Impacto de La Descarga Parcial A Través del Revestimiento de Conformal En La Confiabilidad de La Aviónica

Los avances tecnológicos en el campo de la electrónica de potencia han transformado las industrias automotrices, militar y de defensa. En particular, la dependencia de la industria aeroespacial en los sistemas electrónicos ha aumentado significativamente. Para mantenerse al día con los requisitos de alta densidad de potencia de la industria aeroespacial, el trabajo de los fabricantes de productos electrónicos se ha vuelto más desafiante.

Los voltajes operativos crecientes imponen tensión eléctrica en las tarjetas de circuito impreso (PCB) y las hacen vulnerables a descargas parciales (PD) y ruptura dieléctrica en casos extremos. El revestimiento de conformal se aplica para proteger las PCB de tales daños y para aumentar la rigidez dieléctrica, la protección y confiabilidad. Para evitar la degradación de este revestimiento en condiciones ambientales adversas, el revestimiento debe tener un espesor suficiente.

Este artículo analiza las causas de descargas parciales en aislamientos de la PCB (en la industria aeroespacial) mientras se adhieren a altos voltajes de operación. Además, se discuten algunos métodos para prevenir la descarga parcial en las PCB. Finalmente, se destacan algunos productos de Techspray para ayudar a los ingenieros en el proceso de fabricación de la PCB.

Electrónica de Aeronaves (También Conocida Como Aviónica)

El avance en el campo de la electrónica de potencia ha hecho que las modernas máquinas eléctricas aeronáuticas. Los sistemas eléctricos han reemplazado a las contrapartes mecánicas y neumáticas convencionales de los aviones. Por ejemplo, los actuadores eléctricos han reemplazado a los actuadores neumáticos y mecánicos. Esto ha llevado a una disminución en el consumo de combustible, peso total y costos de mantenimiento.

Sin embargo, para cumplir con el requisito de alta densidad de potencia en las tarjetas de circuito impreso IPC clase 3 de las aeronaves, los voltajes operativos han aumentado considerablemente en lugar de implementar conductores de alta corriente nominal. En aviones modernos como el Boeing 787 Dreamliner, el rango operativo de voltaje ha aumentado de 115V CA a 230V CA y de 28V CC a ±270V CC [1]. Los revestimientos de conformal se aplican a las PCB en la industria aeroespacial para evitar que se enfrenten a entornos hostiles (contaminación, temperatura, presión) y al mismo tiempo garantizar una alta rigidez dieléctrica. El desempeño de estos revestimientos depende de la:

1. Temperatura de funcionamiento
2. Presión de funcionamiento
3. Voltaje de operación (amplitud y frecuencia)
4. Limpieza de PCB

¿Qué Es La Descarga Parcial?

Según la norma IEC60270, la descarga parcial (PD) es una descarga eléctrica localizada que no une completamente el aislamiento entre los conductores [2]. Las descargas parciales se producen debido a la tensión eléctrica en el área aislada entre las dos pistas vivas cuando los voltajes operativos son lo suficientemente altos. Las descargas parciales se producen cuando el campo eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aislamiento de la PCB.

Figura 1: Descarga parcial explicada pictóricamente [3]

El voltaje más bajo al que se produce la descarga parcial se denomina voltaje de inicio. Se sabe que las descargas parciales provocan la degradación del aislamiento/revestimiento de la PCB debido al alto campo eléctrico asociado con el fenómeno. Tenga en cuenta que una vez que se produce la descarga parcial, sigue ocurriendo. Esta ocurrencia continua de descargas parciales puede provocar una ruptura dieléctrica completa del aislamiento que protege la tarjeta de circuito impreso, lo que representa un grave riesgo para la vida útil del aislamiento de la tarjeta de circuito impreso y la integridad del sistema.

Las PCB en la industria aeroespacial son más vulnerables a las descargas parciales debido a las duras condiciones ambientales. La exposición a contaminantes perjudica la resistencia del aislamiento y acelera el proceso de envejecimiento del revestimiento. Además, en altitudes muy elevadas (más de 15,000 metros), la temperatura puede caer por debajo de -50 °C y la presión tan baja como 1.68 psi. La baja presión reduce en gran medida el voltaje de inicio y aumenta la probabilidad de descarga parcial [4].

Estudio de Caso: Reducción de Descargas Parciales

Un estudio de caso [4], tiene como objetivo investigar el espesor nominal del revestimiento que protege la PCB de las descargas parciales en condiciones ambientales en la industria aeroespacial. El sustrato de prueba estaba hecho de material FR4 con trazas de cobre cubiertas por una máscara de soldadura, excepto en la región más estrecha, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Tarjeta de prueba [5]

Antes del revestimiento, las tarjetas se limpiaron a fondo en un baño ultrasónico para eliminar los residuos sobrantes y la contaminación. Las tarjetas revestidas de silicona se colocaron en una cámara y se utilizó una señal eléctrica con las siguientes especificaciones para energizarlas:

• Señal de prueba: Sinusoidal
• Frecuencia: 50 Hz
• Paso de voltaje: 100 V/s
  

La temperatura y presión dentro de la cámara se variaron de acuerdo con los requisitos de la industria aeroespacial. Las tarjetas se alimentaron durante 9600 minutos o hasta que se produjo una descarga parcial (lo que suceda primero). Se seleccionaron diez tarjetas para experimentación con diferentes espesores de revestimiento que oscilaban entre 3.94 y 7.87 milésimas de pulgada. El voltaje de inicio a presión ambiental se observó en 4500 V [5].

Además, se encontró que el voltaje de inicio estaba disminuyendo con la presión decreciente, es decir, de 4000 V a 7.25 psi a 1700 V a 1.68 psi. Se observó que los revestimientos delgados eran más sensibles al daño por la descarga parcial en comparación con los revestimientos más gruesos. En un estudio en [5], se demostró experimentalmente que no solo los revestimientos delgados de silicona experimentan daños, sino que los revestimientos delgados de acrílico y parileno son igualmente sensibles al daño por la descarga parcial.

Se encontró que la temperatura era directamente proporcional al daño [4]. En comparación con ningún daño observado a -55 °C, se observaron daños considerables (grietas en la superficie) a 70 °C después de 69 horas de prueba, como se muestra en la Figura 3. Estas grietas son responsables de aumentar el campo eléctrico en las superficies y reducir el voltaje inicial.

Figura 3: Grietas que aparecen en una PCB revestida de silicona de 135 um de espesor a 70 grados  [4]

Las temperaturas más altas aumentan la energía transportada por los electrones de descarga parcial. La alta temperatura y baja presión provocan simultáneamente una disminución de la densidad relativa del aire, lo que contribuye a aumentar la energía de los electrones de descarga parcial [4]. El espesor del revestimiento de 7.87 milésimas de pulgada o más parece brindar la máxima protección a voltajes mayores que el voltaje inicial y en condiciones ambientales variables relacionadas con la industria aeroespacial. El resumen de los resultados de las pruebas en una tarjeta revestida de 7.87 milésimas de pulgada se muestra en la Tabla 1. Un punto importante para tener en cuenta aquí es que todos los voltajes enumerados en la Tabla 1 están por encima del voltaje inicial. La calidad de los revestimientos de silicona utilizados en este estudio de caso puede evaluarse por el hecho de que ninguno de los revestimientos de silicona se descompuso a la presión de prueba más baja y al valor de temperatura de prueba más alto a pesar del daño extenso.

Tabla 1: Campos eléctricos superficiales máximos de una PCB recubierta de silicona de 9.84 mil de espesor

Línea de Revestimiento de Conformal de Techspray

Siendo el líder en la industria desde 1968, Techspray ofrece una línea extendida de revestimiento de conformal a sus clientes. Techspray ofrece revestimientos de conformal de resina acrílica, resina de silicona y resina de uretano con calificación IPC CC 830B y UL94-0. Entre todos los revestimientos de conformal, el revestimiento de conformal de silicona Fine-L-Kote SR (certificado por UL746E) y el revestimiento de conformal de acrílico Fine-L-Kote AR proporcionan la fuerza dieléctrica más alta de 43 kV/mm y 25 kV/mm respectivamente. Se adaptan mejor a entornos hostiles como la industria aeroespacial que tiene altos voltajes a bajas presiones.