Comprendre la sensibilité à l'humidité dans les PCB : prévention, détection et élimination

Aller à : Comment l'humidité peut affecter un PCB | Détecter et éliminer l'humidité | Pourquoi cela arrive-t-il ? | Normes IPC pour l'humidité | Comment prévenir l'humidité dans les PCB | Comment éliminer l'humidité des PCB | Circuits imprimés de MCL

 

Bien que les effets de délamination puissent être détectés via imagerie thermique et microscopie acoustique, ils ne se manifesteront pas toujours sous forme de symptômes évidents comme décoloration et surfaces cloquées. Globalement, il est hautement préférable d'empêcher l'humidité d'atteindre le PCB en premier lieu. Cette protection peut être atteinte par des processus comme la pré-cuisson et le stockage approprié. La conception du PCB peut aussi affecter si l'humidité est plus ou moins susceptible d'être un problème. L'un des problèmes les plus troublants avec les circuits imprimés (PCB) implique la présence d'humidité. Si l'humidité existe à l'intérieur d'un PCB, la déstabilisation qu'elle cause est susceptible d'avoir un effet de délamination sur les éléments de surface. Chaque fois que du brasage ou du retravail est appliqué au PCB, la délamination pourrait facilement s'étendre en raison du contenu en humidité.

 

Comment l'humidité peut affecter un PCB

La présence d'humidité peut mener à diverses défaillances fonctionnelles sur un PCB, selon quels composants ou chemins conducteurs entrent en contact avec elle lors de la diffusion. L'humidité peut s'installer dans le verre époxy, la résine ou les interfaces verre et fissures d'une carte. Les problèmes communément associés à l'humidité incluent des vitesses de circuit ralenties et des temps de délai augmentés avec les fonctions d'un dispositif correspondant. Si le problème dépasse une certaine limite, le dispositif pourrait simplement ne pas s'activer.

Des tests ont été menés qui montrent les effets de l'absorption et de la désorption d'humidité dans les circuits imprimés. Dans un PCB avec des trous métallisés de densité variable, des quantités piégées d'humidité ont des taux de désorption différents basés sur la distance entre chaque trou. Dans les PCB fortement saturés, la désorption peut prendre des centaines d'heures dans des environnements à haute température.

Si un PCB est placé dans un environnement où la pression d'humidité atmosphérique dépasse la résistance de la carte et de ses composants, l'humidité peut pénétrer le PCB. Pour prévenir la délamination par humidité sur un PCB, le brasage devrait être effectué uniquement avec des températures élevées de moins de 0,1 % de teneur en humidité ou avec des températures basses de moins de 0,2 % de teneur en humidité. Le brasage à haute température tournerait autour de 260 degrés Celsius, tandis que le brasage à basse température serait autour de 230 degrés Celsius.

 

Détecter et éliminer l'humidité

Lorsque des mesures sont faites de la capacité d'un PCB à stocker l'énergie électrique, un changement dans le contenu en humidité peut être détecté à l'intérieur de la carte. Des capteurs de capacitance sont utilisés dans ce processus. Les niveaux de capacitance évoluent en proportion inverse de la densité des trous. Si cette dernière est élevée, la première est basse car il y a moins de distance entre l'humidité et la surface mais plus d'espace pour que l'humidité s'échappe.

Dans les PCB sans trous métallisés (non-PTH), la capacitance diminue à un rythme plus rapide. En tant que tel, moins de temps de cuisson est nécessaire pour que ces cartes aient un niveau d'humidité suffisamment bas. Sur les cartes PTH, il y a moins de surface exposée pour que l'humidité s'échappe.

En raison de l'effet inverse des plans de cuivre sur le processus de désorption, ils devraient être cuits en tenant compte de leur conception. D'un côté, vous pouvez vider l'humidité plus efficacement d'une carte en prolongeant le processus de cuisson, mais cela pourrait réduire la soudabilité et la capacité fonctionnelle de la carte. Par conséquent, le temps de cuisson doit être mesuré pour éviter ces effets secondaires possibles.

Le processus d'élimination de l'humidité ne donne pas toujours des résultats prévisibles. Par exemple, une paire de plans de cuivre identiques pourrait subir une poussée centrale d'humidité au début de la cuisson, pour diffuser quelques instants plus tard. Si cette poussée momentanée d'humidité se produit dans une zone de la carte où la délamination est la plus probable, cela pourrait être l'effet secondaire non intentionnel de la cuisson.

Sur certaines cartes, l'élimination de l'humidité n'est tout simplement pas possible une fois que l'humidité a diffusé à travers plusieurs couches. Par conséquent, il est crucial d'employer des mesures pour prévenir l'entrée d'humidité dans la carte pendant le processus initial d'assemblage.

 

Pourquoi cela arrive-t-il ?

L'une des façons les plus courantes pour les PCB d'être exposés à l'humidité est par contact avec l'air froid d'hiver. À basse température, il n'y a pas assez de chaleur dans l'air atmosphérique pour absorber l'humidité. En conséquence, le contenu humidifié de l'air est libéré sur les surfaces froides. Si une surface devient plus froide que l'air lui-même, cette surface peut servir d'aimant pour l'humidité libérée, ou condensat. Ce processus explique pourquoi les fenêtres s'embuent souvent en hiver.

Les objets froids placés à proximité de zones de condensation sont aussi susceptibles d'attirer l'humidité de l'air. Par exemple, un vase placé le long du rebord d'une fenêtre embrumée est susceptible de devenir humide avec des gouttelettes d'humidité. Toute surface qui pourrait devenir plus froide que l'air intérieur et retenir de l'eau stagnante peut servir d'aimant, y compris les surfaces des composants informatiques.

Les surfaces internes et externes d'un ordinateur ou périphérique inactif peuvent facilement devenir froides pendant les mois d'hiver. À mesure que les surfaces deviennent plus froides que l'air lui-même, elles attirent l'humidité. Avec les composants internes, le problème peut être exacerbé s'il n'y a pas de trous de ventilation pour que l'humidité s'échappe. Les PCB, par exemple, peuvent être situés horizontalement à l'intérieur d'un boîtier d'ordinateur, scanner, lecteur vidéo ou appareil stéréo. Pendant les heures de la journée où la maison est vide et le chauffage et l'électricité sont tous deux éteints malgré des températures extérieures basses, ces appareils peuvent servir d'aimants à humidité.

À mesure que l'humidité diffuse sur les surfaces des PCB et autres circuits internes, les appareils peuvent éventuellement ne plus redémarrer. Quand un appareil est laissé dormant pendant les mois d'hiver et ne s'active pas au printemps, l'humidité internalisée en est parfois la cause. Puisque l'appareil lui-même a été inactif, il n'y a pas eu de génération de chaleur interne dans l'unité pendant la période en question.

D'autres façons dont l'humidité peut s'accumuler sur les PCB incluent :

• Emballage insuffisant : Les PCB peuvent aussi entrer en contact avec l'humidité quand ils sont emballés ou stockés dans des sacs et armoires défectueux. Si une carte est expédiée dans un emballage défectueux qui n'offre pas de protection contre les conditions ambiantes, l'humidité peut s'infiltrer sous certaines conditions. Dans certains cas, l'humidité diffusera dans les couches du PCB avant qu'il n'arrive entre les mains du client.
• Assemblage : L'une des façons les plus insaisissables et frustrantes pour l'humidité d'entrer en contact avec un PCB est quand des particules d'eau de l'air ambiant atterrissent sur la carte pendant le processus d'assemblage. Si l'eau atterrit sur la carte elle-même avant le brasage et diffuse à travers les couches, la carte elle-même peut être essentiellement fabriquée avec un défaut. Même si des étapes existent pour éliminer l'humidité, ces mêmes étapes peuvent aussi ouvrir la carte à une exposition supplémentaire.
• Cuisson : L'humidité peut même gonfler à l'intérieur d'une carte pendant le processus le plus courant utilisé pour combattre l'humidité des PCB : la cuisson. Bien que l'intention derrière la cuisson soit de chauffer les PCB à des niveaux de température qui forcent l'humidité à sortir, les molécules d'humidité internalisées se dilatent souvent momentanément alors que la température monte dans la carte. Bien que la majeure partie de l'humidité soit finalement chassée du PCB, la dilatation momentanée peut causer une diffusion irréversible supplémentaire dans la carte.

 

Normes IPC pour l'humidité

En 2010, les normes IPC pour le contrôle de l'humidité des PCB furent établies pour redresser la négligence que ce sujet avait reçue dans l'ensemble de la maintenance des PCB. Les cartes à soudure revêtue peuvent retenir leur soudabilité pendant de plus longues périodes tant que des mesures sont prises pour empêcher l'humidité d'entrer dans les cartes. Alternativement, les cartes peuvent durer plus longtemps si des étapes appropriées sont employées pour diffuser l'humidité.

Selon les directives, la cuisson est une méthode pratique pour l'élimination de l'humidité des PCB sur lesquels les contrôles de processus préexistants ont échoué à prévenir l'entrée d'humidité. Cependant, les directives avertissent aussi que la cuisson entraîne des dépenses accrues, un temps de cycle supplémentaire et une soudabilité diminuée. Le processus de cuisson consiste aussi en une manipulation supplémentaire, qui peut causer des dommages et infliger une contamination sur un PCB. Par conséquent, le besoin de cuisson devrait être évité autant que possible avec une maintenance préventive pendant l'assemblage, la manipulation et le stockage des PCB.

Le document met particulièrement en garde contre la cuisson des revêtements de préservation de la soudabilité organique (OSP) car les effets de la cuisson diminuent la finition. Dans le brasage sans plomb, les revêtements OSP sont courants en raison des étapes rentables et faciles impliquées dans leur application. Malgré ces avantages, les couches OSP peuvent facilement s'oxyder en raison de la simplicité de la couche de revêtement, qui est la seule chose protégeant la surface de cuivre sous-jacente. Il ne faut que quelques minutes pour que la séparation de surface et la diffusion d'humidité se produisent avec un revêtement OSP.

Les PCB sont souvent expédiés dans des emballages qui rendent les cartes vulnérables à l'absorption d'humidité. Dans de nombreux cas, les PCB sont expédiés dans des sacs en feuille ou sacs ESD. Par conséquent, de telles cartes arrivent souvent avec des quantités dangereuses de diffusion d'humidité. Si elles sont stockées dans les emballages après réception, les cartes pourraient facilement être ruinées en quelques mois. Les PCB devraient plutôt être expédiés et stockés dans des sacs barrière à l'humidité (MBB).

 

Comment prévenir l'humidité dans les PCB

Pendant la fabrication des PCB, le processus de stratification doit être conduit dans un environnement à température contrôlée où le système d'air est régulé avec des agents de séchage déshydratants. Il est aussi crucial de porter des gants frais pendant chaque cycle de travail pour éviter la propagation de contamination entre différents composants.

Le processus même de stratification des PCB a un effet déshydratant sur le produit fini. C'est pendant cette étape que les préimprégnés et noyaux sont mis en place et les couches sont liées en une seule carte. Certains fabricants appliquent un effet de vide basse pression pendant cette étape pour prévenir les vides internes qui pourraient éventuellement piéger l'humidité dans les couches.

Chez certains fabricants de PCB, il est pratique courante de cuire les préimprégnés avant la stratification. Le but ici est de prévenir les poches d'humidité et cloques de se former sur la carte finie. Cette étape est la plus utile quand le préimprégné a passé une certaine longueur de temps au préalable dans un environnement de stockage non régulé. Sinon, cette étape n'est généralement pas nécessaire.

L'un des moyens les plus efficaces de prévention de l'humidité dans un PCB est les plans de cuivre maillés, qui inhibent le déplacement d'humidité entre les couches ainsi que dans et hors des cartes. Les plans de cuivre maillés servent aussi de matériau de liaison plus fort entre les couches. Cependant, leur présence dans un PCB peut réduire la capacité électrique de la carte.

 

Comment éliminer l'humidité des PCB

La méthode principale pour éliminer l'humidité d'un PCB est la cuisson, pendant laquelle des niveaux élevés de chaleur sont appliqués pour chasser les traces d'humidité incrustées. La cuisson est une méthode populaire car les hautes températures sont un moyen efficace d'élimination de l'humidité dans la plupart des contextes. Alors que la chaleur fait son chemin à travers les couches soumises à ce traitement, les effets seront généralement complets et durables. La cuisson est souvent employée pendant l'étape d'assemblage avant que les PCB ne soient expédiés aux magasins et usines d'électronique.

Malgré les effets souvent positifs de la cuisson, le processus peut aussi avoir ses inconvénients. Si un PCB contient de grands plans de cuivre, les concentrations d'humidité pourraient gonfler au début du processus de cuisson, causant de la délamination en résultat. C'est pendant ces secondes de gonflement que la diffusion d'humidité peut se produire. Une fois que cela arrive, le processus d'élimination de l'humidité devient bien plus difficile, sinon impossible.

Les PCB peuvent être drainés de leur contenu en humidité quand ils sont placés dans des enceintes de séchage, qui maintiennent les cartes à des températures idéales avec moins de 0,05 g/m3 de vapeur d'air. Cet environnement fournit un effet de vide sur les PCB qui empêche l'humidité de s'installer ou de diffuser. Les enceintes sèches préviennent aussi l'oxydation et les développements intermétalliques. Les PCB peuvent être stockés indéfiniment dans des enceintes de séchage avec peu de risque de dégradation.

Il est important que les PCB soient correctement stockés dans des compartiments secs. Quand ils sont expédiés et mis en réserve, les PCB devraient être emballés dans des MBB. Les unités de stockage sec avec air déshumidifié peuvent prévenir l'exposition à l'humidité pendant les semaines ou mois qu'un PCB attend d'être utilisé dans un ordinateur ou appareil électronique.

Un PCB contenu dans un appareil actif pourrait éventuellement être en contact avec l'humidité si l'appareil lui-même a siégé dans un environnement saturé d'humidité. Situé dans une pièce avec des fenêtres embrumées, un appareil désactivé pourrait facilement avoir des surfaces humidifiées à l'intérieur et à l'extérieur, même si le problème n'est pas apparent à l'œil nu. Vous pouvez éviter ce problème en gardant les unités électroniques actives pendant les mois froids et en maintenant des températures intérieures raisonnablement chaudes. Un ordinateur actif, par exemple, générera une chaleur interne suffisante pour éliminer l'humidité des PCB et autres composants.

Une autre façon de combattre l'humidité dans les composants électroniques est de placer de tels appareils en position verticale. Un boîtier d'ordinateur horizontal aura un PCB couché qui pourrait éventuellement héberger de l'humidité stagnante. Dans une tour d'ordinateur, le PCB est situé en position verticale. Quand l'objectif est d'éliminer l'humidité par tous les moyens nécessaires, la verticale est préférable à l'horizontale.

 

Circuits imprimés de Millennium Circuits Limited

L'absorption d'humidité des PCB est un problème important à reconnaître si vous utilisez des circuits imprimés pour des produits de toute sorte. Pour assurer une longue durée de vie des cartes, les précautions de manipulation des PCB sont nécessaires à maîtriser à travers toutes les étapes d'assemblage, manipulation, expédition, stockage, installation, maintenance et relocation.

Chez MCL, nos techniciens sont professionnellement formés à la manipulation sûre des PCB, et nous nous assurons que chaque PCB expédié de notre site est envoyé dans un emballage sûr contre l'humidité. Pour en savoir plus sur nos PCB, contactez MCL aujourd'hui pour recevoir un devis.

 

Demander un devis gratuit