Electrolube a mis à l’épreuve ses vernis de protection deux composants (2K)

Les exigences de performances des vernis de protection sont de plus en plus sévères, car les produits électroniques sont toujours plus soumis à des environnements d’exploitation toujours plus hostiles. Dans le même temps, la législation sur l’environnement continue d’évoluer, et met l’accent sur la réduction de l’utilisation des solvants et des émissions de COV (composés organiques volatiles). Les vernis de protection au silicone sans solvant sont maintenant arrivés à maturité, mais souvent ils ne peuvent pas être utilisé du fait du risque de contamination par les silicones, ou simplement de leur manque d’efficacité de protection dans les environnements hostiles, en particulier à forte humidité ou dans les gaz corrosifs.

L’utilisation des produits monocomposants polymérisés aux UV a notablement augmenté cette dernière décennie, et leur polymérisation rapide a conduit à des gains de productivité pour beaucoup. Néanmoins, les matériaux monocomposants aux UV actuels souffrent souvent de problèmes de polymérisation lors de l’application sur des cartes contenant des composants hauts, qui créent une ombre lors de l’exposition aux UV et imposent des hauteurs de polymérisation défocalisées, qui réduisent l’intensité de la lumière et le degré de polymérisation. En conséquence, il faut introduire un mécanisme de polymérisation secondaire à la polymérisation aux UV, le plus souvent un mécanisme activé par l’humidité ou par la chaleur.

Une nouvelle gamme de vernis de protection innovants bicomposants à hautes performances, polymérisation rapide et sans COV, conçue pour application par revêtement sélectif arrive. La chimie à la base des nouveaux matériaux de vernis « 2K » d’Electrolube n’est pas nouvelle, mais le procédé de revêtement sélectif sans solvant 2K est une nouvelle avancée technologique, permettant de tirer pleinement avantage des vernis 2K.

Les matériaux 2K sont une alternative sans solvant à la fois aux matériaux silicones et polymérisés aux UV, qui exigent moins d’investissements que les matériaux aux UV et améliorent les performances de la plupart des silicones dans les environnements difficiles. Electrolube a soumis la nouvelle gamme 2K à des essais comparatifs détaillés avec les produits aux silicones et aux UV, avec notamment des épreuves de choc thermique, de tenue au brouillard salin, à la condensation et aux gaz MFG (mixed flowing gas).

Avancées dans la technologie d’application sélective de vernis de protection
Avec les applications de vernis, le contrôle du débit à un niveau suffisamment bas tout en maintenant les rapports de mélange corrects est le défi essentiel, récemment surmonté par l’utilisation de pompes à cavité progressive et faible volume, de conception spéciale comme indiqué à la Fig 1.

Fig 1: exemples de vannes de revêtement sélectif 2K,

Les pompes commandent précisément les débits des composants individuels des formulations à ± 1 %, pour maintenir le contrôle du rapport volumétrique de mélange et assurer une polymérisation et des propriétés correctes des matériaux distribués. De plus, la vitesse de la tête de pulvérisation peut être jusqu’à trois fois supérieure à celle des applications de pulvérisation de matières 100 % solides traditionnelles, ce qui réduit notablement les temps de cycle de revêtement. Bien que les matériaux de revêtement 2K puissent être appliqués en couche mince (50-75 µm), ils ont été conçus, formulés et testés pour être appliqués en épaisseur bien supérieure (250-300 µm), pour faciliter une meilleure encapsulation des composants et de leurs pattes.

Un nouveau coupon d’essai de résistance d’isolement de surface (SIR) a été conçu pour mieux simuler les essais réels des vernis de protection, avec des zones de composants non fonctionnels intégrés dans les modèles d’essai SIR, présentés sur la Fig 2.

Fig 2:  Coupon d’essai SIR peuplé d’Electrolube

Essai de choc thermique

Le choc thermique est un essai de contrainte extrêmement accéléré, particulièrement en faveur dans l’industrie automobile pour évaluer la probabilité de fissuration d’un vernis à l’utilisation. Beaucoup de revêtements UV sont incapables de résister aux exigences actuelles des 1000 cycles de choc thermique sans fissuration.

Les vernis de protection suivants (présentés sur le Tableau 1) ont été appliqués sur un Asymtek SelectCoat SL 940E (Fig 2). Tous les revêtements ont été appliqués à l’épaisseur cible minimale et maximale donnant une couverture uniforme, dans le respect des normes industrielles. Les revêtements ont été polymérisés conformément aux recommandations du fabricant et mis au repos 4 semaines supplémentaires pour assurer la post-polymérisation éventuellement nécessaire. Les cartes ont ensuite été soumises à 1000 cycles de choc thermique (-40 °C à +130 °C) dans une chambre ESPEC TSA-102EL. Les cartes ont ensuite fait l’objet d’un examen visuel à grossissement de 50X après 100 cycles, 200 cycles puis tous les 200 jusqu’à 1000 cycles.

Les résultats démontrent clairement que les matériaux 2K se sont extrêmement bien comportés dans cet essai de choc thermique par rapport aux matériaux concurrents, qu’ils soient à base de solvant ou polymérisés aux UV (exemples présentés sur la Figure 2). Il est intéressant de noter que même à 2,5X l’épaisseur des matériaux UV, la capacité à résister aux cycles de choc thermique était notablement supérieure et comparable aux performances des matériaux silicone, connus pour être plutôt résistants aux essais de choc thermique.

Tableau 1 : Vernis de protection et épaisseurs testés

Fig 3: Exemples de défaillance après choc thermique (UV 1-3)

Brouillard salin sous tension
Après achèvement des essais de choc thermique et contrôle visuel, les cartes ont été soumises à une exposition de 96 heures au brouillard salin (5% NaCl(aq)). La Fig 3 présente un résumé des données, montrant les valeurs SIR moyennes du modèle IPC B-24 contenu dans le coupon.

Fig 4:  Résumé d’essai de brouillard salin sous tension

Les matériaux 2K ont démontré une résistance exceptionnelle au brouillard salin, à la fois pendant la phase humide et après séchage, à un niveau comparable aux matériaux silicone. Les matériaux uréthane à base de solvant et aux UV qui s’étaient fissurés lors de l’essai de choc thermique ont démontré une protection relativement faible lors de l’essai et une amélioration minimale de SIR à l’achèvement de l’essai.

Les cartes ont ensuite été soumises à un environnement de gaz corrosif pendant 28 jours, selon la norme CEI 68-2-60, classe 3, comme indiqué dans le Tableau 2 ci-dessous.

Les mesures SIR ont été effectuées dans les conditions de température ambiante du laboratoire (25 °C, 50 % HR) avant le début de l’essai, à intervalles hebdomadaires et 24 heures après l’achèvement de l’essai comme indiqué sur la Fig 4.

Fig 5:  Résumé des résultats de l’essai MFG

Comme on pouvait s’y attendre, les matériaux qui ne s’étaient pas fissurés lors des essais précédents de choc thermique se sont mieux comportés dans l’essai MFG. Les matériaux silicone ont démontré un comportement comparable à ceux des matériaux UV fissurés dans cet essai, suggérant que les matériaux silicone sont relativement poreux à ces gaz corrosifs. Les revêtements 2K plus épais et les matériaux acryliques non fissurés ont démontré de très bonnes propriétés de barrière à ces gaz corrosifs.

Essai de condensation

L’essai de condensation est de plus en plus important, en particulier dans l’industrie automobile. Du fait des irrégularités des essais traditionnels, le UK National Physical Laboratory a conçu un essai de condensation de remplacement où les conditions de la chambre restent stables, et où la température de la pièce testée est abaissée en dessous du point de rosée, pour créer une formation de rosée contrôlée sur la surface plus froide de la pièce d’essai.

Fig 6: Banc d’essai de condensation NPL utilisant une plaque de refroidissement pour induire une température de substrat sous le point de rosée

Si on considère comme représentatifs les deux boîtiers les plus courants, le BGA (Ball Grid Array) et le SOIC (Small Outline Integrated Circuit), comme le montre la Fig 6, on voit que les niveaux de protection des revêtements évoluent avec les cycles de condensation sur les Figures 8 et 9.

Fig 7:  Carte d’essai SIR peuplée Electrolube présentant les sites d’essai BGA et SOIC

Fig 8: Valeurs SIR du modèle SOIC revêtu et non revêtu pendant l’essai cyclique de condensation

Fig 9:  Valeurs SIR du modèle BGA revêtu et non revêtu pendant l’essai cyclique de condensation.

Pour l’essentiel, la valeur SIR est restée constante pendant les cycles de condensation et de séchage pour le matériau 2K sur les deux modèles, ce qui prouve que ce matériau est une barrière très efficace à la condensation. Le matériau acrylique s’est aussi révélé une barrière de qualité sur le composant SOIC, mais il y a des symptômes de pénétration de condensation sous le boîtier BGA, qui ont fini par sécher mais se sont traduits par des valeurs lues inférieures pendant les événements de condensation. Les appareils non revêtus ont présenté des chutes significatives de valeurs SIR pendant les événements de condensation, qui sur les boîtiers BGA tendaient vers un état de court-circuit avec un potentiel de corrosion ou de croissance dendritique.

Conclusion

D’après ces essais sévères, les matériaux polyuréthane 2K démontrent des performances très impressionnantes par comparaison aux autres types de revêtement. Le fait qu’ils puissent être appliqués en couche épaisse, sans fissuration pendant les essais de chocs thermiques, permet d’obtenir une meilleure couverture des pattes des composants, qui se traduit par de meilleures performances pendant les essais de choc thermique, de brouillard salin sous tension, d’essai MFG et de condensation, essais traditionnellement redoutables, mais couramment utilisés pendant les campagnes de qualification automobile.