Les meilleures pratiques de conception et de fabrication de circuits imprimés pour maitriser les phénomènes d'humidité

 

A PCB damaged by immersion in water
 

Un jour, j'ai eu un système avec des capteurs extérieurs avec un circuit imprimé personnalisé qui arrêtait d'enregistrer les données pendant deux heures à l'aube tous les jours. Ce n'était pas parce que la carte avait besoin d'un repos bien mérité avant de se mettre au travail pour la journée! En réalité, le boîtier du capteur recueillait la condensation matinale, ce qui faisait que la carte ne fonctionnait plus correctement. Nous n'avions jamais pensé que notre circuit imprimé pouvait être exposé à l'humidité lorsqu'il était utilisé sur le terrain. Même si cela était loin d'être optimal, nous nous considérions comme bien chanceux de n'avoir aucun court-circuit et d'avoir le système qui se remettait à fonctionner normalement, une fois sec.

 

Il est rare d'être aussi chanceux, mais maintenant, je sais que l'humidité est une raison très fréquente pour laquelle les circuits imprimés fonctionnent mal. Maintenant que vous savez que la condensation peut être destructrice, sachez aussi qu'il existe plusieurs solutions pour protéger vos circuits imprimés.

 

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Gardez vos cartes au sec - mettez-les dans un boîtier en plastique !

 

 

Mettez vos circuits imprimés dans des boîtiers

La solution la plus simple pour gérer l'humidité est de mettre votre circuit imprimé dans un coffret fermé. Les boîtiers minimisent les modifications que vous devez apporter à votre conception de circuit imprimé et sont relativement peu coûteux. Comme prototype, cela peut être aussi simple que d'utiliser un Tupperware scellé avec du silicone. (Conseil de pro : un Tupperware propre uniquement. Les chips et l'électronique ne font jamais bon ménage!)

 

Vous pouvez acheter des boîtiers et des coffrets prêts à l'emploi avec de nombreuses options d'étanchéité dans presque toutes les tailles.

Si vous concevez le boîtier vous-même, pensez à utiliser des bords arrondis pour que la condensation sur les murs contourne votre circuit imprimé. Incluez aussi des fentes pour maintenir le circuit imprimé en place. Vous devrez concevoir votre carte avec suffisamment de marge pour pouvoir l'insérer dans les fentes sans toucher les composants.

 

Vous pouvez également inclure un déshydratant (vous savez, les sachets NE PAS MANGER dans les boîtes à chaussures!) pour absorber l'humidité dans le boîtier.

 

Un boîtier scellé est souvent une solution facile, car vous devrez de toute façon empaqueter l'électronique. Cependant, dans certaines situations, ce n'est tout simplement pas suffisant. Vous devriez probablement envisager des protections supplémentaires si :

  • vous avez besoin d'une protection rigoureuse en raison des conditions environnementales,
  • le boîtier sera ré ouvert régulièrement,
  • le boîtier est percé de trous pour les câbles ou autres besoins d'E/S.

 

PCB with water damage
Un circuit imprimé endommagé par l'immersion dans l'eau. Cela pourrait être le vôtre si vous ne faites pas attention !

Appliquer un revêtement approprié

Un revêtement approprié est la protection de circuit imprimé la plus courante. Il en existe plusieurs types, mais ils sont généralement peu coûteux à appliquer et peuvent être adaptés en fonction des méthodes de fabrication.

 

Avant de choisir un matériau de revêtement, déterminez si vous devez aussi protéger le circuit imprimé contre d'autres facteurs en plus de l'humidité. Nos systèmes ont été déployés à l'extérieur, parfois à proximité de zones agricoles, donc nous nous sommes inquiétés de la température, des intempéries et des pesticides qui pourraient pénétrer dans le boîtier (que vous devions rouvrir fréquemment). Dans un système, nous avons même eu la surprise de découvrir de la moisissure ! La reprise des cartes est devenue pour le coup vraiment spéciale.

 

Lors du choix d'un revêtement, recherchez ces propriétés :

  • Résistance à l'humidité : La plupart des revêtements conformes sont vendus pour leur protection contre l'humidité. Cependant, tout interstice d'air sur la carte peut influer sur la protection contre l'humidité. Tous les revêtements ne sont pas égaux, vérifiez donc les spécifications du fabricant afin de vous assurer que votre circuit sera protégé contre la pluie, l'humidité ou les conditions que vous attendez.
  • Résistance chimique : Elle devrait être une considération majeure si des pesticides, de l'eau salée ou d'autres produits chimiques corrosifs sont susceptibles d'entrer en contact avec votre carte. Tous les revêtements ne protègent pas contre tous les produits chimiques.
  • Plage de température : Votre revêtement doit-il survivre à des changements thermiques importants ou rapides ? Si c'est le cas, votre revêtement doit être aussi flexible que la carte, de sorte qu'il n'exerce aucune contrainte sur les composants et les soudures, et qu'il ne les fissure pas.
  • Propriétés diélectriques : Les propriétés diélectriques de certains revêtements peuvent être à la fois une bonne et une mauvaise chose. L'isolation du revêtement peut vous donner une plus grande marge de manœuvre dans une conception en réduisant l'espacement. D'autre part, les propriétés diélectriques de certains revêtements peuvent vous perturber car ils modifient l'adaptation d'impédance RF dont l'optimisation a pris des semaines.
  • Facilité d'application : Qui applique le revêtement et quelle qualité de revêtement souhaitez-vous ? Vous pouvez poser le revêtement au pinceau ou au rouleau, mais ce n'est pas toujours propre. Je recommande de pulvériser ou de tremper vos cartes. Alternativement, les processus automatisés permettent des applications bien plus homogènes, même s'ils sont beaucoup plus coûteux. <br />Au début, on pulvérisait toutes les cartes à la main : face avant des cartes le matin, déjeuner avec le patron, puis face arrière des cartes dans l'après-midi. C'est un processus que je valide.
  • Flexibilité : Si vous avez des bords tranchants, beaucoup de joints de soudure ou d'autres topographies irrégulières sur la carte, vous avez besoin d'un revêtement très flexible et réparti régulièrement sur toute la carte. Demandez au fournisseur la viscosité et l'écoulement des revêtements pour savoir celui qui correspond à vos besoins.
  • Travail à refaire : Les revêtements sont destinés à protéger la carte et à ne pas se détacher facilement. Si vous prévoyez des modifications, choisissez un revêtement facile à décoller sans avoir à utiliser des produits chimiques ou des solvants.

 

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Personne n'aime faire des réparations sur ses cartes !
 

 

Les matériaux de revêtement les plus courants sont :

  • Les silicones :  Ils tolèrent généralement bien les températures élevées et ils sont faciles à appliquer. Ils sont flexibles et résistent à de nombreuses conditions chimiques et humides.
  • Les uréthanes :  Fantastiques quand on cherche une résistance à toute épreuve. Ils sont aussi résistants aux rayures. Ils exigent généralement des décapants puissants si vous souhaitez retirer le revêtement et modifier la carte.
  • Les vernis : Ils ont une base de résine naturelle et il en existe tout un panel. Ils proposent également une grande plage de tolérance de température tout en offrant une grande protection contre l'humidité et une excellente flexibilité.
  • Les acryliques : Ils constituent une bonne solution de protection générale. Un avantage supplémentaire est le fait qu'ils sont généralement faciles à retirer de la carte, quand cela s'avère nécessaire.

 

Miller-Stephenson, ACC Silicones, ElectroLube et HumiSeal ont tous des belles présentations des solutions disponibles lorsque vous cherchez à déterminer le revêtement qui vous convient.

 

En outre, assurez-vous de masquer tous les composants qui ne doivent pas être enrobés avant de commencer à protéger allègrement vos cartes.

Post-isoler votre électronique

Parfois il vous faut une protection à toute épreuve, c'est là que la post-isolation entre en jeu. Cela veut dire que vous devez envelopper l'intégralité de la carte dans un matériau de protection, habituellement un époxy ou un silicone.

 

La post-isolation est habituellement effectuée au niveau des composants, mais les circuits imprimés exposés à un environnement maritime ou un autre environnement qui met l'électronique à rude épreuve, peuvent nécessiter une protection intégrale de la carte. Lorsque vous souhaitez augmenter la protection requise, vous devez faire appel à un fabricant pour la réaliser. Les vides ou les interstices d'air dans le matériau sont difficiles à éviter et ils risquent de gâcher tout le travail que vous avez accompli pour protéger votre carte.

 

Les exigences en matière de température sont importantes. Une fois que la carte entière est enrobée d'époxy, la dilatation causée par les changements de température peut entraîner des contraintes sur les joints de soudure et les composants embarqués. Si ces contraintes provoquent des fissures, vous allez passer un mauvais moment car il est vraiment difficile de retravailler votre carte une fois qu'elle a été endommagée. Des entreprises comme Epic Resins et Master Bond offrent des revêtements avec une conductivité thermique élevée et une faible expansion thermique pour aider à éviter ce genre de problèmes.

Simplifiez-vous la vie !

Lorsque vous concevez en vue de la fabrication, la protection de la carte est aussi importante que la sélection des composants. Sinon, vous vous retrouverez comme moi, "pataugeant dans un marais à l'aube" pour effectuer des mesures manuelles tandis que votre carte se remet à fonctionner "après un petit bain de soleil".

 

Pour faire le suivi des spécifications de mes composants, j'ai créé des feuilles de calcul contenant les variations de leurs caractéristiques en fonction de la température et du pas. C'est compliqué. Les maintenir à jour est presque aussi pénible que de "récupérer votre circuit imprimé défectueux dans un marécage infesté d'insectes au crépuscule". Dès que vous vous débarrassez d'une de ces bestioles qui vous suce le sang, une autre attaque. Une solution consiste à utiliser un logiciel professionnel de conception de circuits imprimés comme Altium Designer, où vous pouvez intégrer les spécifications de vos composants dans des règles de conception intégrées. De plus, son module complémentaire Vault vous aidera à faire le suivi des spécifications de vos composants et à vérifier qu'ils sont appropriés pour un revêtement spécifique ou un époxy. Altium peut également vérifier l'espacement 3D de votre boîtier pendant que vous concevez. À l'aide de ces outils, vous pouvez concevoir vos circuits imprimés avec succès et sans difficulté, sans avoir à patauger !

 

Pour en savoir plus sur la façon dont votre logiciel de conception de circuits imprimés peut vous aider, contactez un expert d'Altium.

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Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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