Niveaux de sensibilité à l'humidité dans les composants électriques

Une gamme de matériaux utilisés pour construire des composants électriques peut absorber l'humidité de l'air au fil du temps. Cela est devenu un problème initialement avec l'introduction du soudage par refusion, où les composants sont soumis à des températures élevées soudaines sur une courte période. Cela a ensuite été exacerbé par le passage à la soudure sans plomb, qui a entraîné des températures de pointe plus élevées pendant le processus de refusion. D'autres facteurs qui ont augmenté la prévalence de la sensibilité à l'humidité sont les matériaux moins chers et plus minces tels que les plastiques, qui ont des propriétés inférieures à celles des matériaux hermétiques plus coûteux qui étaient traditionnellement utilisés.

L'humidité peut se vaporiser et causer des dommages aux composants. Cela peut se manifester sous forme de micro-fissures qui affaiblissent le boîtier du composant, de fissures complètes entraînant la séparation de parties du composant, ou de pelage de surface entre un die pad et son couvercle en résine. Quel que soit le type de dommage, le résultat est que le composant devra être remplacé.

L'un des défis est que les dommages causés par la vaporisation de l'humidité peuvent ne pas être immédiatement apparents et n'apparaître qu'une fois que le dispositif a été assemblé et testé. Ils peuvent potentiellement être suffisamment mineurs pour que le dispositif semble fonctionner correctement, simplement pour échouer prématurément lorsqu'il est ensuite mis en service. Habituellement, la fissuration se produit là où le boîtier est le plus mince, ce qui, pour les composants montés en surface, se trouve typiquement sur le côté inférieur proche du PCB et, par conséquent, hors de vue. De même, les micro-fissures, à moins qu'elles ne soient à la surface sur une partie visible du composant, ne seront également pas visuellement apparentes.

Le principal problème est les dommages causés par la vaporisation de l'humidité dans les microcontrôleurs et autres dispositifs complexes. Les délicats fils métalliques provenant du die et les pads de montage en surface sont généralement encapsulés dans du plastique. Toute fissuration de cet emballage pourrait fracturer un fil, ce qui ne serait détecté qu'une fois que le MCU fonctionne, à moins qu'il ne s'agisse d'une broche d'alimentation.

Quelle est la fréquence de ce problème ?

La probabilité de ce problème est liée aux types de matériaux d'emballage utilisés et à la durée pendant laquelle le composant est exposé à l'humidité. Cela dépend principalement de la durée de stockage du composant, de la manière dont il est protégé, et des conditions environnementales dans lesquelles il est stocké pendant la phase de stockage. Une fois que le composant quitte le stockage et est retiré de son emballage protecteur, cela concerne sa durée de vie en atelier. Il s'agit de la durée pendant laquelle il est exposé aux conditions environnementales ambiantes et de quelles sont ces conditions.

Le taux auquel l'humidité peut se diffuser dans le composant dépendra de son humidité et de sa température. Plus la température est élevée, plus rapidement toute humidité présente dans l'environnement pénétrera le matériel d'emballage. Cette absorption continue jusqu'à ce que la concentration d'humidité dans le matériau corresponde à la concentration d'humidité dans l'environnement. Plus l'humidité relative est élevée, plus la quantité d'humidité absorbée sera importante.

Le temps d'exposition pendant la fabrication du composant et la période après qu'il est assemblé sur un PCB prêt pour le soudage par refusion peuvent être considérés comme négligeables par rapport au temps de stockage et au temps écoulé depuis la sortie du stockage jusqu'à son montage sur le PCB. Les facteurs environnementaux clés sont l'humidité, la température, et cette durée.

L'utilisation de matériaux d'emballage sensibles à l'humidité comprend des composants encapsulés tels que les circuits intégrés et les capteurs, et s'étend aux connecteurs et au PCB. Seule la vérification de la fiche technique de chaque élément de votre appareil vous permettra de savoir avec certitude quelles pièces sont sensibles à l'humidité.

Durée de stockage

Tous les composants sensibles à l'humidité doivent être expédiés dans un emballage protecteur scellé, typiquement avec un gel dessiccatif et un environnement inerte. L'emballage indiquera la durée maximale de stockage du composant, généralement de quelques années. Les pièces particulièrement sensibles à l'humidité sont généralement expédiées avec des indicateurs d'humidité inclus dans l'emballage pour fournir une indication visuelle de l'état de la pièce. Tant que l'emballage protecteur n'est pas compromis et que les conditions environnementales du lieu de stockage sont conformes aux spécifications, cela ne devrait pas différer de la manipulation de tout autre type de composant.

Niveau de sensibilité à l'humidité

Des niveaux de sensibilité à l'humidité standardisés (MSL) ont été définis pour identifier les composants sensibles à l'humidité. Ces niveaux déterminent combien de temps un composant peut être exposé à la température ambiante et au niveau d'humidité avant qu'il ne soit affecté négativement par l'humidité. Ici, ambiant est défini comme étant en dessous de 30^oC et en dessous de 60 % d'humidité relative, sauf pour le MSL 1 illimité, qui est défini comme étant en dessous de 30^oC et en dessous de 85 % d'humidité relative.

Qu'est-ce que la cuisson des composants ?

Appliquer une chaleur lente et douce à un composant sensible à l'humidité peut extraire l'humidité sans causer de dommages. Ces composants seront soumis à un processus de cuisson dans le cadre du processus de fabrication avant d'être placés dans leur emballage de protection. Pour les composants qui nécessitent une cuisson avant utilisation, une répétition de ce processus de cuisson permettra d'extraire doucement toute humidité supplémentaire pour « réinitialiser » la teneur en humidité du composant avant la soudure. La température de cuisson et la durée nécessaire pour cuire le composant dépendront du matériel utilisé dans la fabrication du composant, de son épaisseur et de sa teneur en humidité. Il n'est pas rare que le processus de cuisson prenne plusieurs jours.

Un facteur crucial à garder à l'esprit si vous devez cuire un composant est que le processus de cuisson, s'il n'est pas effectué correctement, peut causer l'oxydation des pastilles de soudure, ce qui entraînera une mauvaise connectivité après la soudure.

Mon PCB sera-t-il affecté ?

Selon le type de PCB que vous utilisez, il peut également être sensible à l'absorption d'humidité et subir des types de dommages similaires pendant le processus de refusion. La sensibilité dépendra des matériaux utilisés pour construire le stratifié de base, de l'épaisseur des matériaux, du nombre de couches et de la conception des pistes finies. Typiquement, le FR4 est considéré comme tolérant à l'humidité, tandis que le Kapton est sensible à l'humidité. Des facteurs tels que la surface de cuivre, l'épaisseur des pistes, les rapports d'aspect des trous métallisés et l'utilisation de traitements de surface peuvent tous avoir un effet.

Gérer la Sensibilité à l'Humidité

Le conseil général est de faire attention lors de la manipulation de vos composants et de votre PCB, de les conserver dans un environnement à faible humidité pendant autant de leur durée de vie au sol que possible. Suivez les conseils dans la fiche technique et sur l'emballage, et vous ne devriez pas vous tromper de beaucoup. Si la durée de vie au sol est un problème, envisagez d'investir dans une solution de stockage temporaire qui garde tout aussi sec que possible. Les armoires sèches déshumidifiantes sont une excellente solution flexible qui ne ruinera pas votre budget. Elles régulent l'humidité relative intérieure, soit en utilisant une extraction active de l'humidité, soit en utilisant un dessiccatif réutilisable simple. Si l'argent n'est pas un problème, alors une solution de stockage qui remplace l'air interne par de l'azote inerte offre une solution alternative.

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