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. Por desgracia, ese celo y perfeccionismo no están presentes en mis habilidades domésticas. 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 tu PCB se coloca en un entorno húmedo y oscuro, estos simpáticos reptiles serán solo uno de los problemas que pueden presentarse. Es por esto, que es muy importante diseñar teniendo siempre en cuenta el entorno de la placa de PCB. Los entornos de alta humedad son particularmente problemáticos y complicados, así que a continuación exploraremos los posibles problemas y cómo evitar que se dañen los equipos electrónicos.

Aquí indicamos cómo la humedad puede afectar a los equipos electrónicos y reducir la vida útil de tu sistema:

1. Cortocircuitos
2. Corrosión

Si quieres saber cómo proteger tus equipos electrónicos contra la humedad, puedes pasar a una de las siguientes secciones para leer nuestros consejos de diseño de PCB en entornos de alta humedad:

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

Cómo puede afectar la humedad a tu PCB

La humedad se refiere a la cantidad de vapor de agua en el aire y se cuantifica en términos de humedad relativa. A menos que se encuentre en el desierto, casi cualquier zona del planeta será húmeda, y el agua puede condensarse en superficies frías. Cuando el ambiente es más húmedo, puede condensarse más agua en las superficies frías. Un problema común causado por la humedad es la formación de gotas de agua en los componentes electrónicos, especialmente en las PCB, ya que corroe las trazas de cobre. La condensación en una placa de circuito impreso alimentada puede provocar cortocircuitos y dañar otros componentes. Además de dañar directamente la placa de circuito impreso, el ambiente húmedo atrae a reptiles e insectos que pueden provocar cortocircuitos. En una PCB u otro dispositivo electrónico, el objetivo de prevenir los daños causados por la humedad es doble:

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

A continuación indicamos cómo puede la humedad afectar a los 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 conductora, y un pico de corriente en un dispositivo durante un cortocircuito puede hacer que falle toda una sección de la placa, o puede quemar por completo un componente.

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 la PCB 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, las estructuras dendríticas pueden empezar a crecer en la superficie a medida que la corriente eléctrica fluye a través de la solución. Además del revestimiento de conformación de PCB (véase más adelante), el metal expuesto debe limpiarse a fondo antes del metalizado.
• Galvánica: La corrosión galvánica se produce entre metales distintos en presencia de una sal disuelta. A diferencia de la filamentación electrolítica, esta se producirá independientemente de la presencia de corriente eléctrica.
• Fretting o Fricción: este tipo de corrosión ocurre cuando se cierran los interruptores de chapado con soldaduras. Cuando el interruptor está cerrado, la capa de óxido superficial puede desprenderse por fricción. Si hay agua sobre el metal expuesto, éste se oxidará. La corrosión se acumula tras un periodo de tiempo 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 (PCB), hay algunos pasos sencillos que se pueden seguir para evitar que la humedad dañe los componentes de la PCB más sensibles. A continuación, enumeramos algunos: 

1. Revestimiento de conformación y carcasa

Por supuesto, la solución más sencilla para mantener los componentes electrónicos a salvo de la humedad es aplicar un revestimiento de conformación a la placa de PCB. Esto proporciona una protección ambiental decente siempre que el revestimiento no sea poroso y se haya curado completamente. La idea es recubrir la PCB y el cobre expuesto; algunos materiales representativos son el recubrimiento acrílico, el recubrimiento conformado de uretano y el de silicona. El inconveniente de este enfoque pasivo es que puede resultar difícil volver a trabajar en la PCB, ya que es necesario retirar el revestimiento antes de poder retirar los componentes. El revestimiento tendría que volver a aplicarse una vez finalizada la reparación.

Utilizar el material de revestimiento de conformación adecuado puede aportar otras ventajas además de la protección medioambiental. Los revestimientos absorbentes electromagnéticos pueden ayudar a reducir la EMI de una placa ruidosa a altas frecuencias de MHz. Estas EMI radiadas suelen producirse en la PDN de una placa con un 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 poco elegante, 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

Aunque no es la solución más elegante, colocar una bolsita de gel de sílice en el embalaje de tu PCB puede ayudar a reducir el contenido de humedad en el 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, por lo que habrá poca o ninguna agua disponible para adsorberse en los 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.

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 tu sistema va a ser implementado en un entorno único con gases corrosivos y alta humedad, tal vez quieras considerar usar alguno de estos desecantes alternativos para proteger la PCB y los componentes electrónicos.

4. Elementos calefactores

Convertir tu sistema embebido en un mini calefactor inteligente puede ser una forma 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 sitúa al sistema por encima del punto triple del agua en ese entorno concreto. Esto, a su vez, reducirá en gran medida cualquier posibilidad de que se formen gotas de agua.

Subir la calefacción reduce la humedad relativa

Ten cuidado con este tipo de sistema de control de humedad, ya que no querrás calentar la placa y sus componentes a una temperatura demasiado alta. Cuando los componentes alcanzan una temperatura elevada, se deterioran más rápido y pueden fallar antes de tiempo. En casos extremos, cuando la temperatura es demasiado alta, un componente puede fallar por completo. La mejor forma de utilizar esta técnica es colocar cualquier elemento calefactor en el borde exterior de la caja, de modo que el elemento caliente cualquier entrada de aire. Esta técnica también funciona mejor en un entorno en el que la temperatura del aire exterior y su humedad relativa son altas. Si la presión ya está cerca del punto triple, entonces el elemento calefactor puede llevar la temperatura del aire por encima del punto triple, ayudando así a prevenir la condensación.

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