Lors de la conception de circuits destinés à des applications extérieures ou industrielles, la qualité des connexions entre les périphériques est extrêmement importante. Les connecteurs dotés de la capacité de fermeture hermétique sont capables de maintenir la poussière, les liquides et même les gaz à l'extérieur, prolongeant ainsi la qualité de la connexion. Cet article de Cinch explique les différents types de joints hermétiques disponibles et comment choisir celui qui convient le mieux à votre tâche.
Que sont les joints hermétiques ?
Le premier joint hermétique aurait été créé par le dieu grec Hermès qui aurait inventé un procédé de création de tubes de verre hermétiques, selon la mythologie grecque. Quelles que soient les origines du scellement hermétique, il s’agit toujours d’une technologie importante qui est abondamment utilisée aujourd’hui. Le scellement hermétique est le processus de création d’un joint étanche à l’air qui empêche le passage des gaz, des liquides et des solides. Il existe de nombreux types distincts de joints hermétiques, et ils peuvent avoir une grande variété d'objectifs en fonction de l'application pour laquelle ils sont utilisés.
En électronique, il existe des applications dans lesquelles un boîtier ou une enceinte peut devoir être isolé d'un autre. Cependant, il existe également un besoin de transmission d'énergie et de signaux électriques entre les deux, ce qui est généralement réalisé à l'aide de connecteurs. Le connecteur peut créer une vulnérabilité dans l'isolation entre les deux boîtiers, permettant à l'humidité et aux gaz de s'infiltrer. Pour de nombreuses applications, il est impératif que les connecteurs soient spécifiquement conçus pour créer un joint hermétique afin d'éviter toute fuite.
Un exemple extrême où des connecteurs hermétiquement scellés sont nécessaires est celui des fours de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Les connecteurs doivent empêcher les gaz contaminants de pénétrer à travers l’assemblage. Cela permet aux systèmes de fonctionner dans des conditions environnementales contrôlées requises pour le traitement par lots. De plus, les connecteurs doivent être capables de résister aux variations extrêmes de température, aux vibrations intenses et aux autres facteurs physiques qui peuvent accompagner le traitement industriel. La défaillance d’un joint peut être catastrophique pour le lot et le système.
Types de joints hermétiques
Il existe plusieurs types de joints hermétiques. Il s’agit notamment des joints en verre (joints adaptés), des joints à compression et des joints époxy.
Les joints adaptés sont les joints hermétiques les plus courants ; ils assurent une étanchéité économique, peu coûteuse et de faible résistance. Dans les joints appariés, le verre offre une forme rigide que le métal peut comprimer et contre laquelle il peut se lier tout en fournissant un support pour les contacts. Ces joints appariés ne sont possibles que si le verre et le métal ont des coefficients de dilatation thermique similaires.
En revanche, les joints à compression offrent une étanchéité plus robuste pour des applications plus exigeantes. Ces joints peuvent avoir des coefficients de dilatation thermique différents, mais peuvent fonctionner de manière fiable dans des applications à haute pression. Ce sont les plus chers et nécessitent souvent des moules et des montages personnalisés pour être réalisés.
Figure 1 : Stabilisateur époxy diméthyl-dihydroxybenzène (C8H10O2)
Enfin, les joints époxy offrent une excellente méthode alternative d’étanchéité hermétique. Il adhère bien aux métaux, possède une rigidité diélectrique élevée, une bonne conductivité thermique et offre une grande résistance aux matériaux corrosifs. Les avantages de l’utilisation d’un joint époxy sont :
- Forte attraction polaire – L'époxy forme une forte liaison avec les oxydes de la surface métallique, empêchant ainsi les fuites de gaz ou de fluides dans des conditions de basse et haute pression.
- Haute rigidité diélectrique – L’époxy peut supporter une tension élevée sans se décomposer, ce qui permet une densité de signal plus élevée.
- Bonne conductivité thermique – L’époxy évacue la chaleur du composant et réduit la surchauffe et la dégradation thermique.
- Grande résistance chimique – L’époxy est inerte à la plupart des produits chimiques ; par conséquent, il est moins corrosif et plus durable.
Tests et performances des joints hermétiques
Les performances d'un connecteur hermétiquement scellé sont souvent évaluées par son taux de fuite, qui est mesuré en centimètres cubes par seconde [cm3/sec]. Il s’agit d’une mesure du volume de gaz qui traversera un joint au fil du temps.
Selon l'application donnée, différentes exigences seront nécessaires pour un joint hermétique. Par exemple, on peut s’attendre à ce qu’un joint hermétique sur un dispositif médical ait une durée de vie beaucoup plus longue et de meilleures performances qu’un joint utilisé sur un équipement industriel.
Les performances d'étanchéité du connecteur peuvent être classées en fonction des taux de fuite indiqués ci-dessous :
- Joints moins performants = 10-4cm3/s
- Joints de haute qualité = 10-8cm3/s
- Joints les plus performants = 10-12cm3/s
Il existe plusieurs méthodes de test utilisées pour mesurer le taux de fuite, dont trois sont répertoriées ci-dessous :
Méthode de perte de pression
La méthode de perte de pression est une technique peu coûteuse permettant d’évaluer les dispositifs à faible performance. Ce test est réalisé en piégeant la pression à l'intérieur d'un produit, puis en mesurant la perte de pression.
Figure 2 : schéma de la méthode de perte de pression
Méthode de spectrométrie de masse
En revanche, la méthode de spectrométrie de masse est coûteuse mais offre la meilleure méthode pour des tests précis et performants. Dans ce test, les gaz sont ionisés dans du vide, généralement de l'hélium. Une tension est appliquée qui accélère les ions d'hélium et crée par conséquent un champ magnétique. Le spectromètre de masse peut mesurer le courant créé par les ions et mesurer la fuite grâce à sa proportionnalité directe par rapport à la concentration d'hélium dans le vide.
Figure 3 : Diagramme de la méthode de spectrométrie de masse
Méthode du gaz traceur
Enfin, la méthode du gaz traceur offre un compromis entre les deux. Elle est moins coûteuse que la spectrométrie de masse mais plus précise que la méthode de décroissance de pression. Cette méthode de test est réalisée en mesurant les concentrations d'un gaz traceur (généralement de l'hélium) dans une chambre fermée.
Figure 4 : Diagramme de la méthode du gaz traceur
Exemples d'applications de connecteurs
De nombreux connecteurs électriques sont hermétiquement scellés à l’aide d’époxy. Celui-ci constitue une méthode rentable et facile à fabriquer pour sceller hermétiquement des connecteurs. Cinch propose une grande variété de connecteurs hermétiques et a développé un époxy exclusif qui crée des joints hermétiques haute performance par rapport à d'autres solutions.
Certaines des options disponibles auprès de Cinch incluent les suivantes :
- Connecteurs nano-miniatures à double lobe
- Série de stabilisateurs soudables en aluminium, traversées RF
- Produits sous vide UHV
- Connecteurs hermétiques Micro-D Dura-Con
- Connecteurs Micro-D avec matériau diélectrique en céramique
Les connecteurs micro-D, ainsi que les options alternatives hermétiquement scellées, sont tous disponibles en tant que composants prêts à l'emploi. Ils sont proposés par de nombreux distributeurs courants tels que Mouser et Digi-Key et sont bien approvisionnés.
De plus, des solutions personnalisées sont également disponibles. Si les connecteurs prêts à l'emploi ne conviennent pas à une application donnée, Cinch peut collaborer avec les clients pour fournir des options de connecteurs personnalisés avec des joints hermétiques. Des solutions personnalisées peuvent être fournies sous forme d'ensembles complets et les capacités des solutions personnalisées peuvent aller jusqu'à l'intégration d'un connecteur dans un boîtier.
Connecteurs hermétiques pour applications rudes
Dans l’ensemble, les joints hermétiques peuvent se présenter sous une variété de formes, de modèles et de tailles. L'application et les performances requises du joint dicteront souvent le type de joint hermétique utilisé. Les joints hermétiques sont souvent fabriqués à l'aide d'un joint époxy et peuvent atteindre des taux de fuite très minimes, de l'ordre de 10-8 cm3/s.
Figure 5 : Connecteurs micro-D hermétiquement scellés Cinch
Pour des besoins de prototypage et de test rapides, de nombreux connecteurs hermétiquement scellés de Cinch sont facilement disponibles sous forme de composants prêts à l'emploi. D'autre part, lorsque les applications sont plus spécifiques, les parties intéressées peuvent travailler directement avec Cinch pour créer des solutions adaptées aux applications les plus exigeantes.