Les circuits imprimés (ou PCB) utilisés dans des environnements difficiles sont exposés à des températures extrêmes, l’humidité, les vibrations, les chocs, et à d’autres conditions pouvant affecter leurs performance et fiabilité. Pour concevoir ce type de PCB, vous devez posséder les connaissances et les bons outils. Dans cet article en deux parties, nous allons parler de ce qui définit les environnements extrêmes et comment concevoir des PCB fiables.
Fin 2022, notre collègue Ryan Miller, Field Application Engineer chez NCAB Group USA, a suivi la formation IPC de 6 semaines intitulée PCB design for military, aerospace and other extreme environments. Il témoigne : « Cette formation approfondie m’a permis d’acquérir les connaissances et les outils nécessaires pour apporter un support aux clients qui conçoivent des PCB destinés à ces environnements difficiles et/ou extrêmes. Qu’il s’agisse d’applications aérospatiales, militaires ou industrielles, les environnements difficiles peuvent exposer le circuit imprimé à des conditions susceptibles d’affecter ses performances et sa fiabilité. Je suis sorti de cette formation avec énormément de connaissances à partager ! ».
Dans la première partie de cet article, nous aborderons tout d’abord les types d’applications et les exemples de produits, ainsi que les facteurs qui définissent un environnement extrême. Dans la deuxième partie, nous reviendrons plus en détail sur les conditions de fonctionnement et les matériaux appropriés pour concevoir un PCB destiné à ces environnements.
Exemples d’applications et de produits
Aérospatial
La centrale inertielle (IMU) est un dispositif électronique utilisé pour mesurer l’orientation, la vitesse et l’accélération d’un aéronef, d’un engin spatial ou d’un missile. Elle fournit des données critiques et essentielles au maintien de la sécurité et de la précision des opérations de vol dans les environnements aérospatiaux difficiles.
Eaux profondes
Un robot sous-marin autonome (AUV) fonctionne sans filin ni télécommande, en utilisant des capteurs et des systèmes de navigation embarqués pour effectuer des tâches en eaux profondes. Les AUV peuvent être utilisés pour une variété d’applications telles que la cartographie sous-marine, l’océanographie et l’exploration pétrolière et gazière.
Forage
Les outils de mesure en cours de forage (MWD) sont des dispositifs électroniques installés pour mesurer divers paramètres tels que la température, la pression et la trajectoire du puits. Les outils MWD transmettent ces données en temps réel à la surface, ce qui permet au foreur de prendre des décisions et d’ajuster les paramètres de forage en fonction des besoins.
Défense
Les systèmes de communication renforcés sont des dispositifs électroniques conçus spécialement pour résister aux conditions extrêmes des environnements de défense telles que les températures extrêmes, l’humidité, les chocs et les vibrations. Ils sont fabriqués pour fonctionner de manière fiable afin de fournir des données critiques et d’assurer une communication au personnel militaire.
Ce à quoi le PCB peut être soumis dans ces environnements
Il existe de nombreux autres exemples d’applications et d’innombrables produits soumis à des conditions environnementales extrêmes. Examinons maintenant les facteurs auxquels les circuits imprimés peuvent être soumis.
Humidité et corrosion
L’eau et/ou l’humidité peuvent s’infiltrer et provoquer de la corrosion ou de l’oxydation entrainant une détérioration du circuit imprimé et de ses composants au fil du temps. Dans les applications sous-marines en particulier, la présence d’eau salée peut exacerber ce problème en raison de ses propriétés corrosives.
La pression
La haute pression est largement répandue dans ces applications (par exemple en haute mer ou dans l’espace). Selon la profondeur et le type d’application, les circuits imprimés peuvent être soumis à une pression élevée, ce qui peut affecter leur intégrité mécanique. Dans l’espace, les circuits imprimés sont confrontés à de nombreux problèmes en raison de l’absence de pression atmosphérique.
La température
Il ne s’agit pas seulement des fortes chaleurs ou des températures négatives. La température dans l’océan ou dans un satellite peut varier considérablement en fonction de l’emplacement ou de l’orientation par rapport au soleil. Si un satellite est en plein soleil, il peut être soumis à des températures extrêmes en raison d’un rayonnement intense. La température peut atteindre 200°C voire plus sur la face exposée, tandis que la face ombragée peut descendre jusqu’à -200°C.
Vibrations et chocs
Ces applications peuvent également soumettre le circuit imprimé à des vibrations ou à des chocs importants pouvant endommager la carte et ses composants. Il peut s’agir de vents violents ou de forces d’accélération incroyablement puissantes à l’image des avions de chasse. Un circuit imprimé doit résister à cette accélération drastique et rapide.
Interférences EMI/RFI
Nombre de ces environnements peuvent également soumettre la carte à des interférences électromagnétiques (EMI) ou à des interférences radiofréquences (RFI), qui peuvent affecter les performances de la carte et de ses composants.
Autres risques environnementaux
Les PCB peuvent également être exposés à une série de risques environnementaux tels que le vent, le sable, la poussière et les débris. Ces éléments peuvent pénétrer dans le circuit imprimé et l’endommager ou en affecter les performances.
Les environnements extrêmes nécessitent des circuits imprimés fiables
Enfin, abordons l’aspect peut-être le plus important de ces applications. Elles doivent être fiables. Il n’y a pas de compromis possible. Il ne s’agit pas d’un grille-pain qu’on peut racheter s’il est défectueux ou s’il ne fonctionne plus. Il ne peut y avoir de temps d’arrêt. Saviez-vous que cela coûte environ 10 000 dollars pour envoyer une livre (environ 0,453 kg) dans l’espace ? Nous concevons des circuits imprimés pour garantir la sécurité et la fonctionnalité des systèmes électroniques critiques. La défaillance d’une seule carte peut avoir des conséquences importantes, allant du dysfonctionnement de l’équipement à la perte de vies humaines, de biens ou d’informations essentielles à la mission. C’est pourquoi, les concepteurs et les fournisseurs de circuits imprimés doivent veiller à ce que leurs produits répondent aux normes de fiabilité élevées requises pour ces applications, que nous décrirons plus en détail dans la deuxième partie de cet article.
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