Tests de fiabilité des circuits imprimés à haute et basse température : vérification de la durée de vie des cartes sous contrainte thermique

Les circuits imprimés (PCB) sont composés de substrats en époxy/polyimide, de feuilles de cuivre, de soudures, de composants céramiques et d'autres matériaux hétérogènes. Le coefficient de dilatation thermique (CDT) de ces matériaux varie considérablement : environ 17 ppm/°C pour le cuivre, 13 à 50 ppm/°C pour le substrat en résine époxy, environ 25 ppm/°C pour la soudure et seulement 6 à 8 ppm/°C pour les composants céramiques. Lorsque la température ambiante varie, les matériaux se dilatent ou se contractent à des vitesses différentes, générant des contraintes de cisaillement et de traction aux interfaces. Les variations de température de courte durée induisent peu de contraintes et ne provoquent pas de défaillance apparente. En revanche, des cycles thermiques répétés et prolongés entraînent une accumulation de contraintes, pouvant à terme endommager le PCB par fatigue. C'est le principe fondamental des tests à haute et basse température. vieillissement accéléré par fatigue thermique.

 

Les tests de haute et basse température des circuits imprimés sont principalement divisés en deux catégories : tests de cyclage thermique et essais de choc thermique et de choc froidIl existe des différences notables en termes de résistance aux contraintes et de domaines d'application entre les deux. Le test de cyclage thermique est la méthode de vérification des températures les plus couramment utilisée. L'équipement de test consiste en une enceinte climatique à températures alternées, contrôlée par programme, qui fait passer lentement d'une plage de températures élevées à une plage de températures basses. La vitesse de montée et de descente en température est généralement de 1 à 5 °C/min, et le temps de maintien dans chaque zone de température est de 15 à 30 minutes. Ce test simule les variations de température modérées dues au démarrage et à l'arrêt de l'équipement, ainsi qu'aux changements de saison. La plage de températures généralement utilisée dans l'industrie est de -40 °C à 125 °C, avec 500 à 1 000 cycles. Pour l'électronique grand public, la plage peut être simplifiée à -20 °C à 85 °C, tandis que l'électronique automobile doit respecter des exigences strictes de -55 °C à 150 °C.

 

Les tests de choc thermique et de froid constituent une vérification des contraintes thermiques extrêmes. Ils permettent de soumettre rapidement le circuit imprimé à une transition entre une température élevée (125 °C) et une température basse (-55 °C) grâce à une chambre d'essai d'impact à deux ou trois compartiments. Le temps de transition est inférieur à une minute, ce qui applique instantanément une contrainte thermomécanique importante et accélère la détection des défauts potentiels du circuit imprimé. Ce test est principalement utilisé dans des conditions de travail extrêmes, notamment pour les circuits imprimés des secteurs militaire, aérospatial et des compartiments moteurs automobiles. Il permet d'éliminer rapidement les produits présentant une stabilité thermique insuffisante. Bien que le cycle de test soit beaucoup plus court qu'un cycle de température, les dommages causés au circuit imprimé sont également plus importants.

 

Le système de normes industrielles pour les essais à haute et basse température est parfaitement établi, incluant les normes IPC-TM-650 2.6.7 (méthode d'essai de cyclage thermique des circuits imprimés), JEDEC JESD22-A104 (norme de cyclage thermique des semi-conducteurs et des joints de soudure de circuits imprimés) et IEC 60068-2-14 (essai de variation de température). Les normes nationales comprennent GB/T 2423.22 (essai d'alternance de températures haute et basse) et GJB 150.3A (essai de températures haute et basse pour les équipements militaires). La norme spécifique à l'électronique automobile est AEC-Q104, qui spécifie clairement les paramètres d'essai à haute et basse température ainsi que les critères de défaillance des circuits imprimés automobiles ; elle constitue le seuil d'entrée pour les circuits imprimés des véhicules à énergies nouvelles.

 

Le processus de test suit rigoureusement les étapes normalisées : tout d’abord, l’échantillon est pré-testé. Les valeurs initiales de résistance à l’état passant, de résistance d’isolement et d’impédance du circuit imprimé sont enregistrées à l’aide d’un multimètre et d’un testeur LCR. Une inspection visuelle et un contrôle par rayons X permettent de confirmer l’absence de fissures initiales dans les joints de soudure ou de défauts du substrat. Le circuit imprimé est ensuite fixé dans l’outillage de la chambre de test afin d’éviter tout déplacement pendant le test. La plage de température, la vitesse de montée et de descente en température, ainsi que le nombre de cycles sont paramétrés conformément à la norme. Pendant le test, les variations des performances électriques sont enregistrées en temps réel grâce à un système de surveillance en ligne. Un test complet est réalisé à la fin du test, comprenant une inspection visuelle (cloques sur le vernis épargne, délamination du substrat, fissures des composants), un contrôle par rayons X (joints de soudure BGA, fissures internes dans les trous traversants) et un test des performances électriques (taux de variation de résistance ≤ 5 %, résistance d’isolement ≥ 100 MΩ).

 

Les modes de défaillance typiques des circuits imprimés dans des environnements à haute et basse température se concentrent principalement en trois parties : joints de soudure, trous traversants et substratsSous l'effet des contraintes thermiques cycliques, l'interface entre la pastille et la soudure est sujette à des microfissures. Avec l'augmentation du nombre de cycles, ces fissures s'étendent, finissant par rompre les joints de soudure, notamment ceux des composants encapsulés tels que les BGA et QFN, plus vulnérables aux défaillances dues à la concentration des contraintes. La défaillance des trous traversants des circuits imprimés multicouches est liée aux différentes pistes des couches internes. La contrainte axiale générée par la dilatation et la contraction thermiques étire le trou de cuivre, provoquant la fissuration de la couche de cuivre et la rupture des pistes. Les défaillances du substrat incluent le délaminage de la résine, la rupture des fibres de verre et le décollement du vernis épargne, principalement dus à un choix inapproprié de substrat ou à des défauts du processus de pressage.

 

Pour résoudre les problèmes de défaillance liés aux hautes et basses températures, il est possible d'optimiser la fiabilité en agissant sur trois aspects : la conception, les matériaux et le procédé. Concernant le choix des matériaux, les circuits imprimés haute fiabilité utilisent des substrats haute fréquence et haute vitesse à faible coefficient de dilatation thermique (CTE), tels que les matériaux haute fréquence Rogers et Shengyi, afin de réduire les écarts de dilatation thermique. Les joints de soudure sont réalisés avec un alliage à haute ténacité, et la conception des pastilles est optimisée pour augmenter la zone de contrainte du joint. Concernant la conception structurelle, il convient d'éviter de placer des composants de grande taille dans les zones de concentration de contraintes du circuit imprimé, d'ajouter des raidisseurs ou des trous de fixation, et de réduire l'amplitude de la déformation thermique. Les trous traversants sont conçus avec du cuivre épaissi et les trous borgnes sont enterrés pour améliorer la résistance à la traction. Concernant le procédé, la température et la pression de pressage sont rigoureusement contrôlées afin de garantir l'adhérence entre les couches du substrat, d'optimiser la courbe de température du brasage par refusion et de réduire les contraintes résiduelles au sein du joint de soudure.

 

Avec le développement de l'intégration de circuits imprimés haute densité, les défis liés à la fiabilité à haute et basse température des circuits 3D-MID, des cartes rigides-flexibles et des circuits imprimés ultra-minces s'intensifient. Le coefficient de dilatation thermique (CTE) des régions rigides et flexibles des plaques collées est très différent, et la rupture des liaisons est susceptible de se produire sous l'effet des cycles thermiques. La rigidité du substrat des circuits imprimés ultra-minces est insuffisante ; ils se déforment facilement à haute température, ce qui affecte la stabilité des soudures des composants. Pour ces nouveaux circuits imprimés, les paramètres de test à haute et basse température doivent être adaptés, en utilisant une vitesse de montée et de descente en température plus douce, en augmentant le nombre de cycles et en garantissant leur stabilité dans des environnements à températures extrêmes.

 

Les essais à haute et basse température ne servent pas seulement à vérifier la qualité des produits, mais constituent également un fondement important pour l'optimisation de la R&D. L'analyse des défaillances permet de localiser précisément les défauts de matériaux et de procédés et d'orienter les améliorations de la conception des circuits imprimés.