La simulación computacional fortalece el diseño de electrónica de alta potencia frente a la corrosión
La fiabilidad de los sistemas electrónicos de alta tensión es fundamental en infraestructuras críticas y aplicaciones en constante expansión, desde la electrificación del transporte hasta las energías renovables y los centros de datos. Sin embargo, estos componentes son particularmente vulnerables a un enemigo silencioso: la corrosión inducida por la humedad, una causa de fallo a menudo subestimada y difícil de diagnosticar.
El impacto de la humedad en la electrónica
Contrariamente a la creencia popular que asocia los fallos electrónicos predominantemente con el calor, la humedad ambiental es un factor crítico que puede provocar averías inesperadas. La condensación en las superficies de los circuitos impresos (PCB) puede dar lugar a corrosión, lo que a su vez causa fenómenos como la migración electroquímica (ECM), corrientes de fuga y cortocircuitos por dendritas. Estos problemas no solo afectan el rendimiento, sino que en aplicaciones de alta tensión pueden escalar a situaciones peligrosas, incluyendo incendios.
El desafío radica en que, una vez que la humedad se disipa, a menudo no deja rastros visibles de corrosión a menos que se hayan formado dendritas de ECM. Esta particularidad hace que la identificación de la causa raíz sea compleja; de hecho, hasta el 50% de los fallos electrónicos se atribuyen a motivos no identificados, según el Dr. Rajan Ambat, profesor de la DTU y director de CELCORR.
La simulación como herramienta predictiva
Ante esta realidad, el equipo de CELCORR ha recurrido a la simulación multifísica como una herramienta fundamental para predecir y mitigar los fallos relacionados con la humedad en la fase de diseño. Su enfoque es desarrollar diseños que prevengan la corrosión o que puedan soportar mayores cargas de humedad. Los investigadores aplican su experiencia en modelado para generar aplicaciones de simulación que permiten a sus socios industriales evaluar la resistencia de los diseños.
Utilizando software como COMSOL Multiphysics, el equipo de CELCORR, en colaboración con otros centros como la Universidad de Aalborg, ha construido modelos detallados de geometrías de PCB. Al introducir una capa de agua para simular la humedad relativa, pueden variar parámetros clave como el diseño, la geometría, la distancia entre electrodos, el espesor de la película de agua y su conductividad. Esto les permite calcular la corriente de fuga electroquímica y determinar cómo los diferentes elementos de diseño influyen en la susceptibilidad del PCB a la corrosión. El Dr. Anish Rao Lakkaraju, investigador postdoctoral en CELCORR, destaca que el grupo actúa como un puente entre la ciencia de materiales y la industria electrónica.
Aplicaciones prácticas para la industria
Para facilitar el acceso y la usabilidad de estos modelos complejos, CELCORR ha desarrollado aplicaciones de simulación con interfaces simplificadas. Estas herramientas, descritas como un enfoque "plug-and-play" por Lakkaraju, permiten a los ingenieros electrónicos explorar el impacto de variables de diseño sin necesidad de complejos montajes y pruebas físicas. Las empresas pueden evaluar cómo la distancia entre electrodos o el espesor de la capa de humedad afectan la corriente de fuga, optimizando así la robustez de sus componentes ante la humedad con una precisión que sería difícil y costosa de lograr experimentalmente.
Futuro de la investigación: complejidad y alta tensión
Mirando hacia el futuro, CELCORR no solo colabora activamente con la industria, sino que también está profundizando en la complejidad de sus modelos. El equipo trabaja en la construcción de modelos de distribución de corriente terciaria que examinan con mayor detalle las propiedades de transporte de masa y las constantes de velocidad de las reacciones químicas. Además, la investigación se está expandiendo para abordar específicamente la corrosión en sistemas de alta potencia y alta tensión. Gracias a una subvención de la Fundación Grundfos en 2024, CELCORR ha establecido el Centro para el Diseño Electrónico Robusto al Clima (CRED), un laboratorio dedicado a desarrollar la experiencia necesaria para cumplir con los requisitos de robustez ante la humedad de la electrónica actual de alta potencia y alta tensión.
Por qué importa
La creciente dependencia de la electrónica en sectores críticos como la movilidad eléctrica, las energías renovables y los centros de datos subraya la urgencia de garantizar su fiabilidad. La corrosión inducida por la humedad, a menudo invisible y difícil de diagnosticar, representa una amenaza significativa para la seguridad y el rendimiento de estos sistemas, haciendo que la prevención en la fase de diseño sea crucial para evitar fallos catastróficos y sus implicaciones económicas.
Antecedentes
Durante años, una parte significativa de los fallos en componentes electrónicos ha permanecido sin una causa raíz clara. Aunque el sobrecalentamiento es un factor conocido, el papel destructivo de la humedad y la corrosión a menudo se ha subestimado, en parte porque la evidencia física puede desaparecer. Esta falta de conciencia ha motivado a grupos de investigación como CELCORR a buscar métodos más efectivos para identificar y abordar este problema sistémico.
El desafío oculto: "No es el calor; es la humedad"
Las aplicaciones que van desde paneles solares cerca de la costa hasta componentes en vehículos eléctricos están expuestas a condiciones de alta humedad que pueden propiciar la corrosión. El Dr. Rajan Ambat, director de CELCORR, subraya que "dondequiera que se produzca, convierta, transporte y utilice energía, se necesitan estos sistemas electrónicos de alta potencia que se ven afectados por la humedad". Comprender cómo y cuándo se crean las condiciones de condensación es esencial para prevenir fallos.
El cincuenta por ciento de los fallos en electrónica se etiquetan actualmente con una causa raíz no identificada. Cuando los ingenieros abren el sistema, no se dan cuenta de que el fallo se debió a la corrosión, porque la humedad desaparece sin dejar ningún signo de corrosión a menos que haya formación de dendritas por migración electroquímica.
Dr. Rajan Ambat, Profesor de la DTU y director de CELCORR
Estamos en la intersección de la ciencia de los materiales y la industria electrónica. Trabajamos como un puente entre las disciplinas de materiales y electrónica, utilizando ambos tipos de lenguaje.
Dr. Anish Rao Lakkaraju, Investigador postdoctoral en CELCORR
Las aplicaciones que hemos construido realmente han ayudado porque ofrecen a los ingenieros electrónicos un enfoque tipo ‘plug-and-play’.
Dr. Anish Rao Lakkaraju, Investigador postdoctoral en CELCORR
Datos clave
| Causa raíz no identificada en | 50% de los fallos electrónicos |
|---|---|
| Centro que lidera la investigación | CELCORR (Universidad Técnica de Dinamarca) |
| Tecnología base para las simulaciones | COMSOL Multiphysics |
Fuente original: IEEE Spectrum
