Une conception correcte des plans d’alimentation et des condensateurs de découplage minimise les fluctuations de tension et le bruit, améliorant ainsi la fiabilité des composants. L’intégrité du signal, en particulier dans les conceptions haute vitesse, nécessite une attention particulière. Les pistes à impédance ajustée, les plans de masse et la réduction des longueurs de piste sont essentiels pour prévenir les réflexions de signal et la diaphonie. De plus, la prise en compte des contraintes mécaniques lors de la phase de disposition, comme le fait de placer les composants loin des zones sujettes à la flexion, peut prévenir les défaillances mécaniques.
Un autre facteur clé consiste à s’assurer que la conception peut résister au cyclage thermique, une source courante de contrainte mécanique dans les circuits imprimés. Le cyclage thermique se produit lorsque la carte est exposée à des cycles répétés de chauffage et de refroidissement, provoquant une dilatation et une contraction des matériaux. Il peut entraîner des microfissures et une défaillance éventuelle en l’absence de traitement. Pour contrer ce phénomène, il faut utiliser des matériaux avec des coefficients de dilatation thermique (CTE) adaptés et concevoir la carte de manière à minimiser les contraintes thermiques.
Les outils de simulation, tels que l’analyse par éléments finis (FEA), permettent de modéliser le comportement thermique avant la fabrication, repérant les points chauds potentiels et optimisant la topologie en conséquence.
Les circuits imprimés sont souvent soumis à des contraintes mécaniques lors de l’assemblage, du fonctionnement et du transport. Les vibrations, les chocs et la flexion peuvent provoquer des fractures des joints de soudure, un délaminage des pistes ou un détachement des composants. Pour atténuer ces risques, il faut renforcer les zones à forte contrainte en utilisant des substrats plus épais, en ajoutant des renforts ou en employant des circuits imprimés flexibles dans les applications dynamiques.
Le placement des composants doit éviter les bords de la carte où la flexion est la plus probable. Les caractéristiques de décharge de contrainte, telles que les coins arrondis et les pistes à congés, peuvent réduire les concentrations de contrainte. Les revêtements conformes fournissent une couche de protection supplémentaire contre l’humidité, la poussière et l’abrasion mécanique, améliorant ainsi la durabilité. Pour les applications critiques, des fixations mécaniques ou des composés d’enrobage peuvent maintenir solidement les composants en place, empêchant les défaillances provoquées par les déplacements.
Les joints de soudure sont particulièrement vulnérables aux contraintes mécaniques au fil du temps. L’utilisation de matériaux de sous-remplissage sous les composants à matrice de billes (BGA) et la mise en œuvre de joints de soudure à congés peuvent considérablement augmenter la résilience mécanique. De plus, des techniques de montage absorbant les chocs, telles que l’utilisation de joints élastomères ou de montages de circuits imprimés flottants, réduisent le risque de dommages lié aux chocs.
L’intégrité du signal et les interférences électromagnétiques sont des facteurs cruciaux pour garantir le bon fonctionnement et la fiabilité des circuits imprimés, en particulier dans les conceptions haute vitesse ou haute fréquence. La dégradation du signal, la diaphonie et les interférences électromagnétiques peuvent entraîner un comportement erratique ou une défaillance, en particulier dans les applications sensibles comme les télécommunications et les dispositifs médicaux.
Pour préserver l’intégrité du signal, il faut porter une attention particulière au routage des pistes, à l’ajustement des impédances et à la mise à la terre. Les pistes haute vitesse doivent être acheminées avec une longueur et une courbure minimales afin de réduire les réflexions et les pertes de signal. Les paires différentielles doivent être acheminées avec un espacement et des longueurs constants pour maintenir la symétrie du signal. De plus, il est possible d’ajuster les impédances en concevant des empilements appropriés avec des épaisseurs de diélectrique et de cuivre bien définies.
Les interférences électromagnétiques peuvent être atténuées par des techniques appropriées de blindage, de filtrage et de mise à la terre. Le blindage consiste à enfermer les composants ou les pistes sensibles dans des matériaux conducteurs pour bloquer le rayonnement électromagnétique. Le filtrage peut être mis en œuvre à l’aide de condensateurs de découplage ou de perles de ferrite pour supprimer le bruit sur les lignes d’alimentation et de signal. Les plans de masse doivent être continus et exempts d’interruptions afin de garantir des chemins de retour efficaces pour les signaux et de minimiser le rayonnement électromagnétique.
Une conception de circuit imprimé fiable doit également tenir compte de la fabrication (Image 3). Les tolérances serrées, le routage trop complexe ou les dégagements insuffisants peuvent entraîner des défauts de production qui compromettent les performances à long terme. Pour garantir la cohérence entre les processus de fabrication/assemblage et les objectifs de fiabilité, il faut travailler avec les fabricants dès le début de la phase de conception.
Image 3 : La DFM atténue les défauts susceptibles d’entraver la fabrication
Les tests sont tout aussi cruciaux. Les inspections optiques automatisées (AOI) et les inspections aux rayons X permettent de détecter les défauts de soudure, tandis que le criblage des contraintes environnementales (ESS) soumet les circuits imprimés à des tests de cyclage thermique, de vibration et d’humidité pour simuler les conditions du monde réel. Les tests de vieillissement, où les cartes fonctionnent sous des contraintes élevées pendant des périodes prolongées, permettent d’identifier les défaillances précoces avant le déploiement.
Les tests électriques, tels que les tests sur circuit (ICT) et les tests fonctionnels, permettent de vérifier que le circuit imprimé fonctionne correctement et respectent les spécifications en matière de performances. Les tests environnementaux, notamment ceux liés à l’humidité, à la température et aux chocs, évaluent la capacité de la carte à résister aux contraintes externes. En soumettant le circuit imprimé à ces tests rigoureux, on peut déceler les points de faiblesse et les traiter avant la production de masse, réduisant ainsi le risque de défaillances sur le terrain.
17.04.2025