Evaluation et qualification de la fiabilite des composants et des procedes d’assemblages electroniques pour application medicale

  • Posted on: 20 April 2021
  • By: laurent.saintis
  • Updated on: 20 April 2021
Type recrutement: 
Sujet de thèse
Section: 
26 (Mathématiques appliquées et applications des mathématiques)
60 (Mécanique, génie mécanique, génie civil)
63 (Génie électrique, électronique, photonique et systèmes)
Entité et lieu: 
Laboratoire LARIS - Université d'Angers
Détails: 

Contexte industriel

TRONICO conçoit, industrialise et fabrique, des produits complexes à dominance électronique qu’on retrouve dans tous les domaines en particulier dans le secteur de santé. De ce fait, les nouveaux systèmes médicaux implantés en développement doivent démontrer un haut niveau de fiabilité dans un environnement spécifique (humidité…) et contraint. L’utilisation de l’électronique est réglementée par de nombreux documents qui traitent des appareils électro-médicaux dits souvent Dispositifs Médicaux (DM). Actuellement, cette réglementation s’appuie en grande partie sur la norme 60601 et ses nombreuses dérivées ou des normes équivalentes tant au niveau international IEC, européen EN ou national NF. Dans ces documents, la fiabilité des composants électroniques n’est pas explicitement abordée. On retrouve néanmoins quelques indications, par exemple :

  • Composant aux caractéristiques à haute fiabilité: composant qui, de par ses caractéristiques, ne peut présenter de défaut compromettant la sécurité des DM.
  • Condition de premier défaut: le DM est en condition de premier défaut lorsqu’une anomalie se présente (typiquement une défaillance technique). On regardera avec attention les conditions de premier défaut des moyens mis en place pour réduire les risques.
  • Durée de vie: la durée d’utilisation définie par le fabricant.

A l’heure actuelle, il n’existe pas de processus normalisé de qualification des composants électroniques pour des applications médicales. Les concepteurs de produits recherchent alors, souvent, des composants qui ont été qualifiés pour d’autres domaines comme l’automobile, le militaire ou l’aéronautique où les tests réalisés ont permis de vérifier leur robustesse ou leur niveau de sécurité (ASIL, SIL) par rapport à leur processus de fabrication.

Du côté des fabricants de composants, certains proposent une gamme médicale. Il s’agit souvent de choisir des composants de la gamme commerciale, automobile ou militaire et de ne garder que les composants rentrant dans des critères plus resserrés après des tests plus sévères.

Le test des cartes électroniques "médicales" est un enjeu majeur pour concilier différents aspects : Technique, Coût, Fiabilité et Sécurité. Ces tests doivent donc être abordés et conçus dès les premières phases de la conception des cartes électroniques.

Objectif/Sujet de recherche

Dans le cadre du projet régional RECOME (Reliability of Electronic COmponents for MEdical devices), l’objet de ce travail de recherche est de définir une méthodologie permettant de qualifier un composant électronique pour respecter un niveau de sécurité des DM. Il s’agira de définir les tests à réaliser en fonction du type de composants et de l’application médicale.

Cette étude prendra appui sur les différentes normes de qualification de composants et/ou de leur procédé de fabrication, sur les exigences de sûreté de fonctionnement des dispositifs médicaux, et sur les modèles de vieillissement des composants électroniques. Elle devra, le cas échéant, évaluer des procédés de mise en œuvre de ces composants permettant d’augmenter leur fiabilité en application (underfill, coating…) avec des verrous technologiques et en particulier la miniaturisation et l’impossibilité de réaliser des tests classiques (Tests fonctionnels, tests in situ).

La méthodologie devra être intégrée dans un processus global de l’assemblage des cartes électroniques avec des éléments du contrôle réception et d’audit fournisseur. Les résultats issus du retour d’expériences des différents domaines (Aéronautique, Automobile, etc…) et ceux des essais de fiabilité peuvent être combinés pour valider l’approche méthodologique sur des Dispositifs Médicaux.

Plusieurs verrous scientifiques seront à lever dans le cadre de ces travaux. Le processus de qualification d’un composant à partir d’essais accélérés nécessite d’être formaliser en regard du suivi des procédés de fabrication à l’aide des outils qualité ([8] et[9]) et/ou des réseaux bayésiens [10] mais aussi l’optimisation de ces procédés en utilisant une approche plan d’expériences. De plus, l’impact des procédés de mise en œuvre (underfill, coating) sur la fiabilité d’un produit n’est pas encore quantifié. Enfin, les composants de petite taille ainsi que l’utilisation de puce câblée n’ont à ce jour pas de modèle de fiabilité prévisionnelle recensée dans les bases de données type.

Afin de parvenir à cet objectif, le principe envisagé est (par profil de mission et par technologie de composant) :

  • D’identifier les faiblesses du composants et les modes de défaillance par retour d’expérience ou par analyse recherche,
  • De définir des processus de qualification et de validation des composants,
  • De définir des méthodes de démonstration de la fiabilité à partir d’essais accélérés de durée de vie.

Dans un premier temps, il s’agira d’aboutir à une liste de tests pour des composants « classiques » (passifs de taille 0402 ou supérieure, BGA et QFN au pas de 500µm. Dans un second temps, pour suivre la voie de la miniaturisation des composants, ce travail devra être poursuivi pour des composants plus petits (taille 01005 pour les passifs, BGA et QFH au pas de 300µm) en s’attachant particulièrement aux nouvelles contraintes, notamment lors du report de ces composants, induites par la diminution de leur taille. Enfin, dans un contexte d’intégration de plus en plus poussée, l’utilisation de puce câblée (conventionnelle ou MEMs) sur substrat devra être évaluée en fonction de leurs technologies et des procédés de reports et de robustification des assemblages.

La recherche effectuée apportera une innovation sur les récents procédés de fabrication et d’intégration de systèmes embarqués électroniques de miniaturisation. Elle permettra sur ces évolutions d’améliorer l’implantation d’un composant dans un produit afin d’optimiser sa fiabilité.

Elle permettra d’établir des modèles prédictifs de la physique de défaillance associés afin de garantir la fiabilité d’un couple produit/processus. Ces recherches amèneront un gain en compétitivité par la limitation de coûts des qualifications et de test des composants en définissant précisément le « juste besoin ».