Emballage hermétique vs non hermétique : quand l’herméticité est-elle réellement assurée ?
L’emballage et le scellement hermétiques protègent les composants électroniques et photoniques sensibles de l’humidité et des gaz nocifs, contribuant à prévenir les défaillances prématurées. Cette page présente les principales différences entre les emballages hermétiques et non hermétiques, ainsi que la façon dont l’herméticité est correctement définie et testée.
Qu’est-ce que l’herméticité ?
L’herméticité désigne un joint étanche aux gaz qui empêche aussi bien l’entrée que la sortie d’humidité et de gaz durant toute la durée de vie d’un appareil. Sur le plan technique, un appareil n’est considéré comme hermétique que s’il peut maintenir des niveaux d’humidité interne extrêmement faibles non seulement lors des tests, mais également pendant des années, voire des décennies de fonctionnement. Bien que le terme « hermétique » soit souvent employé comme synonyme de « étanche à l’air », la définition technique est bien plus rigoureuse. Un boîtier ou un composant qui est initialement étanche aux gaz mais qui laisse pénétrer l’humidité avec le temps n’est pas hermétique.
À retenir : L’herméticité est une propriété à long terme, et non un résultat de test à court terme.
Découvrez davantage sur l’herméticité
Même des traces de vapeur d’eau peuvent compromettre les performances et la fiabilité des systèmes électroniques et photoniques. Si l’humidité interne dépasse le seuil de condensation, cela peut entraîner une corrosion chimique des interconnexions métalliques, des fuites électriques, des courts-circuits involontaires dus à la migration ionique, ainsi qu’une diminution de la stabilité ou de la précision des composants photoniques causée par la diffusion de la lumière.
« Étanche à l’air » désigne généralement la résistance à l’écoulement de gaz en vrac à un instant donné. « Hermétique » requiert en outre une stabilité à long terme contre la diffusion de l’humidité et l’absence de toute dégradation des propriétés de barrière tout au long de la durée de vie du dispositif. Un composant peut être étanche à l’air sans être hermétique, mais l’inverse n’est pas possible.
L’humidité interne est généralement spécifiée en parties par million (ppm). À des niveaux d’humidité inférieurs à 5 000 ppm, le point de rosée interne demeure suffisamment bas pour éviter la condensation et la corrosion dans des conditions normales de fonctionnement. Au-delà de ce seuil, les défaillances liées à l’humidité peuvent se produire de manière accélérée.
Pour être considérés comme véritablement hermétiques, le scellement et l’emballage doivent reposer uniquement sur des matériaux inorganiques. Les approches courantes incluent le scellement verre-métal, le scellement céramique-métal, l’emballage céramique multicouche ou les tubes en verre. Ces technologies sont largement utilisées dans les applications aérospatiales, médicales, industrielles et énergétiques.
Emballage hermétique vs polymère – la différence fondamentale
L’herméticité est déterminée par les propriétés fondamentales des matériaux. Seuls les matériaux inorganiques tels que verre, les métaux et la céramique offrent une perméation quasi nulle et des performances de barrière stables dans le temps. Ils ne vieillissent pas, ne s’altèrent pas et ne perdent pas leur fonction protectrice. Les matériaux polymères, en revanche, sont intrinsèquement perméables. L’humidité et les gaz diffusent à travers le matériau lui-même, et les facteurs environnementaux tels que la température, la pression et les produits chimiques accélèrent le vieillissement et la dégradation.
Comme le résume le tableau ci-dessous, les emballages à base de polymères doivent donc toujours être considérés comme non hermétiques, quels que soient les résultats des tests à court terme.
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| Type |
Type
Scellements en polymère et emballages
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Type
Scellements hermétiques et emballages
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| Type de matériau |
Type de matériau
Polymères organiques, époxys, matériaux PEEK
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Type de matériau
Inorganique, par exemple Joints verre-métal
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| Perméation de l’humidité |
Perméation de l’humidité
Taux de perméation intrinsèques élevés
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Perméation de l’humidité
Perméation d’humidité et de gaz quasi nulle
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| Vieillissement au fil du temps |
Vieillissement au fil du temps
Vieillissement naturel et embrittement
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Vieillissement au fil du temps
Pratiquement aucun vieillissement ni dégradation du matériau
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| Fiabilité à long terme / Temps pour atteindre des niveaux d’humidité critiques |
Fiabilité à long terme / Temps pour atteindre des niveaux d’humidité critiques
De quelques jours à plusieurs mois
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Fiabilité à long terme / Temps pour atteindre des niveaux d’humidité critiques
Décennies
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| Pertinence du test de fuite à l’hélium |
Pertinence du test de fuite à l’hélium
Trompeur, car non adapté
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Pertinence du test de fuite à l’hélium
Significatif
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| Adaptation aux environnements exigeants |
Adaptation aux environnements exigeants
Limitée. Sensible à la température, à la pression et à la dégradation chimique.
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Adaptation aux environnements exigeants
Oui
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| Une herméticité véritable |
Une herméticité véritable
Non
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Une herméticité véritable
Oui
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Fig. 2 : Comparaison détaillée des joints polymères avec les joints verre-métal hermétiques, mettant en avant les différences en termes de composition des matériaux, de perméation de l’humidité et des gaz, de comportement au vieillissement, de fiabilité à long terme, de résistance à l’environnement et de véritable herméticité pour les applications critiques.
En savoir plus sur les emballages hermétiques par rapport aux emballages polymères
Les polymères possèdent une structure moléculaire avec un volume libre, ce qui permet aux molécules de gaz et d’humidité de diffuser directement à travers le matériau. Ce processus se produit même en l’absence de défauts ou de fissures et se poursuit pendant toute la durée de vie du matériau.
Les matériaux polymères vieillissent naturellement sous l’effet des contraintes thermiques, chimiques et mécaniques. Avec le temps, cela peut provoquer une fragilisation, des fissures, une perméation accrue et un dégazage de composés volatils à l’intérieur de l’emballage. Ces effets compromettent directement la fiabilité à long terme.
Des termes tels que proche hermétique ou quasi-hermétique n’ont aucune définition physique ou basée sur des normes.
D’un point de vue matériaux, un joint ou un emballage est soit perméable, soit non perméable. Les polymères sont perméables ; le verre, les métaux et la céramique ne le sont pas.
Définition et test d’herméticité
L’herméticité est généralement vérifiée à l’aide de la norme MIL-STD-883, méthode d’essai 1014, initialement développée pour l’électronique militaire et aérospatiale ainsi que pour les dispositifs médicaux implantables. Aujourd’hui, elle est également largement utilisée comme référence de fiabilité dans les secteurs automobile, industriel, énergétique et dans certaines applications grand public.
La limite d’humidité critique
Pour être considéré comme hermétique, l’humidité interne doit rester inférieure à 5 000 ppm (parties par million) pendant toute la durée de vie du dispositif. En dessous de ce seuil, le point de rosée interne est suffisamment bas pour éviter la condensation et la corrosion. À des niveaux d’humidité d’environ 8 000 ppm, la condensation peut déjà se produire à des températures proches de 5 °C.
Pourquoi les tests d’étanchéité à l’hélium seuls ne suffisent pas
Le test de fines fuites à l’hélium mesure les fuites, mais pas la perméation à long terme. Pour les boîtiers à base de polymères, cela peut conduire à des conclusions trompeuses, car une courte durée de test ne reflète pas la durée de vie réelle en exploitation et l’étanchéité à l’hélium n’empêche pas la diffusion de l’humidité. Par conséquent, les niveaux d’humidité critiques peuvent être atteints en quelques jours ou semaines.
À retenir : un boîtier en polymère peut réussir un test d’étanchéité à l’hélium et néanmoins échouer en situation réelle
Découvrez comment l’herméticité est définie et testée.
- La fuite décrit le flux de gaz à travers des défauts, des fissures ou des joints imparfaits.
- La perméation décrit la diffusion directement à travers le matériau lui-même.
Les tests hermétiques portent principalement sur les fuites. La perméation dépend du choix du matériau et ne peut pas être éliminée dans les polymères.
Le test de fines fuites à l’hélium détecte les fuites dans des conditions de laboratoire contrôlées. Il ne mesure pas la diffusion de l’humidité sur le long terme à travers les matériaux organiques. Par conséquent, les boîtiers en polymère peuvent réussir les tests à l’hélium tout en atteignant des niveaux critiques d’humidité lors de l’exploitation réelle.
Les petits volumes de cavité atteignent des concentrations d’humidité critiques plus rapidement que les plus grands. Comme l’indique le tableau ci-dessous, plus l’emballage est petit, plus le rapport surface/volume de la cavité est élevé, ce qui accélère l’atteinte de niveaux d’humidité dangereux.
Par conséquent, les taux de fuite acceptables dépendent de la géométrie du boîtier, de la durée du test et des hypothèses environnementales. Les valeurs du taux de fuite doivent toujours être interprétées dans leur contexte.
Quand choisir un emballage hermétique ou polymère
Le choix entre un boîtier hermétique et un boîtier non hermétique est généralement dicté par la sensibilité des composants à l’humidité et aux gaz nocifs, les exigences de performance, les contraintes de conception du système et les conditions d’exploitation. Si les joints en polymère peuvent être suffisants dans des environnements moins exigeants, ils peuvent nécessiter une complexité supplémentaire pour compenser les influences environnementales au fil du temps.
L’herméticité comme catalyseur de conception et de performance
Le scellement hermétique est souvent synonyme de fiabilité maximale et de protection à long terme. Mais sa valeur va au-delà. Même lorsqu’un joint en polymère peut sembler « suffisamment fiable », l’herméticité peut constituer le facteur clé pour offrir une plus grande liberté de conception et une meilleure fonctionnalité.
Au-delà de la protection, le scellement hermétique peut permettre :
- Des conceptions plus intelligentes, plus compactes et moins complexes en supprimant les caractéristiques de compensation souvent nécessaires avec les joints en polymère
- Une efficacité économique accrue par rapport aux solutions polymères multicouches à ingénierie avancée
- Un coût total de possession réduit, grâce à des intervalles de maintenance prolongés et une durée de service étendue
- Une isolation électrique stable dans le temps et quelles que soient les conditions environnementales
- Une transmission du signal prévisible, sans dérive ni altération causées par l’humidité
- Une clarté optique et une stabilité des longueurs d’onde pour les applications photoniques et de détection les plus exigeantes
En résumé, l’herméticité ne se limite pas à la résistance aux environnements difficiles : elle permet des conceptions de systèmes plus performantes, plus efficaces et plus économiques.
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