PROJET DE FIN D’ETUDES - RESUME Etudes Electroniques, Caractérisation et Amélioration de la Robustesse de Cartes Electroniques Natassha Nadia MAZNAN Spécialité Génie Electrique Option Energie Septembre 2016 Tuteur en entreprise Tuteur Ecole Pierre-Alain LUGBULL Jean-Michel HUBE Organisme d’accueil HAGER CONTROLS SAS Contexte de l’étude INSA de Strasbourg RESUME Dans le cadre de mon projet de fin d’études, j’ai effectué des analyses de robustesse pour améliorer la fiabilité et la robustesse de produits. Les analyses de robustesse ont été effectuées suite à la défaillance de produits, rencontrée soit sur le terrain soit lors de test de fiabilité. L’objectif de l’analyse est d’identifier la cause racine de la défaillance. Il faut reproduire la même défaillance que celle qui a été constatée sur le terrain. Après avoir identifié et validé la cause racine de la défaillance, il faut identifier les solutions à mettre en place pour améliorer la robustesse de produit contre la cause racine identifiée. Les solutions simples qui ne nécessitent pas de modifications de routage ou de qualification de produit étaient préférables. J’ai réalisé deux analyses de robustesse qui étaient les suivantes : Analyse de robustesse des entrées d’un produit Analyse de robustesse des PCB Les études théoriques et les simulations ont été faites sur le logiciel Pspice. Ensuite des tests sur des produits réels ont été réalisés dans le but de valider les études théoriques et de reproduire la défaillance observée sur le terrain. Les prototypes ont été créés et testés pour valider les solutions. Natassha Nadia MAZNAN – GE5 2015/2016 ANALYSE DE ROBUSTESSE DES ENTREES DE PRODUIT I. INTRODUCTION Des problèmes de détection de l’appui des boutons poussoirs ou des interrupteurs ont été observés sur le terrain. Lorsqu’il y a un appui, le produit doit envoyer les données sur le bus de communication KNX. Suite à l’analyse de défaillance qui a été faite, nous avons trouvé que la défaillance était due à un défaut sur une résistance de filtrage. résistance défectueuse. La fissure qui s’est produite dans la zone du point chaud empêchait le passage du courant dans la résistance. Cela explique donc l’augmentation de la valeur de la résistance. D’après l’analyse de défaillance effectuée, nous avons identifié que la fissure était due à une impulsion de puissance importante. Connaissant le mode de défaillance de la résistance, il a fallu, dans la suite d’analyse, identifier les conditions ou les facteurs qui ont fait augmenter l’appel de courant et de tension dans la résistance R25. Une étude électronique du circuit a donc été réalisée. L’étude sur le procès de fabrication de la résistance a aussi été réalisée afin d’étudier tous les évènements possibles qui ont fragilisé la résistance. Figure 1: Le circuit des entrées du produit Sur des produits retournés par le terrain, une augmentation de la valeur de la résistance de filtrage, R25 a été observée. A cause de cette augmentation de valeur, le niveau de tension transmit aux ports d’entrée de microcontrôleur devenait trop faible pour être détecté par le microcontrôleur. Par conséquence, le microcontrôleur n’arrivait pas à détecter l’appui de bouton poussoir. Le but de cette analyse de robustesse est d’identifier la cause racine ou la root cause de la défaillance de cette résistance. Après avoir identifié la cause racine, des solutions pour éliminer la défaillance doivent être identifiées. Pour confirmer et valider la cause racine, il faut reproduire la même défaillance que celle apparue sur le terrain. II. ANALYSE DE LA CAUSE RACINE Suite à une analyse par rayon X et une visualisation par MEB (Microscope Electronique à Balayage), nous avons observé la présence d’une fissure sur la couche résistive de la Figure 2: Fissure sur la couche résistive Les simulations sur le logiciel PSPICE ont été effectuées pour réaliser l’étude électronique du circuit. Grâce aux simulations, les conditions de fonctionnement les plus critiques ont été identifiées. Les conditions critiques sont des conditions dans lesquelles la résistance R25 est stressée par une tension ou un courant élevé. Un branchement des entrées à une source de tension extérieure a été identifié comme la cause racine de la défaillance. La tension extérieure probable est la tension de bus KNX 30V qui est sa tension d’alimentation. Les entrées de produit sont conçues pour être reliée à un contact sec comme un bouton poussoir ou un interrupteur. Lorsqu’il y a un contact entre les entrées et une source extérieure même pendant une durée très courte, la défaillance de la résistance se produit. La résistance R25 est une résistance CMS 0603 de 33Ω. La puissance de Proprietary data, Company confidential. All rights reserved Hager Electro SA Page 1 / 3 Natassha Nadia MAZNAN – GE5 2015/2016 cette résistance est de 100mW. Lors du branchement à une tension 30V, la résistance R25 subi une puissance de 14,3W qui est bien supérieure à la limite de puissance donnée par son fabricant. Lors de l’essai en labo, nous avons réussi à reproduire le même ordre d’augmentation de valeur et la même fissure sur la couche résistive en faisant un contact entre une entrée et le bus KNX. III. SOLUTIONS DE ROBUSTESSE Trois solutions envisageables ont été identifiées pour améliorer la robustesse de produit contre le mauvais contact. 1. CTP – Remplacer la résistance par une CTP de 33Ω pour limiter le courant. 2. CTP et Diode Zener – Remplacer la résistance par une CTP de 33Ω et placer une diode Zener en amont de la CTP pour limiter la tension. 3. Manchons d’isolation – Mettre des manchons d’isolation sur les câbles d’entrées ANALYSE DE ROBUSTESSE DES PCBS I. INTRODUCTION Cette analyse de robustesse a été faite suite à un problème de défaillance de produit qui a été rencontré sur certains lots de production. La défaillance a été observée après le test de fiabilité T&H (Température & Humidité) réalisée par Hager. II. ANALYSE DE LA CAUSE RACINE La défaillance des produits est due aux défauts des PCB. Sur les PCB, des défauts et des anomalies ont été observées. Les défaillances de PCB peuvent provoquer des courts-circuits ou des problèmes de circuit ouvert. Le pire cas est lorsqu’il provoque un court-circuit car il y a des risques de défaillance des composants et du produit. Les défauts observés sont listés dans la figure 4. Les défauts observés avant le test T&H et les défauts qui ont apparus après le test sont comparés et étudié. Des contaminants dans le vernis posent le Contaminants dans le vernis et dans le via Traces d’humidité Electro-migration CAF Problème d’adhésion de vernis d’épargne Figure 3: Défauts observés sur les PCB problème d’adhésion de vernis d’épargne sur la surface de cuivre. L’humidité peut entrer dans l’espace vide entre le cuivre et le vernis d’épargne et ensuite peut causer des problèmes de corrosion. Lorsque la surface de PCB n’est pas bien protégée, l’humidité peut aussi entrer dans la PCB et causer des délaminations qui sont des séparations des matériaux de PCB. Figure 4: Problématique robustesse des PCB Proprietary data, Company confidential. All rights reserved Hager Electro SA Page 2 / 3 Natassha Nadia MAZNAN – GE5 2015/2016 Figure 7: Via plugging Figure 5: Contaminants dans un via III. SOLUTIONS DE ROBUSTESSE Protection des vias La méthode de protection des vias utilisée sur les PCB défectueux est la méthode « Via Tenting ». C’est-à-dire que le via est recouvert simplement par une couche de vernis d’épargne. Cette méthode n’est pas fiable car il y a une grande risque d’avoir une rupture suite au dégazage et aux contaminants accumulés dans le via. L’humidité peut aussi facilement entrer dans les PCB. Le matériau de base utilisé pour ces PCB est le matériau FR4 Nanya NY1140. C’est un des matériaux d’entrée de gamme pour le FR4. Ce matériau n’est pas un matériau anti-CAF. Le CAF est un phénomène d’électro-migration à l’intérieure du PCB qui est une de source de danger potentielle pour les appareils électroniques. Les matériaux anti-CAF ont un taux d’absorption et un coefficient de dilatation (CTE) plus faible. Pour améliorer la robustesse de PCB et éviter le problème de CAF, le matériau de base anti-CAF doit être utilisé. La spécification « CAF Resistant, Low CTE » doit être spécifié dans le dossier de fabrication de PCB et doit être respectée par le fabricant. Figure 6: Via tenting Pour mieux protéger le via, la méthode « Via Plugging » doit être appliquée. Le via sera bouché par des pâtes de vernis et sera couvert par une autre couche de vernis d’épargne. Matériau de base Processus de nettoyage et de vernis d’épargne La qualité de nettoyage avant l’application du vernis d’épargne doit être améliorée par le fabricant. Le processus de nettoyage et de vernis d’épargne effectués par le fabricant ont été demandés et étudiés. Suite au retour du fabricant et des échanges avec d’autres sites Hager, Hager Controls souhaite changer l’usine de fabrication. Le fabricant de ce PCB possède plusieurs sites de fabrication et nous souhaitons ne plus fabriquer nos PCB à l’usine où les PCB analysés sont actuellement fabriqués suite au problème de qualité rencontré. Proprietary data, Company confidential. All rights reserved Hager Electro SA Page 3 / 3