Comment identifier les défaillances électroniques courantes

Un membre de l'équipe Ansys Reliability Engineering Services cherche un mécanisme de défaillance au microscope.

L'analyse des défaillances est le processus qui consiste à identifier, et généralement à tenter d'atténuer, la cause profonde d'une défaillance. Dans l'industrie électronique, l'analyse des défaillances implique d'isoler la défaillance d'un emplacement sur une carte de circuit imprimé (PCBA) avant de collecter des données plus détaillées afin de déterminer quel composant ou quel emplacement de la carte fonctionne mal.

Les défaillances électroniques sur un PCBA se produisent généralement à l'un des trois endroits suivants :

1. Au sein d'un composant
2. Au niveau de l'interconnexion entre un composant et la carte (généralement les joints de soudure)
3. Dans la carte de circuit imprimé elle-même

Défaillances au niveau des composants

Les défaillances au niveau des composants font référence aux défaillances qui se produisent dans un composant électronique soudé à une carte de circuit imprimé. Souvent, lorsqu'une défaillance est isolée dans un composant électronique spécifique, une caractérisation électrique plus poussée - telle que le traçage de courbes comparatives - peut être utilisée pour isoler la défaillance dans une broche spécifique. Ceci est crucial lorsque la défaillance est localisée sur un composant comportant un grand nombre de broches d'entrée/sortie. Certaines des défaillances les plus courantes au niveau des composants et les techniques d'analyse des défaillances qui sont utilisées pour les identifier sont présentées ci-dessous.

Rupture et décollage des fils métalliques

Les fils de liaison sont de petits fils qui relient la puce d'un circuit intégré à ses conducteurs. Ils sont fins et fragiles, et peuvent se rompre sous l'effet d'une contrainte mécanique. La technique d'analyse des défaillances la plus couramment utilisée pour identifier la rupture des fils de connexion est la microscopie à rayons X. Dans la plupart des cas, les images aux rayons X de la structure interne d'un circuit intégré suffisent à confirmer ou à éliminer la rupture des fils comme mécanisme de défaillance. La microscopie acoustique peut également recueillir des données lorsque la rupture de la liaison filaire est un mécanisme de défaillance suspecté. Parce qu'il peut identifier les espaces d'air dans un spécimen, il peut découvrir des preuves de fissuration en "pop-corn", qui peut endommager les liaisons filaires.

Un mécanisme de défaillance similaire est le soulèvement du fil de liaison, lorsque la bille de liaison se rompt au niveau de la connexion intermétallique entre le fil et la matrice, et se soulève du coussin de liaison. Cela se produit généralement en raison de problèmes au cours du processus de collage. Plusieurs options d'analyse des défaillances permettent d'identifier et de déterminer la cause profonde du soulèvement du fil. Dans les cas les plus graves, le décollement du fil peut être identifié au moyen d'un microscope à rayons X, mais une coupe transversale est généralement nécessaire pour le confirmer. Une fois que le décollement du fil est confirmé comme étant le mécanisme de défaillance, une analyse plus approfondie peut déterminer la raison du décollement du fil. Les causes les plus courantes sont une contamination chimique sur les plots de collage ou des billes mal formées et écrasées en raison d'une pression incorrecte pendant le processus de collage. Des coupes transversales de qualité permettront de mesurer la taille et la forme de la liaison, ainsi que l'épaisseur de la connexion intermétallique. Dans certains cas, il peut être nécessaire d'arracher ou de cisailler les liaisons de la matrice pour inspecter la surface du tampon. La microscopie électronique à balayage (MEB) et la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (SDE) de la surface d'un coussin de liaison peuvent révéler une contamination qui pourrait créer des problèmes de liaison.

Délamination

La délamination à l'intérieur d'un composant fait généralement référence à la séparation d'un composé de moulage de la puce ou de la grille de connexion d'un circuit intégré. La délamination sur la surface de la puce crée un risque d'infiltration d'humidité qui peut entraîner des courts-circuits à travers la puce. La microscopie acoustique est la méthode non-destructive la plus souvent utilisée pour identifier la délamination dans un composant. Lorsque l'emplacement d'une délamination suspectée est connu, la coupe transversale peut également la confirmer.

Fissuration du condensateur

Les condensateurs multicouches (MLCC) peuvent être sujets à des fissures en cas de flexion mécanique ou de choc thermique. La fissuration par flexion se produit lorsque la carte sur laquelle le condensateur est soudé subit une flexion excessive, qui peut être causée par le dépannage, l'insertion du connecteur, la fixation ou d'autres événements mécaniques. La fissuration par choc thermique se produit lorsque la pièce subit une augmentation soudaine et importante de la température, par exemple à la suite d'une soudure incorrecte. Dans les deux cas, la fissuration du condensateur peut potentiellement provoquer des défaillances du composant en augmentant le risque de court-circuit dans le corps du condensateur, soit entre les plaques, soit entre les plaques et les bornes. La microscopie acoustique et à rayons X 3D peut identifier la fissuration des condensateurs ; cependant, une analyse en coupe transversale est souvent nécessaire pour la confirmer complètement. La coupe transversale et la microscopie optique peuvent également mettre en lumière la cause profonde de la fissuration. Les fissures de flexion se manifestent généralement par des fissures diagonales entre les régions horizontales et verticales des bornes du composant, tandis que les fissures de choc thermique peuvent se présenter sous diverses morphologies.

Dommages causés

Les dommages aux puces peuvent se manifester de plusieurs façons. Une surcharge mécanique ou thermomécanique peut fissurer physiquement la puce, créant des circuits ouverts dans le circuit intégré. Ce type de fissuration de la puce est généralement flagrant. Il peut être confirmé par microscopie acoustique, microscopie à rayons X 3D et, dans certains cas graves, par microscopie à rayons X 2D. Une fois que l'emplacement d'une fissure de puce est connu, une analyse en coupe transversale peut être utilisée pour examiner plus en détail l'orientation et la gravité des dommages.

Une surcharge électrique ou une décharge électrostatique peut également endommager les matrices à des degrés divers. Les événements électriques extrêmes peuvent provoquer une carbonisation suffisante pour être observable au microscope à rayons X. Cependant, les dommages électriques sur les matrices sont souvent beaucoup plus subtils. Dans ces cas, des techniques d'inspection de filière plus spécialisées sont nécessaires. La première étape typique lorsque l'on soupçonne un dommage électrique sur un circuit intégré est la décapsulation du composant. La décapsulation à l'acide permet d'enlever le composé de surmoulage, exposant ainsi la surface de la puce et les fils de liaison, ce qui permet une inspection optique. Si le dommage se situe à la surface ou dans l'une des couches supérieures de la région active, il peut souvent être observé par microscopie optique ou SEM après décapsulation. En cas de dommages plus profonds ou très subtils dus à une surcharge électrostatique (EOS) ou à une décharge électrostatique (ESD), la puce doit être examinée à l'aide d'un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), d'une imagerie thermique sous contrainte électrique ou d'autres techniques spécialisées pour identifier l'emplacement exact de la défaillance.

Défaillances au niveau de l'interconnexion

Les défaillances au niveau des interconnexions sont généralement dues à la rupture de joints de soudure ou de fils. La connaissance des conditions environnementales d'un assemblage électronique peut aider à déterminer la probabilité d'une défaillance au niveau des interconnexions avant de commencer une analyse des défaillances. Les techniques de laboratoire utilisées pour identifier les formes les plus courantes de défaillance des interconnexions de composants/planches sont présentées ci-dessous.

Fatigue de la soudure

La fatigue de la soudure est principalement due à des cycles de température sur une période prolongée. Le principal facteur de fatigue de la soudure est l'inadéquation du coefficient de dilatation thermique entre un PCB et un fil ou un corps de composant. Cet effet peut être accéléré par des contraintes de traction dues à l'empotage ou au gauchissement du composant, à des vibrations excessives ou à l'augmentation de la taille du composant. Dans de nombreux cas, l'inspection optique ou la microscopie à rayons X peuvent identifier de telles défaillances ; cependant, la coupe transversale d'un joint est la méthode la plus fiable pour confirmer une défaillance par fatigue. Une coupe transversale de qualité des joints de soudure peut être examinée pour trouver des signes de fissuration ou de croissance des grains/de grossissement des phases associés à des contraintes continues sur la soudure. Lorsqu'il n'est pas possible de réaliser une coupe transversale, par exemple lorsqu'on ne connaît pas le joint défaillant d'un BGA comportant de nombreuses broches, les techniques de coloration et d'arrachage peuvent permettre d'identifier la fissuration des joints de soudure.

Surcharge de la soudure

Une surcharge de soudure se produit lorsqu'un événement mécanique unique, comme une chute, entraîne une fracture du joint de soudure. La microscopie optique et la coupe transversale permettent d'identifier les fractures dues à une surcharge. En général, les joints de soudure fissurés par une surcharge mécanique présentent des écarts beaucoup plus importants que ceux causés par la fatigue de la soudure.

Fracture de la sonde

La rupture du plomb est un mécanisme de défaillance qui se produit lorsque le joint de soudure d'un composant reste intact, mais que le plomb métallique lui-même se brise entre la carte et le corps d'un composant. La rupture du fil est plus fréquente sur les gros condensateurs électrolytiques et les composants avec des fils fins en forme d'aile de mouette qui subissent des vibrations et des chocs excessifs. La microscopie optique permet d'identifier la rupture du plomb, et des tests mécaniques peuvent être utilisés pour évaluer le risque de rupture du plomb dans un assemblage électronique.

Défaillances au niveau de la carte

Les défaillances au niveau de la carte se manifestent sur ou dans la carte de circuit imprimé elle-même. Elles peuvent se présenter sous la forme de courts-circuits ou de circuits ouverts et, selon la complexité des réseaux électriques et de l'empilement de la carte, elles peuvent être beaucoup plus difficiles à localiser que les défaillances au niveau des composants ou des interconnexions.

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Fuite de courant induite par la contamination

Des courts-circuits entre les conducteurs des composants ou les traces exposées peuvent se produire à la surface d'une carte dans des environnements humides lorsque la carte n'est pas suffisamment propre. Dans les cas graves, ces courts-circuits peuvent être confirmés par microscopie optique ou SEM/EDS. L'analyse de la contamination ionique peut également être utilisée comme technique de qualification des cartes pour déterminer si les niveaux de contamination sur la surface de la carte sont inférieurs aux normes industrielles minimales.

Défaillance du filament anodique conducteur

Le filament anodique conducteur (CAF) se produit lorsque le métal migre le long des fibres dans les couches stratifiées d'un PCB. Le CAF provoque généralement des défaillances lorsqu'il se produit entre deux trous traversants plaqués (PTH) très rapprochés. Les défaillances CAF sont généralement dues à une détérioration excessive des forets ou à une mauvaise liaison verre/résine et peuvent être exacerbées par des environnements humides. Les tests de biais température/humidité peuvent déterminer le risque de défaillance CAF d'un assemblage électronique avant son utilisation sur le terrain. Lorsqu'une défaillance du CAF est attendue, des tests électriques sont généralement utilisés pour déterminer la ou les paires affectées. L'analyse en coupe transversale et la microscopie optique doivent ensuite confirmer la présence du CAF et déterminer la cause profonde de la migration du métal. Lorsque la cause fondamentale est un dommage de perçage, de grandes fissures seront visibles autour des bords des trous traversants. Dans le cas d'une mauvaise liaison verre/résine, des tubes creux ou des vides peuvent être observés dans la trame de verre d'une ou plusieurs couches du stratifié. Le SEM/EDS peut également confirmer que le filament observé est de nature métallique.

Fatigue de Trou de passage plaqué

La fatigue des PTH se manifeste généralement sous l'une des deux formes suivantes : fissuration du canon, lorsque le placage du trou traversant se rompt, et fissuration de la trace, lorsque la connexion entre le canon d'un PTH et une trace normalement fixée se rompt. La fatigue du PTH est le plus souvent le résultat d'un cycle thermique, car l'expansion du matériau stratifié dans la direction hors du plan transfère les contraintes au PTH. La microscopie à rayons X en 3D et, dans les cas les plus graves, en 2D, peut être utilisée pour identifier les fractures du PTH ; cependant, comme les fissures du PTH sont souvent très fines, l'analyse en coupe transversale et la microscopie à rayons X sont généralement utilisées pour confirmer.

Cratérisation de la plate-forme et fracture de la trace

La cratérisation des plots et la rupture des traces sont des défaillances associées à des événements de surcharge, comme les chutes et autres chocs. Le cratère de la pastille est une défaillance qui se produit principalement sous les joints de soudure BGA. Elle se produit lorsque des contraintes mécaniques font que la pastille commence à se détacher de la carte, créant une structure de fissures en forme de cratère dans la couche laminée sous la pastille à billes. La radiographie 3D, l'analyse par colorant, l'analyse de la section transversale ou, dans les cas très graves, une simple inspection optique peuvent être utilisées pour identifier la présence de cratères sous les pastilles BGA.

Les cratères de pad sont souvent accompagnés de fractures de trace. Les ruptures de trace se produisent lorsqu'une fine trace se brise à l'interface de concentration de contraintes entre le routage et la pastille à billes. Les ruptures de trace peuvent également apparaître indépendamment de la formation de cratères sur les pastilles dans d'autres régions de la carte de circuit imprimé, généralement à une concentration de contraintes, comme lorsqu'une fine région de routage tourne à un angle ou se connecte à une grande pastille de soudure. Les fractures de traçage peuvent être très difficiles à localiser. Une connaissance approfondie des réseaux électriques à l'intérieur du circuit imprimé ainsi qu'une idée générale des charges mécaniques appliquées au circuit imprimé sont nécessaires pour ne serait-ce que formuler des hypothèses sur l'emplacement lorsqu'une trace de fracture est le mécanisme de défaillance suspecté. La microscopie à rayons X peut confirmer la présence d'une trace de fracture dans la plupart des cas, mais cette activité prend souvent beaucoup de temps car elle nécessite un balayage complet du réseau concerné à fort grossissement.

Complications de la Conception et développement de produits

Certains choix de conception de produits peuvent rendre l'isolation des défaillances extrêmement difficile. L'enrobage, le châssis et les fixations peuvent masquer visuellement et empêcher physiquement l'accès à certaines parties de l'assemblage, interdisant ainsi la caractérisation électrique ou l'inspection optique. Les assemblages contenant de grandes quantités de métal peuvent entraver l'utilité des rayons X en cachant la zone d'intérêt. Les assemblages contenant à la fois des matériaux très durs et très mous (par exemple, l'alumine et la soudure) peuvent rendre difficile la réalisation de coupes transversales de qualité. Dans ces cas et dans d'autres cas uniques, la connaissance de l'environnement, des propriétés du PCBA et des types de composants électroniques doit être utilisée pour développer des théories sur les composants, les soudures ou les régions de la carte qui pourraient être défaillants, et des techniques créatives peuvent devoir être employées pour confirmer de manière adéquate la cause fondamentale de la défaillance.

Ansys propose une approche multidisciplinaire pour ses services d'analyse des causes profondes qui permettent d'identifier efficacement l'origine d'un problème, qu'il se soit produit sur le terrain, lors d'un test ou qu'il ait entraîné une perte de qualité pendant la fabrication. Visitez la page Reliability Engineering Services de notre site web pour demander un devis et en savoir plus.