¿Qué hay que tener en cuenta a la hora de diseñar placas de circuito impreso para entornos extremos? Obtenga más información sobre los retos y cómo deben adaptarse las placas de circuito impreso a la gestión térmica, la altitud y los golpes, y las vibraciones.
En la primera parte de esta serie de blogs hablé más sobre las aplicaciones y los retos a los que se enfrentan las placas de circuito impreso en entornos duros y extremos. Esta vez quiero profundizar en las consideraciones de diseño de PCB en relación con el diseño de PCB para entornos extremos. Diseñar una PCB para un entorno poco exigente puede ser una tarea desalentadora en sí misma. Hay que tener en cuenta muchas consideraciones, y algunas cambiarán en función de otras decisiones que se tomen. Cuando pienso en algunos de los retos exclusivos de los entornos extremos, me asombra la robustez de la tecnología. Los efectos negativos de la altitud, las vibraciones, los golpes y el calor asolan los sistemas electrónicos de los que dependemos a diario.
Cambio de altitud: ¿cómo afecta al PCB?
Un reto que muchos diseñadores de PCB tienen que resolver son los efectos de la densidad del aire con el cambio de altitud. Sin entrar en demasiados detalles, la densidad de la atmósfera se hace más ligera a medida que aumenta la altitud. Existe una región en la atmósfera entre la baja atmósfera y el vacío del espacio donde la electricidad puede arquearse a tensiones más bajas. Esto significa que la tensión de ruptura del aire en la atmósfera más fina es menor. Esto permite que la electricidad se arquee a través de los conductores a voltajes más bajos que a nivel del mar. Para empeorar las cosas, la carga se acumula más rápidamente en un punto que en una superficie más redondeada. Las cargas que se acumulan pueden actuar potencialmente como puntos de arco.
Hay algunas cosas que podemos hacer para mitigar este reto. En primer lugar, consulte la sección 6 de IPC-2221. Esta parte de la Especificación del Diseñador contiene el “material bueno” para calcular cuánto espacio eléctrico necesitará su diseño. Otra forma de mitigar los efectos del arco eléctrico es redondear las esquinas de nuestro diseño. Con esto me refiero a eliminar las esquinas interiores y exteriores de noventa grados en los vaciados planos, en las almohadillas de montaje superficial y en las curvas de las trazas. Los ingenieros también pueden fijarse en las patillas de conexión. Dado que estas zonas de la placa suelen estar asociadas a diferentes niveles de tensión, también existe un mayor riesgo de que se produzcan arcos eléctricos en estos lugares. A veces tenemos clavijas no utilizadas en el conector que nos permitirán una holgura aún mayor si utilizamos todas las demás clavijas.
¿Qué puede ocurrir cuando la placa de circuito impreso se expone a golpes y vibraciones extremas?
Algunos entornos someten a los PCB a eventos de choque y vibración extremos. Los choques extremos son eventos que someten a los PCB a una fuerza de movimiento de gran amplitud, durante un breve periodo de tiempo. Por su parte, las vibraciones extremas someten a las placas de circuito impreso a periodos de movimiento más largos y de menor amplitud. La fuerza de movimiento hace que la placa oscile alrededor del centro de masa. A su vez, las oscilaciones estresan los materiales de la placa de circuito impreso y los puntos de conexión. Los materiales se estresarán en el punto donde el preimpregnado se une con el cobre. Los taladros son puntos de conexión internos que podrían agrietarse, causando un funcionamiento intermitente en el mejor de los casos. Hay muchas pequeñas cosas que podemos hacer para mitigar los choques y las vibraciones. La clave está en encontrar la cantidad mínima de masa que añadir al sistema manteniendo la estabilidad mecánica. Además de los compuestos de fijación y encapsulado, a continuación se exponen algunas consideraciones sobre el diseño de las placas de circuito impreso.
Diseño de placa de circuito impreso resistente a golpes y vibraciones
Podemos diseñar más orificios de montaje en la placa. Más orificios de montaje significa más puntos de fijación al chasis y más estabilidad. Esto también permitirá la adición de más dispositivos de amortiguación para ser montado en el sistema.
Otro aspecto de la placa de circuito impreso que queremos abordar es el apilamiento. En clase, tuve tareas prácticas como diseñar una placa y un apilamiento para una aplicación de satélite. Esta fue mi tarea favorita. Para las placas que van a estar sometidas a golpes o vibraciones extremas, es fundamental asegurarse de que el preimpregnado tiene suficiente resina para soportar este tipo de situaciones. La resina preimpregnada es el pegamento que mantiene unida la placa. En caso de choque o vibración, la placa de circuito impreso puede flexionarse y provocar tensiones en los puntos de conexión. Para mitigar la tensión en la medida de lo posible, debemos considerar el uso de preimpregnados con un contenido de resina superior al 50%. Además, añadir más de dos láminas es otra forma de añadir más fuerza de unión. Digo esto como consideración porque los requisitos de integridad de la señal no siempre permiten cambiar los dieléctricos con facilidad. ¿Qué ocurre si no se requiere integridad de la señal? Si tres láminas de preimpregnado son buenas, entonces cuatro tienen que ser mejores, ¿no? Puede que sí. En un momento dado, demasiado preimpregnado será perjudicial para el registro capa a capa. Yo me quedaría con tres hojas como máximo, a menos que el proveedor de placas de circuito impreso diga lo contrario. Si desea más grosor, pero no puede añadir más preimpregnado, considere la posibilidad de utilizar núcleos no revestidos en el apilamiento. A diferencia del preimpregnado, un núcleo no revestido ya está curado, por lo que no añade resina al ciclo de prensado. Por lo tanto, no se sacrifica el registro capa a capa.
Por último, quiero hablar de los puntos de conexión internos. A medida que la placa de circuito impreso oscila, los barriles de los orificios también lo hacen. Esto tensa el revestimiento de los agujeros. Como la chapa está estresada puede agrietarse. Algunas placas de circuito impreso pueden volver a funcionar después de alcanzar la temperatura de funcionamiento, y otras pueden sufrir un fallo catastrófico. En cualquier caso, no siempre es posible recuperar la placa sobre el terreno. Añadir chapado adicional a los orificios es sólo una consideración más para tener una PCB robusta. No sirve para todas las aplicaciones.
Gestión térmica y placas de circuito impreso
La gestión térmica es el último reto que quiero tratar. Para una PCB de aplicación no exigente, la refrigeración pasiva, como la convección, será una solución de gestión térmica adecuada. Otras PCB pueden estar conectadas al chasis para la transferencia de calor, y algunas pueden estar refrigeradas por otros dispositivos. Las PCB que funcionan en entornos extremos no siempre pueden refrigerarse con estos métodos. Podemos diseñar la PCB para que disponga de soluciones de refrigeración activas.
Una forma sencilla de mitigar el calor es aumentar el grosor del cobre de la placa de circuito impreso. En pocas palabras, un cobre más grueso disipa mejor el calor. Como advertencia, asegúrese de que el espacio eléctrico en los datos de la placa de circuito impreso admite la fabricación de la placa con cobre más grueso. Su proveedor de PCB sabrá con seguridad cuánto espacio necesitará, por lo que siempre es una buena fuente para este tipo de información.
Si el simple aumento del grosor del cobre no alivia los problemas de gestión térmica, existe la opción de añadir la tecnología de monedas de cobre a la placa de circuito impreso. La forma más sencilla de describir esta tecnología es como construir un discreto disipador de calor en la placa de circuito impreso. Se coloca directamente debajo del componente para que esté en contacto con él. En algunos casos, la moneda puede estar conectada eléctricamente al componente. La ventaja en este caso es una mayor transferencia de calor en lugar de simplemente aumentar el grosor del cobre. Una de las desventajas es el número de monedas de cobre que pueden colocarse en un panel. Esta cantidad variará de un fabricante a otro, pero una consideración que debe recordarse independientemente del fabricante; cada vez que se inserta una moneda en una placa de circuito impreso se crea un punto débil en el material de la placa. Demasiados puntos débiles pueden provocar alabeos y consecuencias imprevistas. Considere un entorno con eventos de choque y vibración con muchas monedas en un diseño.
En lugar de diseñar la placa de circuito impreso con demasiadas monedas de cobre, considere la posibilidad de construir núcleos metálicos. Los núcleos metálicos pueden introducirse a presión en el apilamiento o en una capa para proporcionar la máxima capacidad de disipación térmica. Al planificar los núcleos metálicos, hay que tener muy en cuenta el grosor del dieléctrico. Queremos utilizar el dieléctrico más fino posible entre la capa del componente y el núcleo metálico. Esto se debe a que los dieléctricos más finos tienen menos resistencia al calor. Este consejo va directamente en contra de la recomendación que hice para el diseño de apilamiento para resistir eventos de choque y vibración.
A medida que la placa de circuito impreso se hace más compleja, debemos considerar cada pieza móvil de la “máquina” en relación con otras piezas.
Los entornos extremos someten a los PCB a muchos peligros nuevos que debemos tener en cuenta, mientras que otros retos aumentarán en magnitud. Es difícil, en el mejor de los casos, aprender todo lo que podamos para mitigar los efectos que los entornos extremos tienen sobre nuestros PCB. Con suerte, añadir un poco aquí y un poco más allá le ayudará a diseñar una PCB más robusta. El mejor consejo que puedo darle es que trabaje siempre con su proveedor de PCB lo antes posible en la fase de diseño: ellos conocen tanto las consideraciones de diseño como las capacidades de fabricación para ayudar a diseñar la PCB de la forma más eficiente y sostenible.