Aujourd'hui, la demande de services de sous-traitance en fabrication électronique de cartes électroniques (PCBA) est en forte croissance. Les fabricants traditionnels de PCBA, confrontés à une faible capacité de production, un manque d'avantages concurrentiels en termes de prix, une instabilité de leurs approvisionnements et une faible productivité de leur main-d'œuvre, affichent un faible taux de conversion et voient leur clientèle se réduire comme peau de chagrin. Par ailleurs, le choix d'un fabricant OEM de PCBA peut engendrer des difficultés pour les entreprises souhaitant sous-traiter la fabrication de leurs cartes électroniques. En effet, la vérification de l'authenticité des matériaux, l'instabilité des cycles d'approvisionnement en PCB, les risques de défaillance des composants électroniques, les difficultés de maintenance et les risques financiers sont autant de problèmes auxquels elles sont confrontées.
Nous allons ensuite recenser et partager les problèmes de défaillance des condensateurs MLCC et les méthodes de détection lors de l'assemblage et du soudage des cartes PCBA. L'objectif est d'optimiser le processus de production et d'améliorer la conception afin d'atteindre une fiabilité élevée lors de l'assemblage et du soudage des MLCC. Un MLCC (condensateur céramique multicouche lamellaire) est composé de plusieurs condensateurs disposés de manière irrégulière et empilés. Il présente l'avantage d'une taille réduite, d'une capacité élevée par unité de volume et d'une faible sensibilité aux facteurs environnementaux tels que la température. Il est largement utilisé dans les communications militaires, les radars, les systèmes d'allumage d'artillerie, l'aéronautique, l'aérospatiale, les systèmes d'armement et d'autres domaines.
Le condensateur MLCC est aujourd'hui l'un des composants les plus utilisés dans les circuits électroniques. De prime abord, il semble très simple, mais souvent, les ingénieurs de conception et le personnel de production n'en ont qu'une compréhension limitée. Certaines entreprises, lors de son utilisation, commettent également des erreurs, le considérant comme un composant très simple dont les exigences de fabrication sont moindres. En réalité, le MLCC est un composant très fragile qui nécessite une manipulation particulièrement soignée lors de l'assemblage des circuits imprimés.
Les défaillances courantes des condensateurs céramiques multicouches (MLCC) sont résumées et classées comme suit : claquage diélectrique, circuit ouvert, modification des paramètres électriques (capacité hors tolérance, augmentation de la tangente de l’angle de perte, diminution de la résistance d’isolement ou augmentation du courant de fuite, etc.), corrosion ou rupture des conducteurs, rupture de l’isolateur ou arc électrique de surface, etc. Condensateurs électrolytiques au tantale : claquage et destruction par surcharge de tension ; augmentation du courant de fuite due à une surtension ; court-circuit inverse de polarité ; défaillance due à une température de refroidissement insuffisante. Condensateurs électrolytiques en aluminium : claquage dû à une augmentation du courant de fuite ; court-circuit inverse de polarité ; défaillance due à une température de refroidissement insuffisante. Condensateurs à film organique : défaillance due à un choc thermique ; une inductance parasite excessive affecte le fonctionnement des circuits haute fréquence.
MLCC (Classe 2) — Un processus SMT inapproprié entraîne une fracture ou une défaillance de l'isolation ; La mauvaise caractéristique de température du Y5V entraîne une défaillance du circuit ; MLCC (Classe 1) — Adaptation de la sélection de la conception RF.
Les défaillances des condensateurs multicouches (MLCC) sont dues à diverses raisons. Les matériaux, la structure, le procédé de fabrication, les performances et l'environnement d'utilisation de ces condensateurs étant différents, les mécanismes de défaillance le sont également. L'analyse d'échantillons ayant subi des défaillances antérieures a révélé que les mécanismes les plus courants incluent la délamination interne, les défauts diélectriques, la migration des ions métalliques et le vieillissement diélectrique. Un même mode de défaillance peut engendrer plusieurs mécanismes, et inversement, il n'existe pas de correspondance univoque.
Rupture des MLCC
Voici quelques problèmes liés à l'application des MLCC, aux méthodes de détection des défaillances et aux points qui requièrent une attention particulière.
Avec le développement continu des technologies, les condensateurs MLCC à patch peuvent désormais comporter des centaines, voire des milliers de couches, chacune d'une épaisseur de quelques microns. De ce fait, une légère déformation suffit à les fissurer. Par ailleurs, à matériau, dimensions et résistance à la pression identiques, plus la capacité d'un condensateur MLCC à patch est élevée, plus le nombre de couches est important et plus elles sont fines, donc plus elles sont susceptibles de se rompre.
En revanche, à matériau, capacité et résistance de tension égaux, les petits condensateurs nécessitent des couches diélectriques plus fines, ce qui les rend plus fragiles. Les fissures entraînent des fuites de courant, pouvant provoquer des problèmes de sécurité tels que des courts-circuits entre les couches internes. De plus, ces fissures sont souvent difficiles à détecter ; elles peuvent passer inaperçues lors des contrôles qualité en usine et n'être découvertes qu'au moment de la livraison au client. Il est donc primordial de prévenir la fissuration des condensateurs MLCC.
Analyse des causes de défaillance des condensateurs multicouches (MLCC) et mesures d'amélioration
En utilisation normale, la cause principale des défaillances du produit réside dans la présence de divers microdéfauts, tels que des fissures, des trous, un délaminage, etc., à l'extérieur ou à l'intérieur du condensateur MLCC. Ces défauts affectent directement les performances électriques et la fiabilité des condensateurs MLCC et engendrent de graves problèmes de qualité.
Facteurs externes : fissures
- Fissure thermique : Elle est principalement causée par un choc thermique lors du soudage, notamment lors du brasage à la vague. Une réparation incorrecte est également une cause importante de fissures dues à un choc thermique.
Lorsqu'un condensateur MLCC à pastille est soumis à un choc thermique, il est susceptible de se fissurer au niveau de la soudure. À cet égard, les petits condensateurs sont généralement plus résistants que les grands. En effet, la conduction thermique des grands condensateurs n'atteint pas leur totalité aussi rapidement. Par conséquent, la différence de température entre différents points du condensateur est importante, ce qui entraîne une dilatation inégale et génère des contraintes. C'est pour la même raison que le verre épais est plus susceptible de se fissurer que le verre fin lorsqu'il est plongé dans l'eau bouillante. De plus, lors du refroidissement du condensateur MLCC à pastille après soudure, le coefficient de dilatation du condensateur et du circuit imprimé diffère, ce qui provoque des contraintes et des fissures. Pour éviter ce problème, un profil de température de soudure optimal est indispensable lors du refusion. Ce risque de défaillance est considérablement accru si l'on utilise le brasage à la vague plutôt que le brasage par refusion.
L'utilisation de condensateurs MLCC permet d'éviter le soudage manuel. Cependant, le soudage manuel est parfois inévitable. Par exemple, pour la sous-traitance de la fabrication de circuits imprimés par les fabricants d'électronique, certains produits sont de très petite taille et les fabricants refusent ce type de fabrication, exigeant uniquement un soudage manuel. Lors de la réalisation de commandes d'échantillons, le soudage manuel est généralement la norme. Les retouches ou réparations dans des circonstances particulières nécessitent également un soudage manuel ; les techniciens effectuent aussi des réparations de condensateurs manuellement. Lorsque le soudage manuel des condensateurs MLCC est inévitable, une attention particulière doit être portée au processus de soudage.
- Fissuration par contrainte mécanique (fissuration par flexion) : Les condensateurs céramiques multicouches MLCC se caractérisent par leur capacité à résister à une contrainte de compression élevée, mais par leur faible résistance à la flexion. Toute opération susceptible d'entraîner une déformation par flexion lors de l'assemblage du composant peut provoquer sa fissuration.
Les sources de contraintes courantes sont les opérations d'assemblage des cartes de circuits imprimés ; les facteurs tels que la manipulation par le personnel, les équipements et la gravité ; l'insertion de composants traversants ; les tests de circuits ; la découpe des cartes PCBA (en V ou par fraisage) ; l'installation des cartes ; le vissage, etc. Ces fissures prennent généralement naissance aux extrémités métallisées supérieure et inférieure du composant et se propagent à l'intérieur de celui-ci selon un angle de 45°. Ce type de défaut est également le plus fréquent.
Facteurs de contrainte mécanique : (1) la sonde de test provoque la flexion du PCB ; (2) la flexion du PCB et l'impact de rupture sur le PCB ;
(3) La buse d'aspiration est mal montée (la pression et la profondeur d'aspiration sont excessives) et la mâchoire de fixation provoque des chocs. Lors du montage du produit sur un circuit imprimé, les chocs doivent être évités. La tête d'aspiration et la griffe de positionnement doivent être inspectées, réparées et remplacées régulièrement.
(4) une trop grande quantité de pâte à souder provoque la flexion et la fissuration de la carte PCB (comme une pastille partagée).
(5) Soudure manuelle de PCB : le processus de soudage à la pointe du fer à souder ou de la pince antistatique pressant le corps de l'appareil et les deux extrémités de l'appareil, si la quantité de soudure est trop importante ou inégale, peut provoquer des fissures, comme illustré dans l'image ci-dessous.
(6) Processus de nettoyage du PCBA : la méthode de nettoyage est incorrecte ou la tête de brosse de nettoyage est trop dure, ce qui peut provoquer des fissures ; si le dispositif présente des fissures internes lors du processus précédent, le MLCC peut entraîner la chute de l'électrode et du corps en céramique pendant le processus de nettoyage.
Principe de génération des fissures sous contrainte mécanique :
Le corps en céramique du condensateur MLCC est un matériau fragile ; si le circuit imprimé est plié, il subira des contraintes mécaniques. Des fissures apparaissent lorsque ces contraintes dépassent la résistance de la porcelaine du condensateur. Par conséquent, ces fissures ne sont visibles qu'après la soudure.
1) Lorsque la carte PCB est pliée, la contrainte à différents endroits est différente : l'assemblage des composants est proche du point de séparation du PCBA.
Facteurs internes : vides, fissures, délamination
- VOIES
Les principaux facteurs à l'origine de la formation de cavités sont la contamination organique ou inorganique de la poudre céramique et un contrôle inadéquat du processus de frittage. La formation de ces cavités favorise les fuites, lesquelles génèrent un échauffement local au sein du dispositif, réduisant ainsi les performances d'isolation du milieu céramique et aggravant les fuites. Ce processus se répète cycliquement et s'intensifie continuellement. Dans les cas les plus graves, il peut entraîner la fissuration, l'explosion, voire la combustion des condensateurs céramiques multicouches.
- Craquement de tir
Les fissures de frittage prennent généralement naissance au niveau d'une électrode et se propagent verticalement. Ce phénomène est principalement dû à la vitesse de refroidissement lors du frittage, et les fissures et dommages observés sont similaires à des cavités.
- Délaminage
Les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) sont fabriqués par frittage de plusieurs couches de matériaux par co-cuisson successive. La température de frittage peut atteindre 1 000 °C, voire plus. Une faible adhérence entre les couches, la volatilisation de polluants internes pendant le frittage et un contrôle inadéquat du processus de frittage peuvent entraîner un délaminage. Le délaminage, à l'instar des cavités et des fissures, constitue un défaut inhérent important aux condensateurs céramiques multicouches.
Amélioration du processus de refusion (SMT)
Lors du choix du procédé de brasage, il convient d'accorder une attention particulière aux caractéristiques thermiques et à la taille des condensateurs multicouches (MLCC) afin d'éviter les défauts dus aux contraintes thermiques. Par exemple, le brasage à la vague est déconseillé pour les MLCC de grande taille (supérieure à 1210), car leur conductivité thermique est inférieure à celle des condensateurs de petite taille, ce qui peut entraîner un échauffement inégal et des contraintes destructrices. Une fois le procédé de brasage (à la vague ou par refusion) choisi, il est essentiel de veiller au paramétrage de la courbe de température de l'équipement. Cette courbe doit être définie, vérifiée, modifiée et publiée par des techniciens qualifiés. Lors du paramétrage, la température de saut ne doit pas dépasser 150 °C, la variation de température ne doit pas excéder 2 °C/seconde, le temps de préchauffage doit être supérieur à 2 minutes et le brasage ne doit pas nécessiter de système de refroidissement auxiliaire ; le refroidissement doit se faire naturellement avec la température du four.
méthode de détection des défaillances des MLCC
Pour les défauts externes, on utilise généralement un contrôle visuel manuel au microscope ou un système de tri automatique. La détection des défauts internes mineurs dans les MLCC a toujours constitué une difficulté majeure, car elle affecte gravement la fiabilité du produit et s'avère complexe. La méthode de détection par ultrasons permet de repérer plus précisément les défauts internes des MLCC, ce qui facilite le tri des produits défectueux et améliore la tension de claquage et la fiabilité haute tension de ces condensateurs.
Les caractéristiques de pénétration et de réflexion (ondes de surface et ondes de fond) des ondes ultrasonores sont utilisées pour détecter les défauts dans les objets. Grâce à un détecteur de défauts ultrasonores, il est possible de localiser précisément les microdéfauts internes des condensateurs multicouches (MLCC) défectueux et d'en déterminer l'emplacement. Une analyse plus poussée du processus de meulage permet de détecter les défauts internes des produits, et le lot entier est mis au rebut. Ceci démontre la validité et la fiabilité de la méthode de contrôle par ultrasons pour la détection des défauts internes des MLCC.
Échantillon normal : la couleur générale de la photo scannée de l’échantillon est vert-jaune, ce qui indique que l’échantillon présente un aspect normal. La présence de rouge et de bleu sur les bords de certains échantillons est due à une irrégularité de la surface, ce qui est normal. Échantillon anormal : si l’échantillon présente des traces de rouge et de bleu, il sera soumis à un nouveau scan pour confirmation.
L'image du balayage ultrasonique
Analyse des défaillances des autres composants et puces
L'analyse des défaillances concerne non seulement les condensateurs multicouches (MLCC), mais aussi d'autres composants électroniques et circuits intégrés. L'analyse des défaillances des composants électroniques, de leur production à leur utilisation, revêt une importance capitale. Elle repose sur l'analyse des rebuts de production, des défaillances précoces, des tests, des échecs de test et des échantillons défectueux, permettant ainsi de confirmer le mode et le mécanisme de défaillance, d'en identifier la cause et de proposer des mesures préventives afin de réduire, voire d'éviter, leur réapparition.
Modes de défaillance courants des circuits intégrés
Modes de défaillance : dommages électrostatiques, électromigration des métaux, défaillance de la liaison des puces, perte due à une contrainte électrique excessive, fatigue mentale, contrainte thermique, défaillance par électromigration, dommages physiques, défaillance de l’emballage plastique, défaillance de la liaison des conducteurs.
- Tests des caractéristiques électriques : généralement utilisés dans la phase initiale de l’analyse des défaillances, leur but est de comprendre les paramètres électriques de l’échantillon ou l’état de défaillance fonctionnelle, afin de faciliter la préparation d’analyses ultérieures.
- Mesure par observation : en observant l’aspect et la structure externes et internes de la lésion, on confirme sa localisation anormale et ses caractéristiques spécifiques. Ce type de test est généralement utilisé conjointement avec une analyse physique destructive (APD).
- Test destructif DPA : par érosion liquide, dommages mécaniques, découpe laser et autres méthodes d’endommagement, la position précise de la défaillance à l’intérieur du circuit intégré est localisée et présentée.
- Test de fiabilité : il s’agit de vérifier la durée de vie et la stabilité des performances des circuits intégrés en utilisant divers équipements de test environnementaux pour simuler les hautes températures, les basses températures, les hautes températures, l’humidité élevée et les variations de température dans l’environnement climatique.
Conclusion : Le condensateur MLCC est un nouveau type de composant électronique, essentiel aux produits électroniques. Il est largement utilisé dans divers circuits de produits électroniques civils et militaires. Par conséquent, le contrôle qualité de l’assemblage et du soudage des MLCC est primordial. La fiabilité du produit dépend donc non seulement de sa conception, mais aussi de sa fabrication. L’inspection ne peut que vérifier sa fiabilité, sans pouvoir l’améliorer. La conception du produit, les techniques de production et la maîtrise des processus sont les trois piliers fondamentaux d’un assemblage de MLCC de haute fiabilité.