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Comment protéger efficacement les composants

La bonne méthode, le bon connecteur

Comment protéger efficacement les composants : le bon procédé, le bon connecteur

Le secteur de l'électronique est en pleine mutation : que ce soit dans le secteur automobile, dans les énergies solaire et éolienne ou dans l'automatisation industrielle, l'électrification touche tous les domaines. Cependant, avec la connectivité en constante augmentation, le nombre de pannes électroniques a également augmenté ces dernières années – de 29 % selon le Center for Automotive Research. En fonction des influences environnementales attendues, une protection des composants électroniques devient donc nécessaire. Elle permet de protéger l'électronique de manière fiable – mais pour cela, les utilisateurs ont également besoin d'une solution de raccordement compatible avec l'encapsulation.

Demande croissante en matière de procédés de protection des composants

Différents procédés protègent les composants électroniques contre les chocs, les vibrations, l'humidité, la saleté, les températures élevées, les variations de température prolongées et les dommages qui en découlent. La protection des composants peut donc contribuer de manière significative à améliorer la durée de vie, la sécurité de fonctionnement et la fiabilité des produits finis.

C'est pourquoi les procédés de protection des composants sont déjà régulièrement utilisés dans de nombreuses applications : mobilité électrique, automatisation industrielle, applications ferroviaires, technologie médicale, énergie éolienne et solaire, électronique de communication, agriculture et appareils ménagers – l'électronique est aujourd'hui présente presque partout. La tendance croissante à la miniaturisation constitue un défi de plus en plus important. L'électronique devient de plus en plus petite et nécessite différentes mesures de protection afin d'augmenter à nouveau les distances de fuite et d'éliminer les distances d'air.

En fonction des contraintes et des conditions d'utilisation des composants, on choisit donc entre différents procédés : l'enrobage, le revêtement conforme et le moulage à chaud sont les plus courants.

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Procédé de protection des composants : enrobage

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Tableau 1 : Les résines d'enrobage les plus courantes et leurs propriétés
On utilise très souvent des composés d'encapsulation à 1 ou 2 composants, appelés « potting compounds ». Dans le cas des composés d'encapsulation à deux composants, la résine et le durcisseur sont mélangés selon un rapport de mélange précis à l'aide d'un équipement mécanique adapté, puis coulés dans la cavité via un tube de mélange statique. Il s'agit donc d'un procédé d'encapsulation à froid non moulant qui nécessite un boîtier dans lequel le composé d'encapsulation est versé.
L'encapsulation présente de nombreux avantages : elle assure non seulement une excellente isolation électrique, une dissipation thermique élevée et une réduction des vibrations et des chocs, mais elle offre également une résistance aux produits chimiques, à l'humidité, aux chocs thermiques et aux cycles, protège l'électronique de la poussière et de l'humidité et possède en outre des propriétés ignifuges.
 
En standard, on utilise des résines époxy, polyuréthane et silicone, en fonction des exigences spécifiques. Elles se distinguent toutes par leurs propriétés (tableau 1). 

Outre les matériaux mentionnés, il existe également des composés d'encapsulation et des résines de moulage spéciaux. Ceux-ci ne sont toutefois utilisés que dans des conditions extrêmes. Conformément aux exigences ATEX, ils protègent par exemple contre les explosions en empêchant la réaction chimique entre la source d'inflammation, la matière inflammable et l'oxygène. De plus, elles permettent une isolation électrique contre la haute tension (jusqu'à 30 kV/mm), protègent contre la surchauffe due à un dégagement de chaleur partiel et offrent, avec l'indice de protection IP68, une protection contre la poussière ainsi que contre l'immersion prolongée.

L'encapsulation offre de nombreuses possibilités à l'utilisateur. Les applications types concernent les packs de batteries, l’électronique de puissance et de commande, les chargeurs, l’électronique antidéflagrante, les capteurs, les moniteurs et les écrans.

Procédé de protection des composants : revêtement conforme

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Fig. 1 : Comparaison entre le revêtement en couche mince (à gauche), le revêtement en couche épaisse (au centre) et l'enrobage (à droite) Source : Werner Wirth
Le revêtement conforme permet de recouvrir les circuits imprimés de manière complète ou sélective. Dans le cas d'un revêtement sélectif, seules les zones nécessaires du circuit imprimé sont recouvertes d'une couche protectrice. On distingue généralement deux types de revêtement : le revêtement en couche mince, qui, grâce à son durcissement rapide et à sa viscosité adaptée, garantit une grande rentabilité des processus de fabrication. Le revêtement à couche épaisse, quant à lui, offre une protection particulièrement élevée des bords et des surfaces, préservant notamment les modules électroniques d'une humidité extrême. Dans les deux cas, les revêtements conformes ne présentent, après séchage, qu'une épaisseur de couche comprise entre 30 et 2 000 µm. Le module électronique peut ainsi toujours être installé dans des espaces restreints. 

 En raison des différences de viscosité des vernis de protection et donc de leurs comportements d'écoulement, le principe DAM & FILL est souvent appliqué aux modules électroniques assemblés. On utilise ici un vernis de protection thixotrope pour former un « dam » (en français « barrage »), par exemple autour des composants qui ne doivent pas être enrobés, comme les connecteurs. Les autres composants sont ensuite recouverts d’un vernis de protection à faible viscosité (« Fill », en français « remplissage »). Différents matériaux

polymères sont utilisés pour le revêtement conforme. Les utilisateurs peuvent ainsi choisir, entre autres, entre des produits à base de silicone et des produits réticulés aux UV. Les premiers, grâce à leur large plage de températures allant de -40 °C à +200 °C, conviennent parfaitement aux conditions d'utilisation difficiles, comme dans l'aéronautique, l'aérospatiale ou l'offshore. Les seconds sont composés d'acrylates et de polyuréthanes ou d'hybrides des deux matériaux. Ils se distinguent principalement par leur durcissement très rapide sous l'effet des UV et par leur excellente résistance aux chocs thermiques.

Les domaines d'application des revêtements conformes sont variés et vont du secteur automobile à la technologie ferroviaire, en passant par la technologie des capteurs, l'électronique industrielle, la technologie médicale, ainsi que l'éolien offshore et l'aérospatiale mentionnés précédemment.

Procédé de protection des composants : moulage à chaud

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Fig. 2 : Moulage à chaud illustré par l'exemple d'un casque de pompier. Au centre : des connecteurs qui ont été évidés à l'aide de la technique « Dam & Fill ». Source : Werner Wirth
Le moulage à chaud (Hotmelt Moulding) constitue une forme particulière d'enrobage. Ce procédé permet, en une seule étape, d'enrober l'ensemble avec un matériau, ce qui crée une structure de boîtier tout en protégeant l'ensemble. Les composants électroniques ne sont pas endommagés, car les matériaux thermoplastiques à faible viscosité présentent une température de traitement basse et sont mis en œuvre avec une pression d'injection bien inférieure à celle du moulage par injection plastique classique. Cela préserve les composants, permet aux thermoplastiques de durcir rapidement et rend le procédé relativement économique.

Le moulage par injection à basse pression permet ainsi d’envelopper, de coller ou d’étanchéifier selon la norme IP68 de manière écologique même des composants sensibles tels que les contacts, les capteurs, les circuits imprimés et les bobines, les protégeant ainsi contre les contraintes les plus extrêmes. L’agriculture est

par exemple un secteur fortement exposé aux influences extérieures. Les machines y sont soumises quotidiennement à des conditions météorologiques variables. Le moulage par thermofusion constitue donc la solution idéale pour protéger leur électronique : il assure une protection fiable et durable contre l'humidité, les variations de température, la corrosion et les vibrations. 

Conclusion

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Enrobage, revêtement conforme ou moulage à chaud : le choix de la méthode de protection des composants la plus appropriée dépend toujours du domaine d'application de l'électronique concernée et des exigences qui y sont associées. Il n'existe pas de solution universelle.

Problématique relative aux connecteurs

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Fig. 3 : Micrographie d'un connecteur en deux parties comparée à celle d'un connecteur flexilink B-T-B monobloc. Source : ept GmbH
Températures extrêmes, saleté et humidité, contraintes chimiques ou mécaniques : grâce à un procédé de protection des composants adapté, les circuits électroniques sont protégés contre pratiquement toutes les influences extérieures. Il faut toutefois tenir compte d'un aspect : l'encapsulation n'est possible que si les matériaux utilisés ne limitent pas la fonctionnalité des composants intégrés. Pour cela, il faut également une solution de connexion compatible avec l'encapsulation, ce qui exclut l'utilisation de connecteurs de circuits imprimés classiques. La raison en est la technologie de contact à ressort et lame, généralement en deux parties, dans laquelle la masse d'encapsulation peut pénétrer dans la zone de connexion vulnérable et ainsi entraver le contact.

Avec les connecteurs classiques, la zone de contact doit donc être scellée avant l'encapsulation à l'aide de la technique « Dam & Fill » afin d'éviter tout risque d'interférence avec la résine d'encapsulation (fig. 2). En effet, la résine d'encapsulation présente deux risques dans la zone de contact : d'une part, elle peut endommager les points de contact et ainsi interrompre la transmission du signal. D'autre part, elle entraverait les propriétés de relaxation du ressort.

Afin de permettre malgré tout l'encapsulation tout en garantissant la fiabilité requise, il est recommandé d'opter pour une solution de raccordement monobloc, c'est-à-dire un connecteur qui se passe de la zone d'insertion classique. Avec un tel connecteur monobloc, la pénétration de la résine d'encapsulation dans la zone de contact est impossible.  

La technique d'insertion par pression : la solution de raccordement de choix

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Fig. 4 : Le connecteur pour circuits imprimés flexilinkb-t-b avec la zone d'insertion ept Tcom press® Source : ept GmbH
Les connecteurs monoblocs offrent donc l'indice de protection IP requis pour ces matériaux, permettant ainsi un scellement et, par conséquent, une solution de raccordement durable et robuste. Cependant, le choix de la technique de raccordement joue également un rôle important dans ce contexte. Grâce à des zones d’insertion à pression de part et d’autre, la zone de connexion devient étanche aux gaz en raison du soudage à froid entre la douille en cuivre et la zone d’insertion, formant ainsi une connexion moulable entre deux circuits imprimés qui a déjà fait ses preuves des milliards de fois sur le terrain.

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Fig. 5 : Spécifications des alésages de la zone d'insertion ept Source : ept GmbH
Pour garantir cette étanchéité aux gaz, il est toutefois impératif de réaliser les trous métallisés conformément à la spécification ept :


L’absence de zone d’insertion permet ainsi au connecteur, associé à la technique d’insertion par pression, de résister à des chocs pouvant atteindre 200 g. Les mouvements de matière dus à d’importantes variations de température ainsi que l’influence des gaz nocifs n’altèrent pas non plus la connexion. La technique d’insertion sous pression multiplie considérablement la fiabilité par rapport à la technique de soudure, car elle exclut tout risque de soudures froides ou cassées. De plus, elle permet d’éviter les travaux de soudure sélective fastidieux, les solutions de câblage coûteuses et les entretoises, ce qui permet aux développeurs non seulement de gagner de la place sur le circuit imprimé, mais aussi de réduire les coûts jusqu’à 50 %.  

Un seul composant suffit pour établir à la fois une connexion mécanique et électrique. C’est notamment dans le cas des modules de conception modulaire, dotés de fonctions configurables ou de différents niveaux de performance, que le processus d’insertion par pression s’intègre parfaitement à la fin du processus d’assemblage. Différents modules peuvent alors être montés au choix sur des circuits imprimés de base. Il est ainsi possible de fabriquer une grande variété de produits en une seule étape rapide. Comme un moulage final de l’ensemble est également possible, la connexion électrique et mécanique reste fiable.  

L’encapsulage permet aux utilisateurs de protéger au maximum leur module électronique contre les agressions environnementales. Toutefois, quiconque envisage de protéger ses composants pour son application doit également tenir compte du choix d’un connecteur adapté, associé à une technique de raccordement appropriée. Monobloc, enfoncé et encapsulé : grâce à cette combinaison, les modules électroniques sont protégés contre (presque) toutes les agressions.

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