Diseño de dispositivos electrónicos que puedan soportar la presión

Jun 09, 2023

Suresh Patel | 22 de febrero de 2023

Los productos electrónicos deben ser fiables y duraderos, especialmente cuando están diseñados para funcionar en entornos hostiles. Construir placas de circuito impreso (PCB) para que funcionen de manera eficiente en condiciones ambientales extremas como temperatura, humedad, vibración y presión elevadas es todo un desafío. Existen múltiples estándares industriales establecidos para validar el diseño y la implementación de PCB para aplicaciones críticas como automóviles, militares, aeroespaciales y electrónica submarina.

Las temperaturas extremas afectan no solo a los materiales de la PCB sino también a la geometría del conjunto de la PCB. Una diferencia de presión puede provocar estrés físico en los productos electrónicos. La humedad en la atmósfera de trabajo puede corroer el conjunto de PCB y dañar todo el dispositivo electrónico. La fatiga por vibración en aplicaciones automotrices es una seria preocupación para los fabricantes de PCB.

Para dispositivos electrónicos tolerantes a la presión, el gabinete debe diseñarse para soportar temperaturas muy altas o frías, movimiento continuo, vibración y presión. El diseño de la PCB debe utilizar componentes y materiales clasificados para funcionar en condiciones extremas. Cumplir los requisitos y estándares de aceptabilidad de la electrónica resistente garantizará la coherencia en el rendimiento del producto. Construir productos electrónicos para soportar entornos hostiles exige una convergencia óptima de los procesos de diseño, ensamblaje y prueba de PCB.

Una comprensión detallada del entorno operativo del producto es el primer paso para crear componentes electrónicos resistentes. Los PCB pueden estar expuestos a varios tipos de circunstancias:

Según el entorno de trabajo particular, los diseñadores de PCB deben capturar la información necesaria, como la ubicación de implementación del producto y los parámetros ambientales asociados, como por ejemplo:

Los entornos extremos pueden reducir significativamente el rendimiento y la vida útil de los dispositivos electrónicos. A menos que el producto esté diseñado para condiciones difíciles, la temperatura extrema puede expandir aleatoriamente las capas de PCB junto con las trazas de cobre. Las temperaturas variables también afectan las uniones de soldadura y, por tanto, la conectividad de la señal. Los componentes del ensamblaje de PCB, como transistores, circuitos integrados y piezas discretas (resistencias, condensadores, inductores, etc.) tienen parámetros que dependen de la temperatura de funcionamiento, lo que puede afectar la funcionalidad del circuito. Las altas temperaturas pueden desgasificar el material de la PCB hacia el interior del gabinete, provocando corrosión.

La presión y la vibración pueden hacer que el gabinete externo explote, exponiendo los circuitos electrónicos al ambiente exterior. Cualquier diferencia de presión puede afectar la PCB y sus componentes. Puede difundir rápidamente material de PCB en el medio ambiente. Durante el proceso de fabricación del chip, se pueden crear huecos dentro de los componentes que se llenan de aire. Dichos componentes montados en PCB pueden romperse con cualquier diferencia de presión, lo que provoca fallas en los componentes y en el producto.

La humedad o el polvo en la PCB pueden provocar fallos eléctricos como atenuaciones de la señal. El exceso de humedad puede corroer la PCB. Puede provocar cortocircuitos que, en casos extremos, pueden provocar peligro de incendio. Las sobretensiones debidas a tormentas eléctricas o descargas electrostáticas (ESD) pueden dañar completamente el producto electrónico. La interferencia electromagnética excesiva de los equipos circundantes o de la configuración de trabajo puede impedir el rendimiento de la placa.

El material del sustrato y la lámina de cobre se deben elegir según el entorno de trabajo del producto electrónico.

Los materiales de poliimida y Rogers (laminados cerámicos de hidrocarburos) son adecuados para temperaturas extremadamente altas. Se recomienda el aluminio para temperaturas criogénicas y FR4 (material de PCB retardante de llama) para aplicaciones de baja temperatura. En un ambiente de alta humedad, los materiales FR4 o cerámica cocida a baja temperatura (LTCC) son mejores opciones. La poliimida y el politetrafluoretileno (PTFE) son ejemplos de materiales de PCB resistentes a la corrosión y son adecuados para ambientes húmedos.

Es necesario hacer coincidir la constante dieléctrica (DK) de diferentes sustratos y núcleos en la pila de PCB. Además, el coeficiente de expansión térmica (CTE) de los sustratos adyacentes debe coincidir para lograr una expansión o contracción uniforme de las capas de PCB en condiciones difíciles.

La selección de componentes es crucial al diseñar dispositivos electrónicos tolerantes a la presión. La estructura interna y la construcción de pasivos, circuitos integrados y otras piezas electrónicas pueden influir significativamente en el rendimiento de la placa bajo presión.

Las resistencias con piezas de orificio pasante de película metálica y de carbono y las resistencias de montaje en superficie con películas gruesas y delgadas no tienen huecos y son preferidas en diseños tolerantes a la presión. Los tipos de película delgada dependen mínimamente de la presión y son ideales para aplicaciones de alta presión.

Los condensadores de película polimérica no tienen huecos y son bastante estables en un entorno de alta presión. Los condensadores cerámicos tienen buena resistencia a la compresión y son duraderos. Con tipos de terminación suave, los condensadores cerámicos son más adecuados para aplicaciones de alta vibración como la electrónica automotriz.

Los transformadores e inductores muestran los menores cambios en sus características ferromagnéticas bajo alta presión. Al elegir aisladores, se prefieren los últimos aisladores en chip acoplados magnética e inductivamente, ya que están construidos sin espacios libres dentro del componente. En la electrónica submarina se prefieren los osciladores de silicio sin resonadores mecánicos para mantener la presión del fluido.

Los circuitos integrados CMOS generalmente no se ven afectados por la alta presión, pero la precisión de los dispositivos analógicos, como los amplificadores operacionales, puede degradarse con fuerzas de compresión más altas en el entorno. La recalibración regular y la colocación estratégica de los circuitos integrados pueden ayudar a lidiar con el estrés inducido debido a la alta presión ambiental. Generalmente, los paquetes con plomo ofrecen mayor consistencia y durabilidad que las piezas de montaje en superficie en entornos hostiles. Los circuitos integrados empaquetados en epoxi demuestran características de compresión lineal y son adecuados para diseños tolerantes a la presión.

Los componentes electrónicos suelen disipar el calor durante el funcionamiento del circuito. Durante la colocación de los componentes en la PCB, es necesario estimar la disipación térmica y el presupuesto de energía del equipo electrónico. Para operar la electrónica en ambientes extremos, es obligatorio un diseño térmico eficiente y la implementación de estrategias de disipación de calor.

Los diseñadores de PCB incluyen vías térmicas en la placa de circuito para disipar el calor de los componentes de alta corriente. El espesor de soldadura uniforme de las uniones del dispositivo puede reducir la acumulación de calor en las clavijas de los componentes. Si el uso de disipadores de calor no es suficiente para una disipación térmica efectiva, entonces se necesitan circuitos de enfriamiento adicionales, como ventiladores, para el ensamblaje de la PCB.

Se recomienda el uso de piezas con orificios pasantes (conectores, resistencias, condensadores, etc.) en aplicaciones sensibles a la vibración y a la presión, ya que el ensamblaje de PCB SMT no se adapta bien a tales requisitos. Un escudo electromagnético para componentes críticos en la PCB puede mitigar los problemas de ruido externo. Para evitar cualquier daño debido al polvo o la humedad, se recomienda un recubrimiento conformado en la superficie de la PCB o sellar los componentes con una resina.

Varios tipos de recubrimiento conformado pueden proteger la PCB del daño ambiental. Las resinas epoxi y poliuretano son excelentes aislantes contra ambientes agresivos y se utilizan para proteger los PCB de la humedad, las vibraciones y los choques térmicos y mecánicos. El espesor del revestimiento soporta la inmersión del tablero en agua, disolventes y gases.

El revestimiento de resina de silicona está fabricado con resina de silicona y puede resistir productos químicos, humedad y vibraciones. Pueden proteger los PCB en un rango de temperatura más amplio en comparación con otros recubrimientos. Esta característica ha hecho que el recubrimiento de resina de silicona sea más popular en aplicaciones automotrices.

Un aspecto eléctrico importante de la electrónica tolerante a la presión es comprender el campo de ruptura del aire (también gases y fluidos) a alta presión. Si dos conductores están muy juntos a alto voltaje, es posible que se produzcan descargas electrostáticas y roturas dieléctricas. Además, si la placa funciona bajo alta presión, entonces el campo de ruptura también aumenta linealmente con la presión aplicada (ley de Paschen). El estándar IPC – 2221B especifica el requisito de espacio libre del conductor para abordar la posible ruptura dieléctrica en alto voltaje. Cumplir con el estándar es fundamental para que la electrónica tolerante a la presión funcione con una alta intensidad de campo eléctrico.

Los componentes electrónicos tolerantes a la presión deben someterse a pruebas adicionales de integridad estructural antes de su implementación. IPC 6013 es el estándar para la calificación y el rendimiento de PCB rígidos y rígido-flexibles.

Para las placas Clase 3 y Clase 3A (según lo define IPC 6011) utilizadas para aplicaciones críticas en un entorno hostil, el grado de inspección es bastante estricto para garantizar un rendimiento sin errores. El cumplimiento de estos estándares garantiza la integridad del producto de PCB.

Las pruebas de regresión como la prueba de vida altamente acelerada (HALT) se utilizan para evaluar la confiabilidad de la placa simulando condiciones extremas. También se recomiendan otras pruebas como la prueba de quemado y la prueba de seguridad eléctrica (EST). Consulte el estándar IPC 9592 para obtener detalles sobre el diseño para mayor confiabilidad.

Para la electrónica submarina, se adoptan diferentes metodologías de prueba para componentes y conjuntos de PCB. Para garantizar la confiabilidad a largo plazo de la electrónica tolerante a la presión, es obligatorio realizar pruebas cíclicas del diseño de producción final. Durante esta prueba, el conjunto de PCB se somete a presurización y despresurización repetidas a velocidades definidas. El tiempo de espera y los puntos finales también se controlan durante la prueba para identificar cualquier degradación del rendimiento del producto.

Para la electrónica resistente, un proceso completo de desarrollo de PCB implica elegir cuidadosamente los sustratos y componentes de PCB y emplear procedimientos de diseño y ensamblaje adecuados. Garantizar un mantenimiento regular de los productos puede reducir los defectos y evitar la avería general del sistema. Seguir estas pautas podría generar diseños electrónicos que puedan funcionar de manera eficiente bajo presión en condiciones difíciles.

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