Introduction

Lorsqu'un PCB est testé dans un gabarit d'essais en circuit, de très fortes densités de sondes peuvent êtres simultanément en contact avec la carte en test. L'usage de plus en plus répandu de sondes à 0.050" et 0.039" d'espacement crée de très fortes pressions entraînant d'importantes flexions du PCB. Par exemple; un BGA d'un pouce carré peut nécessiter 400 sondes de 0.050" d'espacement. Considérant des sondes de 8oz, cette composante subira une pression de 200 livres par pouce carré sur sa surface.

Dans le cas d'un gabarit simple-côté, toutes les sondes sont appliquées sous la carte, et le caisson sous vide retient la carte par le dessus.

Idéalement, toute les sondes devraient êtres contrées par un doigt de pression, de façon à équilibrer les forces de chaque côté du PCB. Si cela était possible, la force résultante appliquée sur la carte serait nulle. Malheureusement, ce n'est possible que très rarement. La densité et la complexité des circuits électroniques augmentent constamment. Nous nous retrouvons donc à construire des gabarits, avec de grande densité de sondes qui ne peuvent pas êtres supportées adéquatement, résultant en une flexion importante de la carte sous vide.

Comme nous le verrons, une flexion importante d'un PCB peut entrainer le bris de certains composants et d'énormes coûts en réparation des circuits endommagés. De plus, certains problèmes tels qu'un bris de soudure, peuvent ne pas être détectés lors des essais en circuit et apparaître lors de l'assemblage final, ou même pire, après livraison chez le client final. Il nous est donc primordial d'utiliser les meilleurs outils disponibles afin de minimiser cet effet lors de la conception de nos gabarits.

Contraintes, étirements et déplacements

Pour qu'une plaque mince puisse se plier, telle que dans l'image plus bas, le dessus de la plaque doit s'étirer, tandis que le dessous doit se contracter. L'étirement et la contraction de la plaque sont dépendants du déplacement créé par la force P.

Étirement:	ε = ΔL / L
Contrainte:	σ = E * ε = P / A L = Distance E = Module de Young P = Force A = Surface (distance d'impact)

L'étirement est mesuré en millionième d'unité. Par exemple; 500 microdéformations représentent un étirement de

500 microdéformations:

= 500 X 10E-6 pouces / pouce = 0.0005 pouces / pouce

Donc, 500 microdéformations représentent un étirement de 0.0005" sur une distance d'un pouce. Les composants installés sur un PCB subissent les mêmes contraintes. Typiquement, les composants traversants ne sont pas très sensibles aux étirements grâce à leurs pattes flexibles. Par contre, les grands composants montés en surface (tels les BGAs) sont très sensibles aux étirements.

Certains procédés de fabrication tels que l'Electroless Nickel/Immersion Gold plating, largement utilisé pour l'installation des BGAs, rendent les joints de soudure très fragiles dans certaines conditions. Étant très rigides de corps, et installées directement sur la surface du PCB, ces composants résistent aux étirements jusqu'à un point tel, qu'ils vont subir des fractures au niveau de leurs soudures. De plus, il a été démontré (1) que l'usage de plus en plus répandu de soudure sans plomb, rend les joints de soudure encore plus fragile. L'étude de Bansal, Yoon & Mahadev (2) démontre que les joints de soudure les plus exposés sont situés aux extrémités des composantes. Les composants soudés sur une carte, et ayant des dimensions importantes, tels que les BGAs, auront pour effet de renforcir le PCB à cet endroit. Les tensions exercées sous eux, seront alors distribuées aux endroits les plus faibles, soit les rebords extérieurs.

Capteurs à jauges de contrainte

Les capteurs à jauges de contrainte sont de petits dispositifs servant à mesurer l'étirement d'une surface. Parfaitement collé sur la surface d'un PCB, le senseur s'étirera suivant l'étirement de la surface du PCB à cet endroit précis.

Ces dispositifs sont fabriqués à partir d'un élément métallique très mince dont la résistance électrique varie selon l'étirement ou la contraction. Sur l'image 3, un senseur installé au point A s'étirera et indiquera une valeur positive (ex : 600 microdéformations). Par contre un senseur installé au point B se contractera et indiquera une valeur négative (ex : -600 microdéformations). Les capteurs à jauges de contrainte sont unidirectionnels; c-à-d qu'ils donnent l'étirement selon un seul axe. Certains modèles superposés, tel qu'à l'image 4, peuvent donner l'étirement sur plusieurs axes simultanément. Utilisé adéquatement, le capteur à jauges de contrainte s'avère être un outil très précis et indispensable.

Installés à l'intérieur du gabarit pendant un essai sous vide, les capteurs à jauges de contrainte nous permettent d'obtenir une lecture en temps réel. Le graphique de « Strain vs Time » (graphique 1) que nous fournissons avec chaque analyse des contraintes représente l'évolution de l'étirement sur une période de 10 secondes. Pendant cette période, le vide est créé à l'intérieur du gabarit, puis annulé. Les trois courbes rouge, jaune et bleu représentent les trois différents axes des senseurs utilisés. La courbe noire représente l'étirement maximal calculé selon l'équation suivante :

MAX( |e1+e2-e3|, |e3| )

Typiquement, nous recommandons que l'étirement maximal soit sous 600 microdéformations en tout temps. Le niveau d'étirement est directement proportionnel au niveau de pression induit par la mise sous vide, soit entre 28 et 29 pouces de mercure.

Les capteurs à jauges de contrainte peuvent être installés à tout endroit où l'on s'attend à un étirement important dû à une concentration élevée de sondes. Une directive de l'IPC sur les tests avec capteurs à jauges de contrainte (3) est que tout composant BGA avec une taille plus grande ou égale à un pouce devrait être testé. Il convient d'installer des capteurs aux quatres coins du composant à tester. Si tous les composants BGAs sur la carte de circuits imprimés sont de moins d'un pouce, il est recommandé d'effectuer des mesures sur les trois plus gros composants.

Vitesse d'étirement

La vitesse de flexion est l'augmentation de l'étirement par seconde (microdéformation/sec.). L'étude de Bansal, Yoon & Mahadev (2) a démontré la relation entre les bris de BGA et les vitesses de flexion. Plus la force est appliquée sur le PCB rapidement, moins la force doit être grande pour endommager la carte. Une petite force appliquée très rapidement est plus dommageable qu'une grande force appliquée lentement. L'étude démontre qu'il est possible de répéter les bris de BGA en production, lors de tests de flexion à haute vitesse (>5000 microdéformations/sec.). À de basses vitesses (environ 500 microdéformations/sec.), ils ont démontré que certaines composantes résistaient même jusqu'à 6800 microdéformations. Par contre, à haute vitesse, un étirement de 1000 microdéformations était suffisant pour endommager les composantes. Nous suggérons d'avoir un étirement maximum de 600 microdéformations en tout temps.

Dans le graphique précédent, les points dépassant |5000| doivent être considérés comme indiquant une zone où l'étirement doit être sous la barre de 600 microdéformations. Entre la septième et la huitième seconde, on voit que l'étirement a décéléré jusqu'à un rythme d'environ -6200 microdéformations/seconde. Dans le graphique suivant, on peut confirmer que les valeurs de l'étirement sont sous la limite établie.

Il est donc primordial de mesurer et contrôler les vitesses de flexion. La vitesse à laquelle les forces des sondes et de dépression sont appliquées sur le PCB peut facilement être contrôlées, en utilisant un régulateur de débit pour la mise sous vide, ou en utilisant plus ou moins de ressort de soutien entre les plaques de base et de support de la fixture. Seul un équipement adéquat utilisant des capteurs à jauges de contrainte peut mesurer les vitesses de flexion dans le temps.

Analyse logiciel

Les logiciels d'Analyse d'Éléments Finis (AEF) sont utilisés dans presque tous les milieux d'ingénierie. Originalement conçus pour résoudre des systèmes d'équations différentielles complexes, ces logiciels se sont vus accordé une véritable vocation à la prédiction des niveaux de stress dans toutes sortes de domaine. Ces logiciels sont généralement adaptés aux CADs reconnus, de façon à pouvoir être utilisés dans toutes les applications possibles. De nature très complexe et versatile, les algorithmes de ces logiciels peuvent prendre plusieurs heures à résoudre un système comportant plusieurs pièces, telles que les milliers de sondes dans un gabarit en circuit.

Dans le cas qui nous concerne chez Rematek, nous avons choisi d'intégrer notre outil d'analyse directement à l'intérieur de notre logiciel de conception de gabarits; DrillCAD. Ce logiciel, que nous développons de façon continue depuis 1994, s'avère être l'outil de conception de gabarits le plus sophistiqué sur le marché. Ses toutes nouvelles fonctions d'analyse par Simulation des Différences Finies (SDF) nous permettent maintenant de prédire avec grande précision les déplacements, les pressions, ainsi que les étirements partout sur le PCB pendant l'étape de conception du gabarit.

Notre outil SDF nous permet non seulement de tenir compte de la force des sondes, du positionnement des doigts de pression/butoirs, et de l'épaisseur de la plaque, mais aussi de la présence des composants sur le dessus et en dessous du PCB. Les logiciels d'analyse en 2D habituellement utilisés dans l'industrie des essais en circuit, considèrent le PCB comme une plaque ayant une élasticité uniforme. Un tel logiciel calculera que l'étirement maximal sous un BGA est situé en son centre. Alors qu'en pratique, nous savons que les forces se concentrent sur les rebords extérieurs d'un BGA.

DrillCAD a été programmé en fonction d'une plaque ayant des propriétés non-uniformes. Il nous est donc possible de définir les zones où les composants ajoutent de la rigidité à l'ensemble. Tel que décrit dans l'exemple de l'image 3, un BGA concentrera les forces de pression et les étirements sur ses rebords, diminuant ces mêmes facteurs en son centre.

Les exemples suivants montrent les déplacements et les étirements sous forme de région coloriée sur la carte testée, avec et sans l'utilisation des propriétés non-uniformes pour la plaque. Les couleurs rouge et magenta représentent des zones avec un déplacement plus grand que 0.005" ou un étirement de plus de |500|.

Parfaitement adaptée à l'analyse d'une plaque mince telle qu'un PCB, notre outil SDF nous permet d'obtenir des résultats avec multiples itérations en quelques minutes. Ainsi nous pouvons rapidement optimiser le design de nos fixtures afin de minimiser les niveaux d'étirement sur les PCBs, sans allonger les délais de livraison de nos projets. Un fois ce travail terminé, DrillCAD nous permet d'exporter tous les fichiers nécessaires à la fabrication du gabarit tels que les fichiers de perçage, les fichiers de filage, et les fichiers de tests.

Des gabarits d'essais améliorés

Pour réduire les pressions exercées sur un PCB, la première solution, et la plus simple, consiste à réduire la force des sondes, lorsque cela est possible. Deuxièmement, le positionnement des doigts de pression/butoirs doit être optimisé afin de contrer les forces des sondes. Mais cela est souvent très difficile à réaliser. Mécaniquement, les butoirs doivent êtres situés exactement sous les doigts de pression afin d'éviter la création de points de cisaillement (image 5).

La densité des composantes sur les deux côtés des PCBs rend souvent cette règle impossible à respecter. Il est alors nécessaire d'éliminer les doigts de pression/butoirs en utilisant des surfaces de contact qui maximiseront les points d'appui.

En plus de parfaitement supporter le PCB en éliminant une grande partie des déformations, cette méthode (image 6) a l'avantage d'améliorer significativement la précision de l'assemblage. Les sondes sont guidées jusqu'à leur point de contact sans possibilités de déviations. Par contre, il est nécessaire de dégager tous les composants afin d'éviter tout contact possible entre la plaque de pression et les composantes. Les tolérances de positionnement des composantes variant d'un manufacturier à l'autre, il est possible que certains composants soient en conflit avec la plaque de pression, même si suffisament d'espace libre fut dégagé dans les cavités. Afin de minimiser cette possibilité nous utilisons donc un mélange des deux méthodes.

Cette méthode des « Îlots » représente le parfait compromis entre la méthode standard et les plaques de pression. Le PCB est parfaitement supporté grâce aux îlots de pression dans les zones de forte déformation identifié avec notre outil SDF, et supporté à l'aide de doigts de pression/butoirs là où l'espace est suffisant. Cette méthode a démontré d'excellents résultats.

En résumé

La prise de mesures avec des capteurs à jauges de contrainte est une méthode fiable pour trouver et résoudre les étirements excessifs sur un PCB. La prise de telles mesures devrait être incluse dans le programme d'entretien préventif du gabarit. Toute modification du gabarit ayant trait aux sondes, aux doigts de pression, à la plaque de support, au caisson sous vide, etc. peut entraîner une modification de la distribution des contraintes sur le PCB et nécessitera donc la prise de nouvelles mesures.

Le bris de BGA peut se produire non seulement lors des essais en circuit, mais aussi durant l'assemblage de la carte de circuits imprimés, de l'intégration au système, de l'emballage et de l'expédition. Nous vous suggérons de consulter le document (3) JEDEC-9704 de l'IPC pour des directives précises sur la prise de mesures avec des capteurs à jauges de contrainte.

Notre outil SDF de simulation, utilisé conjointement avec nos équipements d'analyse d'étirement, nous a permis de développer de nouvelles méthodes de conception de gabarits très efficaces. Réduisant significativement les zones de déformations sur les PCB, ainsi que les bris potentiels en milieu de production, nos méthodes sont en constante évolution afin de toujours répondre aux besoins de nos clients.

Pour de plus amples informations, n'hésitez pas à contacter notre service à la clientèle à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser..

Auteur

Marco Deblois
Président Rematek Inc.
Montréal, Québec, Canada

Références

1. PREDICTING BRITTLE FRACTURE FAILURES par P. Borgesen, B. Sykes, Surface Mount Technology, octobre 2005

2. FLEXURAL STRENGHT OF BGA SOLDER JOINTS WITH ENIG SUBSTRATE FINISH USING 4-POINT BEND TEST par A. Bansal, S. Yoon, V. Mahadev, Altera Corporation, janvier 2005

3. IPC/JEDEC-9704, PRINTED WIRING BOARD STRAIN GAGE TEST GUIDELINE, élaboré par le JEDEC Reliability Test Methods for Packaged Devices Committee (JC-14.1) et le SMT Attachment Reliability Test Methods Task Group (6-10d) of the Product Reliability Committee (6-10) of IPC, juin 2005