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Articles techniques

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Une nouvelle génération de vernis de protection pour des environnements d'exploitation difficiles

GB DE Étiquettes: Les vernis de protection, recherche

Phil Kinner d'Electrolube traite de l'évolution des matériaux des vernis de protection, plus robustes et plus respectueux de l'environnement, formulés pour s'adapter de façon fiable aux rigueurs des déploiements de l'électronique moderne.

On attend de plus en plus des produits électroniques modernes qu'ils survivent à des environnements d'utilisation hostiles et fonctionnent de façon fiable dans des conditions de haute température prolongée, en présence de chocs thermiques et de forte humidité, et ces produits peuvent être soumis à la condensation, à des agents corrosifs ou à d'autres types d'attaques chimiques. Malgré cela, les mesures de réduction de poids ont diminué la robustesse (et en conséquence les qualités de protection) des boîtiers alors que la législation environnementale continue à limiter l'utilisation des matériaux de protection à base de solvant beaucoup plus polyvalents.

Pour répondre à ces difficultés, une nouvelle génération de vernis de protection bicomposants sans solvant à hautes performances a été développée pour assurer un niveau de protection compatible avec ce que propose une résine d’encapsulation, mais avec la facilité d'application d'un vernis conventionnel. La gamme de produits 2K d'Electrolube est un exemple parfait de cette tendance et sera traitée plus en détail plus loin dans cet article.

Un vernis de protection assure l'indispensable deuxième ligne de défense au-delà de celle assurée par le boîtier de protection ; donc pour assurer la longue durée de vie utile d'un produit déployé dans un environnement d'exploitation difficile, il est utile de prendre en compte les modes d'attaque les plus courants, ainsi que la façon de les contrer. Pour choisir un vernis de protection adapté aux environnements difficiles, il faut traiter les problèmes suivants : la possibilité de corrosion et de condensation ou immersion dans l'eau, l'espacement des composants et la formation de moustaches d'étain (« tin whiskers « ).

Corrosion

La corrosion est un processus électrochimique complexe contrôlé par la diffusion, qui se produit sur une surface de métal apparente. Malgré la diversité des mécanismes et des causes potentielles, trois éléments doivent être réunis pour qu'une corrosion survienne : la présence de matériaux présentant une différence électrochimique intrinsèque (par exemple or/argent et nickel/étain), ou la création d'une anode et d'une cathode par l'application d'une polarisation ; la présence d'espèces ioniques (sels, halogénures, hydroxydes, etc.) ; et la présence de couches monomoléculaires d'eau condensée pour dissoudre les espèces ioniques, pour produire une solution d'électrolyte. Pour éviter la corrosion, il faut éliminer au moins une de ces conditions préalables.

Le choix des métaux est limité à ceux utilisés dans la soudure et les produits chimiques de finition de soudure (différents) et il y aura toujours des points de différence de potentiel du fait de la nature d'un produit électronique. Le nettoyage peut aussi contribuer à l'élimination des espèces ioniques, mais ne peut pas empêcher la redéposition depuis l'environnement d'utilisation.

Les vernis de protection contribuent à éviter la formation de solutions électrolytiques en servant de barrière contre l'humidité. Toutes les surfaces métalliques sur un circuit imprimé doivent être suffisamment bien revêtues pour éviter l'exposition à un environnement potentiellement corrosif ; même de petits manques dans le vernis faisant apparaître la surface du métal peuvent en fait accélérer la corrosion dans certaines conditions d'environnement. Le défi du vernis de protection est d'assurer un niveau de couverture approprié de toutes les surfaces métalliques apparentes sur la topographie tridimensionnelle complexe caractéristique des circuits imprimés modernes.

En plus de cette couverture "idéale", le vernis doit aussi assurer une barrière contre l'humidité tout en offrant une bonne adhérence au support pour éviter le délaminage. Quand un vernis est délaminé, l'humidité pénètre, et crée finalement une solution électrolytique par contact avec toute contamination ionique existante au préalable – c'est une autre excellente raison pour nettoyer soigneusement la carte avant l'application du vernis de protection.

Condensation

Quand le niveau d'humidité est notable, certaines zones du produit peuvent descendre sous le point de rosée et l'eau peut se condenser sur les surfaces du circuit imprimé, réduisant notablement sa résistance d'isolement. Bien que l'eau pure ne soit pas un bon conducteur de l'électricité, toute impureté ionique présente sur la surface du circuit est solubilisée pour former un trajet conducteur. En plus de conduire à une corrosion décrite ci-dessus, ces conditions mettent à rude épreuve la résistance d'isolement du vernis.

Ce sont pour ainsi dire des conditions d'immersion, et l'eau trouvera rapidement les manques ou points faibles du vernis. Si le vernis est mince ou absent à certains endroits, l'isolation assurée est négligeable – et certainement loin de l'idéal. Toute solution conductrice permet le passage d'un courant électrique d'un point faible vers un autre, ce qui se traduit par une défaillance temporaire (réversible quand la carte sèche) ou à une panne irréversible si des produits de corrosion conducteurs, dendrites ou autres formes de chemin conducteur se déposent à la surface du vernis.

Espacement des composants

Bien que l'air soit normalement un excellent isolant, il peut subir un claquage en présence d'un champ électrique supérieur à 3 kV/mm et devenir partiellement conducteur. La tension de claquage dans l'air dépend de la séparation des composants qui peuplent le circuit imprimé. Si la différence de potentiel entre les composants voisins est suffisamment élevée, un claquage électrique complet dans l'air se traduit par un arc électrique qui couvre tout l'intervalle entre les composants. Les vernis de protection assurent une résistance d'isolement supplémentaire et les concepteurs peuvent les utiliser pour obtenir des produits plus compacts en rapprochant les composants plus que ce qui aurait été possible sans vernis.

Formation de moustaches d'étain (« tin whiskers »)

Les vernis de protection peuvent aussi permettre d'éviter les problèmes posés par la formation de moustaches d'étain pouvant conduire à des courts-circuits localisés. Bien que les recherches actuelles aient démontré que c'est peu probable, une éruption de moustaches d'étain peut perforer et traverser le vernis. Pour produire un court-circuit, la moustache d'étain qui dépasse doit soit entrer en contact avec une autre moustache d'étain qui dépasse de polarité inverse, soit rentrer à travers le vernis à un emplacement de polarité opposée.

La modélisation informatique démontre que tant que la couverture et l'épaisseur du vernis de protection sont suffisantes sur la surface conductrice, la pénétration des moustaches d'étain dans le produit est peu probable et qu'une pénétration double est quasiment impossible. Ceci laisse comme seul réel mécanisme de panne potentielle la rencontre de deux moustaches d'étain dépassant pour former un court-circuit, c'est une probabilité statistiquement négligeable.

L'approche à deux composants

Pour les matériaux conventionnels appliqués sous forme liquide et les procédés d'application correspondants, l'obtention d'une bonne couverture et épaisseur s'est révélée problématique. Par exemple, dans une évaluation récente de "l'état de l'industrie" d'IPC, qui contenait une analyse de milliers de coupes transversales, on a pu remarquer qu'il n'existait qu'une couverture faible ou totalement absente de beaucoup de pattes de composants et corps de composants pour toutes les combinaisons de matériaux/processus. Vu l'importance de la couverture des bords et de l'épaisseur, ainsi que du besoin d'assurer les deux sans sacrifier les autres exigences de performances, telle que la résistance aux chocs thermiques ou la tolérance aux cycles thermiques, il a fallu concevoir un nouveau type de vernis pour répondre à ces défis.

Coupes par autorisation de Rockwell-Collins.

Electrolube a développé sa série de vernis de protection 2K pour proposer une solution aux problèmes courants rencontrés par les fabricants confrontés à des problèmes de performances avec les solutions de vernis actuelles dans les environnements difficiles. La série de vernis de protection à 2 composants à hautes performances 2K a la capacité d'améliorer à la fois l'épaisseur du vernis et la couverture des bords avec une alternative sans COV, à polymérisation rapide sans solvant et plus économique que les matériaux à base de silicone. De plus, beaucoup des revêtements dans la gamme 2K sont hydrophobes et assurent donc une excellente protection contre l'immersion dans l'eau, les brouillards salins et l'humidité, ce qui en fait de parfaits candidats pour les capteurs automobiles et l'électronique sous le capot.

Les matériaux 2K sont constitués de deux composants : une résine et un agent de réticulation, les deux restants stables tant qu'ils sont séparés. Une fois mélangés dans le rapport correct, une réaction chimique se produit pour former un polymère solide. L'ajustement des chimies de la résine et du durcisseur permet de produire une grande diversité de polymères, allant de matériaux souples comme du caoutchouc à d'autres à haute résistance comparables à du verre. Traditionnellement, beaucoup de ces matériaux 2K sont à base de solvant pour prolonger leur durée d'utilisation et permettre de conserver les méthodes d'application existantes. Néanmoins, du fait des restrictions toujours plus importantes à l'utilisation de solvant, on a constaté une accélération des tendances du marché à produire des solutions sans solvant.

Images par autorisation de Nordson Asymtek et PVA (Precision Valve and Automation)

Sans solvant

Le passage d'Electrolube à un système 2K sans solvant a exigé une nouvelle approche du mélange et de la fourniture. Pour les applications de vernis, le contrôle du débit à un niveau suffisamment bas tout en maintenant les rapports de mélange corrects était le défi essentiel, récemment surmonté par l'utilisation de pompes à cavité progressive et faible volume, de conception spéciale. Elles permettent de commander précisément les débits de chaque composant des formules à ± 1 %, pour conserver le contrôle du rapport volumétrique au point de mélange et juste avant l'application, ce qui assure la régularité des propriétés des matériaux distribués et une polymérisation rapide. De plus, la vitesse de la tête de pulvérisation peut être jusqu'à trois fois supérieure à celle des applications de pulvérisation de matières 100 % solides traditionnelles, ce qui réduit notablement les temps de cycle de revêtement.

Cette technologie d'application permet à la gamme 2K de matériaux une polymérisation en 10 minutes à 80 °C, soit les valeurs de temps de séchage et de température correspondant à un acrylique à base de solvant. En fait, la dernière-née de la gamme 2K polymérise essentiellement aux rayons UV (par des systèmes conventionnels à microonde ou à lampe à arc, ou encore par les dernières technologies à LED), alors que la polymérisation chimique assure un durcissement complet dans les zones d'ombre en seulement quelques heures, à comparer aux semaines ou mois pour les mécanismes de polymérisation secondaires induits par l'humidité. Le produit 2K850 d'Electrolube à deux composants et polymérisation aux UV associe la vitesse et l'aspect pratique de la polymérisation aux UV pour un vernis immédiatement sec au toucher, aux avantages du système de vernis de protection 2K d'Electrolube, qui permet une polymérisation complète à température ambiante dans les 24 heures, par rapport à la moyenne minimale du marché d'environ 4 à 14 jours.

Dans des essais rigoureux, ces nouveaux systèmes bicomposants démontrent des performances très impressionnantes par comparaison avec d'autres types de vernis. Le fait qu'ils puissent être appliqués en couche épaisse (jusqu'à 300 µm), sans fissuration pendant les essais de chocs thermiques, permet d'obtenir une meilleure couverture des pattes des composants. Ceci se traduit à son tour par une amélioration des performances en essai de brouillard salin, les essais MFG (mixed flowing gas) et les essais de condensation par la nouvelle méthode d'essai du NPL ; ce sont des régimes d'essai traditionnellement épuisants couramment utilisés pour les campagnes de qualification automobile. On peut citer un bon exemple dans un essai récent de centrales électroniques de moteur automobile vernies avec le produit 2K, qui ont été soumises à 1 000 cycles de choc thermique de -40 °C à +140 °C sans fissuration de contrainte.

Dans d'autres expériences par Electrolube, effectuées pendant le développement du projet 2K, une carte d'essai de résistance d'isolement de surface (SIR) a été essayée non vernie, vernie sélectivement avec un acrylique à solvant et vernie sélectivement avec un matériau 2K pour évaluer la nouvelle méthode d'essai de condensation du NPL. Les résultats démontrent que pour les deux types de composants BGA et SOIC, les résultats d'essai de résistance d'isolement de surface (SIR) avec le vernis 2K étaient supérieurs de deux ordres de grandeur et peu variables, que le matériau soit recouvert d'eau condensée ou non. Il y avait une différence très importante pour l'acrylique, selon que le matériau était sous conditions de condensation ou non, et pour les composants BGA des traces de formation de dendrites sont apparues dans l'évaluation du produit non verni.

Les vernis de protection 2K assurent une couverture fiable des bords vifs et bien qu'ils soient normalement appliqués en faible épaisseur (50-75 μm), ils ont aussi été conçus, formulés et testés pour une application en épaisseur beaucoup plus grande (250-300 μm) pour faciliter une encapsulation supérieure des composants et de leurs pattes sans les problèmes associés aux vernis épais, tels que la fissuration dans les essais de choc thermique.

La protection extrême assurée par l'épaisseur supérieure et les meilleures capacités de couverture des matériaux 2K d'Electrolube seront appréciées par beaucoup de fournisseurs automobiles et de l'aérospatiale confrontés à des exigences croissantes des constructeurs OEM d'amélioration de performances en matière de résistance à la condensation et d'intégrité dans des applications d'immersion dans l'eau salée sous tension.