Le vernissage des cartes électroniques

Le vernissage des cartes électroniques (conformal coating, en anglais), ou tropicalisation, est une méthode industrielle destinée à protéger contre un environnement sévère en humidité, en poussières, en atmosphère corrosive, etc. Quelles sont les techniques et les différents types de vernis utilisés dans l'industrie ?

Différentes méthodes de vernissages des circuits imprimés existent. Comment peut-on garantir une épaisseur optimale de vernis sur une carte électronique ? Quels composants doit-on vernir ou non ? Les avantages et inconvénients de quelques unes d'entre elles sont présentées ici.

Pourquoi vernir une carte électronique

Généralités sur le vernissage (tropicalisation)

La carte électronique est le circuit imprimé équipé de son composants (PCBA : printed circuit board assembly). Le vernissage (tropicalisation) a pour but de protéger la carte électronique de certains contaminants pour la carte électronique. Le vernissage assure aussi une protection contre les particules (poussière) et assure une certaine isolation électrique aussi. La plupart des vernis sont résistants à des solvants et des environnements humides.

Les fabricants de cartes électroniques doivent connaître leurs équipements pour réaliser le vernissage adapté. La connaissance de certaines normes est aussi nécessaire, complétées par différentes notes d'applications de fabricants.

Carte électronique tropicalisée (vernie)

Le vernissage d'une carte électronique a plusieurs fonctions :

- réduire le risque d'arcs électriques- réduire les courants de fuite- réduire la poussée des dendrites (à cause de la présence d'ions)- réduire la formation de moustaches

Barbe ou moustache, de quoi s'agit-il sur les cartes électroniques ?

La barbe, ou les moustaches (whiskers, en anglais) sont des excroissances de la brasure qui grandissent perpendiculairement à la surface. Ressemblant à des cheveux ou des poils de barbes miniature, les moustaches ont une longueur qui peut atteindre le millimètre alors que leur diamètre n'est que de quelques micromètres.

Cette barbe est un facteur de défaillance en électronique suite à la formation d'un court-circuit entre deux éléments proches. Dans les circuits radio fréquences, les moustaches agissent aussi potentiellement comme des antennes parasites, ce qui peut générer des réflexions de signaux par exemple.

Pourquoi la barbe se forme sur des surfaces métalliques

La conformité RoHS à l'échelle mondiale exige l'absence de plomb dans la brasure, or le plomb avait tendance à ralentir la formation de ces moustaches. La brasure à l'étain sans plomb a davantage tendance à la formation de barbe ou moustache. Certains facteurs sont favorables à la formation de moustaches, l'humidité par exemple, alors que la présence d'un champ électromagnétique n'aggrave pas l'apparition de moustaches.

L'origine de la formation de barbe ou moustaches n'est pas complètement connue. La barbe peut se former sur d'autres métaux que l'étain et ne doit pas être confondue avec les dendrites qui ont besoin d'un milieu où des ions peuvent se former.

Dendrite qui se forme entre deux pistes de cuivre sur une carte électronique en milieu humide

Les moustaches se forment, quant à elles, dans un milieu sec. Leur vitesse de croissance peut être de l'ordre du millimètre par an.

Formation de moustache à partir d'étain sur une carte électronique

Le vernissage efficace contre la barbe ou la moustache

Le vernissage d'une carte électronique réduit fortement la formation de barbe, moustache ou filament métallique d'une piste à l'autre. Une autre méthode réside dans le choix du métal de finition (nickel plutôt qu'étain).

Composition chimique des vernis pour circuits imprimés

Le matériaux du vernis est choisi en fonction des contraintes de la carte électronique à vernir. Différentes familles de vernis existent.

Vernis : liquides organiques

- acrylique (bonne résistance à l'humidité, viscosité maîtrisée, facile à travailler)- époxy (haute température d'utilisation 150°C, résistant à l'abrasion, propriétés proches (indice CTE) de l'époxy du circuit imprimé)- polyuréthane (bonne tenue diélectrique, bonne résistance à l'humidité, résistant aux solvants, résistant à l'abrasion)- ARUR (mélange acrylique et uréthane)

Vernis silicone

Le vernis silicone présente les caractéristiques suivantes : haute tenue diélectrique, haute tenue en température (200°C), stable sur une haute gamme de température, grande résistance à l'humidité, résistance aux UV, faible énergie de surface (ces vernis ont donc tendance à s'étaler et aller sous les composants).

Autres types de vernis liquides

- fluoropolymère- fluorocarboné- perfluoroether

Autres procédés de vernissage

Il est aussi possible de déposer une couche à l'échelle atomique (ALD : atomic layer deposition). L'épaisseur de vernis est extrêmement faible, bien inférieure au micromètre.

Règles de conception industrielle pour le vernissage des cartes électroniques

Référence normative pour le vernissage

Les règles de conception pour le vernissage peuvent s'appuyer sur la norme IPC-HDBK-830. Il s'agit d'une norme en anglais de 183 pages datant de 2013. Plus de cent personnes (issues de spécialistes comme Electrolube, Honeywell Aerospace, Humiseal, etc) ont réalisé cette norme.

Voici donc quelques règles à respecter pour le vernissage d'une carte électronique

Règles de vernissage de circuits imprimés

Le vernissage est une étape de fabrication de la carte électronique. Il ne faut pas tout recouvrir de vernis. Il faut faire preuve de discernement et de rigueur dans cette étape. Voici donc quelques points importants :

- le vernissage est fait par des buses qui pulvérisent le vernis. Une zone floue existe entre zone où le vernis est garanti et zone ou l'absence de vernis est garantie. C'est une sorte de dégradé, d'état intermédiaire, de no man's land. Cette zone a une largeur de plusieurs millimètres et doit donc être prise en compte lors de la conception de la carte électronique, en particulier la positions des différents composants. Le vernissage à la main est nécessaire si on souhaite une précision plus grande (composant qui ne doit pas être verni juste à côté d'un composant qui doit être vernis).

- regrouper les composants hauts : une tête qui projette le vernis passe au dessus de la carte et peut descendre plus près de la carte si les composants haut sont regroupés

- connecteurs idéalement placés en bord de carte (éviter les composants au milieu de la carte)

- éviter les connecteurs avec des ouvertures (le vernis peut remonter par capillarité)

- surface à vernir d'une taille minimale (par exemple 1x1cm)

- raisonner en 3D : exemple de composants où le vernis va en dessous.

Vernir ou ne pas vernir une carte électronique

Que doit-on vernir sur une carte électronique ? Que ne doit-on pas vernir ? L'humidité et le risque de décharges électrostatiques (ESD) est à prendre en compte.

Vernissage d'un circuit imprimé par une buse

Le vernis apparaît en bleu plus clair parce qu'il est éclairé par des ultraviolets qui le font réagir, ce qui permet un contrôle visuel du procédé.

Selon le pourcentage d'humidité, différents risquent existent pour le circuit imprimé :

0% à 40% (air sec) : risque de décharges électrostatiques40% à 70% : tout va bien70% à 100% : opération critique, risque de migration de matière (électromigration)100% : conditions particulières

Circuits imprimés : zones à ne pas vernir

Les connecteurs d'une carte électronique ne doivent jamais être vernis et une marge doit être respectée tout autour des connecteur pour éviter tout risque, en particulier éviter que le vernis ne remonte par capillarité dans les broches du connecteur.

D'autres zones ne doivent pas être vernies. Il s'agit principalement de :

- Composants électromécaniques (relais, boutons)- Composants sensibles aux capacités parasites (radio fréquence)- Point de tests- Composants optiques (capteurs optiques)- Potentiomètres, capacités variables- Piles- UV PROM- Composants sensibles au CTE (coefficient d'expansion thermique)- Carte électronique qui demande un travail manuel dessus par la suite (reprogrammation, etc)- Assemblages flexibles souples (PCB flex)- Composants mécaniques (entretoises, écrous)- Fils (fils de transformateurs)- Blindages - Trous de fixation (modifie le diamètre du trou,vernis sur les parois du trou)- surfaces qui doivent entrer en contact avec autre chose- composants BGA (sensibles à l'indice CTE, le vernis chauffe, se dilate sous le composant et fait casser la soudure du composant : le BGA est poussé vers le haut).

Les zones à vernir correspondent au reste de la carte électronique et sont de la responsabilité des concepteurs et des spécialistes en méthode de fabrication.

Circuits imprimés : zones à vernir

A peu près tout le reste de la carte électronique devrait être verni : les pistes, les pattes des composants, les parties où il n'y a aucun composant ou aucune piste. Il est en effet parfois plus rapide de vernir toute une carte plutôt que de ménager des zones sans vernis.

Propreté des circuits imprimés

Le circuit imprimé doit être parfaitement nettoyé avant le vernissage (agents contaminants tels que résidu de flux de soudure). En général, les fabricants ne nettoient pas les cartes électroniques avant le vernissage, ce qui est un tort. Les résidus peuvent présenter une certaine conduction électrique et sont alors piégés sous le vernis.

Epaisseur des vernis pour cartes électroniques

Sur les circuits imprimés, une épaisseur de vernis est recommandée selon la norme IPC 2221.

• Vernis acrylique, époxy, uréthane : 0,03 - 0,13mm
• Vernis silicone : 0,05 - 0,21mm

Le vernis permet de réduire les distances d'isolation parce que le circuit imprimé se trouve alors dans un environnement moins pollué. On parle de réduction du degré de pollution. Dans ce cas, l'épaisseur doit être contrôlée en production étant donné que ce vernis participe à l'isolation et dans une certaine mesure à la sécurité électrique.

Matériaux compatibles avec le vernis

Certains matériaux ne peuvent pas être bien vernis, tels que :

• Aluminium
• Laiton
• Bronze
• Cuivre
• Zinc
• Polyuréthane
• Polycarbonate
• PVC
• Fer doux

Méthodes d'application du vernis les cartes électroniques

Différentes méthodes existent pour déposer le vernis sur les circuits imprimés.

• pistolet et aérosols (spray) pour faibles volumes
• pinceau pour vernis déposé avec précision
• masquage par scotch
• dipping : la carte électronique est plongée toute entière dans un bain de vernis. On peut atteindre une cadence de 500 cartes électroniques par heure. Le dipping n'a pas l'avantage de la précision. Il est difficile de protéger des composants (connecteurs, etc).
• vernissage sélectif (selective coating) : le vernis est déposé là où c'est nécessaire. Le vernissage sélectif possède une bonne précision mais induit un coût supplémentaire (comme un cadre de vague pour la brasure à l'étain). Il faut alors une buse spécifique pour projeter le vernis là où il faut. La buse circule à hauteur constante au dessus de la carte électronique pour garantir une épaisseur de vernis constante.

La polymérisation du vernis a lieu à l'air libre lors de l'évaporation des solvants du vernis. Elle peut aussi être activée par une exposition aux UV ou à la chaleur (infrarouges). Des procédés de tests très spécifiques doivent être faits pour garantir la qualité du vernis sur la carte électronique.

Tests d'épaisseur et de présence du vernis

Présence du vernis sur le circuit imprimé

Une méthode simple est l'inspection par lumière noire (ultraviolets). Le vernis utilisé doit réagir aux ultraviolets par fluorescence (de la même façon qu'on détecte les faux billets de banque). L'inspection peut être automatique pour les grandes productions. On obtient une bonne précision. L'inspection par lumière noire UV peut être intégrée au système de convoyage.

Vernissage d'une carte électronique et lumière noire pour inspection

On voit que le vernis présente une fluorescence bleue sur les zones où il a déjà été déposé.

Mesurer l'épaisseur du vernis sur le circuit imprimé

L'épaisseur du vernis peut être mesurée (Conformal Coating Thickness Measurement) par différentes méthodes :

- peigne calibré dont les dents ont différentes longueurs. On regarde ensuite la trace laissée sur le vernis ou sur le peigne.

Mesure de l'épaisseur du vernis sur une carte électronique

Cette méthode fonctionne avant que le vernis soit sec.

• mesure par ultrason (réflexion des ultra sons sur la surface cuivrée de la carte)
• mesure par courants de Foucault (qui sont fonction de la proximité entre le capteur et les pistes conductrices, séparées par l'épaisseur de vernis).

Mesure d'épaisseur de vernis par courants de Foucault

Défauts de vernis sur les cartes électroniques

Dans la fabrication industrielle, on peut constater en sortie de production les défauts qui se manifestent immédiatement (les défauts qui apparaîtraient au cours des années de vie du produit ne peuvent pas être vérifiés).

• Non uniformité de l'épaisseur de vernis
• Résidus localisés (à proximité des pattes des composants par exemple)
• Bulles de vernis (le vernis fait des gouttes qui n'adhèrent pas)
• Bulles liées à la présence de contaminants (huile, etc)
• Humidité qui crée des bulles
• Vernis trop épais
• Durée de "sec au toucher" mauvaise (trop rapide ou trop lente)
• Vernis appliqué sur un support trop chaud
• Migration de matière
• Décoloration du vernis

Mot de la fin

Le vernissage des cartes électroniques peut être utile pour immuniser davantage contre un environnement sévère (humidité, ambiance corrosive, poussières, vibrations), et évite aussi la formation de moustaches ou barbe d'étain. Cependant le vernis ne doit pas être déposé partout. Certains composants ne doivent pas être vernis, tels que connecteurs, les piles et autres parties qui doivent rester accessibles. Le vernis doit aussi être compatibles d'un point de vue chimique avec ce qu'il recouvre et son épaisseur doit pouvoir être mesurée pour garantir la fiabilité à l'échelle industrielle.

Références

Vernissage, conformal coating sur circuit imprimé

http://www.conformalcoatinghelp.com/index.php/ebook/materials/classification/organic/

https://blog.paryleneconformalcoating.com/review-of-effectiveness-of-conformal-coating

Mesurer l'épaisseur du vernis sur une carte électronique

https://www.filmetrics.com/thickness-measurement/f3-sx?gclid=CjwKCAjwsMzzBRACEiwAx4lLG5K4Mf3Oo53ZNGz4d8Mn-zI-aX1-rE6M7HRlzlTp4Veq6G_DfN6BMBoCe2cQAvD_BwE

https://www.protoexpress.com/blog/pcb-substrates-knowing-dielectric-materials-properties/

Appliquer un vernis de tropicalisation sur une carte électronique

https://www.electrolube.fr/produits/comment-appliquer-un-vernis-de-protection.html

Technique de mesure de l'épaisseur du vernis de tropicalisation sur circuit imprimé

https://www.conformalcoating.co.uk/index.php/2017/04/13/how-do-i-measure-conformal-coating-thickness/

Moustache en électronique (whisker) :https://en.wikipedia.org/wiki/Whisker_(metallurgy)

Formation des moustaches sur les circuits imprimés électroniques (whiskers) :

http://cave.auburn.edu/rsrch-thrusts/mechanism-of-tin-whisker-growth-in-electronics.html