Quand un boîtier hermétique est-il vraiment hermétique ?

Un scellement et un boîtier hermétique empêchent l’infiltration d’humidité et de gaz (perméation), contribuant ainsi à protéger les systèmes électroniques contre une défaillance prématurée des composants ou du système. Mais concrètement, que signifie l’herméticité ? Comment la définir et la tester ? Quelle est la différence entre un boîtier hermétique et un boîtier quasi-hermétique ?

Le terme « hermétique » est souvent utilisé à mauvais escient. Fréquemment employé comme synonyme de l'expression « étanche à l’air », selon la définition officielle, il désigne en réalité un scellement étanche au gaz, qui empêche les infiltrations indésirables d’humidité et de gaz nocifs dans un boîtier électronique scellé. Inversement, les gaz, liquides ou autres substances ne peuvent s’échapper du boîtier.

 

Comment l’humidité affecte-t-elle les composants électroniques ?

Même de très petites quantités de vapeur d’eau à l’intérieur d’un boîtier ou d’un système électrique peuvent compromettre les performances et la fiabilité des composants électriques ou optiques encapsulés, notamment des puces de semi-conducteurs. C’est pourquoi les niveaux d’humidité interne doivent être maintenus suffisamment bas pour éviter ne serait-ce qu’une simple condensation. En effet, ses conséquences sur les systèmes électroniques sensibles peuvent être graves et provoquer une défaillance des composants, voire du système complet. Effets possibles :

  • Corrosion chimique endommageant les interconnexions métalliques
  • Fuite électrique au niveau des conducteurs/broches
  • Court-circuit électrique dû à la croissance dendritique de l’argent et de l’or
  • Diffusion de la lumière ou dérive des longueurs d’onde dans les composants photoniques

 

Matériaux d’emballage et de scellement hermétiques adéquats : verre, métal, céramique

Seuls les boîtiers et scellements en verre, en métal et en céramique sont considérés comme hermétiques. Ces matériaux sont tous inorganiques et très peu sujets au vieillissement et offrent intrinsèquement des niveaux de perméation proches de zéro. Selon la conception et l’application, un boîtier hermétique de qualité supérieure utilisant ces matériaux permet de maintenir des niveaux d’humidité à l’intérieur de celui-ci sous le seuil requis de 5 000 PPM (parties par million) pendant de nombreuses années, voire des décennies (voir fig. 1).

Scellement hermétique verre-métal

Un scellement en verre hermétique assure une isolation fiable et non perméable des conducteurs tout en permettant la transmission d’électricité et de signaux.

Définition du terme « herméticité »

Le test universellement reconnu pour la détermination de l’herméticité est la « Méthode d’essai 1014 de la norme MIL-STD-883 ». Initialement élaborée pour tester les composants microélectroniques de sécurité militaires, les équipements aérospatiaux et les implants médicaux de classe III, cette méthode est aujourd’hui un moyen répandu de mesure de la fiabilité de diverses applications dans différents secteurs : automobile (airbags), industrie et énergie, sans oublier l’électronique grand public.

Pour être considéré comme hermétique, un boîtier creux ne doit pas présenter une teneur en humidité interne supérieure à 5 000 parties par million (PPM) pendant la durée de vie utile du dispositif. À 5 000 PPM, le point de rosée est bien en dessous du point de congélation, transformant toute humidité résiduelle en cristaux de glace ne causant aucune corrosion. À titre de comparaison : même à de très faibles niveaux d’humidité (p. ex. 8000 PPM), de la condensation se forme à l’intérieur du boîtier à une température d’environ 5 °C.

Graphique montrant que les scellements hermétiques verre-métal maintiennent la teneur en humidité sous les niveaux critiques

Fig. 1 : Les scellements hermétiques verre-métal sont conçus pour maintenir la teneur en humidité sous des niveaux critiques tout au long de la durée de vie utile d’un appareil.

Comment tester l’herméticité

La méthode la plus courante pour tester l’herméticité d’un boîtier ou d’un système scellé est le test de fines fuites qui mesure la vitesse à laquelle l’hélium gazeux traceur s’échappe d’un boîtier. Pour cet essai, le boîtier est exposé à une pression d’hélium élevée qui, en cas de fuite, entraîne l’infiltration de molécules d’hélium dans le boîtier. Le boîtier est ensuite exposé au pompage dans une chambre de test sous vide permettant de détecter tout échappement d’hélium. En fonction du taux de fuite de l’hélium mesuré, le taux de fuite standard (valable dans des conditions normales de fonctionnement, soit à 25 °C et avec une pression atmosphérique standard) doit être calculé.

Si le boîtier n’est pas exposé à une pression d’hélium suffisamment longtemps ou s’il est tellement en mauvais état que l’hélium s’échappe immédiatement, le test de détection de fines fuites peut conduire à des conclusions incorrectes suggérant que le composant est étanche au gaz. C’est la raison pour laquelle un « essai à la bulle » ou un « test de grosses fuites » doit en outre être effectué pour détecter les fuites importantes.

La méthode de test à l’hélium permet de détecter de très fines fuites. Cependant, il ne peut être réalisé que dans des conditions de laboratoire et nécessite des cycles prolongés de pompage et de mesure. En outre, les boîtiers présentant de petites cavités ou à faibles volumes doivent présenter une étanchéité au gaz accrue. À défaut, ils atteignent plus rapidement le seuil de 5 000 PPM que ceux caractérisés par un volume plus important. La valeur d’herméticité spécifiée dépend donc à la fois des conditions de test et de la conception du boîtier.

 

Proche hermétique, quasi-hermétique ou non hermétique

Lorsqu’ils sont utilisés pour qualifier un boîtier, les expressions « proche hermétique », « quasi-hermétique », « pratiquement hermétique » et « non hermétique » indiquent que le boîtier est composé de matériaux polymères ou plastiques (ex. polymère à cristaux liquides ou LCP), par opposition au matériaux en verre, métal et céramique. Qu’il soit qualifié de proche hermétique ou quasi-hermétique, un boîtier est considéré comme non hermétique selon la définition ci-dessus.

Polymères et époxydes : taux de perméation élevés et vieillissement naturel

De nombreuses applications quotidiennes utilisent des polymères, des époxydes ou du PEEK comme matériaux de scellement ou d’emballage. Elles n’offrent pas une réelle herméticité et doivent systématiquement être considérées comme non hermétiques.

L’inconvénient principal de ces matériaux est leur nature organique, d’où un taux de perméation intrinsèquement élevé. Ils sont sujet à un vieillissement naturel avec le temps et finissent par laisser l’humidité pénétrer dans un système scellé. Ce processus de vieillissement s’accélère selon les conditions ambiantes telles que la température ou une pression élevée, ou encore la présence de produits chimiques, susceptibles d’entraîner de graves problèmes de fuite causés par les matériaux d’étanchéité.

En outre, un dégagement de gaz pendant le processus de polymérisation ou le fonctionnement peut compromettre l’environnement immédiat, ce qui se traduit par des taux de pression de vapeur ainsi que des niveaux d’humidité et de condensation critiques.

Dans la pratique, les boîtiers non hermétiques sont donc généralement utilisés pour des applications devant répondre à des exigences de fiabilité et des critères opérationnels moins stricts. Les composants hermétiquement scellés, en revanche, peuvent répondre à des exigences plus élevées en termes de longévité et de fiabilité dans les environnements hostiles, mais aussi d’efficacité et de performances accrues.

« Pinces à linge » sujettes au vieillissement
Tout comme une pince à linge longtemps exposée aux éléments, les matériaux d’un boîtier à base de polymère sont fragilisés et s’usent naturellement avec le temps, en particulier dans des conditions ambiantes difficiles.

Pourquoi le test d’étanchéité à l’hélium est-il trompeur pour les boîtiers organiques

Avec les boîtiers en polymères, PEEK ou matières plastiques, la méthode de test de fines fuites à l’hélium ne permet pas d’obtenir des résultats fiables, principalement pour une raison : elle mesure les fuites, pas la perméation, et ne tient pas compte spécifiquement du taux de perméation élevé des matériaux organiques au fil du temps, nettement supérieur à celui des métaux, des verres et de la céramique. Autrement dit, un boîtier organique peut présenter une « étanchéité à l’hélium » suffisante au moment du test, le cycle de test étant très court. Les matériaux polymères présentent des propriétés de diffusion et d’absorption intrinsèques se traduisant par une perméabilité élevée. Par conséquent, les boîtiers non hermétiques peuvent atteindre des niveaux d’humidité critiques après seulement quelques jours ou quelques semaines. Cela s’explique par la diffusion d’eau et d’autres gaz à travers la structure polymère.

 

Conclusion : choix d’un produit hermétique

La décision de choisir un boîtier véritablement hermétique ou non dépend généralement de la sensibilité des composants à l’humidité et aux gaz nocifs, des exigences de performance, des spécifications techniques de conception et des conditions de fonctionnement. En règle générale, l’herméticité ou un taux de fuite spécifique ne constitue pas une exigence de qualité fixe. En revanche, l’herméticité peut répondre à d’autres besoins, tels que la résistance à des températures ou pressions extrêmes, une plus grande longévité, des exigences de performances ou d’efficacité accrues ou tous ces critères à la fois.

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Elisabeth Fey, Global Marketing Communication Electronic Packaging
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