Phil Kinner, responsable du département des vernis de protection chez Electrolube, explique que les vernis de protection modernes et sophistiqués aident les fabricants d’électronique automobile à fournir des produits haute fiabilité et bénéficiant d’une grande longévité à une base clientèle particulièrement exigeante.

Alors que les systèmes électroniques embarqués représentent habituellement plus de 20 % du coût total d’un véhicule moderne, les estimations montrent que cette valeur dépassera les 35 % d’ici 5 ans. Avec l’essor des véhicules électroniques et le développement de l’Internet des objets (IoT) – qui nous ont donné des voitures autonomes comme celles qui sont testées par Google en Californie, et par BMW sur les routes de Bavière – l’avenir de ce secteur a nettement marqué le pas par rapport aux années 70, date à laquelle les premiers systèmes à injection électronique de carburant ont été introduits dans les chaînes d’assemblage.

La prolifération de l’électronique dans le secteur automobile a été facilitée par le développement de puissants variateurs de vitesse et de capteurs à faible coût, ainsi que l’avènement de systèmes électroniques peu coûteux, haute fiabilité ; la plupart des voitures modernes sont désormais équipées d’office de systèmes de gestion moteur, de loisirs embarqués, d’applications de sécurité et dédiées au confort des passagers.

Comme il n’est pas rare que les véhicules modernes sortant d’usine s’accompagnent d’une garantie de 5 ans, voire 7 ans, les fabricants de composants ont tout intérêt à mettre au point de nouvelles conceptions qui soient fiables à long terme, à un coût acceptable. Les systèmes électroniques automobiles sont exposés à des températures extrêmes, à de forts niveaux d’humidité et de condensation, ainsi que, de façon croissante, à des gaz corrosifs. Avec l’essor des véhicules électriques, où des tensions beaucoup plus élevées sont désormais la norme, une protection diélectrique renforcée s’impose pour permettre aux conceptions d’avoir une densité suffisante afin de satisfaire les contraintes de dimensions et de poids.

De par leur sophistication croissante, ces systèmes électroniques sont souvent plus sensibles à la contamination et aux conditions environnementales externes difficiles. De plus, comme les systèmes électroniques automobiles s’appuient de plus en plus sur leur interconnexion, la défaillance d’un seul montage peut potentiellement compromettre le fonctionnement d’un autre. Contrairement aux applications aérospatiales, où deux voire trois couches de redondance peuvent être intégrées dans ces systèmes, dans le cas de la conception automobile, il faut que cela fonctionne la première fois et à chaque fois, pendant toute la durée de vie du produit.

Circuits protégés par des vernis de tropicalisation

Les vernis de tropicalisation sont des revêtements polymériques protecteurs, souvent appliqués en couche mince sur les circuits imprimés ou montages électroniques pour obtenir la protection environnementale requise sans engendrer aucun coût ni poids excessif. Dans le secteur automobile, les applications des vernis de protection concernent soit l’habitacle (systèmes électroniques se trouvant dans le compartiment passagers), soit les composants « sous le capot » (électronique à proximité du moteur). Comme il s’agit de catégories différentes, les exigences propres à chacune sont faciles à décrire ; or, avec la sophistication accrue et l’évolution en direction de montages multifonctionnels, ces environnements traditionnellement distincts se fondent progressivement l’un dans l’autre, tandis que l’évolution vers plus d’électronique de puissance dans les voitures électriques contribue encore au flou grandissant.

Les capteurs et systèmes électroniques situés dans l’habitacle occupent à peu près l’espace réservé aux passagers. En hiver, cela peut signifier un froid extrême et la tendance à une atmosphère condensée ; en été, c’est plutôt une atmosphère chaude et humide. La condensation et la forte humidité représentent des défis pour une électronique fiable parce qu’elles favorisent la corrosion. En outre, l’électronique peut être exposée à des polluants atmosphériques, que ce soit des solutions de nettoyage, des éclaboussures de liquide, etc. A lui seul, l’un de ces facteurs pose un risque potentiel en termes de fiabilité, surtout s’il est associé à l’humidité et à la condensation.

La corrosion est un processus électrochimique complexe, avec divers mécanismes et causes potentiels, qu’il serait difficile de décrire en détail dans cet article. Toutefois, dans la majorité des cas, trois conditions doivent être réunies pour permettre la corrosion :

• la présence de métaux intrinsèquement différents sur le plan électrochimique (p. ex. : or/argent et nickel/étain), ou une anode et une cathode qui sont créées quand la polarisation est appliquée.
• la présence d’espèces ioniques (en général, des sels, halogénures, hydroxydes, etc.).
• la présence de mono-couches d’eau condensée pour dissoudre les espèces ioniques, résultant en une solution électrolytique.

Afin de parer à la corrosion éventuelle, il s’agit d’éliminer l’une des conditions prérequises.

Le choix des métaux est limité à ceux utilisés dans la soudure et les produits chimiques de finition de soudure (qui sont différents) et il y aura toujours des points de différence de potentiel du fait de la nature d’un produit électronique. Le nettoyage peut contribuer à l’élimination des espèces ioniques, mais ne peut pas empêcher le dépôt ultérieur d’espèces ioniques depuis l’environnement d’utilisation.

Les vernis de tropicalisation contribuent à empêcher la formation de solutions électrolytiques en servant de barrière anti-humidité. Pour éviter le délaminage, le vernis doit constituer une bonne barrière contre l’humidité et former une bonne adhérence au substrat. En cas de délaminage du vernis, l’humidité finit par s’accumuler dans cette « poche » et former une solution électrolytique avec une contamination ionique préexistante. C’est pourquoi un nettoyage préalable est recommandé avant l’application du vernis de protection, ce qui permet d’éliminer de manière robuste et synergique deux des trois prérequis pour la corrosion.

Étant donné les environnements de service relativement inoffensifs de l’électronique en habitacle, les vernis de protection acrylique ont de tout temps dominé ce segment ; ils offrent de bonnes propriétés complètes, surtout en cas de forte humidité, de déversements et d’éclaboussures.

Du fait de son emplacement, l’électronique sous le capot doit résister à des difficultés environnementales plus importantes que dans l’habitacle. Cet environnement est bien moins contrôlé, avec des températures de service maximum plus élevées, ainsi que des possibilités accrues de contamination par le carburant, l’huile, les liquides de nettoyage, les gaz corrosifs, les particules métalliques, ainsi que la pulvérisation des boues et eaux salées de la chaussée. Il est clair que les montages électroniques sous le capot, hors habitacle, doivent résister à des conditions environnementales beaucoup plus rudes, et exigent donc un niveau supérieur de protection que leur fournit un nouveau type de vernis de protection.

Vernis de protection : la nouvelle génération

Les revêtements pour montages électroniques sous le capot et autres applications hors habitacle doivent être extrêmement résistants à l’humidité, aux produits chimiques, et hautement polyvalents pour supporter les excursions thermiques et les chocs thermiques, sans compter qu’ils doivent pouvoir survivre à des températures de service beaucoup plus élevées.

Pour surmonter ces défis, Electrolube a mis au point une nouvelle gamme de vernis de protection polyuréthane modifiés, haute durabilité et sans solvant, qui s’appliquent en couches plus épaisses que les vernis de protection standard et sèchent en 10 minutes à 80 °C, en utilisant les mêmes étuves de séchage thermique que dans les processus pour matériaux solvantés.

Résistance à l’humidité

La couverture à bords nets – la capacité d’un revêtement à couvrir entièrement et avec fiabilité les conducteurs des dispositifs, les brasures et autres surfaces métalliques pour éviter qu’ils ne soient exposés à la corrosion – est une problématique bien connue qui a été récemment soulignée dans l’IPC5-22ARR J-STD-001/Évaluation sectorielle des matériaux et de l’application des vernis de protection.

Pour montrer l’importance de la couverture à bords nets et de la protection contre l’eau liquide sous forme de condensation, le National Physical Laboratory (NPL) britannique œuvre actuellement au développement d’un test de condensation contrôlé. Les chercheurs du NPL ont montré qu’à 40 °C et 93 % d’humidité relative, un écart de température de 1,5 °C seulement peut entraîner la formation d’humidité en quantité suffisante pour réduire la résistance d’isolement en surface (SIR) d’un échantillon de cuivre de TΩ à 1MΩ (la limite de détection).

En référence à la figure 2, les données (fournies par NPL) montrent clairement une baisse significative de la valeur SIR d’un montage sans revêtement ; une protection limitée dans le cas à la fois du nano-revêtement et de l’acrylique appliquée en une seule couche ; une meilleure protection fournie par l’acrylique en double couche ; les deux nouveaux matériaux uréthane offrent une protection renforcée, notamment l’UR3 qui montre des capacités de protection hors pair contre l’eau de condensation.

Ceci s’explique en partie du fait de l’épaisseur et de la couverture, bien que la composition chimique d’une formule joue aussi un rôle significatif, ce qui explique la différence marquée de performance entre l’UR4 et l’UR3, bien qu’ils soient appliqués à la même épaisseur (environ 150 µm), comme le montre la vue en coupe à la figure 3 ci-dessous.

Résistance aux chocs thermiques

L’électronique automobile doit normalement fonctionner entre -40 °C et 125 °C, avec des transitions rapides entre les deux extrêmes de température. L’échantillon de test SIR d’Electrolube, à la figure 4, avait plusieurs composants agencés dans une configuration difficile pour mieux simuler un montage de production. Les échantillons ont été recouverts sélectivement de polyuréthanes UR3 et UR4 à une épaisseur ciblée de 250 µm, puis soumis à une série de 1000 cycles de choc thermique air-à-air, aux extrêmes de température indiqués, avec un taux de variation de température supérieur à 40 °C/min.

Ces échantillons ont été inspectés visuellement à un grossissement de 20X pour dépister des traces de fissure, de délaminage et de dommages aux brasures ou composants. Au bout de 1000 cycles, l’UR3 a présenté quelques signes de fissuration en surface et de décoloration, mais sans exposer aucune des surfaces métalliques et sans se propager à la surface du circuit, tandis que l’UR4 ne présentait quasiment aucun changement d’apparence.

Résistance au brouillard salin

Afin d’évaluer la protection fournie dans des conditions de brouillard salin (simulant les conditions de conduite hivernale), les échantillons de test à la figure 4, qui avaient été exposés précédemment aux 1000 cycles de choc thermique, ont été soumis à un test de brouillard salin pendant 196 heures (solution NaCl à 5 %). Les échantillons étaient alimentés en continu à 50 V pour toute la durée du test, en mesurant la résistance d’isolement à intervalles réguliers.

Comme le montre la figure 5 ci-dessous, les deux matériaux ont très bien résisté, en fournissant une excellente protection contre l’environnement de brume saline, mais l’UR3 a fourni un niveau supérieur global de résistance d’isolement, conformément aux résultats obtenus lors du test de condensation de NPL.

Résumé

Afin de répondre à la demande du secteur automobile pour une meilleure fiabilité de l’électronique dans des conditions de plus en plus difficiles, Electrolube a mis au point une gamme de vernis de protection plus haute performance, sans solvants, qui peuvent être appliqués en couches plus épaisses pour surmonter les défaillances courantes des applications, tout en améliorant la couverture à bords nets.

Ces matériaux ont montré une amélioration significative de performance sur les montages test du circuit imprimé, en termes de résistance aux chocs thermiques, à la condensation et au brouillard salin, par rapport aux vernis de protection traditionnels, ultra-minces ou même aux matériaux à durcissement UV.