Protection de PCB contre l'humidité : nos conseils

Je suis fier d'être méticuleux lorsque je vérifie mes conceptions. Je peux passer des heures à vérifier les schémas, les données et les valeurs correctes des composants avant de finaliser la conception. Malheureusement, on ne peut pas dire que je sois aussi zélé et perfectionniste en ce qui concerne mes compétences en matière d'entretien ménager. Un nettoyeur aurait été horrifié par la poussière accumulée dans les coins de ma maison.

C'était particulièrement embarrassant lorsque j'ai oublié de laver mon plateau à vaisselle et qu'il est devenu le foyer d'une famille de cinq lézards. Si votre circuit imprimé est placé dans un environnement humide et sombre, ces sympathiques reptiles ne seront qu'un problème parmi tant d'autres. C'est pourquoi il est important de concevoir en tenant compte de 'environnement de votre carte. Es environnements humides sont particulièrement difficiles, alors explorons ce qui peut mal tourner et comment vous pouvez éviter d'endommager votre électronique.

Voici comment l'humidité peut affecter les appareils électroniques et réduire la durée de vie de votre système :

1. Circuits courts
2. Corrosion

Si vous voulez savoir comment protéger les appareils électroniques de l'humidité, vous pouvez passer à l'une des sections suivantes pour voir nos conseils de conception :

1. Revêtement conforme et boîtier
2. Ventilateur d'aspiration
3. Gel de silice
4. Éléments chauffants

Comment l'humidité peut affecter votre PCB

L'humidité fait référence à la quantité de vapeur d'eau dans l'air et est quantifiée en termes d'humidité relative. À moins que vous ne soyez dans le désert, presque toutes les régions de la planète seront humides, et l'eau peut se condenser sur les surfaces froides. Lorsque l'environnement est plus humide, davantage d'eau peut se condenser sur les surfaces froides. Un problème courant causé par l'humidité est la formation de gouttelettes d'eau sur les appareils électroniques, en particulier les PCB, car elle corrode les pistes de cuivre. La condensation sur un PCB alimenté peut provoquer des courts-circuits et endommager d'autres composants. En plus d'endommager directement le PCB, l'environnement humide attire les reptiles et les insectes qui peuvent potentiellement provoquer des courts-circuits. Dans un PCB ou un autre appareil électronique, l'objectif de la prévention des dommages causés par l'humidité est double :

• Empêcher l'air humide d'atteindre les composants électroniques sensibles
• Empêcher l'eau condensée de créer des courts-circuits.

Voici comment l'humidité peut affecter vos appareils électroniques pendant leur fonctionnement :

1. Court-circuits

La situation la plus courante qui peut se produire lorsqu'un circuit imprimé est exposé à des quantités importantes d'eau est la formation d'un court-circuit. Toute personne qui a accidentellement versé de l'eau sur son ordinateur portable a probablement vu avec horreur l'écran de son ordinateur s'éteindre. L'eau est hautement conductrice, et une surtension dans un appareil lors d'un court-circuit peut entraîner la défaillance d'une section entière de la carte, ou brûler complètement un composant.

Les gouttes d'eau peuvent provoquer des courts-circuits

2. Corrosion

Lorsqu'elle est exposée à la condensation, l'eau présente sur un PCB peut entraîner la corrosion des conducteurs exposés. Le métal exposé dans un PCB peut subir une corrosion de plusieurs façons :

• Atmosphérique: Lorsque les composants sont exposés à l'air humide, une réaction peut se produire où les ions métalliques se lient aux atomes d'oxygène, formant un oxyde. Ces oxydes sont des isolants, ce qui augmente légèrement la résistance d'un conducteur exposé. Les oxydes sont également mécaniquement faibles et se fracturent facilement.
• Filamentation électrolytique: Lorsque l'eau sur le métal exposé contient quelques électrolytes dissous, des structures dendritiques peuvent commencer à se développer à la surface lorsqu'un courant électrique traverse la solution. En plus du revêtement conforme au PCB (voir ci-dessous), le métal exposé doit être soigneusement nettoyé avant le placage.
• Galvanique: La corrosion galvanique se produit entre des métaux dissemblables en présence d'un sel dissous. Contrairement à la filiation électrolytique, elle se produit indépendamment de la présence d'un courant électrique.
• Frettage: Ce type de corrosion se produit lorsque les interrupteurs plaqués de soudure sont fermés. Lorsque l'interrupteur est fermé, la couche d'oxyde de surface peut être enlevée par friction. S'il y a de l'eau sur le métal exposé, celui-ci s'oxyde. La corrosion s'accumule après une période de temps significative.

Ces mécanismes de corrosion peuvent être empêchés ou ralentis par un placage de surface sur les pistes exposées (ENIG, ENIPEG, Ni-Au, etc.).

Comment protéger les appareils électroniques de l'humidité

Compte tenu des problèmes que peut poser l'humidité dans un circuit imprimé, il est possible de prendre des mesures simples pour éviter que l'humidité n'endommage les composants sensibles. 

1. Revêtement enrobant et boîtier

Bien sûr, la solution la plus simple pour protéger votre électronique de l'humidité est d'appliquer un revêtement enrobant sur la carte. Cette solution offre une protection environnementale décente, à condition que le revêtement ne soit pas poreux et qu'il ait complètement durci. L'idée est de recouvrir le circuit imprimé et le cuivre exposé. Parmi les matériaux envisageables, il y a le revêtement acrylique, le revêtement à l'uréthane et le revêtement au silicone. L'inconvénient de cette approche passive est qu'il peut être difficile de retravailler le PCB car il faut enlever le revêtement avant de pouvoir retirer les composants. Le revêtement doit être appliqué de nouveau une fois la retouche terminée.

L'utilisation du bon matériau de revêtement enrobant peut offrir d'autres avantages que la protection de l'environnement. Les revêtements à absorption électromagnétique peuvent contribuer à réduire les IEM d'une carte bruyante à des fréquences élevées de MHz. Ces IEM rayonnées se produisent généralement sur le PDN d'une carte dont le couplage est insuffisant.

2. Ventilateur d'aspiration

Certains systèmes embarqués sont couramment placés à l'intérieur de boîtiers industriels, et l'humidité piégée peut être un problème gênant. L'installation d'un ventilateur qui aspire l'air du boîtier est une solution peu élégante, mais elle peut contribuer à réduire les niveaux d'humidité. Cette solution est semblable au ventilateur d'extraction de votre salle de bains. 

3. Gel de silice

Bien que ce ne soit pas la solution la plus élégante, le fait de placer un paquet de gel de silice dans votre emballage de PCB peut contribuer à réduire la teneur en humidité de l'air. Ce n'est pas pour rien que la vitamine C est vendue avec un paquet de gel de silice. Le gel de silice absorbe facilement l'eau contenue dans l'air humide, ce qui fait qu'il y a peu ou pas d'eau disponible pour s'adsorber sur les conducteurs du circuit imprimé.

Malheureusement, le gel de silice n'est efficace comme absorbant d'humidité qu'en dessous de 60 °C. Au-dessus de cette température, l'équilibre d'adsorption est ramené à l'état de vapeur et l'eau commence à se désorber du gel pour retourner dans l'air ambiant.

Le gel de silice est un puissant déshydratant.

D'autres adsorbants peuvent être utilisés à la place du gel de silice pour éliminer l'humidité et d'autres traces de gaz de l'air ambiant. L'alumine activée est un dessiccant poreux disponible dans le commerce qui offre une capacité d'humidité un peu plus faible à basse température, mais une capacité un peu plus élevée à haute température. Le charbon actif est une autre alternative qui est utilisée comme adsorbant pour les odeurs et les gaz toxiques dans les masques à gaz militaires, et il peut être utilisé pour éliminer les gaz corrosifs et l'humidité de l'air ambiant. Les composés contenant du phosphore et les sels métalliques sont d'autres options qui offrent un certain nombre d'autres avantages. Si votre système doit être déployé dans un environnement unique avec des gaz corrosifs et une humidité élevée, vous pouvez envisager d'utiliser l'un de ces déshydratants alternatifs pour protéger vos appareils électroniques.

4. Éléments chauffants

Transformer votre système embarqué en un mini-chauffage intelligent peut être un moyen efficace de résoudre les problèmes d'humidité. Cela fonctionne bien pour les systèmes embarqués qui sont placés dans un boîtier industriel pour des applications extérieures. J'ai utilisé un élément chauffant pour abaisser l'humidité relative et empêcher l'humidification dans des distributeurs automatiques de véhicules, où la condensation peut devenir très importante le matin.

Au lieu de chauffer aveuglément l'air, un capteur d'humidité et de température peut être installé dans l'enceinte avec un élément chauffant. Un simple système de contrôle proportionnel-intégral-dérivé (PID) peut être utilisé pour réguler la température de l'air en fonction des mesures de température, d'humidité relative et de pression. Si la température de l'air est trop basse, vous pouvez augmenter la température de l'air environnant avec l'élément chauffant. Idéalement, cela placera le système au-dessus du point triple de l'eau dans l'environnement particulier. Cela réduit considérablement les risques de formation de gouttelettes d'eau.

Augmenter la chaleur réduit l'humidité relative

Soyez prudent avec ce type de système de contrôle car vous ne voulez pas chauffer la carte et ses composants à une température trop élevée. Lorsque vos composants atteignent une température élevée, ils vieillissent plus vite et peuvent tomber en panne prématurément. Dans les cas extrêmes, lorsque la température est trop élevée, un composant peut tomber en panne directement. La meilleure façon d'utiliser cette technique consiste à placer un élément chauffant sur le bord extérieur de l'enceinte, de manière à ce que l'élément chauffe toute entrée d'air. Cette technique est également plus efficace dans un environnement où la température de l'air extérieur et l'humidité relative sont élevées. Si la pression est déjà proche du point triple, l'élément chauffant peut amener la température de l'air au-dessus du point triple et aider à prévenir la condensation.

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