Los componentes electrónicos, incluidos los resistores, a menudo tienen que funcionar en entornos rigurosos y desafiantes. Dada la naturaleza fluctuante del clima en todo el mundo, no sorprende que haya tareas que requieran que los componentes funcionen en entornos de humedad elevada, sequedad extrema o humedad increíblemente alta. Por supuesto, la humedad se convierte en un peligro para cualquier tipo de resistor de carbono, ya que el agua y el carbono se combinan fácilmente para formar dióxido de carbono y carcomen el componente, lo cual resulta en un circuito abierto. El calor, por otra parte, tiende a disminuir la resistencia. Lo que podría sorprendernos es que los SMD de película gruesa, el tipo de resistor usado más comúnmente en los diseños actuales, son bastante resistentes a esta amenaza común. Lo que sí sorprende a muchos diseñadores es su vulnerabilidad al azufre.
El azufre es un peligro
El azufre está presente en muchos lubricantes comunes y también en componentes hechos de caucho, incluidas juntas, sellos y arandelas. Los resistores de chip de película gruesa, en particular, usan una combinación de plata y paladio en las terminaciones internas; y cada vez se usa más plata en la mezcla, debido a su costo inferior. El azufre y la plata reaccionan entre sí y forman sulfuro de plata. El filtrado del azufre al resistor generalmente ocurre en el pequeño espacio presente en el borde entre el electrodo externo, que es el conducto eléctrico entre el dispositivo y la placa de circuito impreso (PCB), y el revestimiento protector que protege el resto del componente. Una vez que se filtra, el azufre puede reaccionar rápidamente con la plata del electrodo interno y transformarla en sulfuro de plata.
Durante la vida útil de un producto electrónico, este proceso de sulfuración provoca una degradación importante. Es la causa de la resistencia adicional que supera enormemente la tolerancia indicada del resistor. Otro factor que se debe tener en cuenta es que el sulfuro de plata que se forma en este proceso ocupa más espacio que la plata que reemplaza, por lo que se generan grietas que dejan un espacio a través del cual puede ingresar más azufre. Como resultado, toda la plata del contacto quede cubierta, lo cual deja al resistor fuera del circuito y genera un circuito abierto.
Las soluciones para este problema no son baratas. Estas incluyen volver a usar más paladio y menos plata e, incluso, agregar un pequeño revestimiento de oro, ya que el oro no reacciona con el azufre. Esta es la solución que se emplea en los SMD de película gruesa ERJ-U030R00V de Panasonic.
Imagen 1: ERJ-U030R00V de Panasonic
El electrodo interno del ERJ-U030R00V de Panasonic tiene oro, lo cual brinda protección en los entornos sulfúreos. La hojas de datos explica que este componente está disponible en una variedad de tolerancias de resistencia y potencia nominal.
La mayor parte de los dispositivos electrónicos de todo tipo producidos a nivel global se vendieron a compañías y consumidores de Asia en los años recientes. En esa parte del mundo, la contaminación por azufre es un problema importante en las calles de las ciudades y en los entornos de fabricación. No se prevé que este problema mejore en un futuro próximo. Por esa razón, no solo los equipos especializados requieren protección contra el azufre, sino también los dispositivos de consumo.
Afortunadamente, los resistores de película delgada, que son en gran medida inmunes a los problemas relacionados con el azufre, se han vuelto cada vez más rentables de producir. Los dos tipos principales usan elementos resistivos compuestos de nitruro de tantalio y níquel-cromo. El primero resiste también los problemas provocados por la humedad. La resistencia de estos elementos a los problemas provocados por el azufre se basa en el electrodo interno, el cual contiene níquel-cromo en lugar de plata. Los resistores de película delgada tienen ventajas que no tienen los resistores de película gruesa. Estas incluyen una menor inductancia y capacitancia parásitas, un mejor coeficiente de temperatura de la resistencia (TCR) y una miniaturización más eficiente.
Humedad y agua
El níquel-cromo puede resistir el azufre, pero no el agua, especialmente en combinación con impurezas comunes, como el flúor, el cloro, el sodio y el calcio. El resultado es que el elemento resistivo se combina con el oxígeno contenido dentro del agua de un entorno húmedo y crea óxidos de metal que no conducen la electricidad, lo cual cambia radicalmente el valor del resistor.
En el caso de los resistores radiales, se ha demostrado que emplear una capa adicional de aislamiento es eficaz para que no ingrese humedad. Esto, junto con un proceso de fabricación cuidadoso para que no ingresen impurezas, ha resultado eficaz y económico. La capa adicional de revestimiento también ha funcionado con los SMD, pero el proceso de fabricación es más complejo. A menudo, la capa adicional es un revestimiento para toda la PC. Esto agrega costos y puede crear problemas si se debe reparar o actualizar la placa.
El elemento resistivo de los resistores de película delgada puede ser níquel-cromo o nitruro de tantalio. Los resistores con nitruro de tantalio, llamados a menudo resistores TaNFilm®, tienen la propiedad interesante de formar una capa de óxido como respuesta a un campo eléctrico, la cual actúa como una capa protectora bastante eficaz contra la humedad.
TT Electronics fabrica un resistor TaNFilm® en forma de divisor de tensión. Nombrado PFC-D1206-03-1503-3091-BB, este resistor se puede especificar en diferentes configuraciones. Como se explica en la hoja de datos, este dispositivo se ha probado con elementos de la norma MIL-STD 202, una norma militar para componentes electrónicos, y cumple los requisitos de resistencia a la humedad.
Temperaturas altas, presión e impacto mecánico
La industria petrolera es el consumidor más grande de equipos electrónicos diseñados para temperaturas altas. Cuanto más profundo taladran los exploradores de petróleo, más caliente se vuelve el ambiente, y las temperaturas de 150 °C pueden ser devastadoras para todos los tipos de resistores de película. Los resistores de alambre devanado, por otra parte, son estables, incluso a temperaturas de 300 °C y superiores. Como podría esperarse, los resistores que pueden resistir temperaturas altas tienen un TCR excelente. Los resistores de alambre devanado no son la excepción, ya que tienen un TCR dentro del rango de 3 ppm/°C.
Los resistores de capa metálica son altamente resistentes a los impactos mecánicos, lo cual es una característica fundamental para las aplicaciones aviónicas. Este tipo de resistor se confunde a menudo con los resistores de lámina metálica, pero, debido a que el elemento resistivo del resistor de capa metálica es mucho más grueso, este es intrínsecamente más sólido.
Esta característica se realza mediante una técnica especial de construcción, en la cual se coloca un alambre flexible, cuyo único propósito es absorber el impacto, entre el elemento resistivo y el conector que forma la conexión eléctrica externa. La NASA exige el uso de este método para los resistores de capa metálica en la especificación S-311-P-813. También requiere que los resistores de capa metálica sean capaces de absorber un impacto de 100 g y soportar una vibración máxima de 20 g. Debido a su TCR excelente, los resistores de capa metálica también son una gran opción para los ambientes de temperaturas altas.
Los resistores, a menudo considerados el más simple de los componentes pasivos, tienen diferentes fortalezas y debilidades en diferentes ambientes peligrosos. Los diseñadores que ignoran estos factores importantes lo hacen bajo su propio riesgo.