NASA: Riscuri de fisurare a rezistoarelor pe plăcile electronice

Inginerii de la Centrul de Cercetare Langley al NASA au publicat recent un buletin tehnic detaliat (TB 26-10) care analizează o problemă tehnică subtilă, dar critică pentru fiabilitatea misiunilor spațiale: fisurarea corpului rezistoarelor de tip chip montate pe plăcile de circuit imprimat (PCB). Deși rezistoarele cu substrat de alumină sunt omniprezente în proiectele agenției spațiale americane, cazurile de fisurare a acestora în timpul testelor de vibrații și cicluri termice sunt extrem de rare, ceea ce a declanșat o investigație amănunțită din partea NESC (NASA Engineering and Safety Center).

Contextul incidentelor și simptomele defecțiunilor

Investigația a pornit de la observarea a două cazuri de fisurare a rezistoarelor cu peliculă groasă (thick-film) în timpul testelor de acceptare a mediului. Aceste defecțiuni s-au manifestat într-un mod specific: au apărut în timpul ciclurilor termice efectuate imediat după testele de vibrații. Simptomele raportate au inclus defecțiuni intermitente de tip „circuit deschis” (open circuit) la temperaturi ridicate de menținere (hot dwell), însă, în mod surprinzător, continuitatea electrică se recupera odată ce componentele reveneau la temperatura camerei.

Analiza fizică a relevat o fractură transversală la mijlocul fiecărui rezistor, care rula paralel cu terminațiile acestuia. Ambele componente defecte erau instalate în locații similare, aproape de marginea plăcilor, pe două ansambluri identice. Fisurile s-au produs de-a lungul axei scurte a rezistorului, indicând clar un fenomen de încovoiere (bending) a componentei ceramice sub presiunea stresului mecanic.

Analiza cauzelor și excluderea defectelor de fabricație

Inițial, teoriile experților NASA au vizat posibile defecte de fabricație ale rezistoarelor, având în vedere că ambele componente proveneau din același lot de producție. Totuși, testele riguroase au infirmat această ipoteză. Lotul de rezistoare nu doar că îndeplinea cerințele stricte ale specificației de achiziție MIL-PRF-55342, dar testele suplimentare efectuate nu au evidențiat nicio dovadă directă a unui lot defect. Nu a existat niciun risc ridicat identificat în procesul de producție al furnizorului.

Analizele independente de defectare au concluzionat că fisurile au fost rezultatul unor forțe de încovoiere și tracțiune. Nu a fost identificată o cauză rădăcină unică sau un defect vizibil care să servească drept punct de inițiere a fisurii. Ambele rezistoare prezentau o singură fisură dreaptă pe axa scurtă, fără semne de torsiune. Semnătura deteriorării nu a fost consistentă cu oboseala ciclică, ceea ce a permis eliminarea ipotezei că vibrațiile ar fi cauzat direct ruperea prin oboseală. Imaginile obținute prin microscopie optică și microscopie electronică cu scanare (SEM) au confirmat absența defectelor structurale preexistente.

Factori contributivi în design și asamblare

Deși nu s-a putut indica o singură cauză principală, NESC a identificat o serie de factori contributivi care cresc riscul de stres mecanic asupra componentelor ceramice mari plasate pe marginile plăcilor. Un factor major a fost dimensiunea carcasei (case size 2512), care este relativ mare. Amplasarea acestor rezistoare cu axa lungă paralelă cu marginea plăcii a crescut considerabil susceptibilitatea la daune provocate de flexiunea globală a PCB-ului.

Un alt element critic a fost prezența excesului de cositor (solder). S-a observat că aliajul de lipit s-a extins până pe partea superioară a terminațiilor rezistorului. Acest lucru creează o îmbinare extrem de rigidă care transferă orice flexiune a plăcii direct în corpul ceramic fragil al componentei. De asemenea, montarea rigidă a plăcii într-un cadru metalic fix și utilizarea unor modele de strângere a elementelor de fixare (șuruburi) care nu au fost optimizate au dus la concentrarea stresului exact în zonele unde erau amplasate rezistoarele.

Linii directoare pentru prevenirea fisurării

Pentru a preveni astfel de incidente în misiunile viitoare, NASA a formulat un set de recomandări stricte pentru asamblarea componentelor ceramice. În primul rând, orientarea componentelor este esențială: trebuie evitată plasarea axei lungi a componentelor ceramice mari paralel cu marginile PCB-ului. Dacă amplasarea lângă margine este inevitabilă, este obligatorie efectuarea unei Analize cu Elemente Finite (FEA) pentru a demonstra că există margini de siguranță suficiente împotriva stresului și deplasării.

Controlul procesului de lipire este la fel de important. NASA recomandă menținerea aliajului de lipit departe de suprafața superioară a terminațiilor. Inginerii trebuie să consulte producătorii de componente pentru a stabili limite specifice ale înălțimii meniscului de cositor (solder fillet). Inspecția vizuală sau fotografică a îmbinărilor este necesară pentru a verifica dacă există suficient cositor pentru o conexiune electrică sigură, dar nu în exces pentru a nu rigidiza inutil structura.

În final, NASA sugerează implementarea unor teste funcționale de șoc termic (1-3 cicluri) înainte de testele de vibrații. Acest lucru ajută la documentarea integrității componentelor „așa cum au fost construite” și la detectarea timpurie a oricăror tensiuni reziduale care ar putea duce la defecțiuni catastrofale în timpul lansării sau operării în spațiu.