Tests PCB : Guide complet pour l'assurance qualité des prototypes et de l'assemblage

Les applications des circuits imprimés (PCB) sont devenues de plus en plus populaires et diversifiées. Aujourd'hui, les PCB fabriqués par les ingénieurs alimentent des circuits qui équipent aussi bien du matériel militaire que des dispositifs médicaux vitaux dans les hôpitaux. Les tests de PCB deviennent donc essentiels pour garantir que les cartes fonctionnent sans faille et conformément à leurs spécifications de conception. De plus, puisque des vies humaines sont en jeu, les erreurs de fabrication de PCB ne sont pas seulement déconseillées, elles sont interdites.

Même en tant qu'ingénieur expérimenté, vous pouvez commettre des erreurs et créer des soudures froides ou d'autres défauts de production de PCB. Actuellement, très peu de fabricants sous-traitants testent leurs cartes de manière approfondie. En tant que WellPCB, nous sommes fiers d'être parmi les meilleurs dans le domaine des tests de PCB.

Comment identifier vos erreurs ? Et comment réduire le coût élevé des tests PCB tout en livrant des produits électroniques de qualité ? Pour répondre à ces préoccupations, consultez notre guide complet sur les tests PCB pour la production unitaire et l'assemblage PCB.

Les défauts de PCB en résumé

1.1 Des erreurs à des milliards de dollars qui auraient pu être évitées

En 2014, General Motors a dépensé près de 4,1 milliards de dollars pour réparer et indemniser un défaut dans le circuit du commutateur d'allumage d'un de ses modèles de voiture, que leurs ingénieurs avaient (apparemment) négligé. Repensez-y : quelle est la taille d'une clé de contact par rapport à une voiture fonctionnelle ?

Un système automobile entièrement fonctionnel a passé tous les tests standards (même les coûteux crash-tests), mais a été mis en échec par une erreur de circuit sur la carte d'allumage. Une erreur à 4,1 milliards de dollars provenant d'un PCB ! Probablement pas même l'ensemble du circuit ; peut-être simplement un transistor défectueux.

Le cas de General Motors est-il isolé ? Non. Environ un an plus tard, Samsung a dépensé près de 5,3 milliards de dollars pour rappeler et indemniser un défaut du système de charge du smartphone Galaxy Note 7. Sans oublier les 33 millions de bracelets connectés McDonald's rappelés à la même époque (coût non divulgué).

Généralement, les histoires de défauts de PCB coûtant des milliards en réparations deviennent le pain quotidien de la conception électronique moderne. Les startups comme les grandes entreprises en font l'expérience. La dure réalité : le marché ne pardonne pas ces erreurs. Comment savoir si un PCB présente des défauts ?

1.2 Étapes de test PCB et indicateurs de PCB mal testés

Parfois, il est facile de détecter les défauts sur un PCB. Par inspection visuelle, on peut repérer les défauts courants comme les joints surchauffés de couleur brune, les joints avec trop de soudure, un mouillage insuffisant, ou des composants instables avec des joints perturbés (en savoir plus sur les soudures froides). Cette méthode s'appelle l'Inspection Visuelle Manuelle (IVM).

Pour augmenter la précision de l'IVM, vous pouvez utiliser une loupe pour examiner les joints et vérifier l'absence d'ouvertures. Cette inspection consiste à vérifier la pénétration de la lumière au niveau des joints à l'aide d'une lentille.

Cependant, l'œil humain peut ne pas détecter certains défauts affectant l'efficacité du PCB. La plupart de ces défauts ne sont révélés qu'en testant l'efficacité des composants. Cette évaluation approfondie nécessite du matériel spécialisé et des tests rigoureux sous diverses variables : courant, tension, capacité, résistance. Ces variables peuvent également dicter l'utilisation d'autres équipements spécialisés, comme nous le verrons plus loin.

En comparant les entrées/sorties attendues sur divers composants aux mesures réelles.

Vous pouvez identifier si certaines parties de la carte sont défectueuses. Ce processus s'appelle le Test En Circuit (ICT). L'ICT devient complexe lorsque le circuit comporte de nombreux composants. C'est pourquoi des équipements informatisés ont été développés pour faciliter le test individuel des composants PCB. La plupart de ces appareils seront abordés ultérieurement.

Le dernier indicateur d'un PCB mal testé est l'augmentation des plaintes clients. Tous les appareils attirent quelques avis négatifs, ce qui est normal. Certains clients critiquent le design physique, d'autres une fonctionnalité. Cependant, lorsque les plaintes concernant un appareil électronique persistent sur son efficacité ou ses performances, cela peut indiquer un défaut de PCB.

Ces défauts sont les plus indésirables, les plus difficiles à détecter et les plus coûteux pour les entreprises. Ils sont rares, mais leur impact est majeur lorsqu'ils surviennent.

Examinons maintenant les deux types courants de défauts sur les circuits imprimés.

1.3 Types de défauts PCB

Il existe deux principaux types de défauts PCB : les défauts structurels et les défauts électriques. Presque tous les défauts peuvent être classés dans l'une de ces deux catégories.

1.3.1 Défauts structurels des PCB

Les défauts structurels résultent d'erreurs liées à la structuration inappropriée d'un PCB lors de sa fabrication. Ce sont les défauts les plus courants. Ils incluent :

• Circuits ouverts : circuits incomplets négligés lors de la fabrication. La plupart sont liés à la soudure et surviennent lors du brasage, souvent par fusion inadéquate de la soudure. Taux d'occurrence : 25 %.
• Soudure insuffisante : défauts liés à la soudure, dus à un mouillage insuffisant d'un joint. Taux : 18 %.
• Court-circuit : bien que classable dans les deux catégories, le court-circuit a une plus forte propension à résulter d'une erreur de conception que d'un composant électrique défectueux. Taux : ~13 %.
• Composant électrique manquant : taux proche du court-circuit (~12 %).
• Composants mal alignés : parfois détectables après la conception mais avant l'assemblage. Taux : ~8 %.
• Excès de soudure : bien que problématique, l'excès de soudure cause rarement des défauts car il est facile à repérer et corriger. Taux : ~3 %.
• Pièces non électriques manquantes : très rares. Taux : ~2 %.

1.3.2 Défauts électriques

Les défauts électriques proviennent de l'utilisation incorrecte de composants électriques sur les circuits. Ils sont rares de nos jours et moins fatals que les erreurs de conception.

• Composants électriques défectueux : composants défectueux soudés sur les circuits. Faciles à détecter et corriger. Taux : ~8 %.
• Utilisation de mauvais composants : ex. résistances avec des valeurs différentes des recommandations. Taux : ~5 %.
• Mauvaise orientation des composants : composants soudés avec une orientation incorrecte. Taux : ~2 %.

1.4 Synthèse du chapitre

Les tests complets de PCB sont intimement liés à la qualité des produits électroniques. Des PCB bien testés, avec une attention aux détails, produisent des électroniques de haute qualité, tandis que des PCB mal testés produisent des électroniques défectueuses.

Comme le montrent ces exemples, les défauts PCB sont toujours coûteux. Pour les startups, ils peuvent coûter la réputation de l'entreprise. Pour les entreprises établies, ils coûtent de l'argent et une partie de leur réputation. Ces deux pertes sont indésirables.

Autrefois, l'accent était mis sur les erreurs de la phase de conception. Avec l'amélioration technologique, la conception des PCB s'est améliorée. L'accent est désormais mis sur le processus de fabrication lui-même. Toute entreprise d'électronique souhaitant durer doit investir davantage dans les tests PCB.

Dans les prochains chapitres, nous examinerons les méthodes de test populaires et l'équipement industriel pour tester les PCB.

Méthodes de test PCB

En développant des PCB locaux en tant qu'amateur, vous n'avez pas besoin de stratégie cohérente pour établir les PCB, ni de stratégie de test. Une esquisse approximative du circuit suffit.

Cependant, la production et les tests PCB commerciaux ne laissent rien au hasard. Ils suivent des stratégies établies pour évaluer l'efficacité et la tolérance aux pannes. Actuellement, il existe environ sept approches de test PCB. Parmi elles, trois dominent l'industrie : l'Inspection Visuelle Manuelle (IVM), le Test En Circuit (ICT) et le Test Fonctionnel (TF).

2.1 Test PCB — Inspection Visuelle Manuelle (IVM)

C'est la méthode principale de test PCB. Elle consiste à rechercher les défauts à l'œil nu. L'IVM est la méthode la plus simple, la plus ancienne et encore la plus populaire. Elle convient à la production simple et de faible volume.

Cependant, elle n'est pas très efficace pour les PCB de haute volumétrie ou complexes, car l'œil nu peut manquer des connexions cachées. De plus, lors d'inspections de gros volumes, la fatigue humaine réduit la vigilance. Pour pallier ces inconvénients, d'autres méthodes proches de l'IVM existent, notamment l'utilisation de lentilles.

2.3 Utilisation de microscopes et lentilles

Votre PCB peut ne pas répondre aux exigences de conception même si l'IVM sans aide ne montre rien. C'est là qu'une observation plus rapprochée via une loupe ou un microscope devient nécessaire.

Nos yeux peuvent ne pas détecter certains défauts mineurs sur les joints de soudure. Avec des lentilles, vous pouvez grossir la carte et examiner les connexions de plus près.

2.4 Utilisation des rayons X

Les scans aux rayons X révèlent des détails impossibles à voir même sous lentille. Ils sont essentiels pour examiner les cartes à connexions cachées. Il faut prendre plusieurs scans sous différents angles et comparer les images aux connexions attendues selon les spécifications de conception.

Le problème : c'est coûteux et peut ne pas convenir aux amateurs et petits producteurs.

2.5 Test PCB — Utilisation d'une scie

Couper une carte semble une mauvaise idée. Pourtant, parfois un PCB indique des connexions douteuses dans des parties cachées (souvent après analyse d'une image aux rayons X). Trancher la carte avec une scie pour inspecter les connexions sous-jacentes permet d'observer les erreurs internes et de les corriger pour améliorer les productions futures.

2.6 Inspection Optique Automatisée (AOI)

Pour la production de grandes quantités de PCB, l'IVM devient fastidieuse. L'AOI est une amélioration automatisée de l'IVM. Les systèmes prennent des instantanés de diverses parties de la carte et construisent une représentation du PCB réel sur ordinateur, qui est ensuite comparée à la conception originale.

L'AOI est plus rapide et plus précise que l'IVM, mais coûteuse à acquérir et maintenir pour des projets simples.

2.7 Test En Circuit (ICT)

L'ICT est la méthode la plus complète pour tester un PCB. Elle vise à tester les composants pour vérifier leur efficacité sur la carte prototype. La carte est soumise à un lit de clous connectés à différents composants pour évaluer leurs performances individuellement.

Bien que recommandée, l'ICT est souvent coûteuse, fastidieuse et chronophage. Elle est généralement réservée aux PCB produits à grande échelle. Une version plus récente et économique, la méthode « flying probe » (sonde volante), est détaillée au chapitre 3 sur les outils.

2.8 Test PCB — Test fonctionnel

C'est la dernière phase de test. Une fois le PCB fabriqué, un test fonctionnel consiste à charger un ensemble de programmes sur l'appareil de test pour vérifier s'il exécute ses fonctions comme prévu.

Conclusion

Ces méthodes ne sont pas parfaites, mais elles sont moins sujettes aux erreurs, ayant fait l'objet d'inspections et de révisions constantes pour améliorer leur efficacité.

Ces méthodes dictent également, dans une large mesure, les types d'outils développés pour les tests PCB. Au prochain chapitre, nous nous concentrerons sur les différents outils utilisés dans l'industrie pour tester les PCB.

Équipement industriel de test PCB

Le chapitre précédent a présenté des méthodes pour trouver les défauts manuellement, ou avec des lentilles et des appareils comme le multimètre.

En tant que fabricants spécialisés, ces méthodes deviennent fastidieuses face à des circuits incroyablement complexes aux spécifications variées. L'IVM sans aide devient inefficace. Ce chapitre examine les outils critiques utilisés dans l'industrie pour tester les PCB.

3.1 L'Inspection Optique Automatisée (AOI)

L'exigence fondamentale des tests PCB est de garantir que les cartes répondent à toutes les conditions de leur conception. Parfois, des erreurs passent inaperçues lors de la production. Les machines AOI scannent le PCB et vérifient les irrégularités de conception.

Les machines AOI assistent l'IVM pendant la fabrication. Elles comprennent un système de caméras coordonnées et une plateforme pour maintenir le PCB. La carte est éclairée sous des angles spécifiques pendant que les caméras capturent des images. À partir de ces images, la machine AOI construit une représentation abstraite du PCB et la compare aux spécifications de conception originales.

Ces machines effectuent l'IVM plus rapidement et plus précisément qu'manuellement. Elles se concentrent principalement sur la minimisation des erreurs structurelles.

Il existe actuellement des machines AOI 2D et 3D. Les nouvelles machines 3D sont plus rapides, plus performantes et suffisamment sensibles pour détecter d'importantes erreurs liées à l'alimentation.

Avantages des machines AOI

1. Elles sont plus populaires que les autres machines
2. Détectent les erreurs structurelles plus rapidement
3. Peuvent être utilisées pendant la fabrication pour réduire le temps de test final

Inconvénients des machines AOI

1. Ne peuvent pas examiner les connexions cachées ou sous les BGAs
2. Inefficaces pour examiner des cartes chargées avec composants cachés

3.2 Test PCB — Machine de test à sonde volante (Flying Probe)

Les machines à sonde volante (parfois appelées machines de prototype volant) offrent une plateforme pour évaluer les performances des prototypes. Elles diffèrent des AOI en effectuant des tests en circuit (ICT). Elles sont préférées aux méthodes plus anciennes car elles sont rentables et faciles à utiliser.

Les sondes volantes consistent en un plateau de broches interconnectées aux différents composants. Elles effectuent une approche rapide d'ICT pour tester les composants et vérifier l'efficacité des prototypes. Les composants sont testés en les alimentant ou en envoyant des signaux, puis en évaluant leurs entrées/sorties par rapport aux valeurs attendues.

Avantages des machines à sonde volante

1. Moins chères et plus rapides que les machines ICT classiques
2. Améliorent la qualité en permettant aux ingénieurs de produire des prototypes et d'y apporter des modifications avant la version finale
3. Plus faciles à utiliser que les machines ICT traditionnelles

Inconvénients des machines à sonde volante

1. Moins orientées vers le détail que les machines ICT classiques

3.3 Machines de test de contrôle d'impédance

La conception physique d'un circuit et le courant qui le traverse affectent tout circuit AC passant à proximité. La combinaison de ces effets et de la résistance forme l'impédance du circuit.

Le test d'impédance est souvent fastidieux. Il faut déterminer la longueur du conducteur, l'espacement entre circuits, la largeur et la hauteur du conducteur, et mesurer l'impédance au moment approprié. Un réflectomètre temporel (TDR) mesure l'impédance d'une carte. Cependant, les TDR standards ne sont pas très utiles pour les tests d'impédance automatisés. Des machines de contrôle d'impédance améliorées sont donc employées pour la fabrication à grande échelle.

3.4 Testeurs d'épaisseur de cuivre et machines d'examen de trous

Les testeurs d'épaisseur de cuivre et les examinateurs de trous sont des appareils liés. Ce sont généralement des outils de bureau pour mesurer la largeur d'un trou percé ou l'épaisseur de la couche de cuivre interconnectant les composants.

Exemple de testeur d'épaisseur de cuivre

Un testeur d'épaisseur de cuivre mesure l'épaisseur du cuivre. Un testeur typique ressemble à l'image ci-dessus.

Machine d'examen de trous

Les machines d'examen de trous estiment le diamètre des trous en insérant des goupilles de différents diamètres. Une machine typique ressemble à celle montrée ci-dessus.

3.5 Test PCB — Systèmes de test électrique PCB

Une fois tous les composants soudés sur le PCB, il est crucial d'effectuer des tests en circuit pour vérifier l'efficacité des fonctions intégrées. Cette phase devrait suivre un ICT complet. Sans ICT complet, ce type de test ne peut qu'indiquer la probabilité d'un problème sans localiser ni résoudre l'erreur.

Généralement, tout autre système analysant l'efficacité et la fiabilité d'un circuit pourrait entrer dans cette catégorie.

3.6 Synthèse du chapitre

Nous avons souligné la nécessité de tester les PCB et présenté certaines machines utilisées dans l'industrie. Dans les chapitres restants, nous nous concentrerons sur les tests d'assemblage PCB.

Tests d'assemblage PCB

4.1 Test PCB — Introduction

Les tests d'assemblage PCB sont effectués après que les composants électriques spécifiés dans la nomenclature (BOM) d'un PCB sont montés sur la carte. Ils sont étroitement liés à l'ICT (déjà abordé).

Généralement, les tests se font sur un lit de clous fixé sur une surface plane avec accès à de multiples composants connectés au PCB. Selon le type de test prévu, la carte peut être alimentée ou non.

La nomenclature (BOM) d'un PCB est montée sur la carte. Les tests d'assemblage se font selon deux approches :

1. Test d'un seul composant/module et investigation de sa corrélation avec tous les autres composants du réseau électrique. Ce test est souvent effectué pour des composants individuels et étendu à tous les composants partageant des intérêts avec l'élément testé.
2. Test par échantillonnage de quelques composants critiques et investigation des résultats de leurs performances par rapport aux résultats attendus.

4.2 Avantages des tests d'assemblage

1. Une carte entière est testée pour les défauts d'alimentation comme les courts-circuits ou circuits incomplets. Le test établit aussi la présence de composants défectueux sur un prototype.
2. Ce type de test inclut des tests de mise sous tension qui réduisent considérablement les besoins de débogage du client.
3. Il peut détecter presque tous les défauts possibles sur un PCB.
4. Plateforme de test PCB indépendante du système d'exploitation.
5. Les tests suivent les normes IPC universelles acceptées.

4.3 Test PCB — Inconvénients des tests d'assemblage

Le principal problème est que tester un seul prototype PCB prend beaucoup de temps et de ressources financières. Tester une carte complexe peut prendre 5 à 6 semaines, avec des coûts très élevés. Cependant, les tests d'assemblage sont efficaces et plus précis que toute autre méthode. Ils sont donc idéaux pour les marques établies exigeant des standards de qualité élevés et des productions massives.

Conclusion

Les tests PCB sont une étape cruciale pour tous les concepteurs et ingénieurs. Comme le montre ce guide, les techniques de test appropriées impactent directement la qualité des produits électroniques. Par conséquent, de mauvaises techniques de test coûtent cher aux entreprises.

Puisque les tests PCB impactent directement la qualité des produits, ils valent chaque centime investi, étant directement liés à la rentabilité globale. Le problème : la plupart des fabricants sous-traitants surfacturent les tests PCB.

En tant que WellPCB, nous nous sommes équipés des méthodes et équipements de test PCB les plus modernes, et nous consacrons notre temps et notre expertise à tester les PCB pour nos clients. Nous offrons un service clé en main et des produits de haute qualité. Envoyez-nous vos documents pour obtenir un devis immédiat ! Avec dix ans d'expérience en fabrication PCB, nous vérifions et testons les spécifications, exigences et problèmes de circuit. Pour les tests PCB et la qualité, vous serez satisfait. Ou demandez un devis pour l'assemblage et les tests de vos PCB.