High potting soak

enrobage haute tension et immersion: ce que couvre ce guide (et à qui il s'adresse)

Ce guide est conçu pour les Responsables d'ingénierie, les Ingénieurs qualité et les Responsables des achats chargés de l'électronique haute fiabilité fonctionnant dans des environnements difficiles. Plus précisément, il aborde l'intersection critique entre l'encapsulation (enrobage) et les tests d'isolation haute tension (Hi-Pot) sous contrainte environnementale (immersion). Lorsqu'une carte PCBA est conçue pour résister à des tensions élevées tout en étant immergée ou exposée à une forte humidité, le processus d'"enrobage haute tension et immersion" devient le garant ultime de la fiabilité.

Dans ce guide, nous allons au-delà des définitions de base pour aborder l'exécution pratique de l'approvisionnement et de la validation de ces assemblages. Vous y trouverez des exigences de spécification détaillées à inclure dans votre documentation, une analyse des modes de défaillance cachés qui surviennent pendant la phase d'immersion, et un plan de validation pour garantir que votre produit ne tombe pas en panne sur le terrain. Nous fournissons également une liste de contrôle d'audit des fournisseurs pour vous aider à évaluer si un partenaire de fabrication est réellement capable de gérer des processus d'encapsulation complexes.

Chez APTPCB (APTPCB PCB Factory), nous constatons souvent que les conceptions échouent non pas parce que le circuit est incorrect, mais parce que l'interaction entre le composé d'enrobage, la surface du PCB et la contrainte environnementale n'a pas été entièrement définie. Ce guide vise à combler cette lacune, en veillant à ce que vos équipes d'approvisionnement et d'ingénierie soient alignées sur les exigences rigoureuses des applications d'enrobage haute tension et immersion.

Quand l'enrobage par immersion profonde est la bonne approche (et quand ce ne l'est pas)

Comprendre l'utilité spécifique des protocoles d'enrobage par immersion profonde garantit que vous ne sur-ingénieriez pas les biens de consommation ou ne sous-ingénieriez pas les dispositifs de sécurité critiques.

C'est la bonne approche lorsque :

La tension dépasse 50V dans des environnements humides : Si votre appareil gère une haute tension (HT) dans des applications automobiles, marines ou industrielles avec des fluides, un revêtement conforme standard est insuffisant. Vous avez besoin d'une encapsulation complète vérifiée par un test d'immersion.
Une isolation critique pour la sécurité est requise : Pour les dispositifs médicaux ou les chargeurs de VE où une rupture diélectrique pourrait causer des blessures, un test d'enrobage par immersion profonde valide que la résine a entièrement imprégné l'assemblage sans vides.
Les chocs thermiques et l'humidité sont constants : Si l'appareil alterne entre chaud et froid tout en étant exposé à l'humidité, la phase d'"immersion" du test accélère la pénétration de l'humidité pour détecter la délamination précocement.
La résistance aux vibrations est obligatoire : L'enrobage assure l'intégrité structurelle, et le test d'immersion garantit que cette liaison structurelle ne se dégrade pas lorsque des agents chimiques ou l'humidité attaquent l'interface.

Ce N'EST PAS la bonne approche lorsque :

La réparabilité est une priorité : Les assemblages enrobés sont généralement irréparables. Si vous devez échanger des composants sur le terrain, les joints de boîtier mécaniques sont un meilleur choix que l'enrobage.
Les signaux RF haute fréquence sont impliqués : Les composés d'enrobage épais peuvent altérer drastiquement la constante diélectrique ($D_k$) autour des lignes RF, désaccordant les antennes ou les filtres.
La gestion thermique repose sur le flux d'air : L'enrobage agit comme une couverture thermique à moins que des résines spécifiques thermiquement conductrices ne soient utilisées. Si votre conception repose sur le refroidissement par convection, un enrobage complet peut provoquer une surchauffe.
La sensibilité aux coûts est primordiale : Le coût des matériaux des résines d'enrobage et le temps de cycle prolongé pour le durcissement et les tests d'immersion augmentent considérablement les coûts unitaires par rapport aux boîtiers standard.

Exigences à définir avant de demander un devis

Pour éviter des boucles itératives coûteuses avec votre fabricant, vous devez définir clairement les paramètres suivants dans votre dossier d'appel d'offres (RFQ). Des demandes vagues comme "enrobage requis" conduisent à des prix basés sur des hypothèses et à des lacunes en matière de fiabilité.

Chimie du matériau d'enrobage : Spécifiez la chimie de base exacte (époxy, silicone ou uréthane). L'époxy offre dureté et résistance chimique ; le silicone offre flexibilité et résistance aux hautes températures ; l'uréthane est robuste mais sensible à l'humidité pendant le durcissement.
Exigences de rigidité diélectrique : Définissez la tension d'isolation requise (par exemple, "Doit supporter 3000V DC pendant 60 secondes"). Cela dicte l'épaisseur minimale de la couche d'enrobage sur les composants haute tension.
Conditions d'immersion : Indiquez explicitement les paramètres d'immersion. Par exemple, "Immerger dans une solution saline à 5% pendant 24 heures à 25°C" ou "Immersion à 85°C/85% HR pendant 168 heures".
Limites de courant de fuite : Définir les critères de réussite/échec pour le test Hi-Pot. Une spécification courante est "Courant de fuite < 100µA à la tension de test."
Critères d'acceptation des vides : Définir la taille maximale admissible des vides. Pour la haute tension, même les micro-vides peuvent provoquer des décharges partielles. Spécifier "Pas de vides > 0,5 mm dans les zones HT" ou "Volume total des vides < 1%."
Conductivité thermique : Si l'enrobage favorise la dissipation thermique, spécifier le W/m·K requis (par exemple, "Minimum 1,5 W/m·K").
Dureté (échelle Shore) : Définir la dureté après durcissement (par exemple, "Shore A 60-80" pour le silicone ou "Shore D 80" pour l'époxy) pour s'assurer qu'il protège les composants sans les écraser lors de la dilatation thermique.
Exigences d'adhérence : Spécifier les surfaces auxquelles l'enrobage doit adhérer (FR4, boîtier en aluminium, composants spécifiques). Cela peut nécessiter un traitement plasma ou des primaires.
Zones d'exclusion : Marquer clairement les connecteurs, capteurs ou points de test qui doivent rester exempts de matériau d'enrobage. Fournir un dessin avec les couches "Potting Keep-Out".
Contraintes du profil de durcissement : Si vos composants sont sensibles à la température, indiquer la température maximale de durcissement autorisée (par exemple, "La température de durcissement ne doit pas dépasser 85°C").
Normes de propreté : Spécifier les limites de contamination ionique (par exemple, selon IPC-J-STD-001) avant l'enrobage. Les résidus peuvent provoquer un délaminage ou des chemins de fuite sous la résine.
Niveau de traçabilité : Définissez si vous avez besoin de la traçabilité du lot pour le lot de résine d'enrobage mélangé avec les numéros de série spécifiques de l'assemblage de carte de circuit imprimé (PCBA).

Les risques cachés qui compromettent la montée en puissance

Le passage de quelques prototypes à la production de masse introduit des variables qui peuvent compromettre les performances élevées d'imprégnation de l'enrobage.

Risque : Emballement de la réaction exothermique
- Pourquoi cela se produit : L'époxy génère de la chaleur en durcissant. Dans de grands volumes (enrobage épais), cette chaleur peut dépasser les limites des composants ou provoquer la fissuration de la résine.
- Détection : Thermocouples intégrés dans le prototype pendant le durcissement ; inspection visuelle des fissures.
- Prévention : Utiliser des résines à faible exothermie ou un coulage en plusieurs étapes (durcissement par couches).
Risque : Désadaptation du CTE (Coefficient de Dilatation Thermique)
- Pourquoi cela se produit : Le matériau d'enrobage se dilate plus rapidement que le PCB ou les composants pendant les cycles thermiques, cisaillant les joints de soudure.
- Détection : Test de choc thermique suivi d'un test fonctionnel ou d'une coupe transversale.
- Prévention : Faire correspondre le CTE de la résine à l'assemblage du PCB ou utiliser des tampons en silicone flexibles autour des composants sensibles (BGA/QFN).
Risque : Inhibition par l'humidité (Uréthanes)
- Pourquoi cela se produit : Les uréthanes réagissent avec l'humidité de l'air ou sur le PCB pendant le durcissement, créant des bulles de CO2 (moussage).
- Détection : L'inspection visuelle révèle une texture "gruyère" ou des bulles.
Prévention : Précuitre les PCB pour éliminer l'humidité ; utiliser l'enrobage sous vide ; contrôler l'humidité dans la zone de distribution.
Risque : Ombrage et Vides
- Pourquoi cela se produit : La résine s'écoule autour des composants hauts, piégeant des poches d'air sous eux ("ombres").
- Détection : Inspection aux rayons X ou sectionnement transversal destructif.
- Prévention : Optimiser l'emplacement et la vitesse de coulée ; utiliser l'enrobage en chambre à vide ; incliner l'assemblage pendant la distribution.
Risque : Mélange Incomplet
- Pourquoi cela se produit : Les machines de mélange et de dosage automatiques perdent leur étalonnage, ce qui entraîne des zones riches en résine ou en durcisseur qui ne durcissent jamais complètement.
- Détection : Points mous dans l'enrobage durci ; analyse chimique.
- Prévention : Vérifications quotidiennes de purge ; surveillance du rapport de poids ; calendriers de remplacement des tubes mélangeurs statiques.
Risque : Contamination de Surface (Résidus de Flux)
- Pourquoi cela se produit : Les résidus de flux "no-clean" peuvent être chimiquement incompatibles avec l'enrobage, provoquant une délamination.
- Détection : Tests de pelage d'adhérence ; pics de courant de fuite pendant les tests d'immersion.
- Prévention : Mettre en œuvre des processus de lavage rigoureux même pour les flux "no-clean" ; tester la compatibilité chimique.
Risque : Remontée Capillaire dans les Connecteurs
- Pourquoi cela se produit : La résine à faible viscosité remonte dans les broches des connecteurs ou les câbles par action capillaire, isolant les contacts qui devraient être conducteurs.
- Détection : Inspection visuelle sous lumière UV (si la résine contient un traceur) ; test de continuité.
Prévention : Utiliser des barrages thixotropes (similaires à du gel) autour des connecteurs ; appliquer des capuchons de masquage ou des mastics temporaires.
Risque : Décharge partielle (Effet Corona)
- Pourquoi cela se produit : Des micro-vides dans les champs à haute tension s'ionisent, rongeant lentement l'isolation de l'intérieur vers l'extérieur.
- Détection : Équipement de test de décharge partielle (DP) (Hi-Pot spécialisé).
- Prévention : L'enrobage sous vide est obligatoire pour les HT > 1kV ; critères stricts concernant les vides.

Plan de validation (quoi tester, quand et ce que signifie « réussi »)

Un plan de validation robuste va au-delà du simple « réussi/échoué » en fin de ligne. Il valide le processus lui-même.

Étude de compatibilité chimique
- Objectif : S'assurer que le flux, le masque de soudure et la résine d'enrobage ne réagissent pas négativement.
- Méthode : Enrober des coupons de test, les durcir et inspecter toute décoloration ou liquéfaction à l'interface.
- Acceptation : Aucune réaction visible ; la force d'adhérence est conforme aux spécifications.
Coupe transversale (Destructive)
- Objectif : Vérifier la pénétration de la résine sous les composants à faible espacement (BGA, QFN).
- Méthode : Couper une unité durcie, polir la coupe transversale et inspecter au microscope.
- Acceptation : Remplissage à 100 % sous les composants ; pas de vides d'air piégés.
Test d'adhérence / de pelage
- Objectif : Vérifier la liaison entre la résine et le boîtier/PCB.
- Méthode : Tenter de séparer mécaniquement l'enrobage du substrat.

Acceptation: La rupture cohésive (la résine se brise) est préférée à la rupture adhésive (la résine se décolle proprement).

Test Fonctionnel Avant Enrobage (Sonde Volante)
- Objectif: S'assurer que la carte PCBA est 100% fonctionnelle avant l'enrobage. Une fois enrobée, elle ne peut pas être réparée.
- Méthode: Utiliser les meilleures pratiques de la sonde volante pour tester tous les réseaux.
- Acceptation: Réussite électrique à 100%.
Test de Choc Thermique
- Objectif: Solliciter la liaison mécanique.
- Méthode: Cycler de -40°C à +85°C pendant 100 cycles, puis immerger dans l'humidité.
- Acceptation: Pas de fissuration; pas de délaminage.
Test Hi-Pot Humide (Le Test d'"Immersion à Haute Tension")
- Objectif: Vérifier l'intégrité de l'isolation dans les pires conditions.
- Méthode: Immerger l'unité enrobée dans de l'eau saline conductrice (mise à la terre). Appliquer une haute tension (HV) au circuit interne.
- Acceptation: Courant de fuite < limite spécifiée (ex. 5mA); pas d'amorçage.
Test de Résistance d'Isolation (IR)
- Objectif: Vérifier la dégradation lente.
- Méthode: Appliquer 500V DC et mesurer la résistance.
- Acceptation: Résistance > 100 MΩ (ou exigence spécifique en GΩ).
Inspection aux Rayons X
- Objectif: Détection non destructive des vides.
- Méthode: Radiographier l'unité finie en se concentrant sur les zones à haute tension (HV).
- Acceptation: Pourcentage de vides inférieur au seuil défini.
Vérification de la Dureté Shore
- Objectif: Confirmer le rapport de mélange et la polymérisation corrects.
- Méthode: Utiliser un Duromètre sur la surface durcie.

Acceptation: À ±5 points de la spécification de la fiche technique du matériau.

Vérification de la couverture FCT
- Objectif: S'assurer que les tests post-enrobage peuvent toujours être exécutés.
- Méthode: Examiner la planification de la couverture FCT pour s'assurer que les points de test sont accessibles via des connecteurs externes si la carte est scellée.
- Acceptation: 100% des fonctions de sécurité critiques vérifiables via des E/S externes.

Liste de contrôle du fournisseur (offres (RFQ) + questions d'audit)

Utilisez cette liste de contrôle pour évaluer les partenaires de fabrication potentiels comme APTPCB.

Contributions RFQ (Ce que vous envoyez)

BOM complète incluant le fabricant et le numéro de pièce de la résine d'enrobage.
Fichier STEP 3D de l'assemblage et du boîtier (pour le calcul du volume).
Dessin 2D définissant les zones d'exclusion et les niveaux de remplissage.
Contraintes du profil de durcissement (température/temps max).
Limites de tension Hi-Pot et de courant de fuite.
Paramètres du test d'immersion (type de liquide, durée, température).
Critères d'acceptation pour les vides (taille/emplacement).
Exigences d'emballage pour les unités non durcies vs. durcies.

Preuve de capacité (Ce qu'ils doivent montrer)

Disposent-ils de chambres d'enrobage sous vide ? (Essentiel pour la HT).
Peuvent-ils démontrer un dosage et mélange automatisé (vs. mélange manuel) ?
Disposent-ils d'une radiographie interne pour la détection des vides ?
Peuvent-ils effectuer le test d'« immersion » spécifique (chambre climatique ou réservoir de liquide) ?
Ont-ils de l'expérience avec votre chimie de résine spécifique (Uréthane/Époxy/Silicone) ?
Peuvent-ils fournir des exemples de gabarits de masquage utilisés pour des projets similaires ?

Système Qualité et Traçabilité

Le processus d'enrobage est-il documenté dans un plan de contrôle ?
Enregistrent-ils le numéro de lot de la résine par rapport au numéro de série de la PCBA ?
Comment contrôlent-ils la durée de vie en pot (temps de travail) de la résine mélangée ?
Existe-t-il une procédure de purge des mélangeurs statiques ?
Effectuent-ils des contrôles quotidiens du rapport pondéral sur la machine de dosage ?
Les opérateurs sont-ils formés selon les normes IPC-A-610 / IPC-CC-830 ?

Contrôle des Modifications et Livraison

Quelle est la procédure si le fabricant de la résine modifie la formule ?
Comment les unités enrobées rejetées sont-elles gérées (quarantaine/rebut) ?
Peuvent-ils passer du traitement par lots au traitement en ligne continue ?
Disposent-ils d'un contrôle climatique dans la zone d'enrobage (température/humidité) ?
Comment protègent-ils les connecteurs pendant le processus d'enrobage ?
Quel est le plan d'emballage pour éviter d'endommager la surface d'enrobage pendant l'expédition ?

Guide de décision (compromis que vous pouvez réellement choisir)

Chaque décision d'ingénierie implique un compromis. Voici comment gérer les plus courants dans les applications d'enrobage à forte immersion.

Dureté vs. Soulagement des Contraintes :
- Si vous privilégiez la protection mécanique (résistance aux chocs) : Choisissez l'époxy. Il est dur et durable mais transfère les contraintes thermiques aux composants.
Si vous privilégiez la fiabilité du cyclage thermique : Choisissez le silicone. Il est souple et flexible, absorbant les contraintes, mais offre moins de protection physique contre les manipulations.
Enrobage sous vide vs. Enrobage atmosphérique :
- Si vous privilégiez la sécurité haute tension (>1kV) : Vous devez choisir l'enrobage sous vide pour éliminer les micro-vides.
- Si vous privilégiez le coût et la rapidité : L'enrobage atmosphérique est plus rapide mais risque d'emprisonner de l'air. N'est acceptable que pour la basse tension et l'étanchéité générale.
Durcissement au four vs. Durcissement à température ambiante :
- Si vous privilégiez le débit : Choisissez le durcissement au four (durcissement à chaud). C'est plus rapide mais nécessite que les composants résistent à la chaleur.
- Si vous privilégiez la sécurité des composants : Choisissez le durcissement à température ambiante. Cela prend plus de temps (24-48 heures) nécessitant plus d'espace au sol pour le WIP, mais est plus sûr pour les capteurs sensibles.
Retravaillabilité vs. Sécurité :
- Si vous privilégiez la protection IP (anti-rétro-ingénierie) : Choisissez une résine époxy dure et opaque. Il est impossible de la retirer sans détruire la carte.
- Si vous privilégiez le dépannage : Choisissez un silicone transparent et souple. Vous pouvez creuser à travers pour sonder les points de test (bien que le colmatage soit difficile).
Test à 100% vs. Échantillonnage :
- Si vous privilégiez zéro défaillance (Automobile/Médical) : Le test Hi-Pot Soak à 100% est obligatoire.
- Si vous privilégiez le coût (IoT industriel) : Effectuez un test Hi-Pot à 100% (à sec) et un test d'échantillonnage (10%) pour le Soak.

FAQ

Q: Peut-on utiliser un revêtement conforme au lieu de l'enrobage pour le test d'immersion haute tension ? R: Généralement, non. Le revêtement conforme est trop fin (microns) pour fournir une rigidité diélectrique suffisante pour la haute tension ou pour survivre à une immersion prolongée. L'enrobage (plusieurs millimètres d'épaisseur) est nécessaire pour une véritable étanchéité et une isolation HT.

Q: Comment gérons-nous les zones "à ne pas enrober" pendant le processus d'enrobage? R: Nous utilisons des gabarits de masquage personnalisés, des capuchons en caoutchouc temporaires ou des matériaux thixotropes "barrage" pour créer des barrières. Cela empêche la résine de s'écouler dans les connecteurs ou sur les faces des capteurs.

Q: Que se passe-t-il si le composé d'enrobage expire? R: La résine périmée peut ne pas durcir correctement, restant collante ou molle. Elle peut également avoir des propriétés diélectriques réduites. Une gestion stricte de la durée de conservation (FIFO) est essentielle.

Q: Pourquoi voyons-nous des bulles dans l'enrobage durci? R: Les bulles proviennent de l'air piégé pendant le mélange, de la contamination par l'humidité (en particulier dans les uréthanes) ou de l'air piégé sous les composants pendant le coulage. Le dégazage sous vide et l'enrobage sous vide résolvent ce problème.

Q: Pouvons-nous enrober une carte qui n'a pas été nettoyée? R: C'est risqué. Les résidus de flux peuvent empêcher la résine d'adhérer au PCB, créant un chemin pour l'humidité (délaminage). Nous recommandons un nettoyage et un séchage minutieux avant l'enrobage.

Q: Quelle doit être l'épaisseur de l'enrobage? R: L'épaisseur dépend de la tension. Une règle générale est de vérifier la rigidité diélectrique du matériau (par exemple, 15kV/mm) et d'appliquer un facteur de sécurité de 2x ou 3x.

Q: L'enrobage affecte-t-il les performances thermiques du PCB? R: Oui. La résine standard est un isolant thermique. Si votre carte génère de la chaleur, vous devez utiliser une résine thermoconductrice pour transférer la chaleur vers le boîtier ou l'air ambiant.

Q: Quelle est la différence entre "enrobage" (potting) et "encapsulation"? R: Ils sont souvent utilisés de manière interchangeable. Techniquement, l'"enrobage" implique de verser de la résine dans un boîtier (coque) qui devient une partie de l'unité. L'"encapsulation" peut parfois faire référence à l'immersion ou au moulage où la résine forme elle-même la forme extérieure (sans coque).

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Fichiers Gerber et BOM.
Spécifications du matériau d'enrobage (ou demandez une recommandation).
Modèle 3D de l'assemblage/boîtier.
Exigences pour les tests d'immersion (Soak) et Hi-Pot.
Volume annuel estimé.

Conclusion

La mise en œuvre d'un processus d'enrobage par immersion de haute qualité est le moyen définitif de garantir la survie de vos composants électroniques dans des environnements hostiles où haute tension et humidité coexistent. Cela nécessite un changement de mentalité, passant d'un simple assemblage de PCB à une intégration complexe de systèmes chimiques et mécaniques. En définissant des exigences claires pour les matériaux et les tests, en comprenant les risques de vides et les profils de polymérisation, et en vous associant à un fournisseur compétent comme APTPCB, vous pouvez augmenter votre production sans sacrifier la fiabilité. L'objectif n'est pas seulement de sceller la carte, mais de prouver qu'elle peut résister aux pires scénarios que vos clients lui soumettront.