Chapitre 2 : méthodes et techniques
2.4. Dispositif de vieillissement accéléré
Afin de réaliser différentes mesures entre les pistes en cuivre lorsque celles-ci sont polarisées, nous avons développé une cellule électrochimique pouvant être intégrée au goniomètre (figure 2.14). Elle permet d’étudier le cyclage de l’échantillon sous polarisation. La cellule mise au point dans ce travail a été adaptée aux suivis de la formation d’un film d’eau par condensation (figure 2.15). Pour ce faire, un élément Peltier a été monté à l’intérieur de la cellule en plexiglas pour pouvoir porter la surface du PCB en-dessous du point de rosée. L’énergie thermique produite par le module Peltier est évacuée par une circulation d’eau contrôlée par un cryothermostat. Voir annexe F, I, J.
Figure 2.33 : schéma de principe du système de régulation thermique des cellules électrochimiques développées
Deux alimentations sont nécessaires au bon fonctionnement de ce banc. Une alimentation à découpage programmable permet de contrôler le module Peltier et une alimentation linéaire permet de contrôler la polarisation des pistes du PCB. L’alimentation des pistes ne nécessite pas de régulation ou de contrôle par un ordinateur, il est juste nécessaire de pouvoir assurer une tension constante entre les deux pistes et laisser le système électrochimique autoréguler son intensité selon son évolution (c’est-à-dire en fonction de l’évolution du PCB et du film d’eau entre les pistes du cuivre). Pour pouvoir former un film d’eau sur le substrat, il est par contre impératif de maitriser le taux d’humidité de l’air ambiant. Pour ce faire, la cellule est placée dans une enceinte fermée dans laquelle un dispositif humidifiant est présent. Des photos de ce dispositif sont présentées sur la figure 2.16.
Figure 2.16 : photos du dispositif complet permettant de réaliser des cycles accélérés de condensation sur des
plaques PCB polarisées.
Une série de mesures préliminaires a permis de montrer que le taux d’humidité peut être inférieur à 15 % dans l’enceinte sans humidificateur. Le dispositif d’humidification de l’air est constitué d'un réservoir rempli d’eau dans lequel trempe une mèche humide. La longueur de la mèche exposée à l’air, le volume de l’enceinte et le renouvellement de l’air de cette enceinte impose une humidité relative (HR) constante sur une période de plusieurs jours. Dans notre cas, on obtient une HR entre 90% et 100% dans la chambre. L’ouverture de la porte ramène la valeur de HR au niveau de celle de la pièce quasi-instantanément. Pour la stabiliser de nouveau, il faut compter un cycle, soit 30 minutes. Enfin, le dispositif d’humidification permet d’assurer une humidité relative stable suffisamment importante pour réaliser une condensation sur le PCB sans pour autant mouiller la cage par le brouillard.
Un système de pilotage de l’expérience a également été développé pour automatiser au maximum la formation des films d’eau et leur évaporation au cours des cylces (ce qui se faisait manuellement au TCR et qui est maintenant automatisé au LISE), voir annexe C.
L’électronique est séparée sur deux cartes afin d’éviter les problèmes d’interférences électromagnétiques entre les deux cartes. L’une permet d’inverser la polarisation. Le courant y est donc plus important par rapport à l’autre qui est une carte de commande où ne circule que des faibles courants.
Enfin, une caméra permet de coupler ces données mesurées lors des cyclages avec une observation optique de la surface étudiée. Nous avons utilisé un endoscope à grossissement variable (x2 à x200). Cependant, la stabilisation de l’image qui est primordiale pour pouvoir utiliser les grossissements les plus importants a nécessité d’utiliser une table anti-vibration.
L’ensemble de ce nouveau dispositif expérimental est résumé sur le schéma de principe présenté (figure 2.17)
Figure 2.17 : schéma de principe du dispositif expérimental automatisé développé au LISE pour étudier les
cycles de condensation sur les PCB. Voir annexe C.
La commande se fait par un logiciel via l’interface présentée sur la figure 2.18. A partir de cette interface, il est possible de régler les différents paramètres de l’expérience, tels que le temps de l’expérience, la durée de chaque étape (température froide ou température chaude), le temps entre chaque mesure, la tension et l’intensité du module Peltier. Différents capteurs
pilotés par l’interface permettent également de mesurer la température de surface, la température ambiante et le taux d’humidité.
Figure 2.18 : capture d’écran montrant la fenêtre du logiciel de commande du dispositif expérimental développé
pour étudier les cycles de condensation sur les PCB.
Les données mesurées sont ensuite exportées dans un fichier de données exploitable par un tableur. Tous les résultats présentent généralement les mêmes profils que ceux du graphique tracé sur la figure 2.18. Dans ce cas particulier le temps de chauffe est de trois minutes et le temps de refroidissement est de 30 minutes, soit un rapport durée de chauffe sur durée de refroidissement de 10%. Ces durées peuvent évoluer selon les besoins de l’expérience.
Figure 2.19 : évolution de l’humidité relative (HR), des températures ambiantes Tamb1 et Tamb2 et de surface
Ts en fonction du temps lors d'une étude composée de huit cycles de condensation / évaporation sur un PCB R1566W.
Dans nos expériences, nous avons veillé à ce que les températures ne soient pas négatives pour prévenir la formation de gel sur le substrat et restent inférieures à 60 °C pour prévenir l’altération du PCB [29]. Les deux températures ambiantes Tamb mesurées à deux endroits différents dans le système doivent rester constantes. On notera que les variations de température pendant les phases d’évaporation sont plus fortes que les variations de température pendant les phases de condensation. Cela est dû à la variation de masse du condensat. La masse d'eau déposée donne de l’inertie thermique au système, ce qui influe sur le temps de chauffe et de refroidissement même si la puissance transmise est du même ordre de grandeur lors des différents cycles de température. Le rapport de puissance de chauffage Pchaud sur la puissance de refroidissement Pfroid devrait être le même que le rapport de la différence de température ambiante Tamb, température chaud Tchaud sur la différence de température ambiante Tamb, température froide Tfroid. Cette différence entre les deux rapports est due à la variation du coefficient de convection du substrat selon son état (mouillé ou sec). Ces remarques sont résumées dans l’équation suivante.
Équation 2.3 : équilibre thermique de la cellule électrochimique. 𝑃𝑐ℎ𝑎𝑢𝑑 𝑃𝑓𝑟𝑜𝑖𝑑 ≈ 1 ≈ 𝑇𝑐ℎ𝑎𝑢𝑑− 𝑇𝑎𝑚𝑏 𝑇𝑎𝑚𝑏− 𝑇𝑓𝑟𝑜𝑖𝑑 ≠ 𝑡𝑐ℎ𝑎𝑢𝑑 𝑡𝑓𝑟𝑜𝑖𝑑 = 10 %
Dans cette expérience, figure 2.18, nous n’avons pas saturé l’humidité relative pour pouvoir observer ses variations. Au début de l’expérience HR est de 60% correspondant à la valeur de la pièce de travail. La diminution de HR vers une nouvelle valeur moyenne sur un cycle se fait en 30 minutes. Cela est dû à un bilan de chaleur positif apportée par le fonctionnement des instruments, du système de refroidissement qui s’équilibre par un faible renouvellement d’air. Le capteur d’humidité est suffisamment proche de la zone de condensation pour détecter la présence d’eau liquide. Quand HR augmente cela indique qu’il y a de l’eau liquide, et de la même façon, quand HR diminue cela indique que le substrat est sec. Cela est cohérent avec la température de surface et la température de rosée, Tr, pour Tr ≈ 15 °C approximations de August-Roche-Magnus[41].
Équation 2.4 : approximations de August-Roche-Magnus.
𝑇𝑟 ≈ 𝑇 − (100 − 𝑅𝐻
5 ) E𝒓𝒓eur ! Signet non défini. [7]
Il y a un déphasage dans le temps entre HR et T car les deux capteurs ne sont pas positionnés aux mêmes endroits.
Si Ts < Tr alors présence d’eau liquide donc HR augmente Si Ts > Tr alors absence d’eau liquide donc HR diminue