PCB de alta densidad

Los principales desafíos que enfrentan los PCB en entornos hostiles se pueden resumir de la siguiente manera:
Humedad, polvo y suciedad:Para contrarrestar estos factores ambientales, a menudo es necesario tratar la PCB con un proceso especial conocido como conformalcoating. Con él, la PCB se cubre tras el proceso de montaje con una fina capa de material protector no conductor como silicona, acrílico, uretano o p-xileno. El recubrimiento permite alargar la vida útil del circuito electrónico protegiéndolo de contaminantes externos.

Altas temperaturas:Si la PCB tiene que funcionar continuamente a temperaturas superiores a las estándar, es mejor utilizar capas con un cobre más grueso (cobre pesado). Los espesores de cobre superiores a 3 onzas por pie cuadrado generalmente se combinan con la aplicación del recubrimiento compatible para proporcionar a la placa un alto nivel de protección en caso de funcionamiento ininterrumpido a altas temperaturas. El uso de capas con una temperatura de transición vítrea (Tg) más alta, como FR-4 TG140 o TG170), proporciona a la PCB una protección adicional frente a la temperatura.

Radiaciones ionizantes:Los PCB para aplicaciones aeroespaciales son bombardeados con partículas de diversos tipos, además de radiación electromagnética generada por el sol y otros cuerpos celestes. Esta radiación puede causar perturbaciones temporales (como cambios de bits o eliminación de memoria) o daños permanentes en los componentes, golpes y vibraciones, especialmente en aplicaciones automotrices y aeroespaciales.

Corrosión:Es uno de los principales escollos de cualquier pieza metálica. La corrosión ocurre cuando el oxígeno y el metal se unen entre sí mediante un proceso conocido como oxidación. Esto produce óxido y hace que el metal pierda sus propiedades químicas, descomponiéndose con el tiempo. Dado que los PCB contienen una gran cantidad de metal, si se exponen al oxígeno están sujetos a corrosión.

Para evitar daños causados ​​por agentes atmosféricos, se aplica a la PCB una capa protectora no conductora conocida como recubrimiento conformal después del ensamblaje (Figura 1). Esto se aplica comúnmente a PCB para consumidores, electrodomésticos y dispositivos móviles, donde es común operar en presencia de humedad, polvo u otros factores ambientales hostiles. La capa protectora aplicada al PCB permite que la humedad presente en las capas del PCB fluya hacia el exterior, evitando al mismo tiempo que agentes externos lleguen a la placa y sus componentes comprometiendo su funcionamiento. Además de aumentar la confiabilidad, el recubrimiento conformado extiende la vida útil del circuito.

Los tipos más comunes de recubrimiento conformado son la silicona, la resina acrílica, el poliuretano y el p-xileno, cada uno de los cuales es capaz de proporcionar un cierto nivel de protección. La silicona, por ejemplo, puede cubrir el rango más amplio de temperaturas y, por tanto, es la mejor opción para aplicaciones con temperaturas extremas. Por otro lado, la silicona tiene un poder adhesivo pobre sobre algunos tipos de sustrato y una resistencia química menor que la resina acrílica. Este último, debido a su estructura rígida, no es especialmente adecuado en presencia de golpes y vibraciones. Los poliuretanos ofrecen una alta resistencia a la humedad, la abrasión y las vibraciones, soportan bien las bajas temperaturas pero no las altas. De ello se deduce que se utilizan principalmente en aplicaciones con temperaturas de -40 grados a +120 grados. El p-xileno es un material consistente que ofrece alta protección pero es costoso y, al ser sensible a los contaminantes, debe aplicarse al vacío.

En cuanto a la aplicación del conformalcoating de PCB, se pueden utilizar cuatro técnicas: inmersión, recubrimiento selectivo automatizado, pulverización y brocha. Cada una de estas alternativas logra el mismo objetivo: cubrir completamente la PCB incluyendo los bordes afilados y todos los bordes de la placa. Después de la aplicación, el recubrimiento conformado se cura mediante secado al aire, secado en horno o con luz ultravioleta.

La creciente densidad de los componentes de la PCB conduce a un inevitable aumento de las temperaturas de funcionamiento, condición que a la larga puede comprometer la integridad de las soldaduras o de las propias capas debido a la expansión y contracción de materiales con diferentes propiedades físicas. Por lo tanto, una PCB de alta temperatura debe utilizar un dieléctrico con una temperatura de transición vítrea (Tg) de al menos 170 grados. Una regla que normalmente se aplica es permitir temperaturas de funcionamiento hasta aproximadamente 25 grados más bajas que el valor Tg del material utilizado. Además de la elección del material, la alta temperatura de la PCB se puede controlar eliminando el calor producido y transfiriéndolo a otras áreas de la PCB. Si el componente caliente está montado en la parte superior de la PCB y tiene una superficie suficientemente grande, se puede instalar un disipador de calor que pueda eliminar el calor primero por conducción (del componente al disipador de calor) y luego por convección (de las superficies del disipador de calor al aire circundante más frío).

Si el componente caliente está montado en la parte inferior de la PCB y no es posible montar un disipador de calor, la técnica que suelen utilizar los diseñadores es insertar una gran cantidad de rutas térmicas en la PCB para transferir el calor del componente caliente a una capa. de cobre en la parte superior de la PCB, desde donde se puede transferir a un disipador de calor adecuado. Normalmente, los disipadores de calor montados en PCB son grandes, con superficies con aletas o corrugadas para aumentar el área de disipación. Se pueden agregar ventiladores para mejorar el enfriamiento por convección forzada, en comparación con el enfriamiento por convección natural.

Para misiones espaciales de larga duración, la única opción disponible es utilizar componentes "radiados". Estos componentes son mucho más raros y, en consecuencia, más caros que los componentes estándar. Para misiones espaciales de corta duración (hasta un año), se podrá permitir el uso de componentes comerciales estándar, sujeto a análisis y verificación de su capacidad para resistir la radiación. Esto le permite reducir los costos de diseño de los equipos espaciales y ampliar la selección de componentes disponibles para el diseño. Aplicando diferentes técnicas de diseño de hardware se pueden contrarrestar los efectos producidos por la radiación. A nivel de diseño de PCB, por ejemplo, es importante garantizar una conexión a tierra adecuada de todas las piezas metálicas.

Para brindar protección contra golpes y vibraciones, la PCB se puede instalar en un recipiente en el que se vierte resina para encapsularla completamente. Cuanto mayor sea la capa de resina, mejor será el grado de protección. A menos que todos los componentes de la PCB tengan una altura uniforme, el grosor de la capa de resina variará en todos los ámbitos, proporcionando niveles de protección ligeramente diferentes para cada componente. Por tanto, la capa de resina más fina corresponde, en el peor de los casos, al nivel de protección ofrecido en toda la tabla. Antes incluso de considerar la encapsulación de resina, la PCB debe limpiarse a fondo. La contaminación de la superficie puede afectar negativamente los niveles de protección que ofrece la encapsulación, particularmente en casos de resistencia química (ya que proporciona un camino más fácil para que entren los productos químicos).