Conseils de conception de circuits : Protection contre l’humidité pour PCB dans des environnements humides

Created: October 17, 2017
Updated: November 11, 2020
Conseils de conception de circuits : Protection contre l’humidité pour PCB dans des environnements humides

Je suis toujours très méticuleux chaque fois que je vérifie une de mes conceptions. Je peux passer des heures à vérifier les schématiques, les empreintes et les valeurs correctes des composants avant de finaliser la conception. Malheureusement, on ne peut pas en dire autant de mes compétences en entretien ménager. Un professionnel du nettoyage aurait été horrifié par la poussière accumulée dans tous les coins de ma maison.

C’est d’ailleurs très embarrassant. Surtout que j’oublie toujours de laver mon plateau à vaisselle, transformé en nid par une famille de cinq lézards à l’affût des mouches ! Si votre PCB doit fonctionner dans un environnement humide et sombre, mes sympathiques reptiles ne seront rien en comparaison des problèmes qui vous attendent. C'est pourquoi il est important de garder à l’esprit l'environnement de votre PCB pendant toute sa conception. Les environnements humides sont particulièrement difficiles. Explorons les problèmes possibles et comment éviter d'endommager vos appareils électroniques et les protections possibles contre l'humidité.

L'humidité peut affecter les composants électroniques de différentes manières et réduire la durée de vie utile de votre système :

  1. Courts-circuits
  2. Corrosion

Si vous voulez savoir comment s’assurer de la protection contre l'humidité des appareils électroniques, vous pouvez passer à l'une des sections suivantes, qui incluent nos conseils de conception :

  1. Étanchéité et revêtement conformes
  2. Ventilateur d’aspiration
  3. Gel de silice
  4. Éléments chauffants

Effets de l’humidité sur votre PCB

L'humidité est une mesure de la quantité de vapeur d'eau dans l'air exprimée en 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. Plus l'environnement est humide, plus l'eau peut se condenser sur des 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 circuit imprimé sous tension peut provoquer des courts-circuits et endommager d'autres composants. En plus d'endommager directement le PCB, l'humidité ambiante attire de petites créatures volantes ou non qui peuvent potentiellement provoquer des courts-circuits. Dans un circuit imprimé ou autre appareil électronique, l'objectif de la protection contre l'humidité est double :

  • Protéger les composants électroniques sensibles contre les effets de l’humidité atmosphérique
  • Empêcher toute eau condensée de créer des courts-circuits

Les effets de l'humidité sur vos appareils électroniques pendant leur fonctionnement incluent :

1. Courts-circuits

La formation d'un court-circuit est la conséquence la plus courante lorsqu'un PCB est exposé à des quantités d'eau importantes. Toute personne qui a accidentellement versé de l'eau sur son ordinateur portable a probablement vu avec horreur son écran s’éteindre. L'eau est hautement conductrice. Une surcharge de courant pendant un court-circuit dans un appareil peut provoquer la défaillance d'une section entière de la carte, ou complètement brûler un composant.

Short circuit, burnt battery cables
La protection contre l'humidité est importante car des gouttelettes d'eau peuvent provoquer des courts-circuits

2. Corrosion

Dans un PCB, la condensation peut provoquer la corrosion des conducteurs exposés. Le métal exposé dans un PCB peut se corroder de plusieurs façons.

  • Corrosion atmosphérique : Lorsque des composants sont exposés à de l'air humide, la réaction entre les ions métalliques et les atomes d'oxygène peuvent former un oxyde. Ces oxydes sont des isolants, ce qui augmente légèrement la résistance d'un conducteur exposé. Les oxydes ont une résistance mécanique faible. Ils se cassent donc facilement.
  • Filamentation électrolytique : Lorsque l'eau sur un métal exposé contient des électrolytes dissous, des structures de dendrites peuvent commencer à se développer à la surface lorsqu'un courant électrique circule dans la solution. En plus des revêtements conformes (voir ci-dessous), le métal exposé doit être soigneusement nettoyé avant le placage.
  • Corrosion galvanique : La corrosion galvanique survient entre deux métaux différents en présence de sel dissous. Contrairement à la filamentation électrolytique, la corrosion galvanique se produit indépendamment de la présence d'un courant électrique.
  • Corrosion par friction : Ce type de corrosion se produit lorsque des interrupteurs plaqués soudés 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, il s'oxydera. La corrosion s'accumule après une longue période de temps.

Ces mécanismes de corrosion sont prévenus ou ralentis grâce à un placage de surface des pistes exposées (ENIG, ENIPEG, Ni-Au, etc.).

Comment s’assurer de la protection des PCB dedispositifs électroniques contre l’humidité

Compte tenu des problèmes que peut poser l'humidité dans un PCB, des mesures simples peuvent empêcher l'humidité d'endommager des composants sensibles. 

1. Étanchéité et revêtement conformes

Bien entendu, l’application d’un revêtement conforme est la solution la plus simple pour la protection des PCB de vos appareils électroniques contre l'humidité. Cela permet une protection de PCB environnementale suffisamment efficace, tant que le revêtement n'est pas poreux et qu'il a complètement durci. L'idée est de recouvrir le PCB et le cuivre exposé. L'acrylique, les uréthanes et le silicone font partie des matériaux protecteurs utilisés. L'inconvénient de cette approche passive est qu’elle rend toute modification du PCB plus difficile car il faut enlever le revêtement avant de sortir ses composants. Le revêtement devra être réappliqué une fois les travaux terminés.

L’application d'un revêtement conforme approprié peut apporter d'autres avantages que la protection de PCB environnementale. Les revêtements à absorption électromagnétique peuvent aider à réduire les interférences électromagnétiques provenant d'une carte bruyante à des fréquences élevées. De tels rayonnements électromagnétiques surviennent généralement sur le PDN dans une carte dont le couplage est insuffisant.

2. Ventilateur d’aspiration

Certains systèmes embarqués sont généralement placés à l'intérieur d'enceintes industrielles, et l'humidité emprisonnée peut devenir un vrai problème. L'installation d'un ventilateur qui aspire l'air hors de l’enceinte est une solution de protection de PCB peu élégante, mais elle peut efficacement réduire les niveaux d'humidité. Le ventilateur d'évacuation dans votre salle de bains joue un rôle similaire. 

3. Gel de silice

Bien que ce ne soit pas la solution la plus élégante, un paquet de gel de silice peut assurer la protection des PCBs en réduisant l'humidité atmosphérique. Ce n'est pas pour rien que la vitamine C est fournie avec un paquet de gel de silice. Le gel de silice absorbe facilement l'humidité de l'air. Il y aura donc peu ou pas d'eau disponible à adsorber sur les conducteurs du PCB.

Malheureusement comme absorbant d'humidité, le gel de silice n'est efficace qu’à des températures inférieures à 60 °C. À plus de 60 °C, l'équilibre d'absorption revient à l'état de vapeur. L'eau commence alors à se désorber pour retourner dans l'air ambiant.

how to protect electronic devices from humidity silica gel

Le gel de silice est un puissant dessiccateur et donc très utile pour la protection contre l'humidité

D'autres adsorbants peuvent être utilisés à la place du gel de silice pour la protection contrel'humidité et d'autres gaz à l'état de présents dans l'air ambiant. L'alumine activée est un des dessiccants poreux disponibles dans le commerce. Elle offre une capacité d'humidité un peu plus faible à basse température, mais un peu plus élevée à des températures plus élevées. Le charbon actif est une autre alternative, qui permet d’absorber des odeurs et des gaz toxiques dans les masques à gaz militaires. Il peut aussi être utilisé pour éliminer les gaz corrosifs et l'humidité de l'air ambiant. Les composés contenant du phosphore et des sels métalliques sont d'autres options qui offrent un certain nombre d’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 dessiccateursalternatifs pour la protection des PCBs de votre système électronique.

4. Éléments chauffants

Transformer votre système embarqué en un mini chauffage intelligent peut être un moyen efficace de protection contre l'humidité. Cela fonctionne bien pour les systèmes embarqués placés dans une enceinte industrielle et destinés à des applications extérieures. J'ai utilisé un élément chauffant pour abaisser l'humidité relative et empêcher l'humidité dans les machines, en particulier lorsque la condensation peut être très forte pendant la matinée.

Pour ne pas faire monter la température aveuglément dans votre système, un capteur d'humidité et de température peut être installé dans l'enceinte, en combinaison avec un élément chauffant. Un simple système de contrôle proportionnel, intégral et dérivé (PID) peut être utilisé pour réguler la température de l'air selon les 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 ambiant avec l'élément chauffant. Idéalement, cela placera le système au-dessus du point triple de l'eau dans l'environnement particulier. Ceci, à son tour, réduira considérablement le risque de formation de gouttelettes d'eau.

Hot heating element
Aussi utile pour la protection de PCB : Augmenter la chaleur réduit l'humidité relative

Mais vous devez prendre garder à ne pas chauffer la carte et ses composants à une température inappropriée. Lorsque vos composants atteignent une température élevée, ils vieillissent effectivement plus vite et peuvent tomber en panne prématurément. Dans les cas extrêmes, lorsque la température est trop élevée, un composant peut cesser de fonctionner. La meilleure façon de s’assurer de la protection de PCB en utilisant cette technique consiste à placer un élément chauffant sur le bord extérieur de l'enceinte de sorte que l'élément chauffe toute entrée d'air. Cette technique est judicieusement utilisée lorsque 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 prévenir la condensation.

Vous pouvez facilement construire un système de contrôle avec des logiciels libres et des composants simples. Vous pouvez aussi mettre en œuvre les autres recommandations importantes dans votre nouvelle carte, lorsque vous utilisez un logiciel de conception de cartes de circuits imprimés comme Altium Circuit Studio, et que vous effectuez des vérifications croisées avec la liste des nomenclatures avant de régler vos paramètres de chauffage, afin de vous assurer de la protection de vos PCBs la plus complète

Avez-vous des questions sur l'humidité et ses effets sur vos circuits imprimés ? Parlez-en à un expert Altium.  

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