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Articles techniques

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Les vernis de protection les plus performants dans les environnements les plus rudes

EN DE IT Étiquettes: Les vernis de protection

Comment les vernis de protection aident les fabricants automobiles à assurer une fiabilité à long terme des assemblages

Introduction

Aujourd'hui, dans une voiture typique, les systèmes électroniques sont critiques pour le fonctionnement sûr et sans problème du véhicule. Avant même que le moteur ne démarre, l'électronique a déjà déverrouillé la voiture. Une fois que vous démarrez le moteur et que vous appuyez sur l'accélérateur, des capteurs vous aident à sortir de votre place de stationnement, les unités de contrôle du moteur (UCM) règlent la puissance du moteur, surveillent la pression des pneus et les systèmes de sécurité sont allumés en mode veille. Alors que vous vous éloignez, que vous ajustez l'air conditionné, que vous vous assurez que votre téléphone est connecté au système de divertissement, que vous enregistrez votre destination sur le système GPS et que vous lancez votre musique préférée, c’est d’autant plus de systèmes électroniques qui se réveillent.

L'électronique continue de gérer la température intérieure à l'aide du système HVAC (Air conditionné, chauffage, ventilation). Les capteurs et les systèmes de contrôle détectent les situations de crash, déploient les airbags et la protection latérale contre les impacts et peuvent appeler les secours immédiatement sur le lieu de l'accident si le conducteur devait en être incapable. Le freinage est contrôlé pour prévenir de situations dangereuses avec par exemple le blocage des freins, les systèmes de transmission et de gestion automatiques utilisés pour changer les vitesses et maximiser l'efficacité du carburant ainsi que pour surveiller et minimiser les émissions. Les systèmes de détection active des collisions utilisent des caméras et des systèmes radars pour alerter les conducteurs des situations imminentes et pour prévenir les sorties de voies.

L'utilisation d'électronique automobile va continuer de se développer puisque les consommateurs demandent toujours plus de performance, de sécurité, de confort, de commodité et de divertissement dans leurs voitures. Des systèmes sont développés pour faire toujours plus pour éviter les accidents, pour protéger et divertir les occupants et réduire l'impact environnemental du voyage.

La valeur des systèmes électroniques dans les véhicules actuels excède couramment 20 % de la valeur totale du véhicule et beaucoup estiment que cette valeur augmentera jusqu'à plus de 35 % dans les 5 prochaines années. Avec l'augmentation de l'adoption de véhicules électroniques et le développement de l'Internet des Choses, dont le point culminant se situe dans la voiture futuriste sans conducteur testée par Google en Californie et par BMW sur les routes de Bavière, l'avenir ne pourrait pas avoir l'air plus différent que l'industrie dans les années 1970 lorsque les systèmes électroniques d'injection du carburant ont été introduit pour la première fois dans la production en série.

Une grande partie de l'augmentation de l'utilisation de l'électronique automobile a été permise par le développement de contrôleurs, de capteurs et de commutateurs encore plus performants, mais aussi par le développement de systèmes électroniques de haute fiabilité et faible-coût qui ont rendu les applications de sécurité, de confort et d’habitacle standards dans la plupart des véhicules modernes.

Faible coût, haute fiabilité

Avec une demande accrue de sophistication, de performance et de fiabilité, des garanties de 5 voire même 7 ans sont fournies avec les nouveaux véhicules et le besoin d'assurer la fiabilité des nouveaux designs à un coût acceptable est l'un des plus grands défis auxquels les fournisseurs de composants doivent faire face. Les systèmes électroniques doivent de plus en plus faire face à des extrêmes de températures de plus en plus importants et des taux toujours plus élevés d'humidité, de condensation et de gaz encore plus corrosifs. Avec la ruée vers les véhicules électriques, ayant des puissances de courant bien plus importantes comme normes, une protection diélectrique accrue est requise pour permettre à ces conceptions d'être suffisamment denses pour répondre aux contraintes de taille et de poids. L'augmentation de la sophistication des systèmes électroniques signifient souvent qu'ils sont plus sensibles à la contamination et aux impacts des environnements extérieurs. Avec le niveau accru d'interconnexion entre les systèmes, une défaillance dans l'un des assemblages peut provoquer des répercussions sur un autre. Contrairement aux applications aérospatiales où il peut y avoir 2 ou 3 couches de redondance dans la conception, les conceptions automobiles doivent typiquement fonctionner la première fois et à chaque fois, pendant toute la durée de vie du produit.

Vernis de protection/tropicalisation pour améliorer la fiabilité

Les vernis de tropicalisation sont des vernis polymères appliqués en fines couches qui sont souvent utilisés pour fournir une protection environnementale nécessaire, sans augmentation excessive de coût ou poids. On catégorise généralement les applications de vernis de protection soit pour l'électronique « en habitacle » (située à l'intérieur de l'habitacle des passagers) ou pour l'électronique « sous le capot » (près du moteur). Les deux catégories distinctes permettent de discuter convenablement des exigences principales de chacun, mais évidemment, avec une sophistication augmentée et une fonctionnalité multiple des assemblages, l'environnement traditionnel continue de fusionner et la volonté d'avoir de l'électronique avec une puissance plus grande dans des véhicules électriques trouble encore plus les données.

Électronique automobile « en habitacle »

Les capteurs et les systèmes électroniques situés dans l'habitacle occupent essentiellement le même espace que les occupants du véhicule et sont ainsi exposés à des environnements largement similaires. En hiver, cela peut signifier un froid extrême et une tendance à la condensation. En été, la tendance est une atmosphère chaude et humide. La condensation et une humidité importante sont toutes les deux un risque pour la fiabilité de l'électronique, propices à la formation de la corrosion. Outre ces facteurs, l'électronique peut être exposé à des polluants atmosphériques, des solutions de nettoyage, des éclaboussures, etc. Chacun de ces facteurs peut être un risque potentiel pour la fiabilité, en particulier en association avec l'humidité et la condensation.

La corrosion est un processus électro-chimique complexe, avec une variété de mécanismes et de causes potentielles, bien au-delà de l'étendue de cet article, cependant, dans la grande majorité des cas, il existe 3 exigences qui doivent être remplies afin que la corrosion ait lieu.

  1. Intrinsèquement, des métaux dissemblables de manière électro-chimique (par ex. Or/Argent et Nickel/Étain) ou la création d'une anode et d'une cathode en appliquant les facteurs appliqués.
  2. La présence d'espèces ioniques (habituellement le sel, les halogénures, les hydroxydes, etc).
  3. La présence de monocouches d'eau condensée pour dissoudre les espèces ioniques résultant en une solution électrolytique.

Afin de prévenir la possibilité de corrosion, il est nécessaire d'enlever l'une des conditions pré-requises.

Le choix de métaux est limité à ceux utilisés dans les produits chimiques à braser, qui sont dissemblables, et des zones de différence potentielle existeront toujours en raison de la nature de l'assemblage électronique. Le nettoyage peut aider à enlever les espèces ioniques mais ne peut pas prévenir la redéposition d'espèces ioniques dans l'environnement opératoire.

Les vernis de protection aident à prévenir la formation de solutions électrolytique en agissant comme des barrières contre la moisissure. Le vernis doit être une barrière efficace contre la moisissure et doit avoir une bonne adhésion au substrat afin de prévenir le délaminage. Une fois que le vernis est délaminé, la moisissure peut éventuellement s'accumuler dans cette « poche » et former une solution électrolytique avec toute contamination ionique pré-existante. C'est la raison pour laquelle un nettoyage avant la pose du vernis de protection est recommandé afin de fournir une élimination synergique puissante de deux des trois conditions pré-requises pour la corrosion.

En raison des environnements de fonctionnement relativement bénins expérimentés dans l'électronique « à l'intérieur de l'habitacle », les vernis de protection acrylique ont dominés ce segment historiquement, proposant de bonnes caractéristiques générales, en particulier contre l'humidité élevée et les déversements ou éclaboussures.

Électronique « sous le capot »

La différence principale entre les exigences pour la protection de l'électronique « sous le capot » et l'électronique « à l'intérieur de l'habitacle » sont dues à la localisation du précédent. L'environnement peut être beaucoup moins contrôlé, avec des températures de fonctionnement maximales plus élevées et bien plus d'opportunités de contamination par des carburants, des huiles, des fluides de nettoyage, des gaz corrosifs, des particules métalliques et des suspensions d'eau salée pulvérisée après le salage des routes, etc.

En bref, les assemblages « sous le capot » et autres ne faisant pas partie de l'habitacle doivent fournir une protection dans des conditions environnementales bien plus rudes.

La nouvelle génération de vernis de protection

Afin de relever ces défis, un nouveau type de vernis de protection est nécessaire. Ces vernis doivent être extrêmement résistant aux conditions humides et aux produits chimiques, être hautement flexible pour résister à des variations et chocs thermiques et survivre à des températures de fonctionnement plus élevées.

Pour relever ces défis, Electrolube a développé une nouvelle gamme de vernis de protection modifiés polyuréthane, sans solvants, hautement durables, qui sont conçus pour être appliqués en une couche plus épaisse que les vernis de protection habituels et séchés en 10 minutes à 80 °C en réutilisant des étuves de séchage thermique souvent utilisés dans les processus pour matériaux solvantés.

Résistance à la condensation / à l'eau

« La couverture des bords tranchants », la capacité à couvrir complètement et de manière fiable les fils des appareils, les brasures et autres surfaces métalliques afin de prévenir leurs susceptibilités à la corrosion est un problème ancien et bien connu, qui a récemment été souligné par IPC5-22ARR J-STD-001/Conformal Coating Material & Application Industry Assessment (Évaluation des matériaux des vernis de protection & de l'industrie d'application).

Pour démontrer l'importance de la couverture des arrêtes et la protection contre l'eau, sous forme de condensation, le National Physical Laboratory (NPL) au Royaume Uni, est actuellement en train de travailler sur le développement d'un test de condensation contrôlé. Ils ont montré qu'à 40 °C et 93 % d'humidité relative, une différence de température de 1,5 °C seulement peut conduire à la formation de suffisamment de moisissure pour réduire la résistance d'isolation de surface d'un échantillon de cuivre de TΩ à 1MΩ (limite de détection).

  • Fig. 2. Comparaison de la résistance à la condensation de différents vernis, Courtoisie de NPL

Les données montrent clairement une baisse significative de la valeur SIR d'un assemblage non verni, une protection limitée pour le vernis Nano et l'acrylique en une seule couche, une protection améliorée avec l'acrylique en double-couche avec les deux nouveaux matériaux en uréthane permettant une protection plus élevée, tandis que l'UR3 en particulier montre des capacités de protection remarquables contre l'eau de condensation.

Cela peut en partie être expliqué par l'épaisseur et la couverture, même si la chimie particulière de la formulation joue également un rôle notable, tel que c'est expliqué par la différence significative de performance entre UR4 et UR3, même si les épaisseurs appliquées (c. 150 µm) sont similaires, comme montré dans l'illustration 3 ci-dessus.

  • Fig. 3. Section transversale de coupons vernis 3 oz, montrant l'importance de l'épaisseur et de la couverture appliquées dans la résistance contre la condensation.

Résistance aux chocs thermiques

  • Fig. 4. Coupon test Electrolube pour l'évaluation de la performance de vernis de protection

L'électronique automobile doit habituellement fonctionner entre -40°C et 125°C, avec des transitions rapides entre les extrêmes de température. Le coupon test Electrolube SIR montré dans l'illustration 4 a été conçu de manière à contenir un nombre de composants, mis dans une configuration compliquée pour mieux simuler un assemblage de production. Les coupons ont été vernis de manière sélective avec les polyuréthanes UR3 et UR4 à une épaisseur cible de 250 µm et soumis à 1 000 cycles de chocs thermiques air-à-air, aux extrêmes de température indiqués précédemment, avec un taux de changement de température supérieur à 40 °C / min.

Ces coupons ont été contrôlés visuellement avec un agrandissement de 20X sur la présence de signes de fissures, de délaminage et de dommage de brasures ou de composants. Après 1 000 cycles, UR3 a montré quelques signes de fissures et de décoloration sur la surface mais n'a pas exposé de surfaces métalliques et ne s'est pas propagé à la surface de la carte, tandis qu’ UR4 n'a montré quasiment aucune modification dans son apparence.

Résistance au brouillard salin

Afin d'évaluer la protection fournie dans des conditions de brouillard salin prévu pour simuler des conditions de conduite hivernale, les coupons test montrés dans l'illustration 4 précédemment exposés aux 1 000 cycles de chocs thermiques ont été soumis à un test de brouillard salin de 196 heures (solution de NaCl de 5 %). Les coupons étaient alimentés en permanence à 50 V pendant la durée du test et la résistance d'isolation mesurée à des intervalles périodiques durant le test.

Comme cela peut être vu dans l'illustration 5 ci-dessous, les deux matériaux ont obtenus de bons résultats, fournissant une excellente protection contre un environnement à brouillard salin, bien qu’UR3 ait montré un degré général supérieur de résistance d'isolation, en lien avec les résultats du test de condensation de NPL.

  • Fig 5 – Résistance d'isolation des matériaux en polyuréthane dans des conditions de brouillard salin avec une polarisation de 50 V appliquée en continue.

Conclusion

Afin de répondre aux demandes de l'industrie automobile pour une meilleure fiabilité de l'électronique dans des environnements de plus en plus agressifs, Electrolube a développé une gamme de vernis de tropicalisation de haute performance, sans solvants. Ces vernis ont été développés pour être appliqués en couches plus épaisses pour surmonter les problématiques d'application habituelles et améliorer la couverture des arrêtes tranchantes.

Ces matériaux ont démontrés qu'ils fournissaient des améliorations de performance significatives dans les assemblages test de PCB, en terme de résistance aux chocs thermiques et dans des environnements de brouillard salin, en comparaison avec les vernis de protection traditionnels, les vernis ultra-fins ou même les matériaux à réticulation UV.

Auteur: Phil Kinner,
Responsable du département des vernis de protection, Electrolube