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設(shè)計人員必須遵循電阻器老化準(zhǔn)則
設(shè)計人員必須遵循電阻器老化準(zhǔn)則
需要空間級組件的設(shè)計必須考慮組件值隨時間可能發(fā)生的變化。對于電阻器而言尤其如此，因為電阻器的使用壽命可能會發(fā)生重大變化。不幸的是，盡管大多數(shù)估計電阻器老化的公共準(zhǔn)則是相當(dāng)保守的，但問題是設(shè)計師正在遵循典型的數(shù)據(jù)和廣告宣傳，而不是允許供應(yīng)商提供的實際限制。
考慮到空間級電阻器的供應(yīng)商太多，并且MIL-PRF-55342建立了電阻器規(guī)格，因此不同公司在電阻器的老化公差和指南中使用的差異非常令人驚訝。多年來，在WCCA中我們執(zhí)行了老化/組合環(huán)境容差項，從0.1％到4％，通常被稱為老化。重新考慮使用0.5％或什至1％的MIL-PRF-55342電阻壽命終止效果；它可能不受支持。
初始和溫度公差（壽命開始或BOL）始終在數(shù)據(jù)表中定義得很好。無源元件的輻射容差為零。這僅將耐老化性定義為壽命終止（EOL）差異。這是程序和分析人員傾向于發(fā)揮創(chuàng)造力的地方。
圖1這張照片顯示了空氣中18年的電阻器老化情況。
目前，我們的客戶正在使用0.24％至1.25％的A級太空任務(wù)，許多關(guān)鍵計劃都選擇將十年任務(wù)的老化時間定為0.5％。這與初始和溫度容差不同，僅涵蓋了壽命終止的變化。這些期望的變化是正常且可以理解的，因為用于電阻膜的材料有很大不同，并且具有相應(yīng)的不同特性。因此，選擇的任何單個數(shù)據(jù)源都將具有有限的適用性。
讓我們評估一下，對于最壞情況的電路分析（WCCA），這些數(shù)字是合理的還是保守的。
零件公差數(shù)據(jù)庫（通常稱為PVDB（零件變異性數(shù)據(jù)庫））是最壞情況分析的核心。分析開始后觸摸PVDB或輸入錯誤，可能會影響整個分析。對于任何電阻容差的改變，肯定都是這種情況。這是為什么在WCCA初期大量開發(fā)PVDB的主要原因之一，也是為什么客戶/計劃批準(zhǔn)至關(guān)重要的原因之一。如果沒有得到WCCA審查的所有各方的批準(zhǔn)，則不應(yīng)開始計算。
但顯然，最有影響力的EOL容限是電阻器。在我最近關(guān)于測試與分析預(yù)算比率（參考文獻(xiàn)1和2）的論文中，我討論了各個組件的總BOL與總EOL方差比率。電阻器無疑是影響最大的電阻器，并且其EOL變化百分比最大，如下表所示。
圖2除非您知道骨骼在哪里（公差方面），否則請不要砍骨頭。下表顯示了幾種不同類型零件的BOL到EOL公差疊加偏差。
WCCA中使用的每個零件的極值公差變化是初始，溫度，組合的環(huán)境/老化和輻射公差的代數(shù)求和組合。耐老化性通常根據(jù)老化或短期或長期壽命測試數(shù)據(jù)從Arrhenius方程推算得出（參考文獻(xiàn)3）。計算示例如圖3所示。如果沒有可用的測試數(shù)據(jù)，則將公共或?qū)Ｓ袦?zhǔn)則用作假設(shè)（圖4）。
圖3該電阻器老化的示例計算基于84°C 10年使用壽命的老化/壽命測試數(shù)據(jù)。對于70°C，10,000小時，2％的壽命測試極限（根據(jù)軍事規(guī)格[參考10]），使用Ea為0.28或0.43eV時，老化在4.67％至4.99％之間。ESA建議使用0.28eV（參考文獻(xiàn)4）。應(yīng)當(dāng)指出，實際上不能確定地知道激活能Ea，它是計算的關(guān)鍵要素。
組件老化是物理化學(xué)變化的連續(xù)過程。它通常假定老化可能發(fā)生，即使部分是公正的。這意味著您不僅需要考慮任務(wù)壽命，而且還需要增加在適當(dāng)溫度條件下的存儲，集成和測試時間–除非您當(dāng)然將零件存儲在氮氣或其他惰性環(huán)境中。
令人驚訝的是，電阻產(chǎn)品供應(yīng)商State of the Art，Inc .。（SOTA）指出，電阻出廠時可能長達(dá)10年。但是，SOTA并不認(rèn)為薄膜電阻器會在無電的情況下老化：“ SOTA會將器件存儲在標(biāo)準(zhǔn)大氣（無N2吹掃）中，在典型的?23°C環(huán)境溫度下長達(dá)10年而沒有觀察到的退化。”
SOTA會在制造10年后清除庫存，以確保庫存中的結(jié)構(gòu)和材料變化最小。他們沒有證據(jù)表明室溫存儲會導(dǎo)致批次測試行為發(fā)生變化：“通常會從庫存中對現(xiàn)有批次進(jìn)行T級篩選。T級篩查為A組提供功率調(diào)節(jié)，B組檢查，并在ER Life中代表。沒有發(fā)現(xiàn)與老化相關(guān)的問題。對于ER Life中所代表的原始批次和T級批次的幾個示例，性能幾乎沒有差異，也沒有差異。”
圖4該表顯示了有關(guān)電阻器老化容限的典型公共準(zhǔn)則。
軍事規(guī)范中定義了一長串與制造和測試相關(guān)的公差，這些公差決定了綜合的環(huán)境公差。每個程序的與制造相關(guān)的公差是不同的，并針對每個程序的制造，測試和資格要求量身定制。盡管它們與制造和測試有關(guān)，但它們經(jīng)常會因老化而失效，成為EOL因素。這些軍事規(guī)格公差是不容忽視的，并且如圖5所示，可以輕易地與老化（基于時間）公差相匹敵。
圖5 MIL-PRF-55342電阻器的規(guī)范指出了各種制造和測試相關(guān)的公差，這些公差可能加總。最終，制造商可以提供在70°C的10,000小時內(nèi)達(dá)到壽命測試要求小于或等于2.0％電阻變化的電阻器（參考文獻(xiàn)10）。
供應(yīng)商提供的老化數(shù)據(jù)顯示什么
為了減少WCCA中使用的假設(shè)以及計劃/供應(yīng)商索賠的不確定性，我們?nèi)ツ曷?lián)系了SOTA和Vishay。本節(jié)涵蓋了對話和數(shù)據(jù)交換的摘要。
大約十年前，我們與SOTA進(jìn)行了一些合作，并為此撰寫了一篇論文（參考文獻(xiàn)5）。這次聯(lián)系時，SOTA向我們發(fā)送了與最初在2009年發(fā)送給我們的文檔相同的文檔。我們進(jìn)行了進(jìn)一步追蹤，SOTA得以提供10,000和100,000小時的批量數(shù)據(jù)。至少可以說，我們很感激。
SOTA壽命測試性能文檔中包含的數(shù)據(jù)描繪了一個樂觀的畫面，并闡明了過去做出的一些假設(shè)。“ 180502TN1206Life.pdf”（參考文獻(xiàn)6）中的數(shù)據(jù)包含166個1206薄膜電阻器的10,000小時壽命測試數(shù)據(jù)（特性E，端接B，70°C）。它們由在MIL-PRF-55342條件（方法第4.8.11節(jié)）下測量的各種電阻值（兆歐至1 MW）組成。圖6顯示了兩個數(shù)據(jù)。
圖6左側(cè)顯示了SOTA提供的70°C 10,000次壽命測試數(shù)據(jù)批次中的兩個以及各種測量計算。數(shù)據(jù)擬合到右側(cè)的多維數(shù)據(jù)集根函數(shù)（大約）。Y軸是電阻值的％變化，X軸是時間（以小時為單位），大的值跳躍用紅色表示。對所有166個批次進(jìn)行了類似的分析。
每個批次都適合一個具有常數(shù)和指數(shù)的表達(dá)式。例如，如圖5所示，為0.0015x 0.2483或0.0008x 0.3675。然后將該公式擴展到87660小時，以找到總的老化變化。
圖5中的紅色值是該批次每十小時最大的費率。每十小時小時數(shù)是從初始讀數(shù)到列頂部的小時數(shù)來計算的（250小時率是0到250小時，500小時率是0到500小時，依此類推）。
正如SOTA和Vishay數(shù)據(jù)表（圖7）中所暗示的那樣，盡管指數(shù)變化很大，但這些電阻確實符合立方根函數(shù)。僅此啟示可能會導(dǎo)致主要航空制造商使用的某些專有準(zhǔn)則發(fā)生變化。
圖7電阻數(shù)據(jù)表提示電阻的立方根老化。
匯總SOTA'180502TN1206Life.pdf'10,000小時的批號中提供的數(shù)據(jù)：
薄膜1206芯片電阻器的老化遵循立方根函數(shù)，其指數(shù)在0.2到6之間變化。這意味著，老化可能比簡單的立方根估計嚴(yán)重得多。
測量過程中有錯誤。誤差的大小未知，但通常會伴隨測量“跳變”。
假設(shè)如果在短時間內(nèi)出現(xiàn)較大的誤差跳變（<2000小時，> 0.5％），則可以懷疑所得的數(shù)據(jù)點。
<0.01％的誤差與測量誤差沒有區(qū)別。根據(jù)長期精度和值范圍誤差，高達(dá)0.02％的測量誤差并非不可想象。在偏移之前恢復(fù)到與測量一致的> 0.02％的變化是由于測量誤差引起的。
功率壓力水平是另一個未計入數(shù)據(jù)的變量。但是，按照MIL-PRF-55342的規(guī)定，壽命測試數(shù)據(jù)應(yīng)在滿額定功率下進(jìn)行，且不得超過額定電壓。
Vishay迄今為止尚未提供原始數(shù)據(jù)，因此，如其應(yīng)用說明所指出的那樣，尚不清楚它們的性能是否滿足多維數(shù)據(jù)集根老化。
提供的數(shù)據(jù)適用于由金屬合金或金屬氧化物的薄膜組成的薄膜電阻器，而厚膜的電阻器通常由玻璃-金屬熔塊組成，而玻璃-金屬熔塊的老化速率通常高于薄膜（圖6）。
這種趨勢是壓倒性的，并且始終是積極的。這意味著公差可能不會是隨機的，而是有偏差的。如果EOL公差為RSS，這將影響您的WCCA計算，因為電阻的老化變化只會在一個方向上發(fā)生。
SOTA的薄膜經(jīng)理Brian Hill指出：“基于有限的長期數(shù)據(jù)集（超過10萬小時），我相信總體趨勢是隨著時間的推移緩慢緩慢地向正漂移。我懷疑測量誤差提供了圍繞該平均（幾乎線性）正行為的觀察到的擺動。數(shù)據(jù)可能表明在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前的最初250-500小時測試中的初始速率較高，但是在薄膜中，由于變化非常接近測量誤差邊界，因此很難確定。
該數(shù)據(jù)與ECSS-Q-60-11A的ESA數(shù)據(jù)非常相似（參考文獻(xiàn)7）。圖表還具有顯示應(yīng)力變化的附加好處。圖7中的ESA曲線未完全遵循SOTA數(shù)據(jù)，在較高功率水平下，ESA計算可能表明擔(dān)心單個程序范圍內(nèi)的老化假設(shè)。
圖8 ESA是隨壓力變化的老化變化的唯一數(shù)據(jù)來源之一。具體來說，ESA和SOTA定性表明了功率應(yīng)力對電阻器老化（時間變化的斜率）的強烈影響。生成此圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不可用。資料來源：ECSS-Q-60-11A：55342電阻器老化。
底線
評估了SOTA數(shù)據(jù)集。使用使用1萬小時數(shù)據(jù)擬合的公式，將1萬小時數(shù)據(jù)外推到87,660小時。所得的87.66k小時偏差匯總在圖9和10中。
對于所審查的數(shù)據(jù)集，并且不考慮老化大于?2％的批次，在70°C下10年的批次中有81％的老化小于0.065％，而批次中的19％介于0.065％和0.395％之間。在84°C下，假設(shè)Ea為0.28，則82％的批次在10年內(nèi)的老化小于0.065％，而18％的批次在0.065％和0.425％之間。實際漂移取決于系統(tǒng)電阻器批次的屬性，因此其他具有不同電阻器組成公式的供應(yīng)商可能不會遵循這些趨勢。
圖9將166個10k小時測試數(shù)據(jù)批次在84°C下使用0.28eV的Ea外推至87.66k小時。
您還需要考慮程序的最壞情況溫度。即使限定溫度在60°C至65°C范圍內(nèi)，由于功耗引起的溫度升高也會使電阻器的平均溫度比周圍環(huán)境高10-20度，并可能產(chǎn)生局部溫度更高的電阻器熱點。這些熱點可能會導(dǎo)致電阻老化。
對于> 70°C的溫度，耐老化性會更差。溫度的變化與活化能Ea有關(guān)。Ea對于各種制造商的厚膜和薄金屬膜電阻器都不為人所知。ESA建議Ea為0.28eV。軍事規(guī)格表明，盡管通用值在0.28eV和0.43eV之間，但Ea可以更低。因此，此數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換需要一個Ea假設(shè)。為了比較，在圖9中任意使用84°C。
底線是這個。除非您要購買一整批電阻器，否則必須編寫源代碼控制文檔（SCD）來限制壽命測試的性能，否則批數(shù)據(jù)是無關(guān)緊要的。是的，它表明比規(guī)范的性能更好。各種制造商已經(jīng)對此提出了多年的要求，但是無論如何，根據(jù)軍事規(guī)范，供應(yīng)商仍然可以為您提供在70°C的10k小時下只能滿足2％的電阻。
因此，有可能假設(shè)名義情況下的立方根指數(shù)（0.333）和Ea值（0.28），2％的10k小時方差可以高達(dá)4.67％（參考文獻(xiàn)8）！當(dāng)使用來自批次測試數(shù)據(jù)的最大立方根（指數(shù)）方差（高達(dá)0.6）時，耐老化性會變得更差。此外，這無需對電阻應(yīng)力進(jìn)行任何調(diào)整。不管您使用該規(guī)范還是以某種方式相信您都可以依靠批量數(shù)據(jù)；您仍然必須與其他制造/測試公差（不為0％）抗衡。
因此，對于70°C的10年任務(wù)，MIL-PRF-55342電阻器老化不宜使用1％，更不用說0.5％。
要創(chuàng)建一個SCD，它將在84°C的10年時將EOL的老化容限限制在0.5％，您可以要求10k小時的測試極限為0.215％（指數(shù)= 0.3333，Ea = 0.28eV）（參考文獻(xiàn)8）。SOTA指出，提供滿足10,000小時壽命測試要求的電阻器價格昂貴，而且交貨期長（制造+ 14個月的測試交貨期）。大多數(shù)人都是根據(jù)1000或2000小時的壽命測試數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。