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Así se protege los componentes

El procedimiento adecuado, el conconector adecuado

Así se consigue la protección de los componentes: el procedimiento adecuado, el conconector adecuado

El sector de la electrónica está en plena transformación: ya sea en el ámbito de la automoción, en la energía solar y eenergía eólica, o en la automatización industrial, la electrificación se está produciendo en todos los ámbitos. Sin embargo, con el aumento constante de la conectividad, en los últimos años también ha crecido el número de averías electrónicas: según el Center for Automotive Research, en un 29 % nada menos. Por ello, en función de las influencias ambientales previstas, resulta 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 procedimientos que protegen los componentes electrónicos contra golpes, vibraciones, humedad, suciedad, altas temperaturas, fluctuaciones de temperatura prolongadas y los daños derivados de ellas. 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 tecnología solar, electrónica de comunicaciones, agricultura y electrodomésticos; hoy en día, la electrónica está presente prácticamente en 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 líneas de fuga y eliminar las distancias de aislamiento en el aire.

Por lo tanto, en función de la situación de estrés y de uso de los componentes, se elige entre diferentes métodos: el encapsulado (Potting-encapsulado), el recubrimiento conformado (recubrimiento conformado) y el moldeado por fusión en caliente (moldeo hot-melt) son los más populares entre ellos.

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Métodos de protección de componentes: encapsulado (potting)

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Tabla 1: Los materiales de encapsulado más comunes y sus propiedades
Se utilizan con mucha frecuencia materiales de encapsulado de 1 y 2 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 resina de encapsulado.
El encapsulado ofrece numerosas ventajas: no solo garantiza un excelente aislamiento eléctrico, una elevada disipación térmica y la reducción de vibraciones y golpes, sino que además presenta resistencia a los productos químicos, a la humedad, a los choque térmico y a los ciclos de vida, protege los componentes electrónicos 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 (tabla 1). 

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

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

Método de protección de componentes: recubrimiento 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 conformable (recubrimiento conformado), las placas de circuito impreso se recubren de forma completa o solo de manera selectiva. En el caso de un recubrimiento selectivo (recubrimiento selectivo), solo se recubren con una capa protectora las zonas necesarias de la placa de circuito impreso. Por regla general, se distingue entre dos variantes de recubrimiento: el recubrimiento de capa fina promete una alta rentabilidad de los procesos de fabricación gracias a su rápido endurecimiento y a su viscosidad adaptada. Por el contrario, con el recubrimiento de capa gruesa se consigue una protección especialmente elevada de los bordes y las superficies, que protege a los conjuntos electrónicos, en particular, de la humedad extrema. En ambos casos, tras el secado, los recubrimientos conformes 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 las diferentes viscosidades de los recubrimientos conformados y, por lo tanto, a sus distintos comportamientos de fluidez, se suele aplicar el principio «DAM & FILL» a los conjuntos electrónicos montados. En este caso, se utiliza un recubrimiento conformado tixotrópico para crear un «Dam» (en español, «dique»), por ejemplo, alrededor de los componentes que no deben recubrirse, como los conector. A continuación, los componentes restantes se recubren con un recubrimiento conformado 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 reticulación 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 el sector aeroespacial o en instalaciones marítimas. Los segundos están compuestos por acrilatos y poliuretanos, o por 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 ferroviario, 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 hot-melt»

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Fig. 2:  Moldeo por fusión en caliente (moldeo hot-melt) tomando como ejemplo un casco de bombero. En el centro se aprecian los conector que se han dejado libres mediante el proceso «Dam & Fill».  Fuente: Werner Wirth
Una forma especial de encapsulado es el moldeo por fusión en caliente (moldeo hot-melt). 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 normal. Esto, por un lado, protege los componentes y, al mismo tiempo, permite que los termoplásticos se endurezcan rápidamente, lo que hace que el proceso resulte relativamente económico.

El moldeo por inyección a moldeo a baja presión permite así que incluso los componentes sensibles, como contactos, sensores, placas de circuito impreso y bobinas, se recubran, se adhieran o se sellen según la norma IP68 de forma respetuosa con el medio ambiente, quedando así protegidos incluso frente a las condiciones más adversas.

Un sector que se ve muy afectado por las influencias externas es, por ejemplo, la agricultura. En este ámbito, la maquinaria está expuesta a diario a diferentes condiciones meteorológicas. El moldeo por fusión en caliente (moldeo hot-melt) 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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Potting, recubrimiento conformado o moldeo hot-melt: el procedimiento 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: conector

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Fig. 3:  Imagen de corte micrográfico de un conector de dos piezas frente a un «flexilinkb-t-b» de una sola pieza. Fuente: ept GmbH
Temperaturas extremas, suciedad y humedad, estrés químico o mecánico: con el procedimiento adecuado de protección de los 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 la funcionalidad de los componentes instalados no se ve limitada por los materiales utilizados. Para ello, también se requiere una solución de conexión compatible con el «encapsulado»; por lo tanto, queda descartado el uso de conectores habituales para placas de circuito impreso. El motivo es la tecnología de contacto de resorte y cuchilla, que suele constar de dos piezas, en la que la masa de «resina de encapsulado» puede penetrar en la vulnerable zona de conexión (zona de acoplamiento) y, por lo tanto, obstaculizar el contacto.

Por lo tanto, en los conectores convencionales, es necesario sellar la zona de contacto mediante el método «Dam & Fill» antes del encapsulado, para no correr el riesgo de que la masa de encapsulado la afecte (fig. 2). La cuestión es que, en la zona de contacto, la masa de encapsulado, por un lado, puede 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 pieza, es decir, un conector que prescinda de la zona de conexión convencional («zona de acoplamiento»). En un conector de una pieza de este tipo, es imposible que la masa de «resina de encapsulado» penetre en la zona de contacto.  

La «tecnología press-fit» como técnica de tecnología de conexión preferida

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Fig. 4: El conector para placas de circuito impreso flexilinkb-t-b con la «zona press-fit» ept Tcom press®. Fuente: ept GmbH
Por lo tanto, los conector de una sola pieza cuentan con el grado de protección de protección IP necesario para estos materiales, lo que permite el encapsulado —y, con ello, una solución de conexión duradera y robusta—. Sin embargo, la elección de la tecnología de conexión de conexión también desempeña aquí un papel importante. Gracias a las zonas press-fit en ambos lados, la zona de conexión (zona de conexión) resulta estanco a los gases debido a la «soldadura en frío» entre el manguito de cobre y la zona press-fit (zona press-fit), formando así una unión que permite el encapsulado entre dos placas de circuito impreso, una solución 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 press-fit de ept. Fuente: ept GmbH
Sin embargo, para garantizar esta conexión estanca a los gases, es imprescindible realizar los «orificio metalizado» (contactos pasantes) de acuerdo con la especificación de ept:


Al prescindir de la zona de acoplamiento, el conector, en combinación con la tecnología press-fit, es capaz de soportar 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 «tecnología press-fit» (técnica de inserción a presión) multiplica la fiabilidad en comparación con la «versión para soldar» (técnica de soldadura), ya que no pueden producirse uniones soldadas frías ni rotas. Además, de este modo se evitan los laboriosos trabajos de soldadura selectiva, las costosas soluciones de cableado y los eseparador, 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 solo componente se establece tanto una conexión mecánica como 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 montar, 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 eencapsulado, 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 tecnología de conexión adecuada. De una pieza, insertado a presión y encapsulado: con esta combinación, los conjuntos electrónicos están preparados para resistir (casi) cualquier impacto.

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