Stratégie de testabilité en production des cartes électroniques à forte densité d’intégration et à signaux rapides

Testability strategy in production for printed circuit board assemblies with high density and high speed signals.

• Auteur / Autrice : Nabil El belghiti alaoui
• Direction : Patrick Tounsi, Alexandre Boyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 23/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Sonia Bendhia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Tounsi, Alexandre Boyer, Geneviève Duchamp, Bruno Allard, Fabien Ndagijimana
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Duchamp, Bruno Allard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrotechnique

Mots clés libres

Testabilité

Haute densité

Accessibilité

Signaux rapides

Couverture de test

Dft-Dfx

Testability

High density

Accessibility

High speed signals

Test coverage

Dft-Dfx

Résumé

Les étapes de test en production sont basées à ce jour sur des contrôles optiques (AOI), inspection des joints de soudures par Rayons-X (AXI), électriques (ICT) et tests fonctionnels. Face à la multiplication et à la miniaturisation des composants, la cohabitation de plusieurs technologies (numérique, analogique, radiofréquence, puissance…) sur le même PCB (Printed Circuit Board), les moyens de test listés précédemment ne sont plus suffisants pour répondre complètement aux exigences de couverture de tests en production, car peu performants et coûteux en temps de développement et de cycle de test.L'objectif de cette thèse CIFRE avec ACTIA Automotive en collaboration avec le laboratoire LAAS-CNRS est de définir une stratégie de test en production innovante et adaptée aux produits à forte densité en envisageant dans un premier temps toutes les techniques existantes ou à développer. Pour ce faire, nous avons abordé dans cette thèse, des améliorations à apporter aux méthodologies de test existantes et proposé également des approches de test utilisables en amont de la production des PCBAs (Printed Circuit Board Assemblies) à haute densité et à signaux rapides.Premièrement, nous avons introduit une nouvelle technique sans contact pour tester des PCBAs lorsque l’accès physique de test est très limité. La technique consiste à utiliser des sondes de champ magnétique proche, qui détectent la distribution de champ magnétique émanant de certains composants montés sur le PCB dans le but de tester leur présence sur la carte et leur valeur par la suite. Deuxièmement, une approche de test utilisant des signatures thermiques infrarouges est présentée. Cette technique peut détecter les défauts d’assemblage du composant tel que sa présence, sa valeur et dans certain cas son état de santé, ce qui permet de conclure sur l’état de défaut du PCBA. Afin d’évaluer la pertinence de ces deux techniques, plusieurs scénarios de défaut ont été considérés et analysés avec un algorithme de détection de valeurs aberrantes. Sur plusieurs cas, les défauts de fabrication sont discriminés avec des marges importantes, tout en tenant compte de la variabilité de spécification des composants.Finalement, une technique pour regagner de l’accessibilité de test sur des pistes de transmission de signal de haute fréquence est présentée. La technique consiste à utiliser de petites ouvertures dans le masque de soudure directement au-dessus des pistes portant des signaux digitaux. Les conducteurs exposés sont mis en contact avec une sonde à bout déformable, conducteur et anisotrope. La faisabilité industrielle de cette technique a été testée sur un prototype que nous avions développé en collaboration avec la filiale d’ACTIA Group : ACTIA Engineering Services.

Until today, the production tests are based mainly on optical verification (AOI), X-ray inspection (AXI), electrical (ICT) and functional tests. Faced with the miniaturization of component packages, the high densification and integration of several technologies (digital, analog, radio frequency, power ...) on the same PCB (Printed Circuit Board), the test techniques listed above are no longer sufficient to fully meet the production test coverage requirements, because they are costly in terms of development time and test cycle and are not very efficient.The objective of this CIFRE thesis with ACTIA Automotive in collaboration with LAAS-CNRS is to define an innovative production test strategy adapted to high-density products. To do this, we have addressed in this work, improvements to existing test methodologies and proposed test approaches usable upstream of the production process of PCBAs (Printed Circuit Board Assemblies).First, we introduced a new contactless technique for testing PCBAs with limited physical test access. The technique involves the use of near-field magnetic sensors, which detect the magnetic signatures from components mounted on the PCB in order to test their presence and their value thereafter. Secondly, a test approach using infrared thermal signatures is presented. This technique can detect component assembly defects such as, presence, value and in some cases its state of health, which allows concluding on the PCBA state of defect. In order to evaluate the relevance of these two techniques, several fault scenarios were considered and analyzed with an outlier detection algorithm. In several cases, the manufacturing defects are discriminated with significant margins, while taking into account the variability in component specifications.Finally, a technique for regaining test accessibility on high frequency signal transmission tracks is presented. The technique uses small openings in the solder mask directly above the tracks carrying digital signals. The exposed conductors are contacted with a probe with deformable and anisotropic conductive tip. The industrial feasibility of this technique was tested on a prototype that we developed in collaboration with the ACTIA Group subsidiary: ACTIA Engineering Services.