設計人員必須遵循電阻器老化準則

2021-05-18

設計人員必須遵循電阻器老化準則

需要空間級組件的設計必須考慮組件值隨時(shí)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(huì )發(fā)生重大變化。不幸的是，盡管大多數估計電阻器老化的公共準則是相當保守的，但問(wèn)題是設計師正在遵循典型的數據和廣告宣傳，而不是允許供應商提供的實(shí)際限制。

考慮到空間級電阻器的供應商太多，并且MIL-PRF-55342建立了電阻器規格，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(lái)，在WCCA中我們執行了老化/組合環(huán)境容差項，從0.1％到4％，通常被稱(chēng)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(kāi)始或BOL）始終在數據表中定義得很好。無(wú)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(hù)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(shí)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，并且具有相應的不同特性。因此，選擇的任何單個(gè)數據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），這些數字是合理的還是保守的。

零件公差數據庫（通常稱(chēng)為PVDB（零件變異性數據庫））是最壞情況分析的核心。分析開(kāi)始后觸摸PVDB或輸入錯誤，可能會(huì )影響整個(gè)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(kāi)發(fā)PVDB的主要原因之一，也是為什么客戶(hù)/計劃批準至關(guān)重要的原因之一。如果沒(méi)有得到WCCA審查的所有各方的批準，則不應開(kāi)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)于測試與分析預算比率（參考文獻1和2）的論文中，我討論了各個(gè)組件的總BOL與總EOL方差比率。電阻器無(wú)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(lèi)型零件的BOL到EOL公差疊加偏差。

WCCA中使用的每個(gè)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求和組合。耐老化性通常根據老化或短期或長(cháng)期壽命測試數據從Arrhenius方程推算得出（參考文獻3）。計算示例如圖3所示。如果沒(méi)有可用的測試數據，則將公共或專(zhuān)有準則用作假設（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/壽命測試數據。對于70°C，10,000小時(shí)，2％的壽命測試極限（根據軍事規格[參考10]），使用Ea為0.28或0.43eV時(shí)，老化在4.67％至4.99％之間。ESA建議使用0.28eV（參考文獻4）。應當指出，實(shí)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)變化的連續過(guò)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(zhù)您不僅需要考慮任務(wù)壽命，而且還需要增加在適當溫度條件下的存儲，集成和測試時(shí)間–除非您當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)品供應商State of the Art，Inc .。（SOTA）指出，電阻出廠(chǎng)時(shí)可能長(cháng)達10年。但是，SOTA并不認為薄膜電阻器會(huì )在無(wú)電的情況下老化：“ SOTA會(huì )將器件存儲在標準大氣（無(wú)N2吹掃）中，在典型的?23°C環(huán)境溫度下長(cháng)達10年而沒(méi)有觀(guān)察到的退化。”

SOTA會(huì )在制造10年后清除庫存，以確保庫存中的結構和材料變化最小。他們沒(méi)有證據表明室溫存儲會(huì )導致批次測試行為發(fā)生變化：“通常會(huì )從庫存中對現有批次進(jìn)行T級篩選。T級篩查為A組提供功率調節，B組檢查，并在ER Life中代表。沒(méi)有發(fā)現與老化相關(guān)的問(wèn)題。對于ER Life中所代表的原始批次和T級批次的幾個(gè)示例，性能幾乎沒(méi)有差異，也沒(méi)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則。

軍事規范中定義了一長(cháng)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(gè)程序的與制造相關(guān)的公差是不同的，并針對每個(gè)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(huì )因老化而失效，成為EOL因素。這些軍事規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(shí)間）公差相匹敵。

圖5 MIL-PRF-55342電阻器的規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(shí)內達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10）。

供應商提供的老化數據顯示什么

為了減少WCCA中使用的假設以及計劃/供應商索賠的不確定性，我們去年聯(lián)系了SOTA和Vishay。本節涵蓋了對話(huà)和數據交換的摘要。

大約十年前，我們與SOTA進(jìn)行了一些合作，并為此撰寫(xiě)了一篇論文（參考文獻5）。這次聯(lián)系時(shí)，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(shí)的批量數據。至少可以說(shuō)，我們很感激。

SOTA壽命測試性能文檔中包含的數據描繪了一個(gè)樂(lè )觀(guān)的畫(huà)面，并闡明了過(guò)去做出的一些假設。“ 180502TN1206Life.pdf”（參考文獻6）中的數據包含166個(gè)1206薄膜電阻器的10,000小時(shí)壽命測試數據（特性E，端接B，70°C）。它們由在MIL-PRF-55342條件（方法第4.8.11節）下測量的各種電阻值（兆歐至1 MW）組成。圖6顯示了兩個(gè)數據。

圖6左側顯示了SOTA提供的70°C 10,000次壽命測試數據批次中的兩個(gè)以及各種測量計算。數據擬合到右側的多維數據集根函數（大約）。Y軸是電阻值的％變化，X軸是時(shí)間（以小時(shí)為單位），大的值跳躍用紅色表示。對所有166個(gè)批次進(jìn)行了類(lèi)似的分析。

每個(gè)批次都適合一個(gè)具有常數和指數的表達式。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(shí)，以找到總的老化變化。

圖5中的紅色值是該批次每十小時(shí)最大的費率。每十小時(shí)小時(shí)數是從初始讀數到列頂部的小時(shí)數來(lái)計算的（250小時(shí)率是0到250小時(shí)，500小時(shí)率是0到500小時(shí)，依此類(lèi)推）。

正如SOTA和Vishay數據表（圖7）中所暗示的那樣，盡管指數變化很大，但這些電阻確實(shí)符合立方根函數。僅此啟示可能會(huì )導致主要航空制造商使用的某些專(zhuān)有準則發(fā)生變化。

圖7電阻數據表提示電阻的立方根老化。

匯總SOTA'180502TN1206Life.pdf'10,000小時(shí)的批號中提供的數據：

薄膜1206芯片電阻器的老化遵循立方根函數，其指數在0.2到6之間變化。這意味著(zhù)，老化可能比簡(jiǎn)單的立方根估計嚴重得多。

測量過(guò)程中有錯誤。誤差的大小未知，但通常會(huì )伴隨測量“跳變”。

假設如果在短時(shí)間內出現較大的誤差跳變（<2000小時(shí)，> 0.5％），則可以懷疑所得的數據點(diǎn)。

<0.01％的誤差與測量誤差沒(méi)有區別。根據長(cháng)期精度和值范圍誤差，高達0.02％的測量誤差并非不可想象。在偏移之前恢復到與測量一致的> 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(gè)未計入數據的變量。但是，按照MIL-PRF-55342的規定，壽命測試數據應在滿(mǎn)額定功率下進(jìn)行，且不得超過(guò)額定電壓。

Vishay迄今為止尚未提供原始數據，因此，如其應用說(shuō)明所指出的那樣，尚不清楚它們的性能是否滿(mǎn)足多維數據集根老化。

提供的數據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(zhù)公差可能不會(huì )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(huì )在一個(gè)方向上發(fā)生。

SOTA的薄膜經(jīng)理Brian Hill指出：“基于有限的長(cháng)期數據集（超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)），我相信總體趨勢是隨著(zhù)時(shí)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(xiàn)性）正行為的觀(guān)察到的擺動(dòng)。數據可能表明在達到穩定狀態(tài)之前的最初250-500小時(shí)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。

該數據與ECSS-Q-60-11A的ESA數據非常相似（參考文獻7）。圖表還具有顯示應力變化的附加好處。圖7中的ESA曲線(xiàn)未完全遵循SOTA數據，在較高功率水平下，ESA計算可能表明擔心單個(gè)程序范圍內的老化假設。

圖8 ESA是隨壓力變化的老化變化的唯一數據來(lái)源之一。具體來(lái)說(shuō)，ESA和SOTA定性表明了功率應力對電阻器老化（時(shí)間變化的斜率）的強烈影響。生成此圖的基礎數據不可用。資料來(lái)源：ECSS-Q-60-11A：55342電阻器老化。

底線(xiàn)

評估了SOTA數據集。使用使用1萬(wàn)小時(shí)數據擬合的公式，將1萬(wàn)小時(shí)數據外推到87,660小時(shí)。所得的87.66k小時(shí)偏差匯總在圖9和10中。

對于所審查的數據集，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Ea為0.28，則82％的批次在10年內的老化小于0.065％，而18％的批次在0.065％和0.425％之間。實(shí)際漂移取決于系統電阻器批次的屬性，因此其他具有不同電阻器組成公式的供應商可能不會(huì )遵循這些趨勢。

圖9將166個(gè)10k小時(shí)測試數據批次在84°C下使用0.28eV的Ea外推至87.66k小時(shí)。

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，由于功耗引起的溫度升高也會(huì )使電阻器的平均溫度比周?chē)h(huán)境高10-20度，并可能產(chǎn)生局部溫度更高的電阻器熱點(diǎn)。這些熱點(diǎn)可能會(huì )導致電阻老化。

對于> 70°C的溫度，耐老化性會(huì )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，此數據的轉換需要一個(gè)Ea假設。為了比較，在圖9中任意使用84°C。

底線(xiàn)是這個(gè)。除非您要購買(mǎi)一整批電阻器，否則必須編寫(xiě)源代碼控制文檔（SCD）來(lái)限制壽命測試的性能，否則批數據是無(wú)關(guān)緊要的。是的，它表明比規范的性能更好。各種制造商已經(jīng)對此提出了多年的要求，但是無(wú)論如何，根據軍事規范，供應商仍然可以為您提供在70°C的10k小時(shí)下只能滿(mǎn)足2％的電阻。

因此，有可能假設名義情況下的立方根指數（0.333）和Ea值（0.28），2％的10k小時(shí)方差可以高達4.67％（參考文獻8）！當使用來(lái)自批次測試數據的最大立方根（指數）方差（高達0.6）時(shí)，耐老化性會(huì )變得更差。此外，這無(wú)需對電阻應力進(jìn)行任何調整。不管您使用該規范還是以某種方式相信您都可以依靠批量數據；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(shuō)0.5％。

要創(chuàng )建一個(gè)SCD，它將在84°C的10年時(shí)將EOL的老化容限限制在0.5％，您可以要求10k小時(shí)的測試極限為0.215％（指數= 0.3333，Ea = 0.28eV）（參考文獻8）。SOTA指出，提供滿(mǎn)足10,000小時(shí)壽命測試要求的電阻器價(jià)格昂貴，而且交貨期長(cháng)（制造+ 14個(gè)月的測試交貨期）。大多數人都是根據1000或2000小時(shí)的壽命測試數據進(jìn)行評估。