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Les résines de potting et d'encapsulation dans l'industrie électronique et électrique

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Les résines employées pour ces applications peuvent avoir différentes origines chimiques. Les époxy ont été largement employées pendant de nombreuses années. Elles sont généralement dures et résistantes et présentent un faible retrait lors de la polymérisation. Elles se caractérisent par un haut niveau de performances mécaniques, un bon comportement aux températures élevées et une bonne adhérence à une large variété de supports. Leur résistance chimique est également bonne. La polymérisation se déroule généralement lentement, particulièrement lorsqu'on emploie de petits volumes. Des durcisseurs à action rapide peuvent être utilisés mais ils génèrent un échauffement important et induisent un pic exothermique élevé qui peut endommager les composants électroniques et causer des contraintes mécaniques élevées sur les composants et le circuit.

Les résines polyuréthanes sont des élastomères caoutchouteux une fois polymérisées et sont préférées dans les cas où le circuit à résiner comprend des composants fragiles comme des ferrites ou des commutateurs à balai en verre. Il est très facile d'adapter la vitesse de polymérisation des produits polyuréthanes et les temps d'utilisation et de gel peuvent être ajustés pour s'adapter aux besoins du client ce qui conduit à des procédés plus rapides avec moins de travail. Les polyuréthanes présentent moins d'exothermie que les époxy lors de la polymérisation. La chaleur générée n'est généralement pas un problème, même pour les polymérisations rapides. Les polyuréthanes conventionnelles sont sensibles à l'eau, particulièrement à haute température. Des produits basés sur des polybutadiènes existent cependant et ils sont très résistants à l'eau, aussi bien pendant la polymérisation qu'à leur état final. Electrolube différencie les deux types de polyuréthanes par le système de numérotation employé : UR50 et UR51 sont basées sur la chimie du polybutadiène. UR55 et UR56 sont des polyuréthanes conventionnels. La facilité de modification des caractéristiques de mise en œuvre et les propriétés des résines polymérisées conduisent à une augmentation de leur utilisation dans l'encapsulation électronique et électrique.

Les résines silicones ont tendance à être plus coûteuses que les époxy et les polyuréthanes mais présentent un intérêt lorsque des températures élevées en continu ( jusqu'à 180 degrés) sont rencontrées. Par ailleurs, les pics exothermiques des systèmes silicones restent très faibles.

Les polyesters ont été employés pour l'encapsulation mais ils présentent un très fort pic exothermique et un retrait important à la réticulation. Cela peut causer des dommages aux circuits et aux composants. De même, l'odeur forte des composés contenant du styrène peut les rendre déplaisants et difficiles à manipuler.

Electrolube offre une gamme étendue d'époxy et de polyuréthanes pour le remplissage, l'encapsulation et les autres applications. La grande majorité est constituée de systèmes bi-composants dans lesquels une résine doit être mélangée à un durcisseur dans un ratio pré-défini. Les résines bi-composants sont disponibles en vrac ou en kits. Dans les kits, résine et durcisseur sont fournis en bidons pré-dosés au bon ratio de mélange pour supprimer la nécessité du pesage par l'utilisateur.

Des packs de résine sont également disponibles. Ils consistent en un sachet plastique divisé en deux compartiments par une barrette démontable. Là encore, résine et durcisseur sont dosés au bon ratio, ainsi une fois la barrette retirée les deux parties peuvent être mélangées minutieusement dans le sachet sans introduire d'air. Le sachet peut être utilisé comme un dispenseur pour remplir l'élément concerné. Electrolube propose une gamme limitée d'époxy mono composant qui polymérisent à chaud et peuvent être employées pour remplir de petits volumes. Il est possible de formuler des résines mono composant à réticulation UV mais cette technologie n'est pas très adaptée à l'encapsulation en raison des phénomènes d'ombre et de pénétration des UV dans le cas d'épaisseurs importantes. Des résines mono composant polyuréthanes existent qui réticulent en voie humide, mais la pénétration de l'humidité pour obtenir une polymérisation complète est un obstacle dans le cas de remplissage ou d'encapsulation.

La plupart des résines utilisées sont des produits complexes pour lesquels les procédés de mise en œuvre et les propriétés finales sont adaptées aux besoins du client par les compétences des formulateurs. Les résines époxy contiennent généralement des diluants ou des réducteurs de viscosité pour rendre la résine plus fluide et plus aisée à mettre en œuvre. Les diluants peuvent être réactifs et prendre part à la réticulation ou non, et être chimiquement inertes.

Resins for potting and encapsulation in the electronics and electrical industries

Les diluants réactifs peuvent contenir un (monofonctionnels) ou deux (bifonctionnels) groupements époxy par molécule. Le premier donne une meilleure réduction de viscosité mais des moindres propriétés mécaniques que le second. Les non réactifs induisent généralement un niveau de flexibilité légèrement plus élevée du produit polymérisé, mais peut mener à une réduction de l'adhérence particulièrement à haute température. La résine Electrolube ER1448 est un exemple de résine époxy à très faible viscosité formulée en employant un mélange de diluants des deux types. Cela permet un écoulement d'air rapide dans les circuits petits et complexes sans nécessiter de dispositif d'aspiration pour évacuer l'air piégé. Les diluants non réactifs peuvent être employés à des concentrations importantes dans les polyuréthanes pour donner des produits de remplissage souples qui peuvent être aisément retirés pour des réparations ou recherches de panne. La résine UR5048 est un exemple typique de ce type de résine. UR5044 est une version agréée UL94 VO résistante au feu. UR5083 fait appel à un diluant d'un autre type et, une fois polymérisée donne un gel souple auto réparant qui permet de multiples insertions et retraits de fils à travers un presse étoupe sans endommager la résine.

Le durcisseur utilisé dans les résines époxy apporte une importante contribution aux propriétés finales, mais le choix du durcisseur est également la principale façon de réguler la vitesse de polymérisation. Les plus anciens durcisseurs utilisés étaient des produits agressifs de la catégorie des amines aliphatiques. Ils donnaient une réticulation rapide mais un pic exothermique important et étaient corrosifs pour la peau. Ils provoquaient des dermatites et de l'asthme s'ils n'étaient pas manipulés avec précaution. Les amines aromatiques sont connues pour être moins réactives et moins agressives et donnent l'accès à des températures de fonctionnement plus élevées dans le produit fini, mais bien qu'elles causent moins de problèmes de peau et d'irritation, on prête de plus en plus attention à leurs effets cancérigènes. Les durcisseurs aminés sont souvent fournis sous la forme de mélanges complexes de différents produits et impliquent les compétences de spécialistes de la formulation. Les anhydrides d'acides organiques donnent des époxy à faible viscosité avec de très hautes températures d'exploitation mais présentent l'inconvénient de nécessiter la plupart du temps d'être conçues sous la forme de résines tri composants et doivent toujours être polymérisées à hautes températures.

Les résines polyuréthanes conventionnelles peuvent être à base de polyether (tel que l'oxyde de polypropylène) ou de polyesters (tel que l'huile de ricin). Les premières présentent généralement une meilleure résistance à l'humidité et les secondes une meilleure adhérence. Le second composant d'une résine est un isocyanate, habituellement du diisocyanate de diphenyl méthane (MDI, le plus inoffensif des isocyanates). Il est important de protéger les deux parties de la résine de l'humidité. Si l'un des composants est humide l'eau va réagir avec l'isocyanate et produire des bulles de CO2 dans tout le produit fini. Si l'isocyanate est humide un dépôt solide apparaitra en même temps qu'un dégagement de CO2 qui pourra pressuriser le fût. La cause fréquente de la présence d'humidité est la répétition d'ouvertures et fermetures des fûts: à chaque ouverture, de l'air humide entre dans l'espace disponible et l'eau est absorbée par le produit. Les fûts doivent être ouverts et fermés aussi vite que possible, un balayage à l'azote sec avant la fermeture peut prévenir bien des problèmes. Si cela n'est pas possible la seule solution est d'acheter des bidons de plus petite taille s'ils sont disponibles. Dans le cas des polyuréthanes en machine de mélange et application, il sera nécessaire de protéger les deux composants de l'humidité soit en employant des pièges dessicants dans les fûts soit en balayant en continu à l'azote. L'isocyanate est la partie dangereuse de la formulation et ne doit pas être chauffé ou pulvérisé car cela accroit la teneur dans l'atmosphère et de là, les effets nocifs sur les poumons. S'il y a deux groupements hydroxy sur chaque chaîne polyether ou polyester (diol) la dureté d'une résine souple peut être accrue par l'usage d'ajouts croissants de triols (trois groupements hydroxy par chaîne). Les polyuréthanes de type polybutadiène forment une longue chaîne hydrocarbonée qui induit une bien moindre hydrophilie pendant et après la polymérisation, avec pour conséquence les avantages préalablement décrits.

La vitesse de polymérisation des systèmes polyuréthanes est aisément ajustée par l'ajout de teneurs croissantes en catalyseur dans la résine. Ces catalyseurs peuvent être de différents types, incluant des amines, des composés d'étain et/ou de mercure. Le second offre les meilleures caractéristiques : faible sensibilité à l'eau et longue durée d'utilisation couplée à une vitesse de polymérisation élevée. Malheureusement la législation européenne, connue sous le nom de directive RoHS restreint de plus en plus l'usage des composés du mercure et les chimistes doivent trouver prochainement une solution de remplacement.

Les charges solides sont un constituant très important de beaucoup de résines. Elles peuvent être ajoutées simplement pour réduire le coût (par exemple les poudres calcaires). Les réductions de coût sont généralement moindres que peuvent le laisser penser les coûts au kilogramme car les mélanges chargés ont une densité supérieure à ceux dépourvus de charges. Cela signifie que pour une unité qui requiert 3 grammes de résine de densité 1 il faut 4.5 grammes de résine de densité 1.5. Dans les deux cas le volume est de 3 ml. La comparaison des coûts de résines concurrentes devrait toujours reposer sur une base volumique plutôt que par unité de masse.

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La présence de charges solides donne généralement des produits plus durs et plus rigides. Les charges peuvent être ajoutées pour agir comme retardateurs de flamme. L'hydroxyde d'aluminium est communément employé dans ce but : il a les avantages cumulés d'une faible émission de fumées et d'un faible niveau d'émanations toxiques. Les résines Electrolube ER2188 et ER2195 sont des exemples fameux d'époxy chargées de retardateurs de flamme à l'hydroxyde d'aluminium. Les deux sont UL94 V0. Les résines UR5097, UR5604 et UR5608 sont des exemples de polyuréthanes à retardateurs de flamme employant le même mécanisme, une fois encore UL94 V0. L'inconvénient est que des charges élevées en hydroxydes d'aluminium sont nécessaires et il en résulte une viscosité relativement haute des produits formulés. Des composés bromés peuvent être également employés comme retardateurs de flamme. Ils sont utilisés à des teneurs bien plus basses, donnant des résines à faible viscosité; ils sont généralement optimisés par la présence d'oxyde d'antimoine. Cependant leur utilisation génère un haut niveau de fumées toxiques. Les retardateurs à base de pentabromobiphényl éther sont déjà interdits en Europe et l'on s'interroge sur les questions de sécurité et santé à propos de l'utilisation du debromophényl oxyde, jusque là un des retardateurs de flamme bromés les plus courants. Il est soupçonné de produire des dioxines lors de son incinération mais ce point reste discuté ce qui mène à un avenir incertain de ce produit au regard des législations. Il existe des alternatives au décabromobiphényl oxyde cependant. La résine Electrolube ER2165 est un exemple d'époxy à retardateur de flamme et basse viscosité UL94 V-0. De nouveaux retardateurs de flamme bromés qui font appel à une chimie complètement différente sont dorénavant disponibles et ne sont pas affectés par la législation européenne. La résine UR5110 est un exemple de polyuréthane employant cette toute nouvelle technologie.

De nombreuses autres catégories de charges peuvent être utilisées dans les époxy et les polyuréthanes. Des sphères creuses de verre ou de plastique réduisent la densité et les pertes diélectriques. Lors de l'enrobage de circuits radio fréquence la résine peut induire des effets de self entre les pistes du circuit imprimé et altérer de manière inacceptable les caractéristiques du circuit. Il est possible de s'affranchir de ces problèmes en employant des résines de faibles constantes diélectriques et contenant des sphères creuses. Des exemples typiques sont les résines Electrolube ER2193, ER2175 et UR5111. La poudre de Nickel et d'Argent donnent une conductivité électrique aux résines : ER2141 est une résine électriquement conductrice chargée en Nickel. Les oxydes de Zinc et d'Aluminium améliorent la conductivité thermique mais l'oxyde d'aluminium est très abrasif et peut endommager sérieusement les équipements de mélange et de dépose. ER2074 et ER2183 sont des exemples typiques d'époxy chargées en oxyde de Zinc. La poudre de silice autorise un faible retrait et un coefficient d'expansion thermique très réduit mais a tendance à sédimenter. Des fibres de verre donnent une résistance à l'impact, du sulfate de baryum accroit l'opacité aux rayons X etc.

Aux premiers temps de l'enrobage et de l'encapsulation les résines époxy étaient le matériau de référence. Les technologies des résines époxy sont arrivées à maturité ces dernières années et l'essentiel des développements les plus intéressants dans la technologie des résines réside dans la chimie du polyuréthane. Cela conduit le polyuréthane à devenir de plus en plus dominant et à prendre des parts de marché croissantes aux résines époxy.