Un PCB pour emplacements dangereux est conçu pour fonctionner en toute sécurité dans des environnements contenant des gaz explosifs, des poussières combustibles ou des fibres inflammables sans devenir une source d'inflammation. Ces cartes nécessitent le strict respect des limites thermiques, des lignes de fuite spécifiques et une encapsulation robuste pour répondre aux normes telles que ATEX, IECEx ou UL 913. Les ingénieurs doivent donner la priorité au confinement des défaillances et à la gestion thermique plutôt qu'à l'optimisation de la densité standard pour garantir la sécurité dans les applications industrielles ou architecturales critiques.
Réponse rapide (30 secondes)
- Règle de base : Maintenez un indice de suivi comparatif (CTI) ≥ 600 V (PLC 0) pour les stratifiés afin d'éviter le suivi électrique dans les environnements poussiéreux conducteurs.
- Plage critique : Maintenir la température de surface maximale au moins 5 °C à 10 °C en dessous de la température d'auto-inflammation de la classe spécifique de gaz/poussière (par exemple, l'indice T4 nécessite < 135 °C).
- Vérification : Utilisez l'imagerie thermique pendant les tests de charge pour vérifier qu'aucun composant ne dépasse la classe de température nominale (classe T).
- Piège courant : Ignorer le « degré de pollution » dans les calculs de lignes de fuite ; L'accumulation de poussière peut créer un pont entre les conducteurs si l'espacement est basé uniquement sur des conditions de laboratoire propres.
- Cas limite : Dans les conceptions à sécurité intrinsèque (SI), une seule diode Zener est souvent insuffisante ; des composants de serrage redondants sont nécessaires pour gérer deux défauts simultanés.
- Conseil DFM : Spécifiez des « vias tendus et bouchés » pour éviter les fuites de soudure ou les vides qui pourraient compromettre les barrières isolantes ou l'intégrité du revêtement conforme.
Points forts
- La sécurité d'abord : Concevoir des stratégies pour la sécurité intrinsèque (SI) par rapport à l'encapsulation antidéflagrante.
- Spécifications des matériaux : Pourquoi les matériaux à haute Tg (>170°C) et à haut CTI ne sont pas négociables.
- Règles d'espacement : Valeurs de fuite et de dégagement du béton pour les systèmes 60 V à 250 V.
- Revêtement : Le rôle du revêtement conforme (25–75 µm) dans la prévention des arcs électriques.
- Test : Comment valider les performances thermiques et la rigidité diélectrique.
- Applications : Des capteurs industriels aux unités Architectural Light PCB dans les zones difficiles.
Contenu
- Définition et portée (ce que c'est, ce que ce n'est pas)
- Règles et spécifications (paramètres clés et limites)
- Étapes de mise en œuvre (points de contrôle du processus)
- Dépannage (modes de défaillance et correctifs)
- Comment choisir (décisions de conception et compromis)
- FAQ (coût, délai de livraison, matériaux, tests, critères d'acceptation)
- Glossaire (Termes clés)
- Demander un devis (examen DFM + tarification)
- Conclusion
Définition et portée (ce que c'est, ce que ce n'est pas)
Un PCB pour emplacement dangereux est un assemblage électronique conçu pour empêcher la libération d'énergie électrique ou thermique suffisante pour enflammer une atmosphère dangereuse. Cela s'applique aux industries allant du raffinage pétrochimique à la transformation des céréales, et de plus en plus aux systèmes Building Integration PCB où des capteurs ou des éclairages sont intégrés dans des zones industrielles opérationnelles.
S'applique lorsque :
- L'environnement contient des gaz inflammables (Classe I), des poussières combustibles (Classe II) ou des fibres inflammables (Classe III).
- L'appareil nécessite une certification selon UL 913, UL 1203, IEC 60079 (ATEX/IECEx) ou CSA C22.
- La stratégie de conception s'appuie sur la sécurité intrinsèque (limitation de l'énergie), les circuits non incendiaires (pas d'arcs en fonctionnement normal) ou l'encapsulation (empotage).
- Les températures de fonctionnement sont critiques ; le tableau ne doit pas devenir un point chaud.
- La fiabilité est primordiale ; une panne pourrait entraîner des explosions catastrophiques, et pas seulement une interruption de l'appareil. Ne s'applique pas lorsque :
- L'appareil est situé dans une zone non classée « à usage général » (par exemple, une salle de serveurs de bureau standard).
- Le boîtier est entièrement purgé et pressurisé avec de l'air propre (bien que le PCB à l'intérieur doive toujours être robuste, les règles strictes du SI peuvent être assouplies).
- Électronique grand public standard (les indices IP comme IP67 protègent contre la pénétration d'eau/poussière mais ne garantissent pas la protection contre les explosions).
- Équipement de transmission haute tension où l'arc est géré par du pétrole ou du gaz SF6, plutôt que par une conception au niveau des PCB.
Règles et spécifications (paramètres clés et limites)
La conception pour des zones dangereuses nécessite le strict respect des propriétés des matériaux et de l'espacement géométrique. Le tableau suivant présente les paramètres critiques.
| Règle | Valeur/Plage recommandée | Pourquoi c'est important | Comment vérifier | Si ignoré |
|---|---|---|---|---|
| Stratifié CTI | ≥ 600 V (automate 0) | Empêche le « suivi » (chemins conducteurs) sur la surface sous tension et contamination. | Consultez la fiche technique pour connaître la classification ASTM D3638 ou CEI 60112. | Des traces de carbone se forment, entraînant des courts-circuits et une inflammation potentielle. |
| Transition vitreuse (Tg) | > 170°C (Tg élevée) | Assure la stabilité mécanique et la fiabilité de l’axe Z à des températures de fonctionnement élevées. | Vérification TMA (Analyse Thermomécanique) du lot de matériaux. | Des cratères ou des fissures en tonneau se produisent pendant le cycle thermique. |
| ** Distance d'isolement ** | ≥ 3,0 mm (pour < 60 V) | Empêche la formation d'arcs électriques sur toute la surface, en particulier dans les environnements (industriels) de degré de pollution 3. | Vérification des règles de conception CAO (DRC) et mesure physique. | Des arcs électriques peuvent se produire si la poussière/l'humidité comble l'espace, enflammant l'atmosphère. |
| Distance de dégagement | ≥ 2,0 mm (général) | Empêche la formation d'arcs dans l'air entre les pièces conductrices. | CAD RDC; vérifier par rapport aux tableaux IPC-2221B ou CEI 60079-11. | L'étincelle se produit lors de pics de tension ou de transitoires. |
| Revêtement conforme | 25 µm – 75 µm | Fournit une barrière diélectrique contre l’humidité et la poussière conductrice. | Inspection UV (si traceur utilisé) ou jauge de film humide. | La corrosion ou la croissance de dendrites pontent les conducteurs. |
| Poids en cuivre | ≥ 2 onces (70 µm) | Améliore la dissipation thermique pour maintenir la température de surface basse. | Analyse par microsection (coupe transversale). | Les traces surchauffent, dépassant la limite de la classe T (par exemple > 135 °C). |
| Rigidité diélectrique | > 30 kV/mm | Garantit que les couches d’isolation ne se décomposent pas sous haute tension. | Test Hi-Pot (tension de tenue diélectrique). | Short de couche interne conduisant à une défaillance catastrophique de la carte. |
| Température de surface maximale | < 80 % de l'auto-allumage | Le composant le plus chaud ne doit jamais enflammer les gaz/poussières environnants. | Imagerie par caméra thermique sous charge maximale + décalage ambiant. | L'appareil échoue à la certification ; risque élevé d'explosion. |
| Empotage sans vide | 100 % de remplissage | Si elles sont encapsulées, les bulles d’air peuvent permettre une accumulation de gaz et une inflammation interne. | Inspection aux rayons X de l’assemblage en pot. | Une explosion interne fait exploser le boîtier. |
Étapes de mise en œuvre (points de contrôle du processus)
La construction d'un PCB pour emplacements dangereux implique plus qu'une simple fabrication standard. Cela nécessite une approche « sécurité dès la conception ».
Sélectionnez la méthode de protection
- Décidez si le circuit sera intrinsèquement sûr (IS), encapsulé (m) ou non incendiaire (n).
- Vérifiez : Pour IS, assurez-vous que la capacité et l'inductance totales sont inférieures aux courbes d'allumage pour le groupe de gaz spécifique (par exemple, groupe IIC pour l'hydrogène).
Sélection des matériaux
- Choisissez un stratifié avec High Tg (>170°C) et High CTI (>600V).
- Vérifiez : Vérifiez que la fiche technique du matériau indique explicitement ces valeurs. Consultez Matériaux Isola PCB pour les options appropriées.
Placement des composants et disposition thermique
- Espacez les composants générateurs de chaleur pour éviter les points chauds. Utilisez des vias thermiques et des avions en cuivre lourds.
- Vérifiez : Exécutez une simulation thermique. Assurez-vous qu'aucun point ne dépasse la limite de la classe T (par exemple, T4 = 135 °C, T6 = 85 °C).
Acheminement pour la ligne de fuite et le dégagement
- Définissez des règles CAO pour appliquer un espacement minimum basé sur la norme CEI 60079-11 (généralement plus stricte que IPC-2221).
- Vérifier : Effectuer un DRC "d'espacement de sécurité" spécifique. Faites attention à l'espacement sous les composants comme les optocoupleurs.
Fabrication avec des tolérances strictes
- Assurez-vous que les tolérances de gravure ne réduisent pas la largeur/l'espacement des traces en dessous des limites de sécurité.
- Vérifiez : Demandez Inspection du premier article pour mesurer les largeurs et l'espacement réels des traces.
Assemblage et propreté
- Les résidus de flux peuvent être conducteurs et hygroscopiques. Un nettoyage minutieux est obligatoire avant le revêtement.
- Vérifiez : Effectuez un test de contamination ionique (test ROSE). La limite doit être < 1,56 µg/cm² équivalent NaCl.
Revêtement conforme ou empotage
- Appliquez un revêtement conforme PCB (type UR, AR ou SR) ou un enrobage époxy.
- Vérifiez : Vérifiez l'épaisseur et la couverture, en particulier sur les bords tranchants et les fils des composants.
Test de vérification finale
- Effectuer des tests fonctionnels et des tests de sécurité spécifiques (par exemple, test d'isolement 500 V pour les circuits IS).
- Vérifiez : Assurez-vous que les enregistrements du Système qualité retracent ces tests à des numéros de série spécifiques.
Dépannage (modes de défaillance et correctifs)
Les pannes dans des endroits dangereux peuvent être subtiles mais dangereuses. Voici comment diagnostiquer et résoudre les problèmes courants.
Symptôme : Arc ou étincelle entre les traces
- Cause probable : Distance d'isolement insuffisante pour le degré de pollution ; accumulation de poussière conductrice; vides de revêtement.
- Contrôles : Inspectez sous grossissement la présence de traces de carbone (dendrites). Vérifiez l’intégrité du revêtement sous la lumière UV.
- Correction : Nettoyez soigneusement la carte. Réappliquez le revêtement avec une meilleure couverture des bords.
- Prévention : Augmenter les espacements dès la phase de conception. Utilisez une fente (fraisage) entre les plots haute tension pour augmenter la ligne de fuite.
Symptôme : arrêt thermique ou points chauds
- Cause probable : Traces sous-dimensionnées pour le courant ; mauvais chemin thermique vers le dissipateur thermique ; défaillance d'un composant.
- Contrôles : Utilisez une caméra thermique. Vérifiez le poids du cuivre (est-ce 1 once au lieu des 2 onces spécifiées ?).
- Correction : Ajoutez un dissipateur thermique externe si possible.
- Prévention : Utilisez la technologie Heavy Copper PCB. Augmentez la largeur de la trace. Utilisez des vias thermiques connectés aux plans de masse.
Symptôme : Délaminage du revêtement
- Cause probable : Mauvaise préparation de la surface ; résidus de flux; matériau de revêtement incompatible.
- Contrôles : Test du ruban adhésif (test d'adhérence en hachures croisées). Recherchez un effet « cloques » ou « peau d'orange ».
- Réparer : Décaper et recouvrir (difficile). Nécessite généralement la mise au rebut de l’unité.
- Prévention : Mettre en œuvre des cycles de lavage/séchage stricts avant revêtement. Assurer la compatibilité entre le masque de soudure et le revêtement conforme.
Symptôme : échec du test de tenue diélectrique (Hi-Pot)
- Cause probable : Espacement des couches internes trop serré ; vides dans le stratifié ; famine avant la grossesse.
- Contrôles : Analyse transversale pour rechercher les défauts de la couche interne.
- Correction : Aucune pour la carte finie.
- Prévention : Examen du PCB Stack-up et de l'épaisseur diélectrique. Assurez-vous que la sélection de pré-imprégnés fournit un remplissage de résine adéquat.
Symptôme : Corrosion des composants sur le terrain
- Cause probable : Pénétration de gaz corrosifs (H2S, Cl2) à travers les trous d'épingle du revêtement.
- Contrôles : Inspection visuelle des produits de corrosion verts/noirs sur les câbles.
- Correction : Remplacez l'unité.
- Prévention : Passez à un revêtement plus robuste (par exemple, Parylène) ou à un empotage complet.
Comment choisir (décisions de conception et compromis)
Faire les bons choix de conception dès le début permet d’économiser les coûts de certification plus tard.
Si l'environnement est la zone 0 (danger continu)...
- Choisissez : Sécurité intrinsèque (Ex ia). Le PCB doit limiter l'énergie dans deux conditions de défaut.
- Compromis : Limite considérablement la puissance disponible. Conception complexe avec barrières Zener redondantes.
Si l'environnement est de zone 1 ou 2 (danger intermittent)...
- Choisissez : Boîtier antidéflagrant (Ex d) ou encapsulation (Ex m).
- Compromis : Le PCB peut fonctionner avec une puissance plus élevée, mais le boîtier est lourd et coûteux. Le PCB doit tenir dans des espaces restreints.
Si une puissance élevée est requise (par exemple, entraînements motorisés)...
- Choisissez : Normes Industrial Control PCB avec boîtiers purgés/pressurisés (Ex p).
- Compromis : Nécessite des systèmes d'alimentation en air et de surveillance externes.
Si l'espace est extrêmement limité (par exemple, détecteurs de gaz portables)...
- Choisissez : Rigid-Flex PCB pour éliminer les connecteurs (qui sont des points d'étincelles potentiels).
- Compromis : Coût de fabrication plus élevé, mais fiabilité plus élevée.
Si l'application est un PCB d'éclairage architectural...
- Choisissez : Cartes LED avec bases en aluminium ou PCB à noyau métallique pour une dissipation thermique maximale.
- Compromis : Des limitations à une seule couche s'appliquent généralement ; un itinéraire complexe nécessite une planification minutieuse.
Si l'environnement implique des produits chimiques corrosifs...
- Choisissez : Finition de surface dorée (ENIG ou Hard Gold) et revêtement conforme épais.
- Compromis : Coût plus élevé que le HASL, mais empêche l'oxydation par contact.
FAQ (coût, délai de livraison, matériaux, tests, critères d'acceptation)
Q : Combien coûte un PCB pour emplacements dangereux par rapport à un PCB standard ?
- Généralement 20 à 50 % plus élevé.
- Les coûts dépendent des matériaux hautes performances (High Tg/CTI), des contrôles de tolérance plus stricts et des tests obligatoires (Hi-Pot, propreté ionique).
Q : Puis-je utiliser la norme FR-4 pour les emplacements dangereux ?
- Oui, mais avec des réserves.
- Il doit s'agir d'un FR-4 de haute qualité avec un CTI (Comparative Tracking Index) connu et une Tg appropriée. Le FR-4 générique et peu coûteux n’a souvent pas la résistance au suivi requise pour la certification.
Q : Quel est le délai de livraison pour ces cartes ?
- Des délais de livraison standard s'appliquent (par exemple, 5 à 10 jours pour les prototypes), mais prévoyez un délai supplémentaire pour le revêtement et les tests.
- Si des stratifiés spéciaux (par exemple Rogers ou des qualités Isola spécifiques) sont nécessaires, l'approvisionnement en matériaux peut ajouter 1 à 2 semaines.
Q : Ai-je besoin d'une certification spéciale pour fabriquer ces PCB ?
- Le fabricant de PCB a besoin d'un système de gestion de la qualité robuste (ISO 9001).
- Cependant, l'assemblage final détient généralement la certification ATEX/UL. L'usine de fabrication de PCB doit fournir un certificat de conformité (CoC) prouvant que les matériaux et les spécifications ont été respectés.
Q : Quel est le test le plus critique pour ces PCB ?
- Test de tension de tenue diélectrique (Hi-Pot) et de contamination ionique.
- Hi-Pot assure l'intégrité de l'isolation ; les tests de propreté garantissent qu’aucun résidu conducteur ne reste sous le revêtement.
Q : Quel est le lien entre « Building Integration PCB » et les emplacements dangereux ?
- Les bâtiments modernes intègrent souvent des capteurs et un éclairage dans leurs infrastructures.
- S'ils sont installés dans des chaufferies, des parkings (gaz d'échappement) ou des zones industrielles, ils peuvent nécessiter des classifications HazLoc.
Q : Quelle finition de surface est la meilleure ?
- ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) est préféré.
- Il offre une surface plane pour les composants à pas serré et une excellente résistance à la corrosion par rapport au HASL.
Q : Pouvez-vous réparer un PCB pour emplacement dangereux ?
- En général, non.
- Les réparations peuvent compromettre le vernissage ou les propriétés de sécurité intrinsèques. La plupart des appareils certifiés sont « à remplacer uniquement ».
Glossaire (termes clés)| Terme | Signification | Pourquoi c'est important dans la pratique |
| :--- | :--- | :--- | | Sécurité intrinsèque (SI) | Technique de protection qui limite l'énergie électrique et thermique à des niveaux inférieurs à ceux nécessaires pour enflammer un mélange atmosphérique dangereux spécifique. | Permet la maintenance des équipements sous tension dans les zones dangereuses ; nécessite un espacement strict des composants et une limitation de courant. | | CTI (indice de suivi comparatif) | Une mesure des propriétés de claquage électrique (suivi) d'un matériau isolant. | Les matériaux à CTI élevé (PLC 0 ou 1) résistent au suivi du carbone, permettant un espacement plus serré des composants. | | Frayage | Distance la plus courte entre deux parties conductrices le long de la surface de l'isolant. | Doit être suffisant pour empêcher le suivi, en particulier dans les environnements poussiéreux/humides. | | Dégagement | La distance la plus courte entre deux pièces conductrices dans l’air. | Empêche les étincelles ou les arcs électriques à travers l'entrefer. | | Classe T (classe de température) | Un système de classification (T1 à T6) indiquant la température de surface maximale qu'un appareil générera. | Le PCB doit rester en dessous de la température d'inflammation du gaz/poussière présent (par exemple, T6 < 85°C). | | Zone 0/1/2 | Classification CEI pour la fréquence de présence du danger (0 = continu, 1 = probable, 2 = peu probable). | Dicte la rigueur des règles de conception des PCB (la zone 0 nécessite la conception IS la plus robuste). | | Degré de pollution | Une note (1-4) de la quantité de pollution sèche/humide (poussière/humidité) attendue dans l'environnement. | Les PCB industriels HazLoc sont généralement conçus pour un degré de pollution 3, nécessitant un espacement plus large. | | Revêtement conforme | Un revêtement chimique protecteur ou un film polymère. | Indispensable pour maintenir les propriétés diélectriques et prévenir la corrosion dans les environnements difficiles. |
Demander un devis (examen DFM + tarification)
Pour obtenir un devis précis et un examen complet de la conception pour la fabricabilité (DFM) de votre PCB pour emplacements dangereux, veuillez fournir les détails suivants. Notre équipe d’ingénierie examinera vos fichiers par rapport aux normes de sécurité pour garantir leur conformité.
- Fichiers Gerber : Format RS-274X ou ODB++.
- Spécifications du matériau : Spécifiez la Tg, les exigences CTI et l'épaisseur diélectrique.
- Stack-up : Constitution détaillée des couches, en particulier si une impédance ou une isolation haute tension est requise.
- Finition de surface : Finition préférée (par exemple, ENIG, Immersion Silver).
- Exigences en matière de revêtement : Type de revêtement conforme et zones à masquer (zones interdites).
- Cible de certification : Mentionnez s'il s'agit d'ATEX, UL 913 ou IECEx (nous aide à vérifier les règles d'espacement).
- Quantités : Volumes de prototypes et de production de masse.
- Tests spéciaux : Niveaux de tension Hi-Pot, limites de propreté ionique ou contrôle d'impédance.