Escolhendo resistores de filme fino para aplicações automotivas e industriais

Aplicações eletrônicas, como automotivas, industriais e de telecomunicações, exigem componentes de precisão que toleram ambientes severos, incluindo alta umidade e atmosferas erosivas. Os componentes passivos são fundamentais para o sucesso destes projetos avançados e exigem uma inovação constante para garantir um desempenho confiável.

Por exemplo, resistores de chip de filme metálico devem ser projetados e testados para garantir precisão, estabilidade e confiabilidade em ambientes desafiadores. Uma questão significativa que afeta o design dos resistores de chip para os mercados automotivos e industrial é a sua confiabilidade a longo prazo na presença de compostos de enxofre. Estes ambientes, onde existem óleos, lubrificantes, combustível e outros compostos ricos em enxofre, podem degradar os contatos e reduzir a confiabilidade dos resistores de chip.

Este artigo discute os desafios que os projetistas enfrentam quando escolhem resistores para ambientes automotivos e industriais adversos. Em seguida, apresenta duas famílias de resistores de montagem em superfície resistentes ao enxofre e à umidade da YAGEO e mostra como podem ser utilizadas para responder aos desafios destas aplicações.

Caraterísticas do resistor de chip

Os resistores de chip são um componente essencial da eletrônica moderna, incluindo dispositivos automotivos, industriais e de telecomunicações. O seu tamanho reduzido, precisão, estabilidade e confiabilidade adaptam-se perfeitamente a circuitos de alta densidade. Existem numa vasta faixa de resistências, tolerâncias, coeficientes de temperatura da resistência (TCRs) e potências nominais. Duas famílias de resistores de chip da YAGEO são as séries AT e RP. Ambas as séries estão classificadas para aplicações automotivas com a qualificação AEC-Q200; esta especificação testa os componentes eletrônicos passivos quanto à temperatura, umidade, resistência ao calor da soldagem, choque térmico e tolerância à flexão da placa. Também testa a baixa sensibilidade à umidade e a resistência ao enxofre.

Comparação de especificações elétricas

As séries AT e RP de resistores do tipo dispositivo de montagem em superfície (SMD) estão disponíveis em quatro invólucros padrão de montagem em superfície: 0402, 0603, 0805 e 1206. O código numérico de cada invólucro contém o comprimento e a largura nominais do dispositivo em milímetros (Tabela 1).

Tabela 1: São mostradas as dimensões e os dimensionamentos de potência para os quatro tamanhos de invólucro dos componentes da série de resistores de chip RP e AT. (Fonte da tabela: Art Pini)

As potências nominais variam diretamente com o volume do invólucro, oscilando entre 1/16 W e 1/4 W.

Estes tamanhos de invólucro oferecem valores variados de resistência, tolerância resistiva, TCR e dimensionamentos de tensão. As especificações dos resistores da série AT estão resumidas na Tabela 2.

Tabela 2: São mostradas as características elétricas dos resistores da série AT. (Fonte da tabela: YAGEO)

A tabela lista a faixa disponível de valores de resistores para cada tamanho de invólucro, TCR e tolerância.

Do mesmo modo, as especificações para a série RP estão resumidas no Tabela 3.

Tabela 3: São mostradas as características elétricas dos resistores da série RP. (Fonte da tabela: YAGEO)

Os componentes de qualquer uma das séries de produtos são selecionados com base no tamanho do invólucro, TCR, tolerância de resistência e resistência. A faixa de valores disponíveis de resistência varia com cada uma das outras especificações.

Os valores de TCR para a série RP estão disponíveis em intervalos de ±50, ±25, ±15 e ±10 partes por milhão por grau centígrado (ppm/°C). A série AT acrescenta um TCR adicional mais baixo de ±5 ppm/°C.

Note-se que a faixa de valores disponíveis de resistência para os dispositivos da série RP é maior ou igual à dos resistores AT para cada intervalo do TCR.

Ambas as séries oferecem valores de tolerância de 0,1%, 0,25%, 0,5% e 1%, que são as tolerâncias mais utilizadas de resistores. No entanto, a série AT oferece três faixas de tolerância adicionais: 0,05%, 0,02% e 0,01%. Estas tolerâncias precisas são exigidas com menos frequência, e os valores oferecidos dos resistores têm uma faixa mais restrita.

Comparação dos resistores das séries AT e RP

O YAGEO AT0402FRE0710KL é um resistor da série AT de 10 quilo-ohm (kΩ), 1/16 W com um TCR de ±50 ppm/°C em um invólucro 0402. O equivalente da série RP é o RP0402FRE0710KL, que tem as mesmas especificações. A diferença entre os produtos é que a série RP oferece valores de resistência de 10 Ω a 240 kΩ nesta faixa do TCR, em comparação com a faixa da série AT de 10 Ω a 100 kΩ. A série RP fornece esta faixa de resistência em todos os valores de TCR, enquanto a série AT reduz a faixa para valores de TCR de ±10 ppm/°C e ±5 ppm/°C.

O AT0603DRE0710KL é um resistor da série AT de 10 kΩ, 1/10 W em um invólucro 0603. O seu TCR é de ±50 ppm/°C. O RP0603DRD0710KL é um resistor da série RP 0603 com as mesmas especificações nominais, exceto pelo TCR, que é de ±25 ppm/°C. A faixa disponível de resistências na série RP vai de 10 Ω a 910 kΩ. Os resistores AT têm valores que vão de 10 Ω a 330 kΩ para as duas maiores especificações de TCR e uma faixa muito mais restritiva para as seleções de TCR mais baixos.

Em um invólucro 0805, a série AT AT0805BRD0710KL é um resistor de 10 kΩ, 1/8 W com um TCR de ±25 ppm/°C. O RP equivalente, RP0805BRD0710KL, tem a mesma resistência, tolerância e TCR. Mais uma vez, a série RP tem uma faixa de resistência mais ampla em toda a faixa de seleções do TCR, enquanto os resistores AT têm uma faixa mais restrita para as três seleções de TCR mais baixo.

O AT1206BRD0710KL é um resistor de 10 kΩ, 1/4 W em um invólucro 1206. O seu equivalente RP é o RP1206BRD0710KL, com especificações idênticas.

Com base nas especificações elétricas, estas famílias de resistores são semelhantes e podem ser utilizadas em muitas aplicações. A série RP oferece uma faixa mais ampla de valores de resistência, tornando-a mais aplicável. A série AT oferece tolerâncias mais justas para alguns valores de resistência e uma faixa de TCR mais baixo, e ambas as caraterísticas seriam aplicadas onde se exige maior precisão e exatidão. Ambas as séries funcionam numa faixa de temperatura de -55°C a +155°C para os seus níveis de potência dimensionada. Note-se que a potência dimensionada deve ser degradada se a temperatura ambiente subir acima de +70°C (Figura 1).

Figura 1: A curva de degradação de potência para ambas as séries requer uma potência degradada a temperaturas superiores a 70°C. (Fonte da imagem: YAGEO)

Segurança e proteção ambiental

Tanto a família de produtos AT como a RP estão qualificadas para utilização em ambientes automotivos e industriais. Os compostos epóxi usados em sua fabricação são isentos de halogênio. Além disso, não contêm chumbo e cumprem as especificações RoHS. Esses resistores também reduzem a produção de resíduos ambientalmente perigosos usando materiais não proibidos.

Ambas as linhas de resistores têm baixa suscetibilidade à umidade e a gases corrosivos comuns em condições veiculares e industriais. Um aspeto da resistência à umidade é o nível de sensibilidade à umidade (MSL). Este sistema de dimensionamento utilizado pela indústria eletrônica identifica o tempo que um componente pode ser exposto a um nível de umidade relativa de 60% a 85% e a uma temperatura inferior a +29,4°C, antes de absorver um excesso de umidade para ser soldado por onda. Durante a soldagem por onda, a umidade retida se expande rapidamente, danificando o componente e possivelmente a placa de circuito. Os resistores das séries AT e RP são classificados em MLS 1, indicando uma vida útil ilimitada de armazenamento ao nível do piso. Eles também são testados quanto à resistência à umidade sob a AEC-Q200, e ambas as séries têm variações na resistência de menos de ± (0,1% + 0,05 Ω) devido à exposição à umidade.

A contaminação devido à exposição a compostos de enxofre é uma área crescente de sensibilidade para componentes passivos, como resistores de chip. O óleo, os lubrificantes, os combustíveis à base de óleo e os componentes ou revestimentos de borracha emitem fumaça à base de enxofre. Estes compostos de enxofre reagem com metais, especialmente a prata, e podem danificar os resistores de chip.

O teste (ASTM-B-809-95, modificado) para resistência ao enxofre envolve a exposição dos componentes do teste a uma atmosfera rica em enxofre, criada em um vaso fechado pela inclusão de uma quantidade mensurada de enxofre em pó. O vaso é aquecido a +105°C e os componentes são expostos a esta atmosfera durante 750 horas. Os resistores em teste são medidos para garantir que sua resistência mude abaixo do limite prescrito. Ambas as séries de resistores apresentam resistência superior ao enxofre.

Diferenças entre os resistores das séries AT e RP

Os resistores das séries AT e RP têm designs diferentes. A série AT é um design anterior que usa uma abordagem mais tradicional de resistência à umidade e ao enxofre. A série RP é um design mais recente que incorpora técnicas e materiais de construção mais inovadores (Figura 2).

Figura 2: Uma comparação da construção dos resistores de chip das séries AT e RP mostra as diferenças em como os dispositivos são protegidos da umidade e do enxofre. (Fonte da imagem: YAGEO)

Ambas as séries utilizam um filme metálico resistivo depositado num substrato cerâmico, como todos os resistores de chip. Os resistores AT usam cobre como eletrodo superior (C1) para reduzir os efeitos corrosivos dos vapores de enxofre, já que a reação do cobre com o enxofre não é tão forte quanto a da prata. A camada resistiva e o eletrodo são selados usando um revestimento de epóxi. As terminações das extremidades são feitas de níquel estanhado para garantir a soldabilidade. Eles selam e fornecem pontos de conexão ao eletrodo de prata na parte inferior do resistor.

Com base em anos de experiência com componentes relacionados a chips, os dispositivos RP acrescentam uma camada polimérica contendo prata (C3) no topo do eletrodo interno C1 para evitar a contaminação por enxofre. Isto permite que os eletrodos internos sejam feitos de prata. Uma fina camada de passivação constitui uma barreira entre o filme metálico e os elementos corrosivos. A passivação é um processo químico que reveste a camada resistiva para a tornar menos suscetível de ser corroída ou afetada pelo ambiente. Uma camada de epóxi completa o processo de selagem.

A série RP tem melhor resistência ao enxofre do que a série AT devido ao seu melhor processo de selagem. A especificação do ensaio de enxofre para os dispositivos RP tem um limite mais justo de ±(2,0% + 0,05 Ω) em comparação com os limites AT de ±(4,0% + 0.05 Ω). Isto significa uma menor alteração na resistência devido à exposição ao enxofre.

A nova estrutura do resistor também melhorou a eficiência da produção, com custos mais baixos e tempos de espera mais curtos.

Conclusão

Os sistemas automotivos, industriais e de telecomunicações exigem componentes de precisão que possam funcionar de forma confiável em ambientes severos, incluindo alta umidade e atmosferas erosivas. Os resistores das séries AT e RP possuem qualificação AEC-Q200 e são adequados para essas aplicações. A série RP apresenta uma melhor tolerância à umidade e ao enxofre, preços mais baixos e tempos de espera mais curtos. A série AT oferece valores seletivos dos resistores com tolerâncias menores de ±0,01%, ±0,02% e ±0,05%.