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Así se protege los componentes

El procedimiento adecuado, el conector adecuado

Cómo proteger los componentes: el procedimiento adecuado, el conector adecuado

El sector de la electrónica está en plena transformación: ya sea en el sector de la automoción, en la energía solar y eólica o en la automatización industrial, la electrificación se está extendiendo a todos los ámbitos. Sin embargo, con el aumento constante de la conectividad, el número de averías electrónicas también ha aumentado en los últimos años: según el Center for Automotive Research, en un 29 %. Por lo tanto, dependiendo de las influencias ambientales previstas, es necesaria la protección de los componentes electrónicos. De este modo, la electrónica puede protegerse de forma fiable; para ello, sin embargo, los usuarios también necesitan una solución de conexión compatible con el encapsulado.

Aumento de la demanda de métodos de protección de componentes

Existen diversos métodos para proteger los componentes electrónicos contra golpes, vibraciones, humedad, suciedad, altas temperaturas, fluctuaciones de temperatura prolongadas y los daños derivados de ellos. Por lo tanto, la protección de los componentes puede contribuir de manera significativa a mejorar la vida útil, la seguridad funcional y la fiabilidad de los productos finales.

Por este motivo, los métodos de protección de componentes ya se utilizan habitualmente en numerosas aplicaciones: movilidad eléctrica, automatización industrial, aplicaciones ferroviarias, tecnología médica, energía eólica y solar, electrónica de comunicaciones, agricultura y electrodomésticos; hoy en día, la electrónica está presente en casi todas partes. Un reto cada vez mayor es la creciente tendencia a la miniaturización. La electrónica es cada vez más pequeña y requiere diferentes medidas de protección para aumentar de nuevo las distancias de fuga y eliminar las distancias de aire. Por lo tanto,

dependiendo de la situación de estrés y de uso de los componentes, se elige entre diferentes procesos: el encapsulado, el recubrimiento conformado y el moldeado por fusión en caliente son los más populares entre ellos.

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Método de protección de componentes: encapsulado

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Tabla 1: Los materiales de encapsulado más comunes y sus propiedades
Es muy habitual utilizar compuestos de encapsulado de uno y dos componentes, los denominados «potting compounds». En el caso de los compuestos de encapsulado de dos componentes, la resina y el endurecedor se mezclan en una proporción determinada mediante la tecnología mecánica adecuada y, por norma general, se vierten en la cavidad a través de un tubo mezclador estático. Por lo tanto, este encapsulado en frío es un proceso que no da forma y requiere una carcasa en la que se vierta la masa de encapsulado.
El encapsulado ofrece numerosas ventajas: no solo garantiza un excelente aislamiento eléctrico, una alta disipación del calor y la reducción de vibraciones y golpes, sino que también presenta resistencia a los productos químicos, a la humedad, a los choques térmicos y a los ciclos, protege la electrónica del polvo y la humedad y, además, posee propiedades ignífugas.
 
Por norma general, dependiendo de los requisitos específicos, se utilizan resinas epoxi, de poliuretano y de silicona. Todas ellas se diferencian en cuanto a sus propiedades (Tab. 1). 

Además de los materiales mencionados, existen también materiales de encapsulado y resinas de moldeo especiales. Sin embargo, estos solo se utilizan en condiciones extremas. Así, por ejemplo, protegen contra explosiones de acuerdo con los requisitos de ATEX, al impedir la reacción química entre la fuente de ignición, la sustancia inflamable y el oxígeno. Además, permiten un aislamiento eléctrico frente a alta tensión (hasta 30 kV/mm), protegen contra el sobrecalentamiento por generación parcial de calor y, con la clase de protección IP68, ofrecen protección contra el polvo y la inmersión prolongada.

El encapsulado ofrece al usuario numerosas posibilidades. Los productos típicos en los que se aplica este procedimiento son paquetes de baterías, electrónica de potencia y control, cargadores, electrónica con protección EX, sensores, monitores y pantallas.

Método de protección de componentes: recubrimiento conformado

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Fig. 1: Comparación entre el recubrimiento de capa fina (izquierda), el recubrimiento de capa gruesa (centro) y el encapsulado (derecha) Fuente: Werner Wirth
Con el recubrimiento conformado, las placas de circuito impreso se recubren de forma completa o solo selectiva. En el caso del recubrimiento selectivo, solo se cubren con una capa protectora las zonas necesarias de la placa. Por lo general, se distingue entre dos variantes de recubrimiento: el recubrimiento de capa fina, gracias a su rápido endurecimiento y a su viscosidad adaptada, garantiza una alta rentabilidad de los procesos de fabricación. Por el contrario, el recubrimiento de capa gruesa proporciona una protección especialmente elevada de los bordes y las superficies, lo que protege los conjuntos electrónicos, en particular, de la humedad extrema. En ambos casos, tras el secado, los recubrimientos conformados alcanzan espesores de capa de entre 30 y 2000 µm. De este modo, el conjunto electrónico puede seguir montándose incluso en espacios reducidos. 

 Debido a la diferente viscosidad de los barnices protectores y, por lo tanto, a su diferente comportamiento de fluidez, se suele aplicar el principio DAM & FILL a los conjuntos electrónicos montados. En este caso, se coloca un «dam» (en español, «dique») con un barniz protector tixotrópico, por ejemplo, alrededor de los componentes que no deben encapsularse, como los conectores. A continuación, los componentes restantes se recubren con un barniz protector de baja viscosidad («Fill», en español «relleno»).

Para el recubrimiento conformado se utilizan diferentes materiales poliméricos. Así, los usuarios pueden elegir, entre otros, entre productos a base de silicona y productos de curado UV. Los primeros, debido a su amplio rango de temperaturas de -40 °C a +200 °C, son ideales para condiciones de uso extremas, como en la industria aeroespacial o en el sector offshore. Los segundos están compuestos por acrilatos y poliuretanos o híbridos de ambos materiales. Se caracterizan sobre todo por endurecerse muy rápidamente mediante iniciación UV y por ofrecer una excelente resistencia al choque térmico.

Los campos de aplicación del recubrimiento conformado son muy variados y abarcan desde el sector de la automoción hasta la tecnología ferroviaria, la tecnología de sensores, la electrónica industrial, la tecnología médica, así como la energía eólica marina y la tecnología aeroespacial mencionadas anteriormente.

Método de protección de componentes: moldeo por fusión en caliente

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Fig. 2: Moldeado por fusión en caliente, tomando como ejemplo un casco de bombero. En el centro se pueden ver los conectores, que se han dejado sin rellenar mediante el método «Dam & Fill». Fuente: Werner Wirth
Una forma especial de encapsulado es el moldeo por fusión en caliente. En este proceso, el conjunto se recubre con un material en un solo paso, lo que da lugar a una estructura de carcasa y protege al mismo tiempo el conjunto. La electrónica no sufre daños, ya que los materiales termoplásticos de baja viscosidad presentan una temperatura de procesamiento baja y se procesan con una presión de inyección mucho menor que en el moldeo por inyección de plástico convencional. Esto, por un lado, protege los componentes y, al mismo tiempo, permite que los termoplásticos se endurezcan rápidamente, lo que hace que el proceso sea relativamente económico.

El moldeo por inyección a baja presión permite así que incluso componentes sensibles como contactos, sensores, placas de circuito impreso y bobinas sean recubiertos, pegados o sellados según IP68 de forma respetuosa con el medio ambiente, quedando así protegidos incluso frente a las condiciones más adversas.

Un sector muy afectado por las influencias externas es, por ejemplo, la agricultura. En este ámbito, las máquinas se ven sometidas a diario a condiciones climáticas variables. El moldeo por fusión en caliente es perfecto para proteger su electrónica: ofrece una protección fiable y duradera contra la humedad, las fluctuaciones de temperatura, la corrosión y las vibraciones. 

Conclusión

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Encapsulado, recubrimiento conformado o moldeado por fusión en caliente: el método de protección de componentes más adecuado depende siempre del ámbito de aplicación concreto de la electrónica y de los requisitos asociados. No existe una solución única válida para todos los casos.

Problema relacionado con los conectores

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Fig. 3: Imagen de la sección transversal de un conector de dos piezas frente a uno de una sola pieza «flexilinkb-t-b». Fuente: ept GmbH
Temperaturas extremas, suciedad y humedad, estrés químico o mecánico: con el método adecuado de protección de componentes, la electrónica queda protegida frente a prácticamente cualquier influencia externa. Sin embargo, hay que tener en cuenta un aspecto: el encapsulado solo es posible si los materiales utilizados no limitan la funcionalidad de los componentes instalados. Para ello, también se requiere una solución de conexión compatible con el encapsulado, lo que descarta el uso de conectores de placa de circuito impreso convencionales. El motivo es la tecnología de contacto de resorte y cuchilla, generalmente de dos piezas, en la que la masa de encapsulado puede penetrar en la zona de conexión, que es vulnerable, y obstaculizar así el contacto.

Por lo tanto, en los conectores convencionales, la zona de contacto debe sellarse mediante «Dam & Fill» antes del encapsulado, para no correr el riesgo de que la masa de encapsulado la afecte (fig. 2). Se trata de que, por un lado, la masa de encapsulado en la zona de contacto pueda afectar a los puntos de contacto e interrumpir así la transmisión de la señal. Por otro lado, inhibiría las propiedades de relajación del resorte.

Para permitir, no obstante, el encapsulado y garantizar al mismo tiempo la fiabilidad necesaria, se recomienda optar por una solución de conexión de una sola pieza, es decir, un conector que prescinda de la zona de conexión convencional. En un conector de una sola pieza de este tipo, es imposible que el material de encapsulado penetre en la zona de contacto.  

La técnica de inserción a presión como método de conexión preferido

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Fig. 4: El conector para placas de circuito impreso flexilinkb-t-b con la zona de inserción a presión ept Tcom press®. Fuente: ept GmbH
Por lo tanto, los conectores de una sola pieza ofrecen el grado de protección IP necesario para estos materiales, lo que permite el encapsulado y, con ello, una solución de conexión duradera y resistente. Sin embargo, la elección de la técnica de conexión también desempeña aquí un papel importante. Gracias a las zonas de inserción a presión en ambos lados, el área de conexión resulta estanca al gas debido a la soldadura en frío entre el manguito de cobre y la zona de inserción, formando así una unión encapsulable entre dos placas de circuito impreso que ya ha demostrado su eficacia miles de millones de veces en la práctica.

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Fig. 5: Especificaciones de los orificios de la zona de inserción a presión de ept. Fuente: ept GmbH
Sin embargo, para garantizar esta conexión estanca al gas, es imprescindible realizar los orificios pasantes de acuerdo con la especificación ept:


La eliminación de la zona de enchufe permite que el conector, en combinación con la técnica de inserción a presión, resista cargas de choque de hasta 200 g. Tampoco los movimientos del material provocados por grandes variaciones de temperatura ni la influencia de gases nocivos afectan a la conexión. La técnica de inserción a presión multiplica la fiabilidad en comparación con la técnica de soldadura, ya que no pueden producirse puntos de soldadura fríos ni rotos. Además, permite evitar laboriosos trabajos de soldadura selectiva, costosas soluciones de cableado y separadores, lo que permite a los desarrolladores no solo ahorrar espacio en la placa de circuito impreso, sino también reducir los costes hasta en un 50 %.  

Con un único componente se establecen tanto la conexión mecánica como la eléctrica. Precisamente en el caso de conjuntos de diseño modular con funciones configurables o distintos niveles de rendimiento, el proceso de inserción a presión se integra de forma excelente al final del proceso de montaje. Aquí se pueden colocar, según se desee, diferentes módulos sobre placas de circuito impreso base. De este modo, se puede fabricar una gran variedad de productos en un único y rápido paso. Dado que también es posible realizar un encapsulado final del conjunto, la conexión eléctrica y mecánica se mantiene de forma fiable.  

Mediante el encapsulado, los usuarios pueden proteger al máximo su conjunto electrónico frente a las influencias ambientales agresivas. Sin embargo, quien considere la protección de los componentes para su aplicación debe tener en cuenta también la elección de un conector adecuado en combinación con la técnica de conexión apropiada. De una sola pieza, insertado a presión y encapsulado: con esta combinación, los conjuntos electrónicos están preparados para resistir (casi) cualquier impacto.

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