Couverture ElectroniqueS n°127

ES CIRCUITS IMPRIMÉS SONT AU CŒUR DES PPAREILS ÉLECTRONIQUES DE NOTRE QUOTIDIEN. OR, A DÉFAILLANCE D'UN PCB CONSTITUE UNE SOURCE E DYSFONCTIONNEMENT QUI PEUT S'AVÉRER LOURD E CONSÉQUENCES, EN PARTICULIER DANS DES PPLICATIONS CRITIQUES. CET ARTICLE MET EN AVANT 'IMPORTANCE CAPITALE DES INSPECTIONS ET DES TESTS RÉ-ET POST-APPLICATION POUR S'ASSURER DE LA IABILITÉ DES PCB ET PROLONGER LEUR DURÉE DE VIE. Phil Kinner (Electrolube) Phil Kinner occupe le poste de directeur technique et commercial monde pour les vernis de protection chez Electrolube depuis 2014, date de son arrivée chez le fabricant de produits chimiques à destination, notamment, de l'électronique. Il a auparavant occupé des postes à responsabilité en commercial et technique chez Humiseal et PVA. Les tests et inspections des circuits imprimés sont aussi importants avant qu'après l'application d'un vernis de protection, afin de s'assurer de la fiabilité des PCB et de prolonger leur durée de vie, surtout s'ils sont destinés à fonctionner dans un environnement extrême. Les circuits imprimés (ou PCB) sont au cœur des appareils électroniques de notre quotidien. Les vernis de protection sont largement utilisés pour protéger les PCB et les ensembles électroniques dans des domaines qui sont critiques pour la sécurité et la haute fiabilité, et où l'impact d'une défaillance électronique peut avoir des conséquences graves pouvant aller jusqu'à la mort. Pour s'assurer qu'un vernis de protection réponde aux exigences prescrites, il convient d'exposer les ensembles électroniques ainsi revêtus à toute une série d'environnements dans des conditions de test adéquates afin d'en déterminer les performances et les limites. Les tests élémentaires incluent des essais de performance électrique et des tests accélérés d'humidité ; les tests avancés reproduisent quant à eux des conditions exigeantes, comme le brouillard salin, des températures extrêmes ou des changements environnementaux rapides. Le rôle des vernis de protection consiste à protéger les circuits imprimés pour s'assurer de leur bon fonctionnement dans l'environnement dans lequel ils sont censés prendre place. Mais dans certains cas, il peut arriver que les circuits ne fonctionnent pas correctement, voire même pas du tout, alors qu'ils ont pourtant été revêtus. Avec, à la clé, une perte de temps et un coût non négligeable et, par voie de conséquence, une atteinte à la réputation du fabricant. Cet article évoque l'importance de ces essais et examine différentes variables pouvant causer la défaillance d'une carte et les manières de l'éviter. Au fur et à mesure que l'électronique évolue pour intégrer plus de fonctionnalités dans un espace de plus en plus restreint, la probabilité de défaillance augmente exponentiellement. Avec des composants toujours plus miniaturisés, des épaisseurs de plus en plus fines, les designs atteignent bientôt les limites de conception et remettent parfois même en question les limites de fabrica-tion. Logiquement, plus les concepteurs repoussent les limites, et plus les risques de défaillances se multiplient. Outre les défaillances liées au design, la plus grande proximité des composants les uns avec les autres, due à une densité supé-rieure, rend inévitablement le matériel plus vulnérable à la corrosion – un processus électrochimique complexe occasionné par la diffusion qui se produit sur une surface métallique apparente en présence d'eau et de contaminants ioniques. Le nettoyage avant la pose du vernis de protection contribuera donc grandement à supprimer les conditions propices à la corrosion, en permettant un processus de revêtement plus efficace afin d'augmenter la résistance d'isolement de ces designs sensibles et d'atténuer les effets de l'environnement opérationnel, dans le but affiché d'éviter les défaillances. Les PCB sont des ensembles très complexes avec une multitude de variables susceptibles de provoquer des défaillances de la carte. Certains mécanismes de défaillance interviennent petit à petit, facilitant la détection, la maintenance, voire la répara-tion. Mais s'il s'agit d'un mécanisme causant une défaillance soudaine et inopinée, le PCB cessera probablement de fonctionner. Quand un PCB tombe en panne malgré l'application préalable d'un revêtement de protection, cela signifie sans doute que des conditions problématiques étaient déjà présentes auparavant. Mais il est également possible que le vernis soit inadapté ou que la méthode d'application utilisée ne convienne pas. De même, toutes sortes de menaces pèsent sur le bon fonctionnement d'un PCB, notamment l'application d'un vernis de protection sur des composants et des surfaces n'ayant pas été nettoyés au préalable, les décharges électrostatiques ou même, éventuellement, la médiocre fabrication de la carte proprement dite. La première procédure à mettre en place – et la plus cruciale – consiste à mener une inspection préalablement à l'application du vernis. Cette phase essentielle permet de confirmer la qualité d'ensemble du PCB, de s'assurer qu'il répond aux objectifs et respecte les spécifications du client. La première procédure à mettre en place – et la plus cruciale – consiste à mener une inspection préalablement à l'application du vernis. Cette phase essentielle permet de confirmer la qualité d'ensemble du PCB, de s'assurer qu'il répond aux objectifs et respecte les spécifications du client. À ce stade, l'inspection est primordiale pour détecter des conditions qui pourraient provoquer la défaillance de la carte comme un composant défectueux, une épaisseur de carte insuffisante ou bien encore des connexions lâches qui compromettent la connectivité. Mais les vernis de protection présentent, eux aussi, des limites, sans compter que les contaminants présents en surface avant l'application seront incorporés dans le vernis et pourront causer des problèmes à long terme – ces contaminants peuvent inclure des traces de doigt, des résidus de flux et de l'humidité, ainsi que d'autres polluants atmosphériques. C'est pourquoi le nettoyage et le séchage des cartes s'imposent préalablement à l'application du vernis de protection si l'on veut obtenir une performance optimale. Même en utilisant les flux soi-disant « no-clean », le nettoyage des cartes pré-application (avant application du vernis) contribue à l'augmentation de leurs performances et de leur fiabilité. HARO SUR LA CHALEUR La chaleur est l'autre ennemi juré des PCB et des composants électroniques. Pendant le fonctionnement, les matériaux au sein du PCB subissent de grands écarts de température et chacun a la capacité d'absorber une gamme thermique spécifique, essentiellement en fonction de sa taille et de sa forme. L'électronique de haute puissance, à plus forte densité, produit davantage de chaleur. Or la chaleur excessive peut causer une contrainte mécanique significative avec un impact sur les brasures, et « griller » les composants. La gestion efficace du transfert thermique est essentielle pour prolonger la durée de vie de l'appareil et ainsi parer aux défaillances. La surchauffe accélère non seulement les mécanismes de défaillance, mais rend également impossible la manipulation des appareils trop chauds qui, dans certains cas, présentent même un risque d'incendie. Mis à part les aspects thermiques, comme la tendance à la miniaturisation se poursuit, il y a de moins en moins de place pour plusieurs cartes dans les équipements électroniques. Ainsi, le nombre de designs utilisant des technologies mixtes est en hausse, avec des circuits analogiques, numériques et RF côtoyant dans une grande proximité des circuits haute tension. Si bien qu'il devient de plus en plus difficile de satisfaire les exigences de design à la fois en termes d'écartement et de fluage. Ne serait-ce que de petites différences au niveau de l'environnement – par exemple, un peu plus de poussière ou d'humidité, des éclaboussures d'eau ou l'exposition à des matériaux gazeux potentiellement corrosifs – peuvent suffire pour faire franchir à un design tout à fait fonctionnel les limites de sécurité opérationnelle en termes d'écartement et de fluage, et causer des défauts de performance. La plus grande densité des composants rend inévitablement le matériel plus vulnérable à la corrosion. Le nettoyage avant la pose du vernis de protection contribuera grandement à supprimer les conditions propices à la corrosion, en permettant un processus de revêtement plus efficace. Les brasures défectueuses, le flux non consommé ou superflu, et les excroissances d'étain (whiskers) figurent également au rang des facteurs contribuant à la défaillance de la carte et des composants. Les brasures à froid, qui se forment lorsque la soudure ne fond pas entièrement pendant le montage, produisent des connexions médiocres dans les procédés de montage en surface, qui endommagent les composants CMS et sont à l'origine de problèmes d'alimentation. Les résidus de flux peuvent également contribuer à la corrosion, car ils absorbent l'humidité, produisent des courts-circuits et endommagent les composants. Les whiskers provoquent aussi des courts-circuits. Les vernis de protection arrivent normalement à éviter la formation de ces excroissances d'étain pendant l'opération, mais ils sont moins efficaces quand elles sont déjà présentes dans le montage, préalablement à l'application du vernis. En règle générale, le niveau d'atténuation des whiskers dépend plus de la couverture du vernis que de ses propriétés ; il existe bien des données équivoques selon lesquelles les vernis plus durs et plus solides sont plus efficaces en matière d'atténuation, mais il faut trouver un juste équilibre avec l'impact accru sur la durée de vie de la brasure. Dans l'ensemble, une stratégie d'atténuation plus efficace serait probablement de chercher à obtenir 100 % de couverture des surfaces métalliques. Les pistes peuvent aussi être endom-magées en raison de surtensions, de la foudre et d'une surchauffe. Les cordons conducteurs endommagés en argent ou en cuivre se repèrent normalement à l'œil nu, mais ce n'est pas toujours le cas. Les pistes défaillantes sont responsables de gros problèmes au niveau de la conductivité, des composants et de la fiabilité de l'appareil. Heureusement, ces dommages sont normalement détectés et réparés dès l'inspection visuelle initiale. Cette liste de facteurs contribuant à la défaillance des circuits imprimés n'est pas exhaustive mais donne une vue d'ensemble des principaux éléments à vérifier. Mais au-delà de ces éléments, c'est la conception même de la carte qui peut être la cause de la défaillance du PCB. Pour augmenter la durée de vie de la carte, il faut impérativement sélectionner les composants et matériaux appropriés, s'assurer que le positionnement de la carte est adéquat et que le design répond aux exigences spécifiques. D'ailleurs, la conception intervient aussi dans le choix de la méthodologie d'application du vernis appropriée, qui influera sur la durée du cycle et les coûts associés. Des petits détails, comme s'efforcer de rassembler les connecteurs ou autres zones « no-coat » du même côté de l'ensemble électronique, peuvent faire une énorme différence en ce qui concerne la facilité d'application et le coût de revêtement d'un ensemble électronique, ainsi que, bien évidemment, sa fiabilité. DYSFONCTIONNEMENT DU PCB POST-REVÊTEMENT Plusieurs variables peuvent être responsables du dysfonctionnement du circuit imprimé, même une fois le vernis appliqué. En règle générale, cela pourrait indiquer un choix erroné de produit et/ou d'application, ou un problème sous-jacent dû à une mauvaise préparation de la surface ou à une réaction chimique qui se produit sous le vernis, et qui n'a rien à voir avec ce dernier. Si les vernis sont peu performants, les surfaces du PCB risquent de ne pas être isolées quand l'eau se condense en combinaison avec les impuretés ioniques pour former des chemins conducteurs entre les pistes du PCB. La condensation peut sans aucun doute mettre sérieusement à l'épreuve la résistance d'isolement d'un revêtement. Comme il existe de nombreux produits de revêtement capables de résister à ces conditions, ce type de problèmes peut être évité en choisissant dès le départ le matériau approprié. ar ailleurs, si le vernis ne s'est pas polymé-isé correctement, il ne pourra pas déve-opper toutes ses propriétés protectrices. ans ce cas, c'est le processus d'application ui est fautif. L'application conforme est ndispensable au succès du revêtement t permet, à elle seule, de résoudre toute ne série de problèmes. Par exemple, une ouverture régulière, une épaisseur suffi-ante et une couverture à bords nets ne ont pas toujours faciles à réaliser avec ertains vernis, et il peut s'avérer diffi-ile d'obtenir l'épaisseur requise dans ces ones pour garantir la protection. C'est la ombinaison du choix de matériau et de a technique d'application/du savoir-faire ui permettra de remédier à ce type de roblèmes. Les spécifications IPC auto-isent une épaisseur du film sec comprise ntre 30 et 130 micromètres, l'épaisseur aximale étant obtenue par l'application e plusieurs couches de vernis. Tenter 'obtenir une épaisseur de film sec de 30 micromètres par un processus à un eul revêtement sélectif, avec un matériau crylique à base de solvant, par exemple, st une entreprise vouée à l'échec. Elle engendrera probablement une formation excessive de bulles, le retrait du film, le délaminage du vernis et des contraintes additionnelles sur les composants et, finalement, une moindre protection globale du circuit. Pour améliorer la protection des circuits électroniques, la meilleure approche consistera à tendre vers un revêtement uniforme de 30 à 50 micromètres et vers une protection parfaite à chaque application. Il est également important de respecter l'épaisseur appropriée. Il faut garder à l'es-prit que si le vernis est trop épais, il pourra causer le piégeage de solvants dans les zones où il n'est pas totalement polymérisé. De la même façon, il pourra causer des fissures lors de la polymérisation, voire provoquer des fissures dans les composants vernis eux-mêmes, ou lors de changements de température, ou encore à la suite de chocs mécaniques ou de vibrations. L'application est le facteur déterminant pour la fiabi-lité du vernis. Un matériau médiocre bien appliqué peut souvent s'avérer aussi efficace, voire plus efficace, qu'un matériau doté d'excellentes propriétés mais qui a été mal appliqué. Il s'agit d'obtenir une couverture suffisante des arêtes vives et des surfaces métalliques, sans appliquer le matériau en couche trop épaisse ailleurs. Évidemment, certains matériaux sont plus faciles à appliquer que d'autres et rendent ce processus aussi simple et efficace que possible, mais, en fin de compte, la performance des vernis liquides dépendra toujours de la qualité de l'application. Les larges zones de compo-propriétés m sants séparés représentent également un défi considérable pour le vernissage du fait des forts niveaux de capillarité en présence, et le résultat est souvent assez désastreux, avec des zones sans couverture/protection sur la carte et inversement des zones d'épaisseur excessive susceptibles de fissuration sous contrainte, de délaminage et autres défauts de vernissage. Finalement, ceci conduit à une défaillance prématurée des ensembles électroniques et tout doit être fait pour l'éviter. Il pourrait également se produire une interaction inopinée avec un autre matériau utilisé pour préparer ou assembler le PCB. Les résidus de flux sont un bon exemple de ce genre de problèmes. Dans un processus « no-clean », par exemple, ils peuvent empêcher la polymérisation de certains types de vernis ou entraîner une réduction de l'isolation du système, plus importante que celle de l'un ou l'autre matériau. À moins qu'un soin méticuleux n'ait été apporté à la préparation ou aux régimes de nettoyage pré-application, les résidus corrosifs couvrant l'intervalle entre les pistes conductrices du PCB peuvent, avec le temps, provoquer des défaillances. Bien que le vernis puisse repousser la défaillance de plusieurs années, elle se produira inévitablement à un moment ou à un autre. L'application est le facteur déterminant pour la fiabilité d'un vernis de protection. Un vernis médiocre bien appliqué peut souvent s'avérer aussi efficace, voire même plus efficace, qu'un matériau doté d'excellentes propriétés mais qui a été mal appliqué. DES VERNIS DE PROTECTION PLUS EFFICACES Le test majeur de la performance d'un vernis de protection intervient à la mise sous tension dans des conditions humides, qu'il s'agisse de condensation, d'immersion ou de brouillard salin. Comme l'eau renfermant des impuretés solubles est conductrice d'électricité, s'il y a des points faibles dans un vernis, cela finira par produire des courts-circuits à la surface du PCB. Pour garantir une protection dans ces circonstances, il est essentiel d'obtenir une couverture à 100 % et sans aucun défaut des surfaces métalliques du PCB, ce qui représente un réel défi pour le matériau proprement dit et pour le processus d'application. Heureusement, une nouvelle classe de vernis de protection à deux composants, dits « 2K », permet d'obtenir une épaisseur très supérieure et une couverture parfaite, résultant en un niveau bien meilleur de protection. Les matériaux de protection 2K d'Electrolube combinent les propriétés de solidité et de résistance d'une résine d'encapsulation et la facilité d'application d'un vernis. Leurs avantages en termes de performance supérieure ont été mis en évidence dans trois des tests les plus exigeants auxquels ces matériaux peuvent être soumis, notamment les essais de condensation sous tension et les essais d'immersion sous tension dans l'eau salée. Les circuits imprimés sont aujourd'hui au cœur de tous les appareils électroniques faisant partie de notre quotidien : smartphones, tablettes et ordinateurs, éclairages extérieurs, téléviseurs, réfrigérateurs, micro-ondes, automobiles, etc. Par conséquent, la défaillance d'un circuit imprimé peut causer des perturbations considérables et, dans certains cas comme les applications aérospatiales, peut avoir de graves conséquences. Le choix des matériaux de protection des ensembles électroniques s'avère donc crucial, particulièrement si le circuit imprimé doit subir des is de er aussi ntes chocs physiques et des cycles thermiques importants. Les inspections et les tests pré-et post-application sont donc essentiels pour s'assurer de la fiabilité du PCB et prolonger sa durée de vie, surtout s'il est destiné à fonctionner dans un environnement extrême. Pour ce faire, sélectionner le matériau approprié pour la protection exigée, l'appliquer et veiller à sa polymérisation constituent des étapes indispensables. Sans oublier de vérifier les interactions avec d'autres produits chimiques intervenant dans le processus, ni de nettoyer l'ensemble intégralement avant d'appliquer le vernis. Et si cela s'avère possible, il est aussi important de passer du temps à simplifier le processus de vernissage dès la phase de conception. Le simple fait de positionner autant que possible des connecteurs et des composants à ne pas vernir d'un côté de l'ensemble électronique peut simplifier le processus d'application du vernis. La défaillance d'un PCB peut malheureusement se produire à la suite de l'application d'un vernis de protection, mais il est possible de l'empêcher en prenant quelques précautions : inspections systématiques préalables à l'application, choix et application du matériau adapté, autres essais rigoureux post-application, etc. •

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