Consejos para el diseño de circuitos: Protección de PCB en entornos de alta humedad

Creado: October 17, 2017
Actualizado: September 22, 2021
Consejos para el diseño de circuitos: Protección de PCB en entornos de alta humedad

Me enorgullece decir que soy muy meticuloso al revisar mis diseños. Soy capaz de pasarme horas enteras comprobando y verificando diagramas esquemáticos, huellas y los valores adecuados para los componentes antes de finalizar el diseño. Desafortunadamente, ese celo y perfeccionismo no están presentes en mis habilidades para las tareas del hogar. Cualquier profesional de la limpieza se horrorizaría ante la cantidad de polvo acumulado en las esquinas de mi casa.

Recuerdo un momento particularmente vergonzoso. Fue cuando olvidé limpiar la bandeja de platos por un tiempo. Tanto así, que se convirtió en la residencia permanente de cinco lagartijas. Si su PCB se coloca en un entorno húmedo y oscuro, estos amigables reptiles serán solo uno de los problemas que pueden presentarse. Es por esto, que es muy importante diseñar teniendo siempre presente el entorno de su placa. Los entornos de alta humedad son particularmente problemáticos, así que a continuación exploraremos los posibles problemas y cómo evitar que dañen a sus equipos electrónicos.

Aquí indicamos cómo la humedad puede afectar a la electrónica y reducir la vida útil de su sistema:

  1. Cortocircuitos
  2. Corrosión

Si quiere saber cómo proteger sus equipos electrónicos contra la humedad, puede pasar a una de las siguientes secciones para leer nuestros consejos de diseño:

  1. Revestimiento de conformación y carcasa
  2. Ventilador de succión
  3. Gel de sílice
  4. Elementos calefactores

Cómo puede afectar la humedad a su PCB

La humedad es un término que se refiere a la cantidad de vapor de agua presente en el aire, y se cuantifica en términos de humedad relativa. A menos que usted viva en medio de un desierto, habrá presencia de agua en el aire y el agua puede condensarse sobre superficies frías. Si el entorno es más húmedo, significa que una mayor cantidad de agua podría condensarse sobre las superficies frías. Un problema común que causa la humedad es la formación de gotitas de agua sobre los componentes electrónicos, especialmente las PCB. Esto porque corroen las pistas de cobre. La condensación sobre una PCB con suministro eléctrico puede causar cortocircuitos y daños a otros componentes. Además de dañar directamente a la PCB, los entornos húmedos atraen a reptiles como lagartijas y otros insectos que pueden potencialmente causar cortocircuitos. En una PCB u otros dispositivos electrónicos, el objetivo de evitar los daños por humedad es doble:

  • Evitar que el aire húmedo entre en contacto con los componentes
  • Evitar que cualquier condensación pueda crear cortocircuitos

Aquí les indicamos cómo puede la humedad afectar a sus dispositivos electrónicos:

1. Cortocircuitos

La situación más común puede surgir cuando una PCB se expone a cantidades significativas de humedad es la formación de un cortocircuito. Cualquiera que haya vertido agua accidentalmente sobre su ordenador portátil habrá vivido el horror de ver cómo la imagen de la pantalla se desvanece. El agua es altamente conductiva, y una sobretensión en un dispositivo durante un cortocircuito puede causar un fallo en una sección entera de la placa. O, incluso, quemar totalmente un componente.

Short circuit, burnt battery cables
Las gotitas de agua pueden causar cortocircuitos

2. Corrosión

La presencia de agua producto de la condensación en una PCB puede hacer que los conductores expuestos se corroan. El metal expuesto en una PCB se puede corroer de diversas maneras.

  • Atmosférica: al exponerse al aire húmedo, puede ocurrir una reacción en la cual los iones del metal se enlazan con átomos de oxígeno, formando un óxido. Estos óxidos son aislantes, lo que incrementa ligeramente la resistencia de un conductor expuesto. Los óxidos también son mecánicamente débiles y se fracturan con facilidad.
  • Filamentación electrolítica: cuando el agua sobre el metal expuesto contiene algunos electrolitos disueltos, pueden comenzar a formarse estructuras dendríticas en la superficie al fluir una corriente eléctrica a través de la solución. Además del revestimiento de conformación de la PCB (ver más abajo), el metal expuesto debe limpiarse escrupulosamente antes del metalizado.
  • Galvánica: la corrosión galvánica ocurre entre metales diferentes en presencia de una sal disuelta. A diferencia de la filamentación electrolítica, esto ocurre sin necesidad de la presencia de una corriente eléctrica.
  • Fretting: este tipo de corrosión ocurre cuando se cierran los interruptores de chapado con soldaduras. Cuando se cierra el interruptor, la capa superficial de óxido puede resultar totalmente eliminada por fricción. Si hay agua sobre el metal expuesto, este se oxidará. La corrosión se va acumulando al transcurrir un período significativo.

Estos mecanismos de corrosión pueden evitarse o ralentizarse utilizando el chapado de superficie en las pistas expuestas (ENIG, ENIPEG, Ni-Au, etc.).

Cómo proteger de la humedad a los dispositivos electrónicos

Con los problemas que puede generar la humedad en una placa de circuito impreso, hay algunos pasos sencillos que se pueden seguir para evitar que la humedad dañe los componentes más sensibles. A continuación, enumeramos algunos: 

1. Revestimiento de conformación y carcasa

Por supuesto, la solución más sencilla para proteger sus componentes electrónicos contra la humedad es aplicar un revestimiento de conformación a la placa. Esto ofrece una protección ambiental relativamente buena, siempre que el revestimiento no sea poroso y haya curado por completo. La idea es recubrir la PCB y el cobre expuesto; algunos materiales representativos para recubrimiento son el acrílico, el uretano y la silicona. La desventaja de este enfoque pasivo es que el retrabajo en la PCB puede resultar complicado, porque es necesario eliminar el recubrimiento antes de poder quitar componentes. Y también es necesario volver a aplicar el recubrimiento después de terminar el trabajo.

Usar el revestimiento de conformación adecuado puede brindar otros beneficios más allá de la protección frente al entorno. Los revestimientos con absorción electromagnética pueden ayudar a reducir la EMI de una placa ruidos a altas frecuencias. Este tipo de EMI irradiada suele ocurrir en la PDN en una placa con acoplamiento insuficiente.

2. Ventilador de succión

Algunos sistemas embebidos se ubican normalmente dentro de carcasas industriales, con lo que la humedad atrapada se puede volver un problema bastante molesto. Instalar un ventilador que extraiga el aire de la carcasa es una solución un poco burda, pero puede ayudar a reducir los niveles de humedad. Se puede ver una aplicación similar a la que ocurre en el cuarto de baño cuando este contiene un extractor. 

3. Gel de sílice

Si bien no es la solución más elegante, colocar una bolsita de gel de sílice en la caja de su PCB puede ayudar a reducir el contenido de humedad del aire. Por ejemplo, la vitamina C siempre viene con una bolsita de gel de sílice. ¡Esto no es accidental! El gel de sílice adsorberá fácilmente el agua del aire húmedo, con lo que habrá poca o nada de agua disponible para adsorben en conductores de la PCB.

Desafortunadamente, el gel de sílice solo es eficaz para absorber humedad por debajo de los 60ºC. Por encima de esta temperatura, el equilibrio de absorción se invierte para favorecer al estado vapor, con lo cual el agua se absorberá del gel y pasará al aire circundante.

how to protect electronic devices from humidity silica gel

El gel de sílice es un poderoso desecante

Es posible utilizar otros adsorbentes en vez del gel de sílice para eliminar la humedad y trazas de otros gases en el aire circundante. La alúmina activada es un desecante poroso ampliamente comercializado. Tiene capacidades de adsorción de humedad más bajas a baja temperatura, pero más altas a alta temperatura. El carbón activado es otra alternativa que se emplea como adsorbente para olores y gases tóxicos en máscaras antigás militares. Y, además, se puede usar para eliminar gases corrosivos y humedad del aire circundante. Los compuestos que contienen fósforo y sales metálicas son otras opciones viables, que ofrecen una cantidad de otros beneficios. Si su sistema va a ser implementado en un entorno único con gases corrosivos y alta humedad, tal vez quiera considerar el usar alguno de estos desecantes alternativos para proteger sus componentes electrónicos.

4. Elementos calefactores

Convertir su sistema embebido en un mini calefactor inteligente puede ser una manera muy eficaz de resolver problemas de humedad. Esto funciona bien en sistemas embebidos colocados en una carcasa industrial para aplicaciones en exteriores. Yo mismo he utilizado elementos calefactores para reducir la humedad relativa y evitar la humidificación en máquinas de tickets en aparcamientos, en las que puede haber altos niveles de condensación por las mañanas.

En lugar de simplemente calentar el aire a ciegas, es posible instalar sensores de humedad y de temperatura en la carcasa junto con el elemento calefactor. Se puede utilizar un sencillo sistema de control proporcional–integral–derivativo (PID) para regular la temperatura del aire basándose en la medición de la temperatura, humedad relativa y presión. Si la temperatura del aire es demasiado baja, es posible incrementar la temperatura del aire circundante con el elemento calefactor. Idealmente, esto coloca al sistema por encima del punto triple del agua en ese entorno particular. Esto, a su vez, reducirá en gran medida cualquier posibilidad de que se formen gotitas de agua.

Hot heating element
Subir la calefacción reduce la humedad relativa

Sin embargo, hay que tener cuidado con estos tipos de sistemas de control, puesto que no es deseable calentar la placa y sus componentes a temperaturas demasiado elevadas. Cuando sus componentes llegan a una temperatura elevada, se deterioran más rápido y pueden fallar antes de tiempo. En casos extremos, donde la temperatura es demasiado alta, un componente puede fallar totalmente. Esta técnica funciona mejor si se coloca un elemento calefactor en la parte exterior de la carcasa, de modo que el elemento caliente al flujo de aire entrante. Esta técnica también funciona mejor en un entorno en el que la temperatura externa del aire y su humedad relativa son altas. Si la presión ya está por encima del punto triple, entonces el elemento calefactor puede llevar la temperatura por encima del punto triple, ayudando así a evitar la condensación.

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