Améliorer la fiabilité en électronique

La fiabilité des appareils électroniques est dépendante de leur conception, de leur fabrication mais aussi de l'utilisation et de l'environnement. Quelles sont les méthodes pour améliorer la fiabilité d'un circuit électronique ?

Quelques règles de base permettent d'augmenter considérablement la fiabilité des composants électroniques. La fiabilité d'une carte électronique se décrit par un taux de défaillances des composants, mais comment minimiser ce taux de défaillances ?

L'environnement électrique joue sur la fiabilité

Les surtensions à l'entrée d'une carte électronique nuisent à sa fiabilité : ondes de choc dues à la foudre, surtensions du réseau, commutations de moteurs, etc... Les décharges électrostatiques (ESD) peuvent également détruire certains composants ou dégrader leur fiabilité (diodes laser, composants numériques, etc).

Courant de court-circuit dû à une défaillance

L'environnement non électrique joue sur la fiabilité

L'environnement extérieur influence la fiabilité de l'électronique (système, circuit, composant).

Exemples : poussière, sable, vibrations, chocs, contaminations chimiques (liquides, gaz corrosifs), humidité, température, erreurs humaines, mauvaise maintenance...

Exemple de dépôts sur un support de circuit intégré : la fiabilité des contacts est réduite

L'humidité fait diminuer la fiabilité sur la durée (stockage dans un lieu humide : à éviter). La photo ci-dessus montre un appareil électronique qui a été stocké longtemps dans un lieu humide.

Dépôt sur un potentiomètre : la fiabilité des contacts est compromise

La mauvaise utilisation des composants électromécaniques compromet aussi la fiabilité : un commutateur trop utilisé peut finir par casser :

Exemple de commutateur cassé (dans un appareil hifi des années 1970)

Aussi étonnant que cela paraisse, le dépôt n'a pas eu lieu sur les autres composants électroniques.

Le procédé de fabrication entre aussi dans la fiabilité de l'ensemble.

Mais le principal facteur de la fiabilité en électronique, c'est la température. La chaleur, c'est l'ennemi de l'électronique !

Durée de vie des condensateurs chimiques

La durée de vie d'un condensateur chimique dépend énormément de la température. A chaque fois qu'on augmente la température de 10°C, la durée de vie est réduite de moitié. Par exemple, une durée de vie de 3000 heures à 85°C atteindra 12000 heures à 65°C. Dans une moindre mesure, le courant (charge/décharge) influence aussi.

- Transistors, thyristors, diodes, diodes zener

La fiabilité de ces composants dépend aussi beaucoup de la température. Le taux de défaillance est 10 fois plus grand à 100°C qu'à 40°C.

La conception électronique

Eh oui, la conception électronique elle-même joue un rôle crucial. Le dimensionnement et le choix des composants est essentiel dans une recherche de haute fiabilité. Le principe est de garantir une marge suffisante en tension et en courant.

Exemples dans le choix d'une conception

- Condensateurs chimiques : ne pas dépasser 80% de la valeur nominale (ne pas mettre plus de 40V aux bornes d'un condensateur 50V)

- Condensateurs tantale : limiter et maîtriser le courant de charge et décharge (sinon risque de dégradation, voire d'incendie !)

- Transistors, thyristors, diodes, diodes zener : limiter la puissance dissipée pour éviter la surchauffe.

Attention à la zone "second breakdown" sur les transistors bipolaires de puissance. Cette limitation réduit la puissance que le transistor peut dissiper. Par exemple, un transistor 125W ne pourra dissiper que 50W à Vce=80V ou 30W à Vce=100V.

- LED, optocoupleurs : limiter le courant en dessous du courant maximum donné par le fabricant.

- Relais : limiter le courant dans les contacts

Modes de défaillances en pratique

Comment meurt un composant électronique ?

Statistiquement, on constate les modes de défaillances suivants :

- Résistances (faible et forte puissance)

Circuit ouvert ou variation de la valeur. En effet, la résistance va brûler et faire en quelque sorte fusible.

- Inductances

1/6 : en court-circuit. Le reste des inductances : circuit ouvert.

- Relais

1/4 : en court-circuit. Le reste : circuit ouvert.

- Condensateurs (plastique, céramique, chimique)

1/10 : en court-circuit. Le reste : circuit ouvert.

Défaillance catastrophique de condensateurs (carte mère) : ce cas reste très rare

- Transistors, thyristors, diodes, diodes zener

5/6 : en court-circuit. Le reste : circuit ouvert.

Transistor de puissance explosé après défaillance

Conclusion sur la fiabilité en électronique

On peut augmenter considérablement la fiabilité des composants électroniques en appliquant des règles simples : limiter au maximum la température et les agressions de l'environnement extérieur et choisir des composants qui garantissent une marge suffisante sur les tensions et les courants mis en jeu.