Diseño de componentes electrónicos que pueden manejar la presión

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 extremas, es todo un desafío. Hay múltiples estándares de la industria establecidos para validar el diseño y la implementación de PCB para aplicaciones críticas como automóviles, militar, aeroespacial y electrónica submarina.

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

Para la electrónica tolerante a la presión, el gabinete debe estar diseñado para soportar temperaturas muy altas o bajas, movimiento continuo, vibración y presión. El diseño de PCB debe usar componentes y materiales clasificados para operar en condiciones extremas. Cumplir con los requisitos y estándares de aceptabilidad de la electrónica robusta garantizará la consistencia en el rendimiento del producto. La construcción de componentes 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 en la construcción de 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, tales como:

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 duras, la temperatura extrema puede expandir aleatoriamente las capas de PCB junto con las trazas de cobre. Las temperaturas variables también afectan las juntas de soldadura y, por lo tanto, la conectividad de la señal. Los componentes del ensamblaje de PCB como transistores, circuitos integrados y partes discretas (resistencias, capacitores, 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 PCB en el gabinete, causando 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 placa de circuito impreso y sus componentes. Puede difundir rápidamente el material de PCB en el medio ambiente. Durante el proceso de fabricación del chip, se pueden crear vacíos dentro de los componentes y llenarlos con aire. Dichos componentes montados en PCB pueden romperse con cualquier diferencia de presión, provocando fallas en el componente y el producto.

La humedad o el polvo en la placa de circuito impreso pueden causar fallas eléctricas como atenuaciones de la señal. El exceso de humedad puede corroer la PCB. Puede causar cortocircuitos que, en casos extremos, pueden provocar riesgos 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 la configuración de trabajo puede impedir el rendimiento de la placa.

El material del sustrato y la lámina de cobre deben elegirse de acuerdo con el entorno de trabajo del producto electrónico.

Los materiales de poliimida y Rogers (laminados cerámicos de hidrocarburo) son adecuados para temperaturas extremadamente altas. Se recomienda aluminio para temperatura criogénica y FR4 (material PCB retardante de llama) para aplicaciones de baja temperatura. En un ambiente de alta humedad, los materiales FR4 o de 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 entornos húmedos.

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

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

Los resistores con piezas de orificio pasante de película de carbono y metal y los resistores de montaje en superficie con películas gruesas y delgadas están libres de vacíos y son los preferidos en los diseños tolerantes a la presión. Los tipos de película delgada tienen una dependencia mínima de la presión y son ideales para aplicaciones de alta presión.

Los condensadores de película de polímero 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 capacitores cerámicos son más adecuados para aplicaciones de alta vibración como la electrónica automotriz.

Los transformadores e inductores muestran los cambios mínimos en sus características ferromagnéticas bajo alta presión. Al elegir aisladores, se prefieren los aisladores acoplados inductivamente y magnéticamente en chip más recientes, ya que están construidos sin espacios libres dentro del componente. Los osciladores de silicio sin resonadores mecánicos son los preferidos en la electrónica submarina 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 ubicación estratégica de los circuitos integrados pueden ayudar a lidiar con el estrés del troquel inducido debido a la alta presión ambiental. En general, los paquetes con plomo ofrecen mayor consistencia y durabilidad que las piezas de montaje en superficie en entornos hostiles. Los circuitos integrados empaquetados con epoxi demuestran características de compresión lineal y son adecuados para diseños tolerantes a la presión.

Los componentes electrónicos normalmente disipan 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 grosor de soldadura uniforme de las juntas 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 PCB.

Se recomienda el uso de piezas de orificio pasante (conectores, resistencias, condensadores, etc.) en aplicaciones sensibles a la presión y la vibración, ya que el ensamblaje de PCB SMT no cumple con 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 aplicar un recubrimiento de conformación en la superficie de la placa de circuito impreso o sellar los componentes con una resina.

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

El revestimiento de resina de silicona está fabricado con resina de silicona y puede resistir productos químicos, humedad y vibraciones. Pueden proteger PCB en un rango de temperatura más amplio en comparación con otros recubrimientos. Esta característica ha hecho que el revestimiento 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 un alto voltaje, es posible que se produzcan descargas electrostáticas y rupturas dieléctricas. Además, si la placa funciona a alta presión, 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 a un 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 de integridad estructural adicionales antes del despliegue. IPC 6013 es el estándar para la calificación y el rendimiento de PCB rígidos y rígido-flexibles.

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

Las pruebas de regresión como la prueba de vida altamente acelerada (HALT) se utilizan para evaluar la confiabilidad de la placa mediante la simulación de 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 la confiabilidad.

Para la electrónica submarina, se adoptan diferentes metodologías de prueba para componentes y ensamblajes de PCB. Para garantizar la confiabilidad a largo plazo de la electrónica tolerante a la presión, es obligatoria la prueba de ciclo del diseño de producción final. Durante esta prueba, el conjunto de PCB se somete a presurización y despresurización repetidas a tasas 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 robusta, un proceso completo de desarrollo de PCB implica elegir sustratos y componentes de PCB con cuidado y emplear los procedimientos de diseño y ensamblaje adecuados. Asegurar el mantenimiento regular de los productos puede reducir los defectos y evitar la falla general del sistema. Seguir estas pautas podría generar diseños electrónicos que pueden operar de manera eficiente bajo presión en condiciones adversas.

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