La vibration aléatoire et le cyclage thermique sont les deux contraintes sur lesquelles reposent la plupart des déverminages de production, et elles précipitent des défauts différents. Ce guide explique quels défauts de fabrication chaque contrainte trouve et pourquoi, quand les combiner, ce que chacune coûte en temps et en équipement, et comment choisir pour un produit donné.
Deux contraintes, deux mécanismes
Un déverminage fonctionne en appliquant une contrainte qui transforme un défaut latent en défaillance que le test peut détecter. Les deux contraintes y parviennent par des physiques différentes.
| Vibration aléatoire | Cyclage thermique | |
|---|---|---|
| Charge sur le défaut | Force d'inertie due à l'accélération, amplifiée à chaque résonance | Déformation due à la dilatation différentielle entre matériaux assemblés |
| Ce qui la pilote | Masse de la pièce, raideur de son support, spectre d'entrée | Écart de coefficient de dilatation thermique (CTE), plage de température, taille de la pièce |
| Exposition typique | Quelques minutes par axe | Plusieurs heures (plusieurs cycles, chacun avec rampes et paliers) |
| Emplacement du défaut | Là où une masse pend sur une fixation faible | Là où deux matériaux de CTE différents sont assemblés |
Un défaut relève davantage d'une colonne que de l'autre. C'est pourquoi un déverminage construit sur une seule contrainte laisse intacte une classe de défauts prévisible.
Ce que trouve la vibration
Sous accélération, chaque composant tire sur sa fixation avec une force proportionnelle à sa masse (F = m × a). Les composants CMS légers sur une carte rigide voient peu de charge. Les composants lourds, les pattes longues et les câbles en voient beaucoup plus, et la carte elle-même fléchit à ses résonances.
Défauts précipités par la vibration aléatoire :
- Visserie desserrée ou sous-serrée : vis, entretoises, écrous sur bornes, brides de dissipateur
- Brasures fissurées ou sèches sur composants lourds : gros condensateurs électrolytiques, inductances, transformateurs, connecteurs traversants
- Brasures sur fils et câbles : fils de puissance brasés sur pastilles, fils de phase moteur, fils de batterie, avec ou sans maintien mécanique
- Connecteurs : enfichage partiel, verrous absents, contacts sertis avec trop peu de brins
- Masses non maintenues : composants debout sur leurs pattes sans colle, faisceaux sans attaches
- Particules et débris : billes de brasure, chutes de fil, qui se déplacent et court-circuitent sous vibration
Une brasure sèche sur un fil lourd peut afficher une résistance normale au repos, parce que les surfaces fissurées se touchent encore. Sous vibration, le contact s'ouvre et se ferme, et la résistance fluctue. Un test qui mesure en continu pendant la vibration le voit. Un test après la vibration, souvent pas.
Comment la résonance concentre la charge
La carte et ses composants lourds répondent le plus à leurs fréquences propres. L'équation de Miles estime la réponse en accélération RMS d'une résonance unique excitée par un spectre aléatoire plat :
Grms_response = sqrt( (π / 2) × fn × Q × PSD )fn: natural frequency of the part or board, HzQ: amplification at resonance (dimensionless)PSD: input power spectral density at fn, g²/HzExample values: fn = 300 Hz, Q = 10, PSD = 0.04 g²/HzGrms_response = sqrt(1.571 × 300 × 10 × 0.04) = sqrt(188.5) ≈ 13.7 gLes valeurs de l'exemple sont illustratives. Ce qui compte est la dépendance : la réponse croît avec Q, donc un composant lourd sur un support souple concentre le déverminage précisément sur la fixation qu'un défaut de fabrication affaiblit.
Ce que trouve le cyclage thermique
Quand la température change, chaque matériau se dilate à son propre rythme. Là où deux matériaux sont assemblés, l'écart est repris sous forme de déformation par le joint qui les relie. Pour une brasure entre un composant et une carte, la déformation en cisaillement varie comme :
γ ≈ (Δα × ΔT × L) / hΔα: CTE difference between component and board, 1/KΔT: temperature swing, KL: distance from the component's neutral point to the joint, mh: solder joint height, mExample values: Δα = 10 ppm/K, ΔT = 125 K, L = 5 mm, h = 0.1 mmγ ≈ (10e-6 × 125 × 5e-3) / 1e-4 = 0.0625Là encore, les nombres sont un exemple. Ce sont les dépendances qui comptent : les grands boîtiers (L long), les joints fins (h petit) et les couples de matériaux à fort écart de CTE concentrent la déformation. Un joint avec une lacune, un mouillage insuffisant ou une fissure existante a moins de surface porteuse et casse en premier.
Défauts précipités par le cyclage thermique :
- Fatigue des brasures marginales : lacunes, ménisques insuffisants, mauvais mouillage, surtout sur les grands boîtiers céramiques et BGA
- Trous métallisés et vias : fissures de fût dues à la dilatation de la carte dans son épaisseur
- Défauts de composants : condensateurs céramiques fissurés, lacunes de report de puce, fils de câblage fragiles
- Délaminage : dans la carte, sous le vernis de tropicalisation, dans l'enrobage
- Joints d'étanchéité et colles : fuites de boîtiers étanches, collages entre matériaux mal appariés
- Dérive paramétrique : composants qui sortent de tolérance aux extrêmes de température
Le cyclage thermique révèle aussi des défauts non mécaniques : un oscillateur marginal qui ne démarre pas à froid, une marge de timing qui se ferme à chaud. Ils n'apparaissent que si l'unité est alimentée et surveillée pendant les cycles.
Profils combinés
Certains défauts demandent les deux contraintes en même temps. Une fissure de brasure peut rester fermée à l'ambiante sous vibration, rester fermée en cyclage thermique sans vibration, mais s'ouvrir quand la carte est froide (matériaux plus raides, brasure moins ductile) et vibre. Les déverminages combinés appliquent la vibration pendant le cycle thermique, en général pendant les paliers froid et chaud.
| Approche | Équipement | Remarques |
|---|---|---|
| Séquentielle (vibration puis thermique, ou l'inverse) | Pot vibrant et enceinte séparés | La plus simple ; chaque contrainte réglée indépendamment ; manque les défauts qui demandent les deux à la fois |
| Combinée dans une même enceinte | Enceinte avec table vibrante intégrée | Attrape les défauts à contrainte combinée ; paramètres vibratoires et thermiques interagissent via le montage |
Les enceintes utilisées pour le HALT et le HASS associent souvent une enceinte thermique rapide à une table pneumatique à chocs répétitifs. Cette table excite plusieurs axes à la fois avec un spectre large bande, ce qui diffère de l'excitation mono-axe à spectre contrôlé d'un pot électrodynamique. Un profil mis au point sur un type ne se transpose pas directement à l'autre.
Coût et durée
Les deux contraintes ne coûtent pas la même chose.
| Facteur de coût | Vibration aléatoire | Cyclage thermique |
|---|---|---|
| Durée par unité | Courte : quelques minutes par axe | Longue : plusieurs cycles de rampe et palier, fixés par l'inertie thermique du produit |
| Unités par chargement | Limitées par la surface de la table et le montage | Nombreuses par chargement d'enceinte, si l'air atteint chacune |
| Montage | Montage spécifique au produit, conçu et caractérisé pour ses résonances | Rack ou plateau, rarement spécifique |
| Surveillance | Le câblage doit tenir la vibration | Le câblage doit traverser la paroi de l'enceinte et tenir la plage de température |
| Risque de profil | Une résonance du montage peut sur-tester ou sous-tester le produit | Un palier trop court laisse le produit loin de la consigne |
La durée d'un cyclage thermique est dominée par la vitesse à laquelle le produit, et non l'air, change de température. Augmenter la vitesse de rampe de l'enceinte ne raccourcit le cycle que si le produit suit. Mesurez le produit avec un thermocouple pendant la mise au point du profil.
Comment choisir
Partez des faits, pas de l'habitude. Le tableau ci-dessous associe des observations à la contrainte qui y répond.
| Observation | Contrainte à appliquer en premier |
|---|---|
| Retours terrain avec brasures fissurées sur composants lourds, fils ou connecteurs | Vibration aléatoire |
| Retours terrain après un certain nombre de cycles de température en service, fissures de fatigue sur boîtiers | Cyclage thermique |
| Produit avec composants lourds, fils brasés à la main, faisceaux, assemblages vissés | Vibration aléatoire |
| Produit avec grands boîtiers céramiques ou BGA, matériaux mixtes, boîtiers étanches ou enrobés | Cyclage thermique |
| Produit soumis à la vibration et à la température en même temps en usage (véhicules, aéronefs, drones) | Les deux, envisager le combiné |
| Défauts qui passent le test fonctionnel mais défaillent par intermittence sur le terrain | La contrainte qui reproduit l'intermittent, avec surveillance pendant la contrainte |
Quand ni le produit ni les données terrain ne désignent clairement une contrainte, appliquez les deux pendant une période et enregistrez laquelle précipite chaque défaillance. Ces données tranchent la question pour le produit.
Mesurer quelle contrainte trouve quoi
Pour décider sur données, enregistrez chaque contrainte comme une phase séparée, avec la même mesure de surveillance dans chacune. Avec TofuPilot, une procédure avec une phase de vibration et une phase de cyclage thermique, chacune avec une mesure de comptage de défauts, enregistre pour chaque numéro de série sous quelle contrainte l'unité a échoué.
procedure.yaml40 lines
name: Controller Board Screenversion: 1.0.0execution: workers: 1 # l'unité passe une contrainte à la foisplugs: - name: Shaker Controller key: shaker python: plugs.shaker:ShakerController - name: Thermal Chamber key: chamber python: plugs.chamber:ThermalChamber - name: Unit Monitor key: monitor python: plugs.monitor:UnitMonitormain: - name: Random Vibration Z key: vibration_z python: phases.vibration:random_vibration with: axis: "Z" duration_s: 600 measurements: - name: Vibration Faults validators: - operator: "==" expected_value: 0 - name: Thermal Cycling key: thermal_cycling python: phases.thermal:thermal_cycling depends_on: [vibration_z] timeout: 10h measurements: - name: Thermal Faults validators: - operator: "==" expected_value: 0La durée ci-dessus est une valeur d'exemple. Avec on_first_failure laissé à sa valeur par défaut (stop), une unité qui échoue en vibration ne passe pas au cyclage thermique, donc chaque défaillance est attribuée à la première contrainte qui l'a trouvée. Sur le dashboard, le Pareto des défaillances compare alors Vibration Faults et Thermal Faults sur l'ensemble des unités. Si une contrainte ne fait échouer aucune unité sur un volume de production significatif, alors que les échappées de sa classe de défauts restent nulles sur le terrain, cette contrainte est candidate à la suppression. Pour la vue d'ensemble des défaillances qu'un déverminage ne capture pas, voir pourquoi le rendement baisse.
Pièges courants
Choisir une contrainte selon l'équipement disponible. Avoir une enceinte sur site ne fait pas du cyclage thermique le bon déverminage pour un produit dont les défauts sont sur des fils lourds.
Tester seulement après la contrainte. Les deux contraintes produisent des intermittents qui se referment au repos et à l'ambiante. Surveillez pendant la contrainte.
Ignorer le montage. Une résonance du montage vibratoire dans la bande d'essai change le niveau vu par le produit plus que le réglage du profil.
Compter le temps d'enceinte comme du temps produit. Le palier commence quand le produit atteint la température, pas quand l'air l'atteint.
Transposer un profil d'un type de table à l'autre. Les excitations à chocs répétitifs et électrodynamiques ne sont pas équivalentes. Remettez le profil au point.
Points clés
- La vibration aléatoire charge les fixations en proportion de la masse et de la résonance : elle trouve la visserie desserrée, les brasures fissurées sur composants lourds et fils, et les défauts de connecteurs.
- Le cyclage thermique charge les joints assemblés en proportion de l'écart de CTE, de l'amplitude de température et de la taille du boîtier : il trouve la fatigue des brasures, les fissures de vias et les défauts de composants.
- Certains défauts n'apparaissent que sous les deux contraintes réunies, ce que traitent les profils combinés.
- La vibration est courte par unité mais demande un montage produit ; le cyclage thermique est long mais charge beaucoup d'unités à la fois.
- Choisissez à partir des retours terrain et de la construction du produit, puis confirmez sur données en enregistrant chaque contrainte comme une phase avec sa propre mesure de défauts.
