Consigli di progettazione: come proteggere i circuiti stampati dall'umidità

Sono piuttosto orgoglioso della mia meticolosità nel ricontrollare i progetti. Potrei passare ore e ore a verificare schematici, impronte e valori dei componenti prima di finalizzare il progetto. Sfortunatamente, non dimostro lo stesso zelo e perfezionismo nella cura della casa. Una ditta di pulizia rimarrebbe inorridita dalla quantità di polvere accumulata negli angoli del mio appartamento.

Una volta, e lo racconto con imbarazzo, mi dimenticai di lavare lo scolapiatti per così tanto tempo che diventò la tana di una famigliola di cinque simpatiche lucertole. Se il tuo PCB è posizionato in un ambiente buio e umido, non saranno le lucertole il tuo unico problema. Ecco perché, quando si progetta un circuito, è importante tenere in considerare l'ambente in cui verrà utilizzato. Gli ambienti umidi pongono sfide particolari, per cui andiamo subito a esaminare quali sono le problematiche che possono insorgere e come fare per prevenire danni ai tuoi apparecchi elettronici.

Ecco come l'umidità può influenzare i circuiti elettronici e ridurre il ciclo di vita del tuo sistema:

1. Cortocircuiti
2. Corrosione

Se ti interessa sapere come proteggere i dispositivi elettronici dall'umidità, puoi saltare a una delle seguenti sezioni per leggere i nostri suggerimenti di progettazione:

1. Rivestimento e involucro adatti
2. Ventola di aspirazione
3. Gel di silice
4. Elementi riscaldanti

Come l'umidità può influenzare il tuo PCB

L'umidità fa riferimento alla quantità di vapore acqueo nell'aria ed è quantificata in termini di umidità relativa. Al di fuori dei deserti, praticamente tutte le aree del pianeta presentano umidità e acqua. Più l'ambiente è umido, e più l'acqua tenderà a condensarsi sulle superfici fredde. Un problema comune causato dall'umidità è la formazione di goccioline d'acqua sui dispositivi elettronici, in particolare sui PCB, causando la corrosione delle tracce di rame. La presenza di condensa su un PCB alimentato può causare cortocircuiti e danni agli altri componenti. Oltre a danneggiare il circuito, l'ambiente umido attira rettili e insetti che possono a loro volta causare cortocircuiti. Che si tratti di un PCB o di un altro dispositivo elettronico, sono due gli obbiettivi a cui mirare nella prevenzione dei danni causati dall'umidità:

• Allontanare l'aria umida dai componenti elettronici sensibili
• Evitare che l'acqua di condensa crei cortocircuiti

Ecco come l'umidità può influenzare i tuoi dispositivi elettronici durante il funzionamento:

1. Cortocircuiti

Quando un PCB è esposto a quantità significative di acqua, la situazione più comune che si può verificare è la formazione di un cortocircuito. Chiunque abbia accidentalmente versato acqua sul proprio computer conosce l'orrore nel vedere il proprio schermo spegnersi. L'acqua è altamente conduttiva e un aumento di corrente all'interno di un dispositivo durante un cortocircuito può causare il guasto di un'intera sezione della scheda, o addirittura la perdita totale di un componente.

L’acqua di condensa può causare cortocircuiti

2. Corrosione

L'acqua di condensazione può causare la corrosione dei conduttori esposti. Sono diversi i modi in cui il metallo esposto di un PCB può corrodersi.

• Corrosione atmosferica: nel metallo esposto all'aria umida può verificarsi una reazione per cui gli ioni metallici si legano agli atomi di ossigeno, formando un ossido. Questi ossidi sono isolanti, aumentando quindi la resistenza del conduttore esposto. Gli ossidi sono anche meccanicamente deboli e si rompono facilmente.
• Corrosione filiforme: se l'acqua sul metallo esposto contiene elettroliti disciolti, sulla superficie possono iniziare a formarsi strutture di dendrite mentre una corrente elettrica scorre attraverso la soluzione. Oltre all'applicazione di un rivestimento adatto (vedi sotto), il metallo esposto dovrebbe essere accuratamente pulito prima della placcatura.
• Corrosione galvanica: questo tipo di corrosione si verifica tra metalli dissimili in presenza di sale disciolto. A differenza della corrosione filiforme, questa avviene indipendentemente dalla presenza di una corrente elettrica.
• Fretting: questo tipo di corrosione si verifica quando gli interruttori saldati sono chiusi. Quando l'interruttore è chiuso, lo strato superficiale di ossido può essere rimosso con l'attrito. In presenza di acqua sul metallo esposto, il metallo si ossiderà creando corrosione a lungo andare.

Questi meccanismi di corrosione vengono prevenuti o rallentati utilizzando un rivestimento superficiale delle tracce esposte (ENIG, ENIPEG, Ni-Au, ecc.).

Come proteggere i dispositivi elettronici dall'umidità

Ci sono alcune semplici precauzioni che possono essere prese per prevenire i danni ai componenti sensibili causati dall'umidità. 

1. Rivestimento e involucro adatti

Naturalmente, la soluzione più semplice per proteggere i tuoi dispositivi elettronici dall'umidità è applicare un rivestimento adatto. Questo fornisce una buona protezione ambientale, sempre che il rivestimento non sia poroso o completamente indurito. L'obbiettivo è quello di rivestire il PCB e il rame esposto. Alcuni materiali possibili includono: rivestimento acrilico, rivestimento in uretano e rivestimento in silicone. Questo approccio passivo rende però difficile la rilavorazione del PCB, in quanto è necessario rimuovere il rivestimento per poter sostituire i componenti. Non solo, ma il rivestimento andrà poi riapplicato al termine della rilavorazione.

Oltre a proteggere il circuito dall'ambiente, l'applicazione del giusto materiale di rivestimento può fornire vantaggi aggiuntivi. I rivestimenti ad assorbimento elettromagnetico possono aiutare a ridurre l'EMI di una scheda rumorosa alle alte frequenze MHz. Una EMI irradiata di questo tipo si verifica spesso nella PDN di una scheda con accoppiamento insufficiente.

2. Ventola di aspirazione

Molti sistemi integrati sono solitamente posizionati all'interno di involucri industriali e l'umidità intrappolata in essi può rivelarsi un problema fastidioso. Installare una ventola capace di aspirare l'aria dall'involucro è una soluzione poco elegante, ma può aiutare a ridurre i livelli di umidità. Il principio di funzionamento è lo stesso di quello dei comuni aspiratori da bagno. 

3. Gel di silice

Non sarà la soluzione più raffinata, ma inserire una confezione di gel di silice nell'involucro del PCB può aiutare a ridurre il livello di umidità nell'aria. Ci sarà pur una ragione se un gran numero di imballaggi contengono un pacchetto di gel di silice. Il gel di silice assorbe facilmente l'umidità, riducendo al minimo la condensa sui conduttori del PCB.

Sfortunatamente, il gel di silice è efficace solo al di sotto dei 60 °C. Al di sopra di questa temperatura, l'equilibrio di adsorbimento sarà riportato allo stato di vapore, e l'acqua inizierà a desorbire dal gel nell'aria circostante.

Il gel di silice è un potente essiccante

Altri materiali adsorbenti possono essere utilizzati al posto del gel di silice per rimuovere umidità e tracce di gas dall'aria circostante. L'allumina attivata è un essiccante poroso disponibile in commercio che fornisce una capacità di essiccazione leggermente inferiore a basse temperature, ma leggermente maggiore a temperature più elevate. Il carbone attivo è un'altra alternativa utilizzata come adsorbente per odori e gas tossici nelle maschere antigas militari. Può essere utilizzato per rimuovere gas corrosivi e umidità dall'aria circostante. Composti contenenti fosforo e sali metallici sono altre possibili soluzioni. Se il tuo sistema verrà installato in un ambiente particolare con gas corrosivi e alta umidità, potresti prendere in considerazione l'utilizzo di uno di questi disidratanti alternativi per proteggere i tuoi componenti elettronici.

4. Elementi riscaldanti

Trasformare il tuo sistema integrato in un piccolo e intelligente elemento riscaldante può essere un modo efficace per risolvere i problemi di umidità. Questa soluzione è ottima per i sistemi embedded collocati in un involucro industriale per applicazioni esterne. Nella mia attività di progettazione, mi è capitato ad esempio di usare un elemento riscaldante per ridurre il livello d'umidità relativa nei parchimetri, apparecchi elettronici parecchio suscettibili alla condensa, specialmente nelle prime ore del giorno.

Per evitare di riscaldare inutilmente, è possibile installare nell'involucro un sensore di umidità e temperatura insieme all'elemento riscaldante. Un semplice sistema di controllo proporzionale-integrale-derivato (PID) può essere utilizzato per regolare la temperatura dell'aria in base alle misurazioni di temperatura, umidità relativa e pressione. Se la temperatura dell'aria è troppo bassa, è possibile aumentarla con l'elemento riscaldante. Questo dovrebbe ottimizzare la temperatura ambientale riducendo notevolmente la possibilità di condensa.

Aumentare la temperatura riduce l'umidità relativa

Se si sceglie questo tipo di regolazione, è necessario prestare attenzione alla temperatura per evitare di surriscaldare la scheda e i suoi componenti. A temperature elevate, il ciclo di vita dei componenti si riduce e i guasti aumentano. Se la temperatura è eccessivamente alta, i componenti possono rompersi irrimediabilmente. Il modo migliore per implementare questa tecnica è quindi quello di posizionare qualsiasi elemento riscaldante sul bordo esterno dell'involucro, in modo da riscaldare il flusso d'aria in entrata. Questa tecnica è utile quando la temperatura dell'aria esterna e l'umidità relativa sono elevate. Se la pressione è già vicina al punto triplo, l'elemento riscaldante può portare la temperatura dell'aria al di sopra del punto triplo ed evitare la formazione di condensa.

I progettisti possono implementare queste e altre tecniche di progettazione PCB con le funzionalità di progettazione e layout PCB di Altium Designer^®. Altium Designer offre una piattaforma di progettazione integrata con funzionalità di progettazione e layout PCB per la creazione di circuiti stampati. Quando hai finito un progetto e sei pronto per mandarlo in produzione, la piattaforma Altium 365^™ semplifica la collaborazione e la condivisione dei tuoi lavori.

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