Fiabilité et défaillance en électronique

Fiabilité et défaillance en électronique

La fiabilité d'un système, d'une carte ou d'un composant électronique résulte de nombreux facteurs. Mais quelles sont les origines des défaillances électroniques ?

 

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Environnements : du favorable au difficile

 

Fiabilité : jeunesse, maturité et fin de vie

 

L'étude de la fiabilité ne tient pas compte des erreurs de jeunesse. Ces pannes de jeunesse correspondent à un risque accru de défaillance dans les premiers mois d'utilisation : on dit "essuyer les plâtres". Les mauvais choix des composants, les erreurs de procédés de fabrication, les derniers bugs se révèlent ainsi dans les premiers mois. Il est prudent de ne pas se précipiter sur l'achat du tout dernier modèle ! Dans cette période de jeunesse, la fiabilité augmente donc au cours du temps, jusqu'à atteindre la période de maturité. En pratique, la majorité des composants électroniques n'atteignent jamais la fin de vie pendant la durée d'utilisation de l'appareil. L'augmentation des défaillances (fatigue) en fin de vie n'est pas considérée par l'étude de fiabilité. On obtient la classique courbe en baignoire :

 


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Taux de défaillances d'un système électronique

 

L'étude de la fiabilité en électronique s'intéresse exclusivement à la période de maturité.

 

Cependant deux cas sont à prendre en compte :

 

- certains composants électroniques mal utilisés (mauvaise conception électronique) peuvent avoir une durée de vie très écourtée et augmenter le taux de défaillances.

 

- certains composants électroniques ont une durée de vie courte : condensateurs chimiques aluminium, relais, optocoupleurs, boutons, connecteurs, commutateurs.

 

Dans ce dernier cas, on peut réduire la sollicitation de ces composants pour allonger leur durée de vie. La fin de vie peut aussi être compensée par de la maintenance préventive : remplacement des pièces avant leur défaillance prévue (exemple : secteur automobile).

 

Nature des défaillances : intrinsèques ou d'origine extérieure

 

Les défaillances d'un composant électronique peuvent venir du composant lui-même : défaillance intrinsèque. Mais dans certains cas, l'origine est extérieure : surcharges (sollicitations excessives : surtensions, etc). Par ailleurs, un composant placé au centre d'un système électronique sera plus fiable que le même composant placé au bord du système, et qui est donc exposé à des variations de température, des vibrations, etc.

 

Circuits intégrés

 

La fiabilité des circuits intégrés n'augmente plus beaucoup depuis les années 1990 alors que la densité d'intégration continue d'augmenter (selon la loi de Moore). Cette constance de la fiabilité peut être due à la généralisation d'une technologie de fabrication. Le taux de défaillances peut ainsi être estimé grâce à l'année de fabrication du circuit intégré.

 

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Circuits intégrés électroniques

 

Les facteurs de défaillance

 

Quels sont les facteurs qui favorisent les défaillances d'un système électronique ?

 

- température ambiante : elle est l'ennemi des composants actifs (refroidissement et résistance thermique à prendre en compte au besoin pour déterminer la température interne du composant) et des condensateurs chimiques. Statistiquement, le taux de défaillance d'un composant actif est 10 fois plus grand à 100°C qu'à 40°C.

- chocs, vibrations mécaniques (caractérisables par l'accélération et la fréquence)
- poussière, sable
- humidité (condensation sur des parties froides)

- montage des composants (température de soudure dans le procédé de fabrication, etc)

Le procédé de montage des composants influence leur fiabilité future.

- circuit imprimé

Le circuit imprimé lui-même peut générer des défaillances.

- mauvais usage, mauvais choix de composants, mauvaise maintenance, erreurs humaines, attaques extérieures, etc...

- environnement salin (océan)

- contamination chimique : gaz corrosifs (dioxyde de soufre, oxydes d'azote, chlore, sulfure d'hydrogène, etc...). Le degré de pollution permet de déterminer les contraintes d'isolation à respecter sur un carte électronique :

 

Degré de pollution sur une carte électronique

 

Exemples d'environnements électroniques : électronique domestique, électronique industrielle, équipements de rue, automobile, aéronautique, etc.

 

Durée de vie des composants

 

La durée de vie des composants électroniques est influencée par certains paramètres électriques. On peut exprimer la durée de vie en heures ou en nombre de cycles (relais, commutateurs).

 

Exemples :

- relais : courant dans les contacts
- connecteurs
- LED : courant
- condensateurs chimiques : température
- condensateurs chimiques : courant d'ondulation (ripple current)

 

Pour quelques notions supplémentaires :

 

Durée de vie des condensateurs chimiques

 

Utilité de l'étude de fiabilité

 

Prédire la fiabilité d'un circuit électronique est une aide précieuse pour les concepteurs qui s'intéressent au stress des composants : surtensions, températures élevées, etc. La conception d'un produit électronique doit privilégier les meilleures conditions d'utilisation des composants dès le tout début de la conception.

 

La fiabilité théorique estimée par l'étude pourra être comparée à la fiabilité réelle. Même si les valeurs de taux de défaillances ne correspondront pas à la réalité, on peut utiliser les résultats numériques obtenus par calcul pour comparer et simuler différentes solutions, différentes conceptions électroniques.

 

La valeur du taux de défaillance peut être avancée comme argument de vente. Des algorithmes de calcul spécifiques (faisant référence à des normes électriques) peuvent servir de référence pour plusieurs fabricants différents qui pourront comparer leurs résultats.

 

Durée de vie vs fiabilité

 

Ce sont deux notions totalement différentes ! Une durée de vie courte n'est pas incompatible avec une grande fiabilité. En effet, pendant la courte vie du produit, il peut y avoir extrêmement peu de défauts (exemple : un missile). A l'inverse, un produit peut avoir une longue durée de vie et présenter de nombreuses pannes durant sa toute vie (exemple : une voiture pendant ses 10 ans de vie).

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Fiabilité vs durée de vie : des notions complémentaires pour l'utilisateur

 

Conclusion

 

L'étude de la fiabilité d'un système électronique doit être un élément essentiel dès le début d'une phase de conception et ne prend en compte ni les erreurs de jeunesse, ni la fin de vie des composants. Les défaillances des composants électroniques sont intrinsèques, mais une large partie des défaillances vient de l'environnement climatique et électrique extérieur, du choix des composants et du procédé de montage.

  Fiabilité et défaillance en électronique, publié par nina67 le 26 Août 2013
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Nina67
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