FR2952724A1 - Dispositif de controle de la metallisation de cartes electroniques imprimees - Google Patents

Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des moyens de contrôle (10) de la métallisation des circuits imprimés comportant des trous métallisés, en faisant une mesure de type « MDV » durant tout le processus de fabrication des cartes équipées et produits livrés. Lesdits moyens de contrôle comprennent au moins un circuit test (11) de même nature que le circuit imprimé et comportant une pluralité de traversées (12) représentatives des trous métallisés du circuit imprimé, lesdites traversées étant reliées entre elles par des liaisons métalliques (13) de faible résistance électrique de façon à former une chaîne de type « Daisy Chain ». La mesure globale de la résistance de cette chaîne permet de déterminer la qualité et fiabilité de la métallisation durant toute la durée de vie du circuit imprimé. On peut ainsi, suivre les évolutions et dérives des métallisations sur les circuit nus et cartes équipées durant les différents stress thermomécaniques liés à la fabrication et à l'utilisation des cartes et des produits. Ce suivi sera de type MDV et apporte une analyse préventive sur les risques de dérives liées à la dégradation dans le temps des métallisations dans les circuits imprimés.

Description

Dispositif de contrôle de la métallisation de cartes électroniques imprimées Le domaine de l'invention est celui de la vérification et du contrôle des circuits imprimés et des cartes électroniques, et plus particulièrement de la métallisation des trous correspondant aux traversées d'interconnexion encore appelés « vias ».

Les cartes imprimées utilisées pour la réalisation des circuits électroniques comportent des trous métallisés nécessaires aux connexions des différentes équipotentielles entre elles, permettant ainsi le dialogue des différents composants et des fonctions électroniques associées.

Classiquement, le procédé de réalisation de ces trous métallisés dans un circuit imprimé nu comporte cinq étapes principales qui sont détaillées sur la figure 1. Dans une première étape, on dépose sur le circuit imprimé 1 un adhésif « sensibilisé » 2, dans une seconde étape, on perce ou on poinçonne le circuit 1 pour former les trous 3, on réalise ensuite un transfert d'images aux endroits 4 qui ne seront pas métallisés, après conditionnement du matériau, on dépose le métal 5 (en gris sur la figure 1), généralement du cuivre aux emplacements laissés libres par le transfert d'images. Enfin, dans une cinquième et dernière étape, on élimine le transfert 4, seules les parties métallisées 5 subsistent alors, en particulier les bords et l'intérieur du trou 3.

Pendant ces différentes étapes, différents incidents peuvent se produire venant fragiliser la métallisation des trous, comme un mauvais décapage des résines photosensibles encore appelé « stripping » et/ou une mauvaise pénétration de la métallisation à l'intérieur des trous, phénomènes liés au ratio élevé diamètre des trous sur épaisseur de la carte. Comme on le voit sur le schéma de droite de la figure 2, une mauvaise pénétration du cuivre donne une épaisseur de métallisation irrégulière, trop faible par endroit (zone 51 de la figure 2) et bien inférieure à celle que l'on obtient en surface (zone 52 de la figure 2). Une fois les trous 3 réalisés, les « pattes » des différents composants électroniques sont ensuite brasées sur les plages de report. Lors de cette phase, une dilatation du circuit imprimé peut amener des contraintes thermomécaniques sur la longueur du fût métallisé. Là encore, différents incidents peuvent se produire venant altérer la métallisation des trous. Ainsi, les circuits imprimés qui sont généralement des matériaux composites stratifiés constitués de résine et d'une armature sont sensibles à l'humidité et aux pollutions liées aux différents agents chimiques utilisés lors du processus de fabrication. L'humidité et les pollutions venant de l'environnement extérieur vont avec le temps, suite à des phénomènes physico-chimiques, pénétrer au cceur du stratifié jusqu'à provoquer, dans les trous métallisés, un phénomène de dégazage pouvant amener des ruptures de l'intégrité de la métallisation. En effet, l'humidité et les pollutions prisonnières dans la matière du circuit imprimé engendrent des zones de pression. Celle-ci augmente sous l'effet de la température lors des phases de brasage au four. Dans ce cas, des bulles de vapeur peuvent se former dans l'alliage liquide et y produire des défauts pouvant se présenter sous différentes formes telles que des cratères ou des cavités. Ce phénomène n'est pas limité qu'à l'humidité. D'autres produits chimiques, présents lors des processus de fabrication, peuvent également dégazer, par exemple les produits de décomposition, les produits de nettoyages salins, les résidus de solvants,....La figure 3 illustre ce phénomène. Sur cette figure, on a représenté la brasure 7 entourant une patte 6 d'un composant électronique. Celle-ci est disposée dans le trou 3 du circuit 1. Cette brasure 7 n'est pas homogène et comporte de nombreux manques 71. Lors de ces mêmes phases de report, le circuit subit des contraintes thermomécaniques fortes qui peuvent précipiter ces défauts. Ce problème est illustré en figure 4. Cette figure comporte trois schémas représentant le trou 3 métallisé avant brasage (schéma du haut), pendant le brasage (schéma du centre) et enfin, après le brasage (schéma du bas). Avant le brasage, la couche de métal 5, en l'occurrence du cuivre, dans le trou est homogène et solidaire des parois du trou. Pendant le brasage au moyen d'un alliage métallique 7, la dilatation du matériau composant le circuit est supérieure à celle du cuivre. Soumis à cette contrainte thermique, le cuivre se décolle des parois du trou. Après brasage, l'alliage en se solidifiant maintient la pastille de cuivre dans la position de la déformation, le cuivre est alors décollé des parois, fragilisant la brasure et pouvant entraîner la rupture du contact électrique.

Face à ces problèmes, les fabricants de circuits imprimés ont mis au pont un certain nombre de tests et de contrôle, associé au circuit imprimé nu. Un premier test consiste à réaliser un « coupon » test comportant de trous métallisés. Ce coupon est ensuite coupé longitudinalement au niveau des trous et inspecté visuellement pour déterminer si la métallisation des trous est correcte et conforme aux normes en vigueur. Un des défauts de cette méthode de contrôle est que l'inspection est faite à un certain stade de réalisation de la carte, principalement lors de la fabrication des circuits nus. Si des défauts latents sont provoqués lors de la fabrication des cuivres, ils ne sont pas détectés et surviendront par la suite. II n'y pas, à ce jour, de suivi de la variabilité, mesures encore appelées MDV, liée aux différents stress thermomécaniques apportés lors des phases de fabrication des circuits imprimés, des phases d'assemblage des composants et de regroupement des différentes cartes équipées composants un produit fini qui subit des déverminages haute performance, déverminages réalisés par des machines de type « Qualmark » avec des gradients de températures élevés. Il est également possible de réaliser des tests électriques pour vérifier l'intégrité de la réalisation des cartes électroniques équipées. On vérifie ainsi, la conformité fonctionnelle de la carte équipée. On peut ainsi réaliser, des tests de continuité des lignes équipotentielles entre le point de départ et le point d'arrivée de chaque ligne, les points intermédiaires situés sur la ligne étant pris en compte, vérifier le bon fonctionnement des composants grâce aux TIS, acronyme de « Test ln Situ » ou fonctionnels de type JTAG, acronyme de « Joint Test Action Group ». Ce contrôle de continuité est effectué en faisant passer un courant dans la ligne contrôlée et en mesurant la résistance obtenue. On détecte ainsi les coupures dans la ligne ou dans l'équipotentielle. Il est également possible de réaliser des mesures d'isolement soit de lignes équipotentielles entre elles, soit de points isolés. Ce contrôle est effectué en appliquant une tension entre les points et/ou les lignes et en mesurant la résistance d'isolement qui doit être supérieure à celle du testeur. Cette dernière mesure permet la détection des courts-circuits et des défauts d'isolement. Ces différents tests électriques ont pour inconvénient de ne donner qu'une vue de l'état des cartes électroniques à un instant donné, c'est-à-dire en début de cycle de fabrication, ce qui ne permet pas de détecter les dérives et les dégradations éventuelles survenant lors les étapes du processus de réalisation du circuit. D'autre part, ces tests sont essentiellement binaires de type « GO-NOGO » (Cela va û Cela ne va pas), ne détectant ainsi que des anomalies flagrantes. Ainsi, des micro-ruptures de métallisation peuvent passer inaperçues, c'est-à-dire présenter un bon fonctionnement «GO » pendant les tests puis entraîner des défauts électriques lors du câblage de la carte ou pendant les phases d'intégration ou pendant les phases d'utilisation chez le client final.

Pour pallier ces défauts, les fabricants de cartes imprimés utilisent également une méthode permettant d'homogénéiser la métallisation. Le principe est le suivant. On applique aux lignes électriques un courant périodique de quelques dizaines d'hertz issu d'un redresseur à courant pulsé. L'intensité I du courant en fonction du temps t est représentée en figure 5. Chaque période T comporte deux temps. Dans un premier temps T1, l'intensité du courant a une première valeur Il positive constante. Dans un second temps T2 beaucoup plus court que T1, l'intensité du courant a une seconde valeur 12 négative constante. La seconde valeur 12 est 2.5 à 3 fois supérieure à 11. Pendant l'application de ce courant inverse, le circuit que l'on peut assimiler à une cathode devient anode, il y a alors dissolution d'une partie du cuivre déposé et cette dissolution est plus importante sur les zones de haute densité de courant. On obtient ainsi un certain lissage du dépôt métallique. La figure 6 illustre l'amélioration obtenue au moyen de ce procédé. Sur cette figure, les deux courbes en trait continu et en trait pointillé représentent la répartition des dépôts sur une même carte électronique en fonction de leur épaisseur en microns. La courbe en pointillés représente la répartition obtenue avec un redresseur continu. La courbe en continu représente la répartition obtenue avec un redresseur à courant pulsé. On voit que la répartition des épaisseurs est très étalée avec le redresseur à courant continu et beaucoup plus étroite avec le redresseur à courant pulsé. L'amélioration de l'homogénéité du dépôt est particulièrement sensible. Un des défauts de cette méthode est qu'elle ne donne pas d'informations sur l'évolution du procédé de fabrication et ses éventuelles dérives, les résultats étant, là encore, de type GO-NOGO.35 Le dispositif et le procédé de contrôle de la métallisation de cartes électronique selon l'invention ne présente pas ces différents inconvénients.

Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif électronique comprenant au moins un circuit imprimé comportant des trous métallisés ou « vias » et des moyens de contrôle de la métallisation desdits trous métallisés d'interconnexion, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comprennent au moins un circuit test de même nature et de même technologie que le circuit imprimé en comportant une pluralité de traversées représentatives des trous métallisés d'interconnexions du circuit imprimé, lesdites traversées étant reliées entre elles par des liaisons métalliques de faible résistance électrique de façon à former une chaîne encore appelée « Daisy Chain » dont l'impédance est faible comparée à une impédance prédéterminée, cette impédance prédéterminée étant représentative d'un défaut critique de métallisation, c'est-à-dire d'un défaut susceptible d'entraîner une panne ou un dysfonctionnement du circuit. Avantageusement, le ratio diamètre des traversées sur épaisseur du circuit test est représentatif des trous métallisés de connexions fonctionnels, c'est-à-dire que le ratio diamètre des traversées sur épaisseur du circuit test est sensiblement égal au ratio diamètre des trous métallisé d'interconnexion sur épaisseur du circuit imprimé, la densité de traversées étant sensiblement égale à celle des trous métallisés, le nombre de traversées du circuit de test étant préférentiellement compris entre 5% et 15% du nombre total de trous métallisés fonctionnels.

Dans un premier mode de réalisation, le circuit test est implanté sur le circuit imprimé. Dans un second mode de réalisation, le circuit test est autonome et dédié au contrôle d'une pluralité de circuits imprimés. Avantageusement, les moyens de contrôle comportent une fonction de mesure de la résistance électrique de la chaîne des traversées du circuit test et une fonction de comparaison de ladite résistance électrique avec une valeur de consigne. Ils peuvent également comporter des fonctions d'alarme, lesdites fonctions d'alarme étant déclenchées dès que la valeur de la résistance électrique de la chaîne des traversées du circuit test dépasse la valeur de consigne d'une valeur pré-déterminée. Ces fonctions d'alarme peuvent être de type visuel ou remonter au niveau de la carte équipée ou au niveau du produit fermé, au moyen d'une liaison de type discret sur le connecteur électrique du dispositif électronique.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente les différentes étapes de la métallisation d'un trou dans un circuit imprimé; Les figures 2, 3 et 4 déjà commentées représentent les différents défauts pouvant survenir au cours des différentes étapes de la métallisation de ces trous ; Les figures 5 et 6 représentent l'intensité périodique issue d'un redresseur à courant pulsé et appliquée à des trous métallisés et 15 l'homogénéité de métallisation qui en résulte ; La figure 7 représente le synoptique général des moyens de contrôle selon l'invention de la métallisation d'un circuit imprimé ; La figure 8 représente deux implantations possibles du circuit test selon l'invention ; 20 La figure 9 représente une réalisation électronique possible de la fonction de comparaison de la résistance électrique avec une valeur de consigne ; La figure 10 représente une réalisation possible de la fonction alarme.

La figure 7 représente le synoptique général des moyens de contrôle 10 de la métallisation d'un circuit imprimé comportant des trous de brasage. Ce circuit n'est pas représenté sur cette figure. Ces moyens comportent essentiellement : un circuit test 11 de même nature que le circuit imprimé et comportant une pluralité de traversées 12. Les traversées sont reliées entre elles par des liaisons métalliques 13 de faible résistance électrique de façon à former une chaîne de test encore appelée « Daisy Chain » dont l'impédance n'affecte pas la mesure ; 25 30 35 Une alimentation électrique 14 qui peut être limitée en courant par un limiteur 15 de façon à ne pas faire chauffer le circuit de test durant les mesures ; Une fonction de mesure 16 permettant de mesurer la résistance du circuit de test ; Une fonction de comparaison 17 de la résistance mesurée avec une valeur de consigne ; Une fonction d'alarme 18 déclenchés dès que la valeur de la résistance électrique de la chaîne des traversées du circuit test dépasse la valeur de consigne

Comme on le voit sur le schéma de gauche de la figure 8, le circuit test 11 peut être directement implanté sur le circuit ou sur la carte 1 dont il est chargé d'assurer le contrôle. Les avantages de cette méthode est que 15 l'on est sûr que le circuit de test subit exactement les mêmes « contraintes » que la carte électronique qu'il contrôle, ces contraintes étant liées aux stress lors des phases de fabrication et d'assemblage des cartes équipées, ainsi que ceux apportés lors des phases de déverminage de type haute performance, durant la phase de production du produit fini qui peut être un 20 calculateur électronique. Les différents éléments nécessaires à son alimentation et aux mesures peuvent être communs avec ceux de la carte 1. L'inconvénient est que le circuit de contrôle 11 occupe une certaine place sur le circuit imprimé 1. Le circuit de test 11 peut également être autonome et dédié à une pluralité de circuits ou de cartes électroniques 1 (schéma de 25 droite de la figure 8).

Le circuit test 11 doit être représentatif du ou des circuits imprimés dont il assure le contrôle. Il doit en particulier avoir subi le même cycle de fabrication et d'assemblage que la carte équipée. Les étapes de métallisation 30 que l'on cherche à contrôler doivent être parfaitement identiques à celles du circuit imprimé. Les traversées 12 doivent être représentatives des trous métallisés du circuit imprimé en particulier, le ratio diamètre des traversées sur épaisseur du circuit test doit être égal au ratio diamètre des trous 35 métallisés sur épaisseur du circuit imprimé tout en respectant également 10 leurs densités. Le nombre de traversées représentatif du circuit test doit être compris entre 5% et 15% du nombre total de trous métallisés d'interconnexion, et préférentiellement le nombre de traversées du circuit test doit être égal à 10% du nombre total de trous métallisés. Les traversées sont reliées entre elles par des liaisons métalliques 13, généralement en cuivre de fort diamètre de façon, d'une part que ces liaisons aient une résistance électrique négligeable devant celle des traversées et que, d'autre part, les micro-défauts de métallisation de ces liaisons n'aient pas d'influence sur les mesures.

Les différentes fonctions de mesure 16, de contrôle 17 et d'alerte 18 peuvent être très simples à réaliser étant donné qu'ils sont dédiés à la mesure de la résistance de la chaîne de tests et à sa comparaison à une valeur de consigne. Ces fonctions peuvent être connectées en continu au circuit de test ou au contraire être connectées uniquement au cours d'opérations de contrôle. A titre de premier exemple, la figure 9 représente un montage électronique simple où, à partir d'un amplificateur inverseur 150, on obtient une tension de sortie proportionnelle à la résistance R mesurée de la chaîne des traversées (représentée par un rectangle en pointillés sur cette figure 9).

A titre de second exemple, la figure 10 représente une fonction d'alarme électronique comprenant une diode électroluminescente. Au-delà d'une certaine valeur de la résistance R, la diode 180 s'allume indiquant un dysfonctionnement de la chaîne de test. Bien entendu, il est également possible de la faire changer de couleur ou clignoter.

Le dispositif électronique peut également être un calculateur électronique comprenant plusieurs cartes électroniques comportant des circuits imprimés 1, l'ensemble étant relié à un connecteur électrique 20 comme on le voit sur la figure 10. Dans ce cas, les moyens de contrôle peuvent comportent une fonction d'alarme 18 reliée audit connecteur 20 par une liaison filaire 19 et interrogeable de l'extérieur, sans avoir à ouvrir le calculateur.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif électronique comprenant au moins un circuit imprimé (1) comportant des trous métallisés ou « vias » et des moyens de contrôle de la métallisation desdits trous métallisés d'interconnexion, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle (10, 11, 14, 15, 16, 17, 18) comprennent au moins un circuit test (11) de même nature et de même technologie que le circuit imprimé en comportant une pluralité de traversées (12) représentatives des trous métallisés d'interconnexions du circuit imprimé, lesdites traversées étant reliées entre elles par des liaisons métalliques (13) de faible résistance électrique de façon à former une chaîne encore appelée « Daisy Chain » dont l'impédance est faible comparée à une impédance prédéterminée.
2. 2. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ratio diamètre des traversées sur épaisseur du circuit test est sensiblement égal au ratio diamètre des trous métallisés d'interconnexion sur épaisseur du circuit imprimé, la densité de traversées étant sensiblement égale à celle des trous métallisés, le nombre de traversées du circuit test étant compris entre 5% et 15% du nombre total de trous métallisés d'interconnexion du circuit imprimé.
3. 3. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit test est implanté sur le circuit imprimé.
4. 4. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en 25 ce que le circuit test est autonome et dédié au contrôle d'une pluralité de circuits imprimés.
5. 5. Dispositif électronique selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comportent des fonctions de 30 mesure (16) de la résistance électrique de la chaîne des traversées du circuit test.
6. 6. Dispositif électronique selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comportent des fonctions de comparaison (17) de ladite résistance électrique avec une valeur de consigne.
7. 7. Dispositif électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comportent des fonctions d'alarme (18), lesdites fonctions d'alarme étant déclenchées dès que la valeur de la résistance électrique de la chaîne des traversées du circuit test dépasse ladite valeur de consigne d'une valeur pré-déterminée.
8. 8. Dispositif électronique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fonctions d'alarme (18) sont de type visuel (180).
9. 9. Dispositif électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins un connecteur électrique (20) relié au circuit imprimé (1) et au circuit test (11) et que les moyens de contrôle comportent une fonction d'alarme (18) reliée audit connecteur.20