Etudes Electroniques, Caractérisation et Amélioration de la

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
Pierre-Alain LUGBULL
Organisme d’accueil
HAGER CONTROLS SAS
Tuteur Ecole
Jean-Michel HUBE
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.

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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.
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
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.
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
Figure 1: Le circuit des entrées du produit
Figure 2: Fissure sur la couche résistive

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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
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.
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
Figure 4: Problématique robustesse des PCB

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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.
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.
Figure 7: Via plugging
 Matériau de base
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.
 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.