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Vernissage de circuits imprimés

EN DE BR RU Étiquettes: Les vernis de protection

Les circuits neufs et nettoyés offrent généralement de bonnes performances électriques, mais ces performances vont rapidement se détériorer en raison de l'adsorption de l'humidité atmosphérique, de la contamination de particules ioniques portées par l'air, l'attraction électrostatique de poussières sur les surfaces, la condensation etc. Afin de pallier ces problèmes, les circuits destinés à des applications exigeantes sont souvent vernis à la dernière étape de leur fabrication.

Les vernis de tropicalisation sont normalement appliqués par trempage ou pulvérisation, typiquement avec une épaisseur de 20 à 50 microns, bien que les silicones et d'autres vernis spécialisés puissent être appliqués jusqu'à des épaisseurs de 100 microns. En prototypage ou dans les productions de faibles volumes, le vernis peut être appliqué au pinceau. En prévenant la contamination de la surface, ils aident à éviter la corrosion des conducteurs et des brasures mais aussi réduisent la croissance dendritique entre les conducteurs. Cela mène à long terme à une amélioration des performances en réduisant l'érosion des conducteurs et en réduisant la fréquence d'apparition des court-circuits. L'utilisation des vernis de tropicalisation est particulièrement importante dans les applications sous le capot dans l'industrie automobile, mais aussi dans les applications militaires, aérospatiales, ferroviaires et industrielles, particulièrement dans les domaines où la sécurité est critique.

Les vernis de tropicalisation ont leurs limites cependant. Chaque contaminant présent à la surface avant le vernissage sera scellé dans l'opération et pourra causer des problèmes à long terme. Ces contaminants incluent les traces de doigts, les résidus de flux, l'humidité et autres polluants atmosphériques. Les cartes devraient toujours être nettoyées et séchées avant d'être vernies pour obtenir une performance optimale à long terme. Même en employant des flux " no-clean" le nettoyage préalable va généralement améliorer la performance et la fiabilité dans le temps. Les vernis de tropicalisation ne sont généralement pas très efficaces dans les applications qui impliquent des expositions significatives à l'eau liquide (à différencier de la vapeur d'eau), particulièrement quand elle contient une charge ionique. Dans de telles applications, il est généralement nécessaire de recourir à l'encapsulation ou à l'enrobage - ceci offrira invariablement un niveau de protection bien plus élevé que ce qui peut être obtenu par l'usage d'un vernis de tropicalisation. L'enrobage est généralement plus onéreux que le vernissage et se montre également très pénalisant au niveau du poids du produit fini.

Le vernis de tropicalisation idéal doit avoir des exigences de performances qui incluent : de bonnes propriétés électriques, une faible perméabilité à l'eau, une bonne résistance chimique et une durabilité mécanique. Il doit bien adhérer à tous les types de cartes, du matériau de base au vernis épargne, cuivre et brasures mais aussi aux nombreux matériaux utilisés pour les composants qui peuplent la carte. Dans de nombreuses applications de bonnes propriétés thermiques sont importantes, avec de la flexibilité à basse température et la conservation de bonnes propriétés mécaniques à température élevée. Les tests typiques qui peuvent être menés sur des cartes tropicalisées incluent un test de longue durée en chaleur humide, la résistance au brouillard salin, aux chocs thermiques et aux cycles thermiques. Les tests de résistance chimique et de tenue à la flamme peuvent également être effectués si besoin.

Idéalement un vernis de tropicalisation doit être monocomposant (les bi composants ne sont pas faciles à utiliser), doit avoir une longue durée de vie en bain, une température de séchage faible et une vitesse de séchage élevée. Il existe plusieurs façons d'aborder le temps de séchage. Le vernis est sec au toucher lorsqu'il ne colle pas lors d'un contact. Ce temps est atteint lorsque tout le solvant est évaporé à travers la couche de vernis. Le temps de polymérisation est le moment où le vernis est entièrement réticulé. La viscosité peut être facilement ajustée et optimisée en fonction des équipements employés. Lorsqu'on emploie des vernis solvantés, une haute teneur en extrait sec permet de réduire les émissions de solvants et les répercussions sur l'environnement. Les équipements qui autorisent l'emploi de produits à forte viscosité vont aider à minimiser les problèmes environnementaux.

Une faiblesse des vernis conventionnels est qu'ils couvrent mal les angles vifs et les pointes sur les composants. Le revêtement sera nettement plus fin voire absent dans de telles zones. Ce phénomène est familièrement connu sous le nom de rampage, et est dû aux effets de la tension de surface. Evidemment la formation de pointes de brasage devrait être évitée ou il faudrait les tailler. Les pattes de composants fabriquées à partir de fils de section ronde seront mieux couvertes que celles réalisées à partir de fils plats. Le rampage peut être minimisé par une attention particulière à la viscosité du vernis. De même de fines couches superposées donneront une meilleure protection des angles qu'une seule couche épaisse. Electrolube a développé un vernis particulièrement chargé, le DCRT conçu pour être appliqué en couches de 100 microns qui donne une protection accrue des angles par rapport à ce que l'on obtient d'un vernis conventionnel.

Les vernis de tropicalisations se classent généralement en plusieurs catégories chimiques distinctes. Ce sont les suivantes.

Les vernis acryliques, tels que HPA, APL d'Electrolube sont invariablement constitués d'une solution de polymère acrylique thermoplastique dissout dans un mélange de solvants organiques. Ainsi le vernis sèche par simple évaporation : il n'y a pas de réticulation. Cela signifie que les acryliques se ramollissent à haute température, mais aussi qu'ils peuvent être aisément retirés par un solvant, ce qui permet une réparation des cartes. On utilise habituellement des solvants à faible point d'ébullition comme vecteur ce qui induit que le vernis est rapidement sec au toucher puis dur. Le temps d'usage en bain est très long puisque le solvant évaporé peut être rapidement compensé, en ajustant la viscosité. Ces solvants sont inflammables et ce type de vernis est actuellement sur la sellette en raison des législations environnementales de plus en plus restrictives sur les émissions de COV dans l'atmosphère. La résistance à l'humidité de ces vernis est bonne mais leur résistance aux solvants organiques est relativement faible.

Conformal coating of printed circuit boards

Les vernis époxy sont généralement très durs et offrent habituellement une excellente résistance aussi bien à l'humidité qu'aux produits chimiques. Ils sont généralement fournis sous la forme de systèmes bicomposants qui les rendent moins pratiques à l'usage que les autres vernis. Ce type de vernis réticule ce qui signifie qu'ils ont d'excellentes propriétés mécaniques et une excellente résistance à l'abrasion, mais un vernis polymérisé est à peu près impossible à retirer de la carte. En conséquence la réparation peut devenir un gros problème.

Les vernis polyuréthanes offrent des propriétés similaires aux époxy avec souvent une meilleure résistance à l'abrasion. Là encore la rigidité et la résistance à l'humidité et aux solvants sont bonnes mais leur nature réticulée rend le dévernissage et la réparation de cartes difficiles.

Les silicones couvrent une large famille de produits avec une gamme de caractéristiques et propriétés variées. Les silicones conventionnels peuvent varier de produits durs et résistants à l'abrasion jusqu'à des élastomères souples qui soumettent les cartes et les composants à des contraintes extrêmement faibles. La polymérisation peut s'effectuer soit par réticulation à chaud soit par vulcanisation à température ambiante (RTV, c'est la réaction avec l'humidité de l'air qui apporte la réticulation). Les alkydes silicones tels que le DCA d'Electrolube sont rigides et offrent un bon équilibre de propriétés aussi bien du point de vue mécanique, électrique que chimique. Le niveau de réticulation est amélioré par le chauffage pour obtenir une résistance maximale aux solvants et produits chimiques. Tous les vernis silicones se caractérisent par d'excellentes performances à hautes températures comparativement aux autres types de vernis.

D'autres types de vernis spécialisés ont également été développés. Les vernis UV peuvent polymériser rapidement en ligne par exposition sous des lampes UV. Ces vernis sont particulièrement employés dans les productions de forts volumes. Les zones placées sous les composants sont protégées du rayonnement UV et peuvent être longues à polymériser, on parle d'effet d'ombrage. Cet effet peut être minimisé en modifiant la chimie pour incorporer un second procédé de polymérisation, qui peut être thermique ou par voie humide. Dans ces vernis à double polymérisation, on a une réticulation initiale rapide dans la masse du vernis suivie d'une plus lente dans les zones d'ombre. La chimie des produits UV limite la performance des vernis à certaines applications. Généralement les propriétés ne sont pas aussi bonnes que celles des vernis traditionnels à base solvantée.

Les vernis à base aqueuse ont été développés en réponse aux pressions environnementales croissantes contre l'emploi de solvants organiques. Ils ont tendance à être un peu plus long à sécher et un craquèlement peut subvenir lorsque l'épaisseur augmente. Là encore, la chimie de ce type de produits restreint le champ des performances du vernis polymérisé.

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Il existe un procédé de vernissage très particulier, complètement différent de ceux décrits précédemment. Il s'agit du procédé Parylène développé initialement par Union Carbide. Un composé nommé di-p-xylylène est sublimé à 650 degrés sous vide. Le monomère polymérise sur la totalité de la surface dans l'enceinte sous vide, donnant un revêtement totalement dénué de pores. Par ce procédé les cartes comportant des angles vifs et des pointes sont revêtues très uniformément. Les revêtements traditionnels ont pour conséquence, ainsi que précisé préalablement, un considérable amincissement de la couche de vernis sur les angles et pointes en raison des effets de la tension de surface. Le procédé Parylène est également très efficace pour revêtir la face inférieure des composants lorsqu'il y a un espace entre la carte et le composant. Le procédé Parylène est cependant très onéreux comparativement aux procédés traditionnels. Il est possible d'adapter la formulation de ces produits soit pour améliorer la tension de claquage, soit pour améliorer la tenue en température.

Plusieurs normes existent concernant les vernis de protection des circuits imprimés. Les plus importantes sont CEI 61086-1/2/3, IPC-CC-830 et UL 746E. IPC-CC-830 est dérivée et a maintenant remplacée l'ancienne norme MIL-I-46058. La norme Anglaise DEF-STAN 59-47 est obsolète.

Il serait approprié de discuter ici des propriétés importantes des vernis de protection - il s'agit des propriétés typiques, valeurs qui figurent sur les fiches techniques. Les tests sont tirés de la norme CEI - CEI 61086 fait état de 3 classes de vernis de protection avec des critères de plus en plus contraignants. Les classes sont - vernis multi-usages (classe 1), haute fiabilité (classe 2) et aérospatial (classe 3).

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La tension de claquage est la tension à partir de laquelle le courant passe entre deux pistes parallèles à un écartement standardisé sur une éprouvette test en Y. La résistance d'isolement est la résistance entre deux électrodes sur une éprouvette test standard. Les électrodes consistent en deux peignes intercalés dans lesquels les dents sont alternativement connectées à l'anode ou à la cathode. Les motifs Y et peigne sont habituellement combinés sur une carte test (voir figure 1). Le test de flexibilité d'un vernis est réalisé en pliant une plaque de cuivre autour d'un barreau de 3 ou 6 mm puis en vérifiant s'il y a des craquèlements ou des fissurations sur le vernis. Les tests de résistance aux moisissures sont menés sur des plaques de verre vernies. Pour réaliser les tests de flammabilité, on utilise une éprouvette de circuit imprimé (généralement du FR-4) vernie et on applique une flamme standard à une extrémité. Il y a une étendue de critères d'admissions en fonction du temps de combustion après le retrait de la flamme, la distance maximale de progression de la flamme étant également spécifiée.

Divers tests de simulation environnementale peuvent être entrepris en utilisant l'éprouvette standard qui intègre les motifs Y et peigne. Cela englobe les tests de cycles thermiques et de chocs thermiques dans une gamme donnée de température. Un examen visuel est réalisé suite aux tests pour vérifier qu'il n'y a pas d'écaillage ou de délamination du vernis. Un test de chaleur humide peut également être réalisé- la résistance d'isolement ne doit alors pas descendre en dessous de 10-9 ohms, la tension de claquage est également mesurée et reportée. Pour des vernis de classe 2 on ajoute un test de brouillard salin. La classe 3 intègre de plus un test à basse température et basse pression suivi d'un test de chaleur humide.

D'autres propriétés électriques des vernis peuvent être trouvées sur leurs fiches techniques. La rigidité diélectrique est la tension à partir de laquelle le vernis devient conducteur et le courant électrique peut traverser le film perpendiculairement à son plan. La résistivité de volume ou de surface peut aussi être mentionnée pour les films de vernis polymérisés. On peut également noter le facteur de dissipation et la constante diélectrique. Une faible constante diélectrique peut être importante pour accorder un vernis et un circuit afin d'éliminer les risques de résonance en fréquence. Une constante diélectrique élevée peut générer des effets de selfs aléatoires et indésirables entre deux surfaces de pistes contigües. Cela peut altérer le fonctionnement du circuit. Un comparatif des divers paramètres donnera une mesure brute de la sensibilité d'un vernis à souffrir de défaillances lorsqu'il est soumis à des champs électriques. Cela apparait généralement lorsque des tensions élevées engendrent des décompositions de la surface du vernis et qu'une bande de carbone conducteur se forme.

Pour finir, nous allons considérer les méthodes et équipements disponibles pour l'application des vernis de tropicalisation. Il existe de nombreux fournisseurs d'équipements de trempage pour l'application des vernis, avec une large gamme de prix et d'options. Au trempé, il est important de maîtriser la vitesse de retrait qui va déterminer l'épaisseur du revêtement. Plus la vitesse est faible, plus le film sera mince. L'épaisseur du vernis sera également déterminée par d'autres paramètres tels que la viscosité, la teneur en matière sèche et la température de la solution de vernis. Les cartes sont habituellement trempées verticalement mais les équipements sophistiqués peuvent être capables d'incliner la carte à différents angles pour obtenir l'épaisseur recherchée. Il y a généralement des zones de la carte qui ne doivent pas être vernies (par exemple des connecteurs). Si elles sont placées au dessous du niveau immergé il sera alors nécessaire de masquer ces parties avec un adhésif ou un masque pelable. Ces opérations sont coûteuses et prennent du temps.

Les équipements de vaporisation se sont beaucoup développés ces dernières années. Il est maintenant possible de vernir une carte uniquement sur certaines zones, éliminant donc le besoin de masquer certains composants. Les méthodes de "film coating" et de "swirl coating" se sont développées, résultant dans la capacité de gérer une plus grande plage de viscosités et augmentant la précision des opérations de vernissages. La combinaison de ce type de machines de vernissage avec une ligne de polymérisation aux UV ou des fours à infrarouge permet la production rapide de cartes vernies complexes.

Quel est l'avenir des vernis de protection? Pour le moment, il est difficile d'égaler les performances des vernis solvantés avec les nouvelles technologies. Nous prévoyons que les pressions environnementales contre l'émission des solvants dans l'atmosphère et ses conséquences sur le réchauffement global et la pollution en général vont aller en augmentant. (Un article résumant les implications de la dernière Directive Européenne sur l'Emission des Solvants est disponible sur demande). Ces pressions environnementales nécessiteront à la fois une augmentation des moyens pour piéger et recycler les solvants émis mais aussi d'accélérer le développement des vernis à réticulation UV et base aqueuse afin d'amener leurs performances au niveau de celles des vernis à base de solvants. Des démarches seront également entreprises dans le développement des vernis 100% solides et par la suite des vernis sans solvants.

- J. F. Humphries