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07 december 2012 | La Revue POLYTECHNIQUE 10/2012 | Électronique

Une protection destinée à l’électronique sensible

Andreas Schimanski

La compacité et la sensibilité de l’électronique moderne sont en constante augmentation. Cela n’empêche que l’on trouve toujours davantage d’électronique dans des applications dans des conditions difficiles. Cela nuit non seulement aux composants électroniques, mais cela peut aussi complètement les détruire. Comment protéger les modules électroniques sensibles, avec efficacité et à moindre coût, contre ces effets nuisibles?
Il n’existe aujourd’hui pratiquement plus de voiture qui s’ouvre à l’aide d’une simple clé. Les clés à commande radio ouvrent et ferment les véhicules à distance au moyen d’un bouton poussoir, elles actionnent les fenêtres, le coffre ou encore l’alarme. Ces opérations sont réalisées à une distance de quelques mètres, grâce à un transpondeur RFID. Elles doivent se dérouler avec fiabilité et sécurité.
Pour ce faire, il faut que la clé de notre voiture renferme une électronique extrêmement complexe et compacte. Nous avions l’habitude, par le passé, de laisser notre clé de voiture dans une poche de pantalon, parmi la monnaie ou d’autres objets métalliques, constituant un voisinage nuisible. Elle risquait de tomber dans le caniveau, bien entendu rempli d’eau. Est-il possible maintenant, de soumettre une clé à commande radio, truffée d’électronique sensible, à des conditions semblables?
 
Fig. 1. Une clé électronique non protégée; ouverte à moitié après scellement; coulée dans le boîtier.
 

La clé à commande radio dans l’industrie automobile

«Protéger des chocs, des vibrations, de la température et de l’humidité, c’est l’alpha et l’oméga de l’électronique dans la vie quotidienne», déclare Eric Meier, président du conseil d’administration et responsable de la production et de la qualité chez le prestataire de services électroniques suisse Elfab AG. «Toutefois, cette protection doit être non seulement fiable lors de la fabrication électronique de série, mais également réalisable à des coûts acceptables.» L’entreprise Elfab fabrique des clés à commande radio pour l’industrie automobile; le nombre de pièces produites chaque année s’inscrit en six chiffres.
Cela signifie, qu’outre la pression des prix et des exigences générales de qualité posées par la branche automobile, il faut également satisfaire les demandes pratiques de ce secteur exigeant. Autrement dit, l’électronique des clés doit être complètement encapsulée. Le scellement doit offrir une protection totale et fiable contre l’humidité et les vibrations, y compris lors de fortes variations de température. Et de plus, l’électronique doit être coulée en optimisant les coûts. «En Europe, cela n’est possible qu’avec un très haut niveau d’automatisation, un produit de scellement de haute qualité, ainsi que des machines des plus modernes», poursuit Eric Meier, «et avec des collaborateurs chevronnés ayant une excellente formation. Notre entreprise est spécialisée dans la fabrication d’une électronique complexe et prestigieuse. Elle dispose d’un parc de machines moderne et d’un personnel spécialisé, formé pour le laquage sélectif et l’encapsulation. Notre propre système de planification et de contrôle de la production nous permet de respecter la traçabilité et les exigences de qualité particulières demandées par l’industrie automobile.»
 
Fig. 2. Lors du procédé de coulage au silicone à deux composants, comme ici pour des clés de voiture, les deux composants sont injectés séparément par le haut, dans la tête de dosage.
 

Le choix du mode d’enduction approprié est décisif
Afin de protéger l’électronique de manière optimale, tout en respectant l’aspect économique, il faut toujours choisir le mode d’enduction approprié. On parle ici de laquage en couche mince, de laquage en couche épaisse ou d’encapsulation. Lorsqu’on a défini le mode d’enduction, le choix du matériau d’enduction adapté aux exigences suit. Celles-ci concernent, bien sûr, l’aptitude au façonnage, mais également un faible retrait, un dégagement de chaleur modique, la résistance mécanique, une élasticité élevée, la résistance à la température, l’isolation, ainsi qu’une haute résistance aux courants de fuite.
Il y a lieu d’observer, en outre, les exigences relatives au respect des prescriptions UL et des normes de sécurité, comme une faible inflammabilité, par exemple. Du point de vue chimique, les matières d’enduction sont généralement classées dans les laques à base de résine acrylique, de résine époxy, les silicones et le polyuréthane. On définit le procédé de durcissement en fonction du mode de séchage – séchage physique, durcissement oxydatif, chimique ou par rayonnement.
 
Fig. 3. Lors de l’injection, les composants se mélangent et le scellement est réparti sur le circuit imprimé dans les boîtiers.

 
Il existe de nombreux produits de scellement
On classe les matériaux de scellement dans différents groupes, présentant des propriétés diverses. On trouve, d’une part, le polyuréthane et les résines époxy, que l’on utilise sous forme de scellement à deux composants. Après durcissement, ces matériaux sont très fragiles, aussi, lors des réparations, n’est-il pas possible de séparer le produit de scellement de l’électronique sans provoquer de dégâts. Il faut, en outre, chauffer le produit de scellement lors de l’encapsulation, pour le couler ensuite dans un moule ou directement dans le boîtier. Le fait qu’il existe de nombreux produits de scellement sur le marché est un avantage important. Le choix du produit utilisé a une influence sur l’élasticité, la dureté et la couleur du scellement durci.
Il existe, d’autre part, le coulage à deux composants avec des matériaux au silicone. Dans ce cas, le produit de scellement conserve en général sa souplesse, y compris après séchage. Ceci permet  de séparer le produit de scellement de l’électronique sans provoquer de dégât. Le façonnage s’effectue facilement et sans devoir préchauffer le produit de scellement. L’encapsulation  intervient sans soufflures et sans précautions particulières. Ici également, un moule de remplissage est nécessaire pour le coulage, si l’on ne peut pas couler directement dans un boîtier. On trouve sur le marché de nombreux produits de scellement au silicone, parfaitement au point; le choix du produit utilisé influe sur l’élasticité, la dureté, la couleur et les proportions de mélange.

Fig. 4. Dans les installations sélectives de laquage, on peut, à l’aide de différentes buses, passer la laque autour des composants, ainsi qu’au-dessous.

 
La technologie Macromelt Moulding: un procédé novateur
L’entreprise Henkel a développé le moulage Macromelt à un composant. La technologie Macromelt Moulding se prête à l’enrobage d’inserts. La bonne adhérence du Macromelt permet d’obtenir des étanchéités et des résistances élevées de l’élément moulé enrobé. L’utilisateur dispose ainsi d’une diversité de nouvelles variantes pour la construction.
Cette technique de façonnage novatrice tient compte d’une propriété particulière du matériau Macromelt, à savoir sa viscosité relativement faible. On peut ainsi, avec une faible pression, pomper ce matériau liquide dans le moule à injection, où il enrobe les composants en filigrane, les étanchéifie et les protège. Un moulage par injection plus aisé, effectué à une température relativement basse, en est donc l’avantage.
Par comparaison, alors que le façonnage des matières thermoplastiques exige généralement des températures de quelque 250 °C, 120 à 150 °C suffisent, à court terme, pour le Macromelt. Ce matériau est relativement bon marché, mais le coût de la machine, de 60’000 à 80’000 francs, est très élevé, car il est nécessaire d’avoir un outil de moulage par injection. Deux opérations permettent de réaliser l’incorporation complète des composants électroniques, ce qui entraîne également des frais supplémentaires. 

Fig. 5. Les coupes laquées sélectives sont visibles à la lumière UV – on les reconnaît au centre de la photo. Grâce au barrage de viscosité élevée, les surfaces de contact du circuit imprimé sont exemptes de laque.

 
Un nettoyage minutieux pour une bonne protection
Lorsque le matériau d’enduction, la méthode d’enduction et le procédé de durcissement sont connus, vient alors la préparation de l’électronique sur l’enduction. Afin que le film de protection puisse adhérer sur la platine, il est important d’éliminer, par un nettoyage minutieux, les substances réfractaires à la laque, comme la graisse, l’huile et les empreintes de doigts, ainsi que les résidus de fondant. Lors du nettoyage, il faut veiller à ce que les composants soient compatibles avec la méthode de nettoyage choisie; on ne peut pas, par exemple, nettoyer dans une machine automatique des modules électroniques comportant des relais non encapsulés, car des résidus du liquide de nettoyage pourraient alors provoquer des dégâts sous le boîtier. On obtient également une qualité élevée lorsque la surface à enduire est prétraitée au moyen d’un agent adhésif en matière synthétique.
Tous les contacts de la fiche, du composant et du circuit imprimé, ainsi que les trous de montage métallisés doivent être protégés de la laque, en collant ou en posant des gaines de protection. Celle-ci doit également agir par dessous, sinon la laque encore liquide parvient, par effet capillaire, de la surface du circuit imprimé jusqu’aux surfaces de contact, en passant par ceux-ci. Cette phase de préparation représente un travail manuel coûteux, qui engloutit inutilement des ressources et des frais. L’utilisation d’une installation de laquage sélective chez Elfab AG permet d’éviter cette opération. Cette installation commandée par ordinateur et automatisée applique la laque uniquement aux endroits requis. Un dispositif, en option, permet de placer un barrage autour des composants sensibles, à travers la laque liquide, de manière à empêcher l’effet de capillarité.

Fig. 6. Une installation compacte de laquage et d’encapsulation automatique
 

Les applications ferroviaires exigent aussi une électronique encapsulée
Une clé à commande radio pour l’industrie automobile est certainement la discipline reine, en ce qui concerne les exigences posées aux procédés de production, à la fiabilité et aux prix. Mais enduire de laque et encapsuler est également nécessaire dans de nombreuses autres applications. Il ne faut pas non plus sous-estimer la production électronique pour les applications ferroviaires selon la norme DIN EN 50155. Dans ce cas, outre des vibrations basses fréquences, il faut surtout tenir compte de l’effet de la condensation à l’entrée et à la sortie des tunnels. Le laquage des composants électroniques dans les applications ferroviaires est donc absolument nécessaire. Ceci est valable, de manière générale, pour tous les circuits électroniques soumis à de fortes variations de température, d’humidité, à des milieux agressifs, mais aussi à des contraintes mécaniques particulières.
«Nous avons pu acquérir, durant des années, un vaste savoir-faire concernant les procédés de laquage et d’encapsulation industriels. Le réglage et le démarrage des procédés et des machines exigent beaucoup d’expérience et de finesse», conclut le spécialiste en électronique Eric Meier.

La société Elfab AG, dont le siège social est situé à Mellingen, est spécialisée depuis plus de 30 ans dans la réalisation de matériel électronique haut de gamme. Elle dispose, notamment, d’un parc de machines moderne pour le laquage et l’encapsulation de composants électroniques. En association avec des experts suisses de l’électronique, cette entreprise travaille en étroite collaboration avec sa filiale Elfab Suisse Romande SA, à Corcelles. Ses clients peuvent ainsi compter sur plus de 250 collaborateurs compétents et motivés dans le groupe, en ayant constamment recours à leurs connaissances, à proximité immédiate.
 
Des normes et des experts
Diverses directives et normes internationales, nationales et spécifiques à l’utilisation régissent et définissent la protection des composants électroniques. Un fil conducteur pour le nettoyage des  circuits imprimés et des assemblages de circuits électroniques est consigné dans la spécification IPC-TR-65. Par ailleurs, on trouve dans la norme IPC-CC-830, la qualification et la performance des produits d’isolation pour les circuits imprimés. Des exigences élevées concernant la fiabilité sont également essentielles dans le domaine militaire. Ainsi, la norme MIL-I-46058C définit-elle la spécification militaire des produits d’isolation dans le domaine de l’électronique pour l’enduction de circuits imprimés équipés.
Dans le secteur industriel, on a recours à la norme CEI 61086, qui spécifie les enductions pour les circuits imprimés équipés (laques de protection). Les critères de réception des composants électroniques sont consignés dans la norme IPC-A-610. La norme EN 50155 relative aux équipements électronique des véhicules ferroviaires stipule également des exigences spécifiques concernant la protection des composants électroniques.