Rachadura do corpo do resistor da microplaqueta do conjunto da placa de circuito impresso da TB 26-10

Para obter mais informações, entre em contato com Joel W. Sills, Centro de Pesquisa Langley, joel.w.sills@nasa.gov.

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Os resistores de chip são amplamente utilizados em projetos da NASA, mas casos de rachaduras no substrato de alumina durante testes ambientais são raros. Dois casos de rachaduras no resistor de chip de filme espesso foram observados durante o ciclo térmico após a vibração, com fraturas ocorrendo ao longo do eixo curto devido à flexão. As análises de falhas descartaram lotes defeituosos e fadiga, identificando flexão da placa, orientação dos componentes, solda excessiva e tensões de montagem como fatores contribuintes. O boletim recomenda posicionamento cuidadoso dos componentes, análise de elementos finitos, altura controlada do filete de solda, inspeção completa e testes funcionais de choque térmico para mitigar riscos de trincas induzidas por flexão em componentes de corpo cerâmico em placas de circuito impresso.

Fundo
O NESC observou a falta histórica de casos relatados de rachaduras no substrato de alumina dos resistores de chip durante a vibração e o ciclo térmico, embora os resistores de chip sejam onipresentes nos projetos da NASA. Dois casos de rachaduras no corpo do resistor de chip de filme espesso foram observados durante testes de aceitação ambiental em conjuntos de placas de circuito impresso. Ambas as falhas ocorreram durante o ciclo térmico após o teste de vibração, exibindo falhas intermitentes de circuito aberto em temperaturas de permanência quentes que se recuperaram em temperatura ambiente. A fratura transversal ocorreu no meio do vão de cada resistor, paralelamente às terminações. Os dois resistores foram instalados em locais semelhantes próximos à borda das placas em duas placas idênticas. As rachaduras nos resistores com falha estavam ao longo do eixo curto do resistor devido à aparente flexão dos resistores, Figura 1. Os resistores não mostraram sinais de defeitos pré-existentes.

Relações Causais As teorias iniciais apontavam para danos induzidos por vibração em resistores potencialmente defeituosos, uma vez que ambos os resistores vieram do mesmo lote de produção. No entanto, o lote de resistores não apenas atende aos requisitos da especificação de aquisição MIL-PRF-55342, mas testes adicionais foram realizados e não revelaram nenhuma evidência direta de um lote de resistores com defeito. Não houve evidência de um risco elevado de resistores defeituosos no lote de produção.

Análises de falhas
Análises de falha independentes concluíram que os resistores de chip rachados foram devido a falhas de flexão/tração. Não houve causa raiz clara ou defeito visível que identificasse o local de início da fissura. Ambos os resistores exibiram uma trinca única e reta ao longo do eixo curto (perpendicular ao eixo longo), indicando uma falha por flexão/tração sem torção.

As assinaturas de danos não são consistentes com a fadiga cíclica, provavelmente descartando a falha por fadiga durante a vibração. Além disso, a microscopia óptica e eletrônica de varredura (MEV) independente do NESC, Figura 2, de ambos os resistores não identificou nenhum local claro de falha para o início e progressão do dano por fadiga; portanto, a possibilidade de resistores defeituosos, bem como vibração de fadiga como causa raiz, torna-se improvável.

Causa Conclusões
Nenhuma causa raiz direta foi identificada, mas os fatores que contribuem para uma maior consideração de projeto necessária para componentes cerâmicos de grande porte localizados perto das bordas de uma placa de circuito impresso que podem levar a rachaduras por tensão devido ao arco/torção da fabricação ou instalação da placa de circuito impresso incluem:

• Localização dos resistores relativamente grandes (tamanho da caixa 2512) próximos à borda da placa com o longo eixo do resistor paralelo à borda da placa, aumentando a suscetibilidade a danos induzidos por flexão da placa.
• Solda excessiva que se estendia até as almofadas superiores nas terminações do resistor.
• Momentos de flexão ou cargas excessivas resultantes do arco/torção da prancha.
• É difícil montar a prancha em uma estrutura rígida, que pode armazenar e amplificar essas tensões de arco/torção.
• Padrões de torque dos fixadores abaixo do ideal, que podem concentrar as tensões de montagem especificamente nos locais dos resistores.

Diretrizes para montagem de componentes de corpo cerâmico em placas de circuito impresso
As seguintes diretrizes devem ser consideradas, dada a experiência recente.

• Orientação dos Componentes: Evite orientar o longo eixo dos componentes cerâmicos de grandes dimensões paralelo às bordas próximas da placa de circuito impresso para reduzir a suscetibilidade a danos por flexão global e local.

• Análise de Elementos Finitos: Execute uma Análise de Elementos Finitos suficiente para demonstrar tensões adequadas e margens de deslocamento em componentes grandes quando eles devem ser colocados perto da borda da placa.

• Limites do filete da junta de solda: Mantenha a solda longe da superfície superior das terminações. A solda na parte superior cria uma junta rígida que transfere a flexão da placa de circuito impresso diretamente para a cerâmica, aumentando o risco de rachaduras induzidas pela flexão. Consulte os fabricantes de peças individuais para obter orientação, pois eles podem estabelecer limites específicos na altura do filete de solda.

• Inspeção de juntas de solda: Inspecione juntas de solda físicas ou revise imagens fotográficas das juntas para verificar se os componentes possuem filetes de solda suficientes, mas não excessivos, de acordo com os limites do fabricante.

• Teste funcional de choque térmico: Execute de um a três ciclos térmicos, incluindo um teste funcional de permanência a quente, antes do teste de vibração, para documentar a integridade do componente construído.

Referências
1. Resistor MIL-PRF-55342, Chip, Fixo, Filme, Confiabilidade Não Estabelecida, Confiabilidade Estabelecida, Nível de Espaço
2. Resistor MIL-PRF-55342/9, fixo, filme, chip, confiabilidade não estabelecida, confiabilidade estabelecida, nível de espaço, estilo RM2512
3. MIL-STD-202 Método 218 Placa Flex