Le courant invisible : pourquoi le flux « sans nettoyage » tue la durée de vie de votre batterie

Les mathématiques de la déception

Le tableau promettait dix ans. La présentation marketing promettait dix ans. Les unités de test de validation d'ingénierie, installées dans un laboratoire climatisé, fonctionnent toujours parfaitement. Pourtant, sur le terrain — peut-être dans un placard utilitaire humide en Floride ou un réseau de capteurs agricoles dans le mid-Atlantic — les unités meurent en six mois. Les batteries sont à plat.

Quand cela arrive, l'instinct est de blâmer la source d'énergie. Vous consultez les journaux, vérifiez les bons de commande, et vous vous convainquez que le distributeur vous a envoyé un mauvais lot de CR2032. Vous supposez que le taux d'auto-décharge a été menti, ou que la courbe de dérating en fonction de la température était optimiste.

Ce n'est presque jamais la batterie. Les piles primaires lithium modernes des fournisseurs de premier rang sont des moteurs chimiques remarquablement constants. Si elles sont vides, elles n'ont pas perdu l'énergie dans l'éther ; elles l'ont délivrée à une charge. Le problème est que la charge n'est pas votre microcontrôleur ou votre radio. C'est le circuit imprimé lui-même.

Le mensonge du flux « sans nettoyage »

Le coupable est généralement une mauvaise compréhension du terme « sans nettoyage ». Dans le monde de l'électronique numérique haute vitesse — pensez aux Raspberry Pi ou aux cartes mères d'ordinateurs portables — le flux « sans nettoyage » est un matériau standard et sûr. Il laisse un résidu chimiquement suffisamment bénin pour ne pas provoquer de court-circuit sur un rail d'alimentation 3,3 V transportant des ampères de courant. L'impédance de ce résidu peut être de l'ordre du mégaohm, ce qui, pour une alimentation CPU, équivaut à un circuit ouvert.

Mais vous ne construisez pas un ordinateur portable. Vous construisez un appareil ultra-basse consommation (ULP) où le budget de sommeil se mesure en nanoampères. Dans ce domaine, « sans nettoyage » est une fabrication marketing. Le résidu de flux laissé par le processus de refusion est composé d'activateurs ioniques — des acides conçus pour ronger les oxydes sur les pastilles de cuivre afin d'assurer une bonne soudure. Lorsque la carte sort du four, ce résidu durcit effectivement. Mais il n'est pas inerte. Il est hygroscopique. Il attire l'humidité de l'air.

À mesure que l'humidité augmente, cette croûte bénigne se transforme en électrolyte conducteur. Nous ne parlons pas d'un court-circuit direct. Nous parlons d'un court-circuit « doux » : une résistance parasite d'environ 10 à 50 mégaohms. Dans un appareil alimenté par le secteur, c'est du bruit. Dans un appareil essayant de dormir à 500 nA, une résistance parallèle de 20 mégaohms aux bornes de votre batterie ou de votre interrupteur d'alimentation est une catastrophe. Elle tire un courant supplémentaire de 150 nA en continu, 24 heures sur 24, quel que soit l'état du firmware. Cette fuite invisible est ce qui vole vos neuf ans et demi d'autonomie de batterie.

Il y a une tendance dangereuse à essayer de réparer cela avec un revêtement conforme. La logique semble solide : si l'humidité est le déclencheur, scellez la carte. Mais pulvériser de l'uréthane ou de l'acrylique sur une carte qui n'a pas été lavée de manière agressive n'est pas une solution — c'est une tombe. Vous emprisonnez simplement les contaminants ioniques et l'humidité ambiante sous le revêtement. La corrosion continuera, maintenant protégée de vos tentatives de nettoyage, et les dendrites pousseront joyeusement dans leur serre privée.

Le pont invisible : humidité et dendrites

Le mécanisme de défaillance est rarement statique. Il respire avec l'environnement. C'est pourquoi vous ne pouvez pas le reproduire sur votre banc dans un bureau climatisé. La conductivité du résidu de flux est non linéaire et chaotique ; elle augmente brusquement lorsque l'humidité relative dépasse un seuil, souvent autour de 60-70%.

Considérez un cas généralisé de déploiement de comptage intelligent. Les unités installées dans des salles serveurs climatisées durent éternellement. Les mêmes unités installées dans des boîtiers extérieurs tombent en panne par grappes pendant la saison des pluies. Au microscope, on peut parfois voir la preuve physique : la croissance dendritique. Ce sont des cristaux métalliques en forme de fougère qui poussent de la cathode vers l'anode, alimentés par les ions métalliques dissous dans le résidu de flux. Ils n'ont pas besoin de combler complètement l'écart pour vous nuire. Ils doivent juste réduire suffisamment la résistance d'isolation pour faire fuir la batterie.

Cette migration est provoquée par le champ électrique. Plus votre agencement est serré — composants 0402, pas de 0,5 mm pour les BGA — plus la force du champ entre les broches est élevée, et plus la migration est rapide. Le résidu n'a pas besoin d'être visible à l'œil nu pour être fatal. Une monocouche de contamination ionique suffit à relier deux pastilles sur un microcontrôleur, le réveillant d'un sommeil profond ou simplement en faisant fuir le courant de VCC vers la masse.

Votre multimètre vous ment

Une partie de la raison pour laquelle ce mode de défaillance persiste est que les outils d'ingénierie standard sont aveugles à ce phénomène. Vous ne pouvez pas diagnostiquer une fuite de 50nA avec un Fluke 87V. Les multimètres portables standard ont une tension de charge — une chute de tension interne — qui perturbe le circuit que vous essayez de mesurer. Pire encore, ils font une moyenne du courant. Ils ne peuvent pas voir la nature dynamique d'une fuite qui pourrait pulser ou dériver.

Si vous déboguez la durée de vie ultra-basse consommation (ULP) de la batterie, vous devez utiliser une unité source-mesure (SMU) comme un Keithley 2450, ou au minimum un outil spécialisé comme un Joulescope. Vous devez voir le plancher. Vous devez vérifier que lorsque votre firmware dit « sommeil », le courant est effectivement stable. Souvent, avec un instrument approprié, vous verrez la « montée progressive » — le courant qui augmente lentement sur plusieurs minutes à mesure que la carte chauffe ou que le résidu réagit à l'environnement. Si vous vous fiez à une lecture standard de multimètre indiquant « 0,00 uA », vous êtes à l'aveugle.

Le mandat de fabrication

Vous ne trouverez pas la solution dans le firmware ni dans une batterie plus grande. Vous la trouverez chez le fabricant d'assemblage. La propreté doit être traitée comme une spécification de conception, pas comme un détail de fabrication.

Si vous concevez pour une durée de vie de 10 ans sur une pile bouton, vous ne pouvez pas utiliser un processus standard « sans nettoyage ». Vous devez imposer un lavage. Et pas seulement un trempage dans un seau d'IPA — cela ne fait que répandre la graisse. Vous avez besoin d'un lavage aqueux en ligne avec des saponifiants, suivi d'un rinçage à l'eau DI, puis d'un séchage pour éliminer l'humidité.

Ce sera un combat. Les fabricants sous contrat (CM) détestent les lignes de lavage. Elles sont coûteuses, nécessitent de la maintenance et ralentissent la ligne. Ils vous montreront des fiches techniques du fournisseur de flux affirmant qu'il respecte la norme IPC-J-STD-001. Vous devez ignorer cela. Ces normes concernent l'électronique générale, pas les dispositifs vivant à la limite de la physique.

Vous devez exiger des tests de chromatographie ionique. Vous avez besoin de la preuve que la carte est chimiquement propre, pas seulement visuellement propre. Si le CM refuse, ou essaie de vous vendre un flux « sans nettoyage » « meilleur », partez. Le coût d'un processus de lavage approprié est de quelques centimes par carte. Le coût d'une intervention sur site pour remplacer une unité morte sur le terrain est de plusieurs centaines de dollars. Faites le calcul, puis imposez le lavage.