Screening de stress vibratoire

Points clés

Définition : Le criblage de contrainte par vibration (VSS) est un processus utilisé pour faire apparaître des défauts de fabrication latents sous forme de défaillances détectables sans réduire la durée de vie utile du matériel fonctionnel.
Métriques clés : La densité spectrale de puissance (PSD) et le Grms (accélération quadratique moyenne) sont les métriques primaires pour définir le profil énergétique du test.
Différenciation : Contrairement à la qualification de conception qui teste jusqu'à la défaillance, le VSS est un criblage de production destiné à détecter les erreurs de fabrication comme les soudures froides ou les fixations desserrées.
Criticité du montage : Le montage mécanique utilisé pour maintenir le PCB doit être exempt de résonance dans la plage de fréquences de test afin d'assurer une transmission précise de l'énergie.
Validation : Un VSS réussi nécessite une surveillance fonctionnelle pendant le cycle de vibration, et pas seulement une vérification de réussite/échec après coup.
Coût vs. Fiabilité : Bien que le VSS ajoute du temps de fabrication initial, il réduit considérablement le coût des retours sur le terrain et des réclamations de garantie.
Intégration : Le VSS est plus efficace lorsqu'il est combiné avec le cyclage thermique dans un profil de criblage de contrainte environnementale (ESS).

Ce que signifie réellement le criblage de contrainte par vibration (portée et limites)

Le criblage de stress vibratoire est souvent mal interprété comme un test destructif, mais son véritable objectif est l'assurance qualité, et non la destruction. Chez APTPCB (Usine de PCB APTPCB), nous définissons le criblage de stress vibratoire comme une application contrôlée d'énergie mécanique à un assemblage de carte de circuit imprimé (PCBA) afin d'exposer les défauts cachés qui, autrement, entraîneraient une défaillance précoce dans la durée de vie opérationnelle du produit.

La portée du VSS couvre la transition d'une carte "techniquement conforme" à une carte "fiabilité prouvée". Dans la fabrication standard, un joint de soudure peut réussir les tests de continuité électrique même s'il est fissuré à 90 % ou maintenu uniquement par des résidus de flux. Dans des conditions statiques, cette carte fonctionne. Cependant, une fois le produit expédié et soumis aux vibrations du transport, des moteurs automobiles ou des machines industrielles, ce joint faible échouera. Le VSS simule ces contraintes dans un laps de temps réduit pour forcer cette défaillance à se produire à l'intérieur de l'usine, plutôt qu'entre les mains du client.

Il est crucial de distinguer le VSS du HALT (Tests de Durée de Vie Hautement Accélérés). Le HALT est un processus de vérification de la conception utilisé pendant la R&D pour trouver le point de rupture absolu d'une conception. Le VSS, à l'inverse, est un criblage de fabrication effectué sur 100 % des unités de production (ou un échantillon statistique) à des niveaux bien inférieurs à la limite de conception, mais suffisamment élevés pour révéler les faiblesses de fabrication. La limite du VSS se termine là où commence la durée de vie en fatigue. Un profil VSS correctement conçu ne consomme qu'une fraction négligeable de la durée de vie en fatigue du produit (généralement moins de 5%) tout en garantissant la détection des défauts de fabrication—tels qu'un mauvais mouillage, une déformation des fils ou un matériel mécanique desserré.

Métriques importantes (comment évaluer la qualité)

Comprendre la définition du VSS prépare le terrain pour les paramètres spécifiques utilisés pour mesurer et contrôler le processus de criblage. Pour mettre en œuvre un criblage efficace, les ingénieurs doivent aller au-delà du simple "secouage" et comprendre la physique de l'énergie vibratoire. Les métriques suivantes constituent le langage standard des essais de vibration.

Métrique	Pourquoi c'est important	Plage typique ou facteurs influençants	Comment mesurer
Densité Spectrale de Puissance (DSP)	Décrit comment la puissance vibratoire est distribuée sur différentes fréquences. Il garantit que le test excite toutes les résonances pertinentes du PCB.	0.04 $g^2/Hz$ est courant pour le criblage. Les secteurs à haute fiabilité peuvent aller plus haut.	Mesuré via des accéléromètres et analysé à l'aide d'analyseurs de Transformée de Fourier Rapide (FFT).
Grms (Valeur Efficace Quadratique Moyenne)	Représente l'énergie ou l'intensité globale du profil de vibration. C'est la racine carrée de l'aire sous la courbe DSP.	De 3 Grms à 10 Grms pour l'électronique standard ; jusqu'à 20+ Grms pour l'aérospatiale.	Calculé à partir du profil DSP ; surveillé par le contrôleur de vibration.
Plage de fréquences	Définit la bande passante de la vibration. La plage doit couvrir les fréquences naturelles des composants et de la carte elle-même.	De 20 Hz à 2000 Hz est la norme industrielle pour le criblage par vibrations aléatoires.	Défini dans le logiciel du contrôleur de vibration.
Durée	Détermine la durée d'application de la contrainte. Trop court manque les défauts ; trop long cause des dommages de fatigue aux bonnes pièces.	De 5 à 15 minutes par axe est typique pour le criblage de production.	Minuteur sur le contrôleur de la table vibrante.
Transmissibilité (Q)	Indique à quel point la vibration est amplifiée par la carte PCB à sa fréquence de résonance. Un Q élevé signifie une contrainte élevée sur les composants.	Des facteurs Q de 10 à 50 sont courants pour les PCB. L'amortissement réduit cette valeur.	Mesuré en comparant les G d'entrée (table) aux G de réponse (sur la PCB).
Kurtosis	Mesure la "pointu" du signal de vibration. Une kurtosis plus élevée introduit des pics plus extrêmes, qui sont meilleurs pour trouver les défauts.	La distribution gaussienne (Kurtosis = 3) est standard ; une Kurtosis > 3 est utilisée pour un criblage agressif.	Les contrôleurs de vibration avancés permettent le contrôle de la Kurtosis.

Guide de sélection par scénario (compromis)

Une fois que vous avez saisi les métriques fondamentales, l'étape suivante consiste à les appliquer à des scénarios industriels spécifiques où les compromis entre coût, risque et fiabilité varient considérablement. Toutes les cartes PCB ne nécessitent pas le même niveau de criblage.

1. Aérospatiale et Défense

Scénario: PCB utilisées dans l'avionique, les missiles ou les satellites.
Compromis : La fiabilité est primordiale ; le coût est secondaire.
Conseils : Utiliser des Grms élevés (10-20+) et de larges gammes de fréquences. Un criblage à 100% est obligatoire. Le risque de défaillance sur le terrain est catastrophique.
Lien : Pour les substrats à haute fiabilité, considérez les capacités des PCB pour l'aérospatiale et la défense.

2. Électronique automobile

Scénario : Unités de commande moteur (ECU), capteurs montés sur châssis.
Compromis : Volume élevé, environnement difficile, sensible aux coûts.
Conseils : Se concentrer sur les profils "aléatoire sur aléatoire" ou des profils spécifiques "sinus sur aléatoire" qui imitent les harmoniques du moteur. La durée est maintenue courte pour maintenir le débit.
Lien : Découvrez comment les normes des PCB pour l'électronique automobile influencent les profils de test.

3. Systèmes de contrôle industriels

Scénario : API, contrôleurs robotiques, interfaces de machines lourdes.
Compromis : Longue durée de vie requise (10-20 ans).
Conseils : Niveaux Grms modérés. L'accent est mis sur l'élimination des défaillances précoces pour réduire les appels de maintenance. Souvent combiné avec des cycles thermiques.

4. Électronique grand public (portable)

Scénario : Smartphones, tablettes, objets connectés.
Compromis : Volume élevé, le choc de chute est plus critique que la vibration continue.
Conseils : Le VSS est souvent remplacé ou complété par une configuration de test de chute. Si le VSS est utilisé, il se concentre sur l'intégrité des connecteurs et les contacts de la batterie. 5. Dispositifs Médicaux
Scénario: Équipements d'imagerie, moniteurs patient.
Compromis: La précision et l'intégrité du signal sont critiques.
Conseil: Le criblage ne doit pas endommager les composants analogiques sensibles. Des niveaux Grms inférieurs sont utilisés, mais la surveillance fonctionnelle pendant le test est extrêmement stricte pour détecter les bruits intermittents.

6. Serveurs et Centres de Données

Scénario: Fonds de panier haute vitesse, cartes GPU lourdes.
Compromis: Les composants lourds (dissipateurs thermiques) créent des problèmes de résonance uniques.
Conseil: Le VSS se concentre sur la stabilité mécanique des dissipateurs thermiques lourds et des joints de soudure BGA situés en dessous. La fixation doit soutenir la carte pour éviter une flexion excessive.

De la conception à la fabrication (points de contrôle de l'implémentation)

La sélection du bon scénario est théorique tant qu'elle n'est pas appliquée tout au long du cycle de vie de la conception et de la fabrication. Une stratégie de criblage de stress par vibration réussie commence au stade de la conception du layout et se poursuit jusqu'à l'assemblage final.

1. Placement et Orientation des Composants

Recommandation: Placer les composants lourds (inductances, grands condensateurs) près des points de montage ou des renforts.
Risque: Placer des pièces lourdes au centre du PCB permet une déflexion maximale, entraînant la fatigue des composants.
Méthode d'Acceptation: Analyse par Éléments Finis (AEF) pendant la conception.

2. Sélection de l'Alliage de Soudure

Recommandation: Utiliser des alliages avec une résistance à la fatigue plus élevée pour les environnements à fortes vibrations.
Risque: Le SAC305 standard peut être cassant à des vitesses de déformation élevées par rapport aux alliages dopés spécialisés.
Méthode d'Acceptation: Test de cisaillement et analyse de section transversale.

3. Via-in-Pad et Interconnexions

Recommandation: Assurer une épaisseur de placage robuste pour les vias, en particulier dans les conceptions HDI.
Risque: Les vibrations peuvent provoquer des fissures dans le barillet des vias si le placage est insuffisant ou si le rapport d'aspect est trop élevé.
Méthode d'Acceptation: Protocoles de Test et Qualité incluant la micro-section.

4. Conception du Dispositif de Fixation

Recommandation: Le dispositif de fixation doit être plus rigide que le PCB. Sa fréquence de résonance doit être bien supérieure à la plage de test (par exemple, >2000 Hz).
Risque: Si le dispositif de fixation résonne, il amplifie l'énergie de manière incontrôlable, détruisant de bonnes cartes (sur-test) ou absorbant l'énergie (sous-test).
Méthode d'Acceptation: Étude du dispositif de fixation à l'aide d'un accéléromètre avant de tester les produits.

5. Surveillance Fonctionnelle

Recommandation: Mettre la carte sous tension et exécuter des diagnostics pendant la vibration.
Risque: Une "soudure froide" pourrait ne s'ouvrir qu'intermittemment pendant le pic d'un cycle de vibration. Si vous ne testez qu'avant et après, vous manquerez le défaut.
Méthode d'Acceptation: Enregistrement continu des données des signaux critiques.

6. Propreté et Ionicité

Recommandation: Assurer une stricte adhésion aux principes de base de la propreté ionique.
Risque: Les vibrations peuvent déloger des débris conducteurs ou des résidus de flux. Si ces particules se déplacent sous les composants, elles provoquent des courts-circuits.
Méthode d'acceptation: Test Rose ou Chromatographie Ionique.

7. Couple de serrage des vis et fixations

Recommandation: Appliquer un scellement de couple (marques de témoin) et utiliser des rondelles de blocage.
Risque: La vibration est la cause principale du desserrage des fixations. Les vis desserrées deviennent des projectiles à l'intérieur du châssis.
Méthode d'acceptation: Inspection visuelle et vérification du couple après le test.

8. Revêtement Conforme

Recommandation: Appliquer un revêtement pour amortir les vibrations sur les petits composants et sécuriser les fils lourds.
Risque: Les condensateurs hauts non revêtus peuvent osciller et casser leurs fils.
Méthode d'acceptation: Inspection UV de la couverture du revêtement.

9. Analyse par paliers de contrainte

Recommandation: Avant la production de masse, effectuer un test par paliers de contrainte pour trouver les limites de fonctionnement et de destruction.
Risque: Deviner le niveau VSS peut conduire à un criblage trop faible pour trouver des défauts ou trop fort pour la conception.
Méthode d'acceptation: Rapports HALT.

10. Inspection Post-Criblage

Recommandation: Effectuer une AOI ou une radiographie après vibration pour vérifier l'apparition de nouvelles fissures.
Risque: Le criblage lui-même pourrait avoir induit une fissure qui ne s'est pas encore propagée jusqu'à une défaillance électrique.
Méthode d'acceptation: Inspection AOI et échantillonnage par rayons X.

Erreurs courantes (et l'approche correcte)

Même avec un plan de mise en œuvre robuste, les équipes d'ingénierie tombent souvent dans des pièges spécifiques lors de l'exécution. Éviter ces écueils courants garantit que votre test de stress par vibration ajoute de la valeur plutôt que des coûts.

1. Confondre les Limites de Conception avec les Limites de Dépistage De nombreux ingénieurs utilisent à tort la "limite de destruction" trouvée dans HALT comme niveau de dépistage. C'est dangereux.

Approche Correcte: Le niveau de dépistage devrait être environ 50 % de la limite de destruction de la conception. Il doit être suffisamment fort pour précipiter les défauts mais suffisamment faible pour préserver la durée de vie.

2. Ignorer l'Axe Z Tester uniquement sur les axes X et Y parce qu'ils sont plus faciles à fixer est une erreur majeure.

Approche Correcte: Les PCB fléchissent le plus significativement sur l'axe Z (perpendiculairement à la surface de la carte). C'est là que les joints de soudure BGA subissent la plus grande tension. Vous devez dépister sur les trois axes.

3. "Shake and Bake" sans Surveillance Exécuter un profil de vibration sur des cartes non alimentées est essentiellement un processus de tassement mécanique.

Approche Correcte: Les données les plus précieuses proviennent des défaillances intermittentes qui se produisent pendant le stress. Alimentez toujours l'appareil et surveillez les rails critiques.

4. Négliger la Résonance du Fixation Utiliser une fixation bon marché ou improvisée qui résonne à 500 Hz lorsque votre test va jusqu'à 2000 Hz.

Approche Correcte: Effectuez une étude de la fixation. Si la fixation amplifie le signal par 10 à une fréquence spécifique, vous soumettez gravement le produit à un stress excessif à cette fréquence. 5. Négliger les effets thermiques Effectuer des vibrations uniquement à température ambiante.
Approche Correcte: Bien que le VSS soit mécanique, le combiner avec des cycles thermiques (changements de température) rend le dépistage exponentiellement plus efficace. L'expansion/contraction thermique desserre le défaut, et la vibration l'expose.

6. Supposer qu'un profil convient à tous Utiliser un profil "NAVMAT" standard pour un capteur médical délicat.

Approche Correcte: Adapter le profil. Une alimentation électrique lourde nécessite une focalisation sur les basses fréquences différente de celle d'une carte RF haute fréquence.

7. Oublier la gestion des câbles Laisser les câbles s'agiter pendant le test.

Approche Correcte: Fixer tous les câbles. Un câble ou un connecteur défaillant causé par une mauvaise configuration de test est une fausse défaillance qui fait perdre du temps d'ingénierie.

8. Ignorer les principes de base de la propreté ionique Supposer que la vibration ne teste que la résistance mécanique.

Approche Correcte: Reconnaître que la vibration mobilise les contaminants. Si une carte présente un résidu ionique élevé, la vibration peut déplacer des particules conductrices dans des zones critiques, provoquant des courts-circuits difficiles à reproduire ultérieurement.

FAQ

Pour clarifier les nuances permettant d'éviter ces erreurs, voici les réponses aux questions les plus fréquentes que nous recevons concernant le dépistage de stress par vibration.

Q: Quelle est la différence entre la vibration sinusoïdale et aléatoire ? R: La vibration sinusoïdale balaye les fréquences une par une et est bonne pour trouver les résonances. La vibration aléatoire excite toutes les fréquences simultanément, ce qui est plus réaliste pour les environnements réels et meilleur pour le criblage car elle interagit avec plusieurs résonances à la fois.

Q: Le VSS endommage-t-il les bonnes cartes? R: Si conçu correctement, non. Un profil VSS approprié utilise un très faible pourcentage de la durée de vie en fatigue (dommages accumulés) des matériaux. Il est conçu pour ne casser que les pièces "faibles" qui auraient de toute façon échoué.

Q: Comment le VSS se rapporte-t-il à une configuration de test de chute? R: Ils sont complémentaires. Le VSS teste la fatigue continue et les connexions lâches au fil du temps. Une configuration de test de chute teste les impacts de choc soudains et à forte gravité (comme la chute d'un téléphone). La plupart des appareils électroniques grand public nécessitent les deux.

Q: Puis-je utiliser le VSS pour des cartes prototypes? R: Oui, mais pour les prototypes, vous effectuez généralement des tests HALT (tests jusqu'à la défaillance) pour connaître les limites de conception. Le VSS est généralement réservé à la phase de production pour détecter les erreurs d'assemblage.

Q: Combien le VSS ajoute-t-il au coût d'un PCB? R: Cela ajoute des coûts en termes de temps machine, de fabrication de gabarits et de main-d'œuvre. Cependant, pour les systèmes de grande valeur ou critiques, ce coût est négligeable par rapport au coût d'un rappel ou d'une réparation sur le terrain.

Q: Quelle est la durée typique d'un criblage? R: Un criblage de production typique dure entre 5 et 15 minutes par axe. Des durées plus longues entraînent des rendements décroissants à des fins de criblage. Q: Dois-je tester 100 % de mon volume de production ? A: Pour les produits de sécurité aérospatiaux, médicaux et automobiles, un contrôle à 100 % est standard. Pour les biens de consommation, un échantillon statistique (par exemple, 5 % du lot) est souvent suffisant pour surveiller la qualité du processus.

Q: Que se passe-t-il si une carte échoue au VSS ? A: La carte est analysée pour déterminer la cause première. S'il s'agit d'un problème de fabrication (par exemple, une mauvaise soudure), elle est retravaillée et retestée. S'il s'agit d'un problème de conception, l'équipe d'ingénierie doit être informée.

Q: Pourquoi le montage est-il si cher ? A: Le montage doit être usiné avec précision à partir de matériaux comme le magnésium ou l'aluminium pour être rigide, léger et non résonant. Un montage de mauvaise qualité invalide l'ensemble du test.

Q: APTPCB peut-il effectuer le VSS ? A: Oui, APTPCB collabore avec des partenaires et utilise ses capacités internes pour garantir que votre PCBA respecte les normes de fiabilité requises, y compris des conseils sur la conception pour la fiabilité.

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Inspection AOI: Apprenez comment l'inspection optique complète le contrôle mécanique.
PCB pour l'électronique automobile: Spécificités sur les normes de fiabilité pour l'industrie automobile.
Matériaux: Choisir le bon substrat pour résister aux contraintes de vibration.

Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
Accéléromètre	Un capteur utilisé pour mesurer les forces d'accélération (force g) pendant le test.
ESS (Test de Dépistage des Contraintes Environnementales)	Un processus de dépistage qui combine les vibrations, les cycles thermiques et parfois l'humidité.
Fatigue	L'affaiblissement d'un matériau causé par des charges appliquées de manière répétée.
Fixation	La structure mécanique qui fixe le PCB à la table vibrante.
Grms	Accélération quadratique moyenne. Une mesure statistique de l'amplitude des vibrations aléatoires.
HALT (Test de Vie Hautement Accéléré)	Un test de vérification de conception utilisé pour trouver les limites de fonctionnement et de destruction d'un produit.
HASS (Dépistage de Stress Hautement Accéléré)	Un dépistage de production dérivé des résultats HALT, utilisant des contraintes plus élevées que le VSS standard.
Kurtosis	Une mesure statistique de l'"aplatissement" de la distribution de probabilité d'une variable aléatoire à valeurs réelles.
Défaut Latent	Un défaut présent mais non détectable par des tests électriques standard tant qu'une contrainte n'est pas appliquée.
PSD (Densité Spectrale de Puissance)	Une mesure du contenu de puissance du signal en fonction de la fréquence.
Résonance	La tendance d'un système à osciller avec une plus grande amplitude à certaines fréquences qu'à d'autres.
Courbe S-N	Un graphique de l'amplitude d'une contrainte cyclique (S) en fonction de l'échelle logarithmique du nombre de cycles jusqu'à la rupture (N).
Transmissibilité (Q)	Le rapport de l'amplitude de la réponse à l'amplitude de l'entrée à une fréquence spécifique.
Défaut de fabrication	Une défaillance causée par le processus de fabrication (par exemple, la soudure) plutôt que par la conception elle-même.

Conclusion (prochaines étapes)

Le criblage par stress vibratoire est le pont entre une conception qui fonctionne sur le papier et un produit qui survit dans le monde réel. En appliquant une énergie mécanique contrôlée, vous pouvez filtrer les joints de soudure faibles, les composants desserrés et les incohérences de fabrication avant qu'ils ne quittent l'usine.

Pour mettre en œuvre une stratégie VSS efficace, vous devez définir les bonnes métriques (PSD, Grms), sélectionner un scénario approprié pour votre industrie et vous assurer que votre partenaire de fabrication comprend les nuances de la fixation et de la surveillance.

Lorsque vous êtes prêt à passer à la production de votre conception haute fiabilité, APTPCB est là pour vous aider. Pour un examen DFM complet et un devis, veuillez fournir les éléments suivants :

Fichiers Gerber : Pour l'analyse de la disposition.
Détails de l'empilement : Pour évaluer la rigidité du matériau.
Nomenclature (BOM) : Pour identifier les composants lourds ou sensibles.
Exigences de test : Normes spécifiques (par exemple, MIL-STD, IPC) ou profils de vibration personnalisés que vous exigez. S'assurer que votre produit peut résister aux rigueurs de son environnement commence avec le bon partenaire de fabrication. Contactez-nous dès aujourd'hui pour discuter de vos besoins en matière de fiabilité.