Concevoir une électronique capable de supporter la pression

Jun 09, 2023

Suresh Patel | 22 février 2023

Les produits électroniques doivent être fiables et durables, surtout lorsqu’ils sont conçus pour fonctionner dans des environnements difficiles. Construire des cartes de circuits imprimés (PCB) pour qu'elles fonctionnent efficacement dans des conditions environnementales extrêmes telles que des températures, une humidité, des vibrations et une pression élevées est un véritable défi. Il existe plusieurs normes industrielles établies pour valider la conception et le déploiement de PCB pour des applications critiques telles que l'automobile, l'armée, l'aérospatiale et l'électronique sous-marine.

Les températures extrêmes ont un impact non seulement sur les matériaux des PCB, mais également sur la géométrie de l'assemblage du PCB. Une différence de pression peut induire une contrainte physique sur les produits électroniques. L'humidité présente dans l'atmosphère de travail peut corroder l'assemblage PCB et détruire l'ensemble du dispositif électronique. La fatigue due aux vibrations dans les applications automobiles est une préoccupation majeure pour les fabricants de PCB.

Pour les composants électroniques tolérants à la pression, le boîtier doit être conçu pour résister à des températures très élevées ou froides, aux mouvements continus, aux vibrations et à la pression. La conception du PCB doit utiliser des composants et des matériaux conçus pour fonctionner dans des conditions extrêmes. Le respect des exigences et des normes d’acceptabilité des composants électroniques robustes garantira la cohérence des performances du produit. Construire des composants électroniques pour résister à des environnements difficiles exige une convergence optimale des processus de conception, d'assemblage et de test des PCB.

Une compréhension détaillée de l'environnement d'exploitation du produit constitue la première étape dans la construction d'une électronique robuste. Les PCB peuvent être exposés à différents types de circonstances :

En fonction de l'environnement de travail particulier, les concepteurs de PCB doivent capturer les informations nécessaires telles que l'emplacement de déploiement du produit et les paramètres environnementaux associés tels que :

Les environnements extrêmes peuvent réduire considérablement les performances et la durée de vie des appareils électroniques. À moins que le produit ne soit conçu pour des conditions difficiles, la température extrême peut dilater de manière aléatoire les couches de PCB ainsi que les traces de cuivre. Les variations de température ont également un impact sur les joints de soudure et donc sur la connectivité du signal. Les composants d'assemblage de circuits imprimés tels que les transistors, les circuits intégrés et les pièces discrètes (résistances, condensateurs, inductances, etc.) ont des paramètres dépendants de la température de fonctionnement, qui peuvent affecter la fonctionnalité du circuit. Des températures élevées peuvent dégazer le matériau PCB dans le boîtier, provoquant ainsi de la corrosion.

La pression et les vibrations peuvent provoquer l’explosion du boîtier externe, exposant ainsi les circuits électroniques à l’environnement extérieur. Toute différence de pression peut avoir un impact sur le PCB et ses composants. Il peut diffuser rapidement le matériel PCB dans l’environnement. Pendant le processus de fabrication des puces, des vides peuvent être créés à l’intérieur des composants et remplis d’air. De tels composants montés sur des PCB peuvent être rompus en cas de différence de pression, déclenchant une défaillance des composants et du produit.

L'humidité ou la poussière sur le PCB peuvent provoquer des dysfonctionnements électriques tels que des atténuations de signal. Un excès d'humidité peut corroder le PCB. Cela peut provoquer des courts-circuits entraînant des risques d'incendie dans des cas extrêmes. Les surtensions dues aux orages ou aux décharges électrostatiques (ESD) peuvent endommager complètement le produit électronique. Des interférences électromagnétiques excessives provenant de l'équipement environnant ou de l'installation de travail peuvent nuire aux performances de la carte.

Le matériau du substrat et la feuille de cuivre doivent être choisis en fonction de l'environnement de travail du produit électronique.

Les matériaux polyimide et Rogers (stratifiés en céramique d'hydrocarbure) conviennent aux températures extrêmement élevées. L'aluminium pour la température cryogénique et le FR4 (matériau PCB ignifuge) pour les applications à basse température sont recommandés. Dans un environnement très humide, les matériaux FR4 ou céramiques cocuites à basse température (LTCC) sont de meilleurs choix. Le polyimide et le polytétrafluoréthylène (PTFE) sont des exemples de matériaux PCB résistants à la corrosion et conviennent aux environnements humides.

Il est nécessaire de faire correspondre la constante diélectrique (DK) des différents substrats et noyaux dans l'empilement de PCB. En outre, le coefficient de dilatation thermique (CTE) des substrats adjacents doit correspondre pour une dilatation ou une contraction uniforme des couches de PCB dans des conditions difficiles.