Choix de vernis de protection : pourquoi choisir un système de vernis de protection à deux composants pour un revêtement sélectif

Phil Kinner, Directeur technique et commercial de la division Vernis de protection d’Electrolube, explore la nouvelle génération de vernis de protection à deux composants et explique pourquoi ils deviennent un système essentiel permettant aux fabricants d’augmenter la fiabilité de leurs produits dans les environnements les plus difficiles.

Les applications des systèmes électroniques continuent leur développement à un rythme rapide, et l’électronique fait de plus en plus partie du quotidien. La miniaturisation gagne en importance, avec des systèmes dont on attend qu’ils effectuent toujours plus d’opérations, rapidement et en toute fiabilité, tout en devenant plus petits et plus légers à chaque nouveau modèle. Du fait que les appareils ont une densité toujours croissante en composants, et que les modèles d’enveloppe ou de boîtier sont de plus en plus perméables pour gagner du poids, l’utilisation de vernis de protection devient essentielle pour protéger l’appareil de son environnement d’exploitation et assurer une fiabilité acceptable à l’application prévue, en particulier pour une exploitation dans des environnements hostiles.

Les vernis de protection sont traditionnellement des revêtements minces de polymères conçus pour protéger les appareils des conditions corrosives rencontrées dans leur environnement d’exploitation, par exemple brouillard salin, forte humidité et/ou condensation, particules conductrices, gaz corrosifs, etc. Les vernis de protection s’utilisent aussi pour assurer une isolation diélectrique supplémentaire permettant de rapprocher les composants plus qu’il ne serait possible dans l’air, et pour atténuer les risques dus à la formation de trichites d’étain.

Pour que le vernis assure un niveau de protection élevé contre la corrosion, ou pour assurer l’isolement nécessaire pour éviter la formation d’arc, tout comme pour offrir une barrière physique suffisante pour l’atténuation des trichites d’étain, il est essentiel que le matériau du vernis recouvre toutes les surfaces métalliques avec une épaisseur suffisante pour garantir les propriétés de cette barrière. Dans le livre blanc à venir IPC TR-57 « Vernis de protection : l’état de l’industrie », qui a été suscité par le besoin de mieux comprendre la couverture par les vernis en matière d’atténuation des trichites d’étain, des centaines de circuits imprimés ont été revêtus avec diverses chimies de vernis et méthodes d’application courantes, puis soigneusement coupés pour mesurer l’épaisseur. Les résultats ont été assez surprenants pour beaucoup, de nombreuses zones à couverture extrêmement faible ont été constatées, ainsi que de larges variations d’épaisseur sur différents types de composants. Un résultat courant pour un appareil en forme d’aile à papillon tel que les pattes d’un boîtier QFP est présenté ci-dessous en figure 2.

Fig 2. Coupe courante montrant la difficulté à obtenir une couverture (couche bleue) avec des vernis traditionnels.

Pourquoi Electrolube a-t-elle développé la gamme 2K ?

En plus des problèmes de couverture mis en évidence par le livre blanc, on attend des vernis de protection qu’ils fonctionnent dans des plages de température bien supérieures et survivent à plus de chocs thermiques que jamais auparavant.

Electrolube souhaitait également dissiper tout mythe à savoir la simple application des vernis existants en couches plus épaisses ne permet pas nécessairement d’obtenir une meilleure couverture, mais augmente les contraintes sur le vernis et son ensemble, ce qui conduit à des problèmes importants lors des essais de choc thermique, en particulier avec les matériaux polymérisables aux UV, qui se fissurent et n’assurent plus aucune protection.

Beaucoup de matériaux traditionnels deviennent obsolètes parce qu’ils ne peuvent pas tolérer les nouvelles normes de température maximale de fonctionnement, et sont incapables d’atteindre la couverture nécessaire pour répondre aux besoins en matière d’essai de condensation des grands constructeurs automobile.

Répondre à ces défis a été la force motrice dans le développement de la gamme 2K. Les revêtements 2K d’Electrolube ont été conçus pour résister aux températures extrêmes et offrent la facilité d’application d’un vernis avec les propriétés de performance d’une résine d’encapsulation. Les revêtements 2K peuvent être appliqués plus épais sans exercer de contrainte inutile ni sur l’assemblage ni sur le vernis, ce qui élimine tout problème de fissuration. Les revêtements 2K remplissent également les conditions requises en termes de couverture pour une résistance efficace à la condensation, une atténuation des trichites d’étain et un renforcement des fonctions diélectriques. En outre, la gamme 2K est sans solvant, à faible odeur et à faible risque, ce qui permet aux utilisateurs de réduire leurs émissions de COV et d’améliorer la sécurité de leurs processus.

Pourquoi envisager d’utiliser un système de vernis à deux composants ?

Quand un matériau existant ne permet pas d’assurer la protection nécessaire pour l’environnement final d’utilisation, un vernis de protection 2K peut assurer une protection nettement supérieure sur l’ensemble du circuit imprimé, par comparaison aux matériaux habituels à un seul composant, qu’il s’agisse d’environnements soumis à la condensation, à l’immersion, à des gaz corrosifs ou à une forte humidité. L’épaisseur et la couverture supplémentaires sont particulièrement appréciées pour l’atténuation des trichites d’étain et le renforcement diélectrique.

De plus, ces matériaux sont sans solvant, à faible dégazage et très faible odeur, et confèrent des avantages en matière d’hygiène et de sécurité par rapport aux autres chimies.

Quels sont les avantages et caractéristiques essentiels des produits 2K ?

Les matériaux 100% solides offrent une épaisseur et une couverture accrues par rapport aux systèmes de vernis mono-composant. Les vernis 2K ont également été développés pour supporter avec succès les cycles de chocs thermiques des secteurs de l’automobile et de l’aérospatiale avec un impact minimal sur la fiabilité des joints de brasure.
Les revêtements 2K fournissent également une polymérisation chimique rapide, avec un durcissement complet réalisé en seulement 10 minutes à 80 ° C, ce qui améliore considérablement les cadences de production et réduit les travaux en cours et stocks intermédiaires.

Il existe une version à polymérisation mixte aux UV/chimique (2K850), qui est instantanément sèche au toucher dès qu’elle est exposée à des lampes standard à microondes dopées au fer ou à des LED à 365 nm. Les lampes à LED exigent beaucoup moins de puissance électrique, ont des durées de vie bien supérieures, produisent moins de chaleur et ne gênent pas les systèmes de communication d’usine. Les longueurs hors tout des fours peuvent descendre jusqu’à 700 mm du fait que la lumière de plus faible intensité et de longueur d’onde supérieure est moins dangereuse.

La longueur totale du four peut être aussi courte que 700 mm en raison de la faible intensité et de la longueur d’onde de la lumière moins dangereuse. Des convoyeurs traversants peuvent être convertis pour cet usage, comme montré ci-dessous.

La lumière UV peut être gênée par l’ombre portée de composants hauts, sur l’arrière des pattes ou le dessous des composants ; il faut donc un procédé de polymérisation secondaire. Le procédé de polymérisation chimique des matériaux 2K est assuré à une vitesse régulière et fiable (< 6 heures), sans nécessiter de processus supplémentaire dans un four thermique et sans « dépendre de nombreux facteurs », comme c’est souvent le cas avec les systèmes de polymérisation secondaires à l’humidité.

Le système 2K peut être appliqué par pulvérisation sélective et distribution à aiguille pour offrir aux utilisateurs une précision maximale du revêtement. Les matériaux ne s’écoulent pas comme les vernis traditionnels, ce qui permet une meilleure couverture des bords et réduit les problèmes sur les zones à préserver du vernis telles que les connecteurs, boîtiers BGA, etc.

Exemples de produits de la gamme 2K

Le 2K300 utilise un polyuréthane élastomère exclusif à large plage à haute température (performances à long terme à 150°C), à faible module élastique et avec une résistance d’isolement exceptionnelle, même immergé ou sous tension dans du liquide/de l’eau salée. Le 2K300 a démontré une résistance exceptionnelle aux chocs thermiques (-65° à +150°C), à la condensation, au liquide/à l’eau et aux produits chimiques vis-à-vis de nombreux solvants, huiles et liquides de transmission. Le 2K300 assure aussi une couverture exceptionnelle des bords, pour une bonne atténuation des trichites d’étain et un excellent renforcement diélectrique.

Le 2K850 est un vernis à polymérisation aux UV avec mécanisme de polymérisation chimique qui assure une polymérisation complète dans les zones à l’ombre. Le matériau est opaque et disponible en couleur rouge vif pour faciliter le contrôle et optimiser le contraste pour le contrôle optique automatique (AOI). Le matériau est conforme aux exigences de UL94 V-0 ; c’est un élastomère à faible module élastique qui assure une souplesse suffisante pour survivre aux chocs thermiques ; il a une conductivité thermique de 0,7 WmK^-1 pour éviter la formation de points chauds en dissipant la chaleur produite à travers l’ensemble de la couche de vernis. Le matériau assure un niveau de résistance chimique extrêmement élevé et apporte une meilleure protection contre la condensation et l’humidité.

Electrolube a également mis au point un nouveau revêtement de silicone 2K, le 2K750. Le revêtement conforme à UL94V-0 fournit une large plage de températures de fonctionnement de -40 à + 220 ° C, avec une température d’utilisation continue élevée de 200 ° C. Le revêtement résistant, à faible contrainte, a un temps de durcissement thermique extrêmement rapide de 10 minutes à 80 ° C, en plus du durcissement à la température ambiante, et offre une excellente adhésion à la plupart des résines de soudure et des métaux. La transition vers la mise en œuvre de la gamme de revêtements conformes 2K d’Electrolube ne pourrait être plus simple avec une simple modification de vanne telle que la gamme PVX-2KS de PVA ou la gamme AM de Nordson Asymtek.

Comment s’effectuent les essais de ces produits et quels sont les résultats ?

En plus des exigences minimales de IPC-CC-830, tous les matériaux 2K ont été testés pour s’assurer de leur conformité à la norme automobile BMW GS95011-5 qui inclut des cycles séquentiels de chocs thermiques, de gaz corrosifs, de brouillard salin et de température et d’humidité. En plus de la norme BMW, les matériaux ont été soumis à un minimum de 1000 cycles de chocs thermiques (-40° à +130°C) sur des montages peuplés de composants sans nettoyage (« no clean »), pour s’assurer de l’absence de tendance à la fissuration avec des épaisseurs de film supérieures.

Bon nombre de circuits imprimés ont été coupés après vernissage sélectif pour s’assurer du respect des exigences de couverture et d’épaisseur.

Le 2K300 a notamment été soumis à des essais de condensation sous tension sur des montages relevant des secteurs automobile et aérospatial, et a assuré une protection exceptionnelle par comparaison aux meilleurs vernis suivants. Les matériaux ont aussi été soumis aux tests de point de rosée BMW, ainsi qu’au nouvel essai de condensation du NPL sur des circuits imprimés d’essai SIR, là encore avec des résultats extrêmement positifs, et avec très peu de différence entre les conditions humides et sèches dans les essais de cycle comme indiqué ci‑dessous. Les valeurs de résistance d’isolement supérieures sont recherchées, tout comme la récupération à des niveaux comparables entre les conditions humides et sèches. Les basses valeurs de résistance d’isolement qui restent basses signalent une corrosion ou une migration électrochimique (ECM).

À quelles applications les produits 2K conviennent-ils le mieux ?

Grâce à leurs cadences élevées et leur écoulement d’une seule pièce, les matériaux 2K conviennent tout particulièrement aux applications automobiles exigeantes où la combinaison de résistance aux hautes températures, de souplesse à long terme pour survivre aux cycles de chocs thermiques et de capacité inégalée de résistance aux gaz corrosifs, aux fluides agressifs tels que ceux de transmission et de frein, aux essais de brouillard salin et de condensation/point de rosée sous tension leur confère un niveau supérieur de capacité de protection. Les matériaux assurent aussi la résistance à l’immersion totale dans l’eau salée sous charge, pendant au moins 30 heures.

En plus des applications automobiles, les matériaux se sont révélés appréciés des fournisseurs de matériel militaire et aérospatial du fait des évolutions des exigences des constructeurs d’avions en matière de fonctionnalités dans des conditions de forte condensation.

Les commandes industrielles ainsi que les fabricants d’électroménagers profitent aussi d’une meilleure résistance à la condensation, à la pénétration d’eau liquide, aux gaz corrosifs et aux dégâts infligés par les insectes.

Y a-t-il des modifications nécessaires pour des équipements de revêtement sélectif existants ?

Electrolube a travaillé d’arrache-pied avec les grands fournisseurs d’équipements de revêtement sélectif tels que ANDA, PVA et Asymtek pour développer et tester des applicateurs 2K offrant aux clients une possibilité de mise à niveau par rééquipement de leur matériel existant (ou achat de nouvelles machines).

La mise à niveau est essentiellement constituée de pompes doseuses (et de contrôleurs) pour assurer le rapport de mélange en volume correct des matériaux, et d’un nouvel applicateur par pulvérisation qui mélange les matériaux immédiatement avant la pulvérisation. Pour les travaux de détail ou de précision, il est aussi possible d’effectuer l’application avec un distributeur à aiguille.

Par exemple, la nouvelle vanne de pulvérisation à deux composants de PVA, VPX-2KS, s’est révélée être une modification très efficace pour les utilisateurs de systèmes de revêtement sélectifs, s’adaptant facilement à leurs équipements existants pour assurer un excellent contrôle du flux de matière, une définition améliorée des bords et une réglementation plus facile de la distribution commence et arrêt.

Conclusion

Quand ils sont utilisés aux épaisseurs de film supérieures recommandées, il est possible d’atteindre une couverture à 100 % des composants, ce qui se traduit par une résistance hors pair à la corrosion, à la condensation et à l’immersion, une atténuation des trichites d’étain et un renforcement diélectrique, qui sont les raisons les plus courantes d’utiliser des vernis de protection. En dépit de leur épaisseur et de leur résistance chimique supérieures, certains de ces matériaux permettent une reprise relativement facile. Certains matériaux de la gamme sont formulés pour être opaques et colorés, de façon à améliorer à la fois la reconnaissance par la machine de contrôle optique automatisé (AOI) et le contrôle manuel, mais ils peuvent aussi s’utiliser pour masquer la structure des circuits imprimés.

Les revêtements 2K sont également hydrophobes, ce qui confère une protection accrue contre l’humidité et l’humidité, y compris le brouillard salin, faisant du 2K un excellent choix pour l’électronique automobile ainsi que pour d’autres applications difficiles en extérieur.

À des couvertures de film inférieures, les matériaux des vernis assurent toujours une protection nettement améliorée par rapport aux matériaux traditionnels, du fait de la meilleure capacité à couvrir les pattes des composants et autres arêtes vives.

La gamme de matériaux 2K sans solvant améliore la fiabilité des montages dans les applications automobiles, aérospatiales et industrielles, tout en offrant simultanément des caractéristiques de polymérisation plus rapide, une odeur plus faible et de meilleures caractéristiques d’hygiène et de sécurité que d’autres technologies à 100 % de solides tels les matériaux acryliques polymérisables aux UV.