Concevoir une électronique capable de gérer la pression

Suresh Patel | 22 février 2023

Les produits électroniques doivent être fiables et durables, en particulier lorsqu'ils sont conçus pour fonctionner dans des environnements difficiles. Construire des cartes de circuits imprimés (PCB) pour fonctionner efficacement dans des conditions environnementales extrêmes telles que la température, l'humidité, les vibrations et la pression est assez difficile. Il existe plusieurs normes industrielles établies pour valider la conception et le déploiement des PCB pour des applications critiques telles que l'automobile, l'armée, l'aérospatiale et l'électronique sous-marine.

Les températures extrêmes ont un impact non seulement sur les matériaux PCB, mais aussi sur la géométrie de l'assemblage PCB. Une différence de pression peut induire une contrainte physique sur les produits électroniques. L'humidité dans l'atmosphère de travail peut corroder l'assemblage PCB et décomposer l'ensemble de l'appareil électronique. La fatigue due aux vibrations dans les applications automobiles est une préoccupation majeure pour les fabricants de PCB.

Pour l'électronique tolérante à la pression, le boîtier doit être conçu pour résister à des températures très élevées ou froides, à des mouvements continus, à des vibrations et à des pressions. La conception du circuit imprimé doit utiliser des composants et des matériaux conçus pour fonctionner dans des conditions extrêmes. Le respect des exigences et des normes d'acceptabilité de l'électronique robuste garantira la cohérence des performances du produit. Construire de l'électronique pour supporter des environnements difficiles exige une convergence optimale des processus de conception, d'assemblage et de test des PCB.

Une compréhension détaillée de l'environnement de fonctionnement du produit est la première étape dans la construction d'une électronique robuste. Les PCB peuvent être exposés à différents types de circonstances :

En fonction de l'environnement de travail particulier, les concepteurs de PCB doivent capturer les informations nécessaires telles que l'emplacement de déploiement du produit et les paramètres environnementaux associés tels que :

Les environnements extrêmes peuvent réduire considérablement les performances et la durée de vie des appareils électroniques. À moins que le produit ne soit conçu pour des conditions difficiles, la température extrême peut dilater de manière aléatoire les couches de PCB avec les traces de cuivre. Les températures variables ont également un impact sur les joints de soudure et donc sur la connectivité du signal. Les composants d'assemblage de PCB tels que les transistors, les circuits intégrés et les pièces discrètes (résistances, condensateurs, inductances, etc.) ont des paramètres dépendant de la température de fonctionnement, ce qui peut affecter la fonctionnalité du circuit. Des températures élevées peuvent dégazer le matériau PCB dans le boîtier, provoquant de la corrosion.

La pression et les vibrations peuvent faire exploser l'armoire externe, exposant les circuits électroniques à l'environnement extérieur. Toute différence de pression peut avoir un impact sur le PCB et ses composants. Il peut diffuser rapidement des matériaux PCB dans l'environnement. Pendant le processus de fabrication de la puce, des vides peuvent être créés à l'intérieur des composants et remplis d'air. De tels composants montés sur des PCB peuvent être rompus avec n'importe quelle différence de pression, déclenchant une défaillance du composant et du produit.

L'humidité ou la poussière sur le PCB peut provoquer des dysfonctionnements électriques tels que des atténuations de signal. Un excès d'humidité peut corroder le PCB. Il peut provoquer des courts-circuits entraînant des risques d'incendie dans les cas extrêmes. Les surtensions dues aux orages ou aux décharges électrostatiques (ESD) peuvent endommager complètement le produit électronique. Des interférences électromagnétiques excessives provenant de l'équipement environnant ou de la configuration de travail peuvent entraver les performances de la carte.

Le matériau du substrat et la feuille de cuivre doivent être choisis en fonction de l'environnement de travail du produit électronique.

Les matériaux polyimide et Rogers (stratifiés céramiques hydrocarbonés) conviennent aux températures extrêmement élevées. L'aluminium pour la température cryogénique et le FR4 (matériau PCB ignifuge) pour les applications à basse température sont recommandés. Dans un environnement très humide, les matériaux FR4 ou céramiques cocuites à basse température (LTCC) sont de meilleurs choix. Le polyimide et le polytétrafluoréthylène (PTFE) sont des exemples de matériaux PCB résistants à la corrosion et conviennent aux environnements humides.

Il est nécessaire de faire correspondre la constante diélectrique (DK) de différents substrats et noyaux dans l'empilement de PCB. En outre, le coefficient de dilatation thermique (CTE) des substrats adjacents doit correspondre pour une dilatation ou une contraction uniforme des couches de PCB dans des conditions difficiles.

La sélection des composants est cruciale lors de la conception d'électronique tolérante à la pression. La structure interne et la construction des composants passifs, des circuits intégrés et d'autres composants électroniques peuvent influencer considérablement les performances de la carte sous pression.

Les résistances avec des pièces traversantes à film de carbone et de métal et les résistances à montage en surface avec des films épais et minces sont toutes sans vide et préférées dans les conceptions tolérantes à la pression. Les types à couche mince ont une dépendance minimale à la pression et sont idéaux pour les applications à haute pression.

Les condensateurs à film polymère sont sans vide et sont assez stables dans un environnement à haute pression. Les condensateurs en céramique ont une bonne résistance à la compression et sont durables. Avec les types de terminaison souple, les condensateurs céramiques sont plus adaptés aux applications à fortes vibrations telles que l'électronique automobile.

Les transformateurs et les inducteurs affichent le moins de changements dans leurs caractéristiques ferromagnétiques sous haute pression. Lors du choix des isolateurs, les derniers isolateurs à couplage magnétique et inductif sur puce sont préférés car ils sont construits sans espaces libres à l'intérieur du composant. Les oscillateurs au silicium sans résonateurs mécaniques sont préférés dans l'électronique sous-marine pour maintenir la pression du fluide.

Les circuits intégrés CMOS ne sont généralement pas affectés par la haute pression, mais les dispositifs analogiques tels que la précision des amplificateurs opérationnels peuvent se dégrader avec des forces de compression plus élevées dans l'environnement. Un réétalonnage régulier et un placement stratégique des circuits intégrés peuvent aider à faire face au stress induit par la forte pression environnementale. Généralement, les boîtiers plombés offrent une cohérence et une durabilité supérieures à celles des pièces montées en surface dans des environnements difficiles. Les circuits intégrés à boîtier époxy présentent des caractéristiques de compression linéaire et conviennent aux conceptions tolérantes à la pression.

Les composants électroniques dissipent généralement de la chaleur pendant le fonctionnement du circuit. Lors du placement des composants sur le PCB, il est nécessaire d'estimer la dissipation thermique et le budget de puissance de l'équipement électronique. Pour faire fonctionner l'électronique dans des environnements extrêmes, une conception thermique efficace et la mise en œuvre de stratégies de dissipation thermique sont obligatoires.

Les concepteurs de PCB incluent des vias thermiques sur la carte de circuit imprimé pour dissiper la chaleur des composants à courant élevé. L'épaisseur de soudure uniforme des joints de l'appareil peut réduire l'accumulation de chaleur au niveau des broches des composants. Si l'utilisation de dissipateurs thermiques n'est pas suffisante pour une dissipation thermique efficace, des circuits de refroidissement supplémentaires tels que des ventilateurs sont nécessaires pour l'assemblage du circuit imprimé.

L'utilisation de pièces traversantes (connecteurs, résistances, condensateurs, etc.) est recommandée dans les applications sensibles aux vibrations et à la pression, car l'assemblage de circuits imprimés SMT ne convient pas à de telles exigences. Un blindage électromagnétique pour les composants critiques du circuit imprimé peut atténuer les problèmes de bruit externe. Pour éviter tout dommage dû à la poussière ou à l'humidité, il est conseillé d'appliquer un revêtement conforme sur la surface du circuit imprimé ou de sceller les composants avec une résine.

Plusieurs types de revêtements conformes peuvent protéger le PCB des dommages environnementaux. Les résines époxy et polyuréthane sont d'excellents isolants contre les environnements agressifs et sont utilisées pour protéger les PCB de l'humidité, des vibrations et des chocs thermiques et mécaniques. L'épaisseur du revêtement supporte l'immersion du panneau dans l'eau, les solvants et les gaz.

Le revêtement en résine de silicone est fabriqué avec de la résine de silicone et peut résister aux produits chimiques, à l'humidité et aux vibrations. Ils peuvent protéger les PCB sur une plage de température plus large par rapport aux autres revêtements. Cette caractéristique a rendu le revêtement de résine de silicone plus populaire dans les applications automobiles.

Un aspect électrique important de l'électronique tolérante à la pression est de comprendre le champ de claquage de l'air (également des gaz et des fluides) à haute pression. Si deux conducteurs sont proches l'un de l'autre à haute tension, une décharge électrostatique et un claquage diélectrique sont possibles. De plus, si la carte fonctionne sous haute pression, alors le champ de claquage augmente également linéairement avec la pression appliquée (loi de Paschen). La norme IPC - 2221B spécifie l'exigence de dégagement du conducteur pour faire face à l'éventuelle panne diélectrique à haute tension. Le respect de la norme est essentiel pour que l'électronique tolérante à la pression fonctionne à une intensité de champ électrique élevée.

L'électronique tolérante à la pression doit subir des tests d'intégrité structurelle supplémentaires avant le déploiement. IPC 6013 est la norme pour la qualification et les performances des PCB rigides et rigides-flexibles.

Pour les cartes de classe 3 et de classe 3A (telles que définies par la norme IPC 6011) utilisées pour des applications critiques dans un environnement difficile, le niveau d'inspection est assez strict pour garantir des performances sans erreur. Le respect de ces normes garantit l'intégrité du produit PCB.

Des tests de régression comme le Highly Accelerated Life Test (HALT) sont utilisés pour évaluer la fiabilité de la carte en simulant des conditions extrêmes. D'autres tests comme le test de rodage et le test de sécurité électrique (EST) sont également recommandés. Reportez-vous à la norme IPC 9592 pour plus de détails sur la conception pour la fiabilité.

Pour l'électronique sous-marine, différentes méthodologies de test sont adoptées pour les composants et les assemblages de circuits imprimés. Pour garantir la fiabilité à long terme de l'électronique tolérante à la pression, des tests de cycle de la conception de production finale sont obligatoires. Au cours de ce test, l'ensemble PCB est soumis à des pressurisations et dépressurisations répétées à des taux définis. Le temps de maintien et les points finaux sont également contrôlés pendant le test pour identifier toute dégradation des performances du produit.

Pour l'électronique robuste, un processus complet de développement de PCB implique de choisir avec soin les substrats et composants de PCB et d'utiliser des procédures de conception et d'assemblage appropriées. Assurer un entretien régulier des produits peut réduire les défauts et éviter une panne globale du système. Le respect de ces directives pourrait produire des conceptions électroniques capables de fonctionner efficacement sous pression dans des conditions difficiles.

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