Bei Konstruktionen, für die Komponenten mit Platzbedarf erforderlich sind, müssen die Abweichungen der Komponentenwerte berücksichtigt werden, die im Laufe der Zeit auftreten können. Dies gilt insbesondere für Widerstände, die im Laufe ihrer Lebensdauer erhebliche Änderungen aufweisen können. Leider sind dabei die meisten öffentlichen Richtlinien zur Schätzung Widerstand Das Altern ist einigermaßen konservativ. Das Problem ist, dass Designer typischen Daten- und Werbehype folgen und nicht den tatsächlichen Grenzen, an die Anbieter liefern dürfen.
Angesichts der Tatsache, dass es nicht zu viele Anbieter von Weltraumwiderständen gibt und dass MIL-PRF-55342 Spezifikationen für Widerstände festlegt, ist die Varianz, die verschiedene Unternehmen bei den Alterungstoleranzen und Richtlinien für Widerstände verwenden, ziemlich überraschend. Im Laufe der Jahre haben wir in der WCCA, die wir durchgeführt haben, alles von 0.1% bis 4% für den Toleranzbegriff Alterung / kombinierte Umgebung gesehen, der oft nur als Alterung bezeichnet wird. Überdenken Sie die Verwendung von 0.5% oder sogar 1% für MIL-PRF-55342-Widerstandsendeeffekte; es ist wahrscheinlich nicht unterstützbar.
Die Anfangs- und Temperaturtoleranzen (Beginn der Lebensdauer oder BOL) sind im Datenblatt immer genau definiert. Die Strahlungstoleranz ist für passive Komponenten Null. Dies lässt nur die Alterungstoleranz als EOL-Varianz (End-of-Life) zu definieren. Hier tendieren Programme und Analysten dazu, kreativ zu werden.
Abb. 1: Dieses Foto zeigt, wie 18 Jahre Widerstandsalterung in der Luft aussehen können. (Bild: AEi Systems)
Derzeit verwenden unsere Kunden 0.24% bis 1.25% für Weltraummissionen der Klasse A, wobei viele kritische Programme für eine 0.5-jährige Mission eine Alterung von 10% wählen. Dies ist abgesehen von den Anfangs- und Temperaturtoleranzen und deckt nur die Varianz am Ende der Lebensdauer ab. Diese Erwartungsschwankungen sind normal und verständlich, da die für den Widerstandsfilm verwendeten Materialien erheblich variieren und entsprechend unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Daher wäre jede einzelne ausgewählte Datenquelle nur eingeschränkt anwendbar.
Lassen Sie uns bewerten, ob diese Zahlen für eine Worst-Case-Schaltungsanalyse (WCCA) vernünftig oder zumindest einigermaßen konservativ erscheinen.
Die Teiletoleranzdatenbank, die häufig als PVDB (Partys Variability Database) bezeichnet wird, ist das Herzstück der Worst-Case-Analyse. Berühren Sie die PVDB, nachdem die Analyse gestartet wurde, oder machen Sie einen Fehler, und die gesamte Analyse kann beeinträchtigt werden. Dies wäre sicherlich bei Änderungen der Widerstandstoleranz der Fall. Dies ist einer der Hauptgründe, warum die PVDB zu Beginn der WCCA weitgehend entwickelt wurde und warum die Genehmigung von Kunden / Programmen von entscheidender Bedeutung ist. Ohne die Zustimmung aller Parteien, die die WCCA überprüfen, sollten die Berechnungen nicht beginnen.
Ich habe in meinem Blog WCCA über den Grad der Genauigkeit gesprochen, der für eine WCCA erforderlich ist: Mangelnde Genauigkeit wird Sie kosten, aber die wirkungsvollsten EOL-Toleranzen sind eindeutig die der Widerstände. In meinen jüngsten Arbeiten zum Verhältnis von Test zu Analysebudget (Referenzen 1 und 2) habe ich die Gesamtvarianzverhältnisse von BOL zu Gesamt-EOL verschiedener Komponenten erörtert. Widerstände sind mit Sicherheit am wirkungsvollsten und können prozentual die größte EOL-Änderung aufweisen, wie in der folgenden Tabelle gezeigt.
Abb. 2: Schneiden Sie nicht bis auf den Knochen, es sei denn, Sie wissen, wo sich der Knochen befindet (toleranzmäßig). (Bild: AEi Systems)
Diese Tabelle zeigt die Stapelvarianz der BOL-zu-EOL-Toleranz für verschiedene Arten von Teilen.
Die Variation der Extremwerttoleranz für jedes in der WCCA verwendete Teil ist die algebraisch summierte Kombination aus Anfangs-, Temperatur-, kombinierten Umgebungen / Alterungs- und Strahlungstoleranzen. Die Alterungstoleranz wird normalerweise aus Arrhenius-Gleichungen extrapoliert, die auf Einbrenn- oder Kurz- oder Langzeitlebensdauertestdaten basieren (Referenz 3). Eine Beispielberechnung ist in dargestellt Abb.. 3. Wenn keine Testdaten verfügbar sind, werden öffentliche oder proprietäre Richtlinien als Annahmen verwendet (Abb.. 4).
Abb. 3: Diese Beispielberechnung der Widerstandsalterung basiert auf Burn-In / Life-Testdaten für eine 84-Jahres-Mission bei 10 ° C. Bei einer Lebensdauertestgrenze von 70 ° C, 10,000 Stunden und 2% (gemäß der militärischen Spezifikation [Referenz 10]) liegt die Alterung zwischen 4.67% und 4.99%, wobei Ea als 0.28 oder 0.43 eV verwendet wird. 0.28 eV werden von der ESA vorgeschlagen (Referenz 4). Es ist zu beachten, dass die Aktivierungsenergie Ea, ein kritisches Element der Berechnung, nicht mit Sicherheit bekannt ist. (Bild: AEi Systems)
Die Alterung von Komponenten ist ein kontinuierlicher Prozess der physikalisch-chemischen Veränderung. Es ist allgemein angenommen, dass Alterung stattfinden kann, auch wenn das Teil unvoreingenommen ist. Das bedeutet, dass Sie nicht nur die Lebensdauer der Mission berücksichtigen müssen, sondern auch die Lager-, Integrations- und Testzeit bei den entsprechenden Temperaturbedingungen verlängern müssen - es sei denn, Sie lagern Ihre Teile natürlich in Stickstoff oder einer anderen inerten Umgebung.
Überraschenderweise gibt der Hersteller von resistiven Produkten, State of the Art, Inc. (SOTA), an, dass es sich möglicherweise um Widerstände handelt bis zu 10 Jahre alt beim Versand. SOTA glaubt jedoch nicht, dass Dünnschichtwiderstände ohne Stromversorgung altern: „SOTA lagert Geräte in Standardatmosphäre (keine N2-Spülung) bei einer typischen Umgebungstemperatur von ~ 23 ° C für bis zu 10 Jahre ohne beobachteten Abbau.“
SOTA spült den Lagerbestand nach 10 Jahren von der Herstellung, um minimale Konstruktions- und Materialschwankungen innerhalb des Lagerbestands sicherzustellen. Sie haben keine Hinweise auf eine Lagerung bei Raumtemperatur, was zu einer Änderung des Chargenprüfverhaltens führt: „T-Level-Screenings werden normalerweise für vorhandene Chargen ab Lager durchgeführt. Das T-Level-Screening bietet Gruppe A Stromkonditionierung, Inspektionen der Gruppe B und ist im ER Life vertreten. Es wurden keine Probleme im Zusammenhang mit dem Altern festgestellt. Bei den wenigen Beispielen für das ursprüngliche Los und das Los auf T-Ebene, die in ER Life vertreten sind, gibt es kaum einen Unterschied zu keinem Leistungsunterschied. “
Abb. 4: Diese Tabelle zeigt die typischen öffentlichen Richtlinien für Widerstandsalterungstoleranzen. (Bild: AEi Systems)
Eine lange Liste herstellungs- und testbezogener Toleranzen, wie sie in den militärischen Spezifikationen definiert sind, bestimmt die kombinierte Umwelttoleranz. Die herstellungsbezogenen Toleranzen sind für jedes Programm unterschiedlich und auf die Herstellungs-, Test- und Qualifizierungsanforderungen jedes Programms zugeschnitten. Während sie mit Herstellung und Test zusammenhängen, werden sie häufig mit dem Altern als EOL-Faktoren in Verbindung gebracht. Diese militärischen Spezifikationstoleranzen sind nicht zu verwerfen und können, wie in angegeben Abb.. 5können leicht mit der Alterungstoleranz (zeitbasiert) mithalten.
Abb. 5: Die Spezifikation für MIL-PRF-55342-Widerstände gibt eine Vielzahl von herstellungs- und testbezogenen Toleranzen an, die sich summieren können. Letztendlich können Hersteller Widerstände liefern, die eine Lebensdauertestanforderung von weniger als oder gleich 2.0% Widerstandsänderung über die 10,000 Stunden bei 70 ° C erfüllen (Referenz 10).
Was die vom Anbieter bereitgestellten Alterungsdaten zeigen
Um die in WCCA verwendeten Annahmen und die Unsicherheit bei Programm- / Lieferantenansprüchen zu verringern, haben wir uns letztes Jahr an SOTA und Vishay gewandt. Dieser Abschnitt enthält eine Zusammenfassung der Konversationen und des Datenaustauschs.
Wir haben vor ungefähr einem Jahrzehnt mit SOTA gearbeitet und einen Artikel darüber geschrieben (Referenz 5). Als SOTA diesmal kontaktiert wurde, schickte es uns das gleiche Dokument, das sie uns ursprünglich im Jahr 2009 geschickt hatten. Wir verfolgten es weiter und SOTA kam durch und lieferte Losdaten für 10,000 und 100,000 Stunden. Wir waren gelinde gesagt dankbar.
Die im SOTA-Lebensdauertest-Leistungsdokument enthaltenen Daten zeichnen ein rosiges Bild und verdeutlichen mehrere Annahmen, die in der Vergangenheit getroffen wurden. Die Daten in '180502TN1206Life.pdf' (Referenz 6) enthielten 166 Chargen von 10,000-Stunden-Lebensdauertestdaten für 1206 Dünnschichtwiderstände (Charakteristik E, Abschluss B, 70 ° C). Sie bestanden aus verschiedenen Widerstandswerten (Milliohm bis 1 MW), die unter MIL-PRF-55342-Bedingungen gemessen wurden (Methode Absatz 4.8.11). Zwei Datenmengen werden in angezeigt Abb.. 6.
Abb. 6: Links sind zwei der von SOTA bereitgestellten 70-Lebenstest-Datenlose mit 10,000 ° C und verschiedenen Messberechnungen dargestellt. Die Daten wurden (ungefähr) rechts an eine Kubikwurzelfunktion angepasst. Die Y-Achse ist die prozentuale Änderung des Widerstandswerts, die X-Achse ist die Zeit in Stunden und große Wertsprünge sind rot markiert. Alle 166 Lose wurden ähnlich analysiert. (Bild: AEi Systems)
Jedes Los ist mit einem Ausdruck versehen, der eine Konstante und einen Exponenten hat. Zum Beispiel 0.0015x0.2483 oder 0.0008x0.3675, wie in gezeigt Abb.. 5. Die Formel wird dann auf 87660 Stunden erweitert, um die gesamte Alterungsvariation zu ermitteln.
Die Werte in rot in Abb.. 5 sind die größten Stundensätze pro Jahrzehnt für das Los. Die Stundensätze pro Jahrzehnt werden vom ersten Messwert bis zur Stunde am oberen Rand der Spalte berechnet (der 250-Stunden-Satz liegt zwischen 0 und 250 Stunden, der 500-Stunden-Satz zwischen 0 und 500 Stunden usw.).
Wie in den Datenblättern von SOTA und Vishay angedeutet (Abb.. 7) passen die Widerstände tatsächlich zu einer Kubikwurzelfunktion, obwohl der Exponent stark variiert. Diese Offenbarung allein wird wahrscheinlich dazu führen, dass einige proprietäre Richtlinien geändert werden, die von führenden Luft- und Raumfahrtherstellern verwendet werden.
Abb. 7: Widerstandsdatenblätter weisen auf die Alterung der Kubikwurzeln für Widerstände hin. (Quelle: State of the Art, Inc.)
Zusammenfassung der Daten, die im 180502-Stunden-Los von SOTA '1206TN10,000Life.pdf' enthalten sind:
- Die Alterung des 1206-Chipwiderstands im Dünnfilm folgt einer Kubikwurzelfunktion mit einem Exponenten, der von 0.2 bis 6 variiert. Dies bedeutet, dass die Alterung erheblich schlechter sein kann als die einfache Kubikwurzelschätzung.
- Der Messvorgang weist Fehler auf. Die Größe des Fehlers ist unbekannt, wird jedoch normalerweise von Messsprüngen begleitet.
- Es wird angenommen, dass der resultierende Datenpunkt verdächtig ist, wenn über einen kurzen Zeitraum ein großer Fehlersprung auftritt (> 0.5% für <2000 Stunden).
- Fehler <0.01% sind nicht von Messfehlern zu unterscheiden. Abhängig von der Langzeitgenauigkeit und dem Wertebereichsfehler ist ein Messfehler von bis zu 0.02% nicht unvorstellbar. Änderungen> 0.02%, die sich erholen, um vor der Abweichung mit der Messung übereinzustimmen, sind auf Messfehler zurückzuführen.
- Das Ausmaß der Leistungsbelastung ist eine weitere Variable, die in den Daten nicht berücksichtigt wird. Die Lebensdauertestdaten haben jedoch die volle Nennleistung und dürfen die Nennspannung gemäß MIL-PRF-55342 nicht überschreiten.
- Vishay hat bisher keine Rohdaten bereitgestellt, daher ist nicht bekannt, ob ihre Leistung der Kubikwurzelalterung entspricht, wie aus dem Anwendungshinweis hervorgeht.
- Die angegebenen Daten betrafen Dünnschichtwiderstände, die aus Filmen aus Metalllegierungen oder Metalloxiden bestehen, während Dickschichtwiderstände aus Glas-Metall-Fritten bestehen, die typischerweise schneller altern als Dünnfilme (Abb.. 6).
- Der Trend ist überwiegend und immer positiv. Dies bedeutet, dass die Toleranz wahrscheinlich nicht zufällig, sondern voreingenommen sein sollte. Dies wirkt sich auf Ihre WCCA-Berechnungen aus, wenn EOL-Toleranzen RSS-fähig sind, da Schwankungen der Widerstandsalterung nur in eine Richtung auftreten.
Brian Hill, Dünnschichtmanager bei SOTA, bemerkte: „Aufgrund der begrenzten Langzeitdatensätze (über 100 Stunden) glaube ich, dass der allgemeine Trend eine langsame positive positive Tendenz im Laufe der Zeit ist. Ich vermute, dass ein Messfehler das beobachtete Wackeln um dieses durchschnittliche (fast lineare) positive Verhalten liefert. Die Daten deuten möglicherweise auf eine anfänglich höhere Rate in den ersten 250 bis 500 Teststunden hin, bevor ein stabileres Verhalten erreicht wird. Bei Dünnfilmen ist dies jedoch schwieriger zu bestimmen, da die Änderung so nahe an den Messfehlergrenzen liegt. “
Die Daten ahmen die ESA-Daten von ECSS-Q-60-11A (Referenz 7) sehr gut nach. Die Grafiken haben auch den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Variation mit der Spannung zeigen. Die ESA-Kurven in Abb.. 7 Befolgen Sie die SOTA-Daten nicht genau, und bei höheren Leistungsstufen können die ESA-Berechnungen Anlass zur Sorge geben, wenn eine einzige programmweite Alterungsannahme vorliegt.
Abb. 8: Die ESA ist eine der wenigen Datenquellen zur Veränderung des Alterns mit dem Stresslevel. ESA-spezifisch und SOTA qualitativ weisen auf einen starken Einfluss der Leistungsbelastung auf die Widerstandsalterung hin (Steigung der Zeitvariation). Die zugrunde liegenden Daten, die dieses Diagramm erstellt haben, waren NICHT verfügbar. Quelle: ECSS-Q-60-11A: Alterung des Widerstands 55342. (Bild: AEi Systems)
Unter dem Strich
Der SOTA-Datensatz wurde bewertet. Die 10-Stunden-Daten wurden unter Verwendung der Gleichung, die unter Verwendung der 87,660-Stunden-Daten angepasst wurde, auf 10 Stunden extrapoliert. Die resultierenden Abweichungen von 87.66 Stunden sind in zusammengefasst Abb. 9 und 10.
Für den überprüften Datensatz und ohne Berücksichtigung von Partien mit einer Alterung von mehr als ~ 2% waren 81% der Partien 0.065 Jahre lang bei 10 ° C weniger als 70% alt, und 19% der Partien lagen zwischen 0.065% und 0.395%. Bei 84 ° C waren 0.28% der Partien unter der Annahme eines Ea von 82 0.065 Jahre lang weniger als 10% alternd, und 18% der Partien lagen zwischen 0.065% und 0.425%. Die tatsächliche Drift hängt von den Eigenschaften der Systemwiderstandsmenge ab, sodass andere Anbieter, die andere Formeln für die Widerstandszusammensetzung haben, diese Trends möglicherweise nicht einhalten.
9: 166 Chargen von 10,000-Stunden-Testdaten wurden auf 87,660 Stunden bei 70 ° C extrapoliert. (Bild: AEi Systems)
Fig. 10: 166 Chargen von 10-Stunden-Testdaten wurden auf 87.66 Stunden bei 84ºC unter Verwendung eines Ea von 0.28 eV extrapoliert. (Bild: AEi Systems)
Sie müssen auch die Worst-Case-Temperatur Ihres Programms berücksichtigen. Selbst bei Qualifikationstemperaturen im Bereich von 60 ° C bis 65 ° C kann ein Temperaturanstieg aufgrund von Verlustleistung die Durchschnittstemperatur eines Widerstands um 10 bis 20 Grad über die Umgebungsumgebung erhöhen und einen Widerstands-Hotspot mit einer noch höheren lokalisierten Temperatur erzeugen. Diese Hot Spots können die Alterung des Widerstands fördern.
Bei Temperaturen> 70 ° C sind die Alterungstoleranzen schlechter. Die Variation mit der Temperatur hängt mit der Aktivierungsenergie Ea zusammen. Die Ea ist nicht bekannt für dicke und dünne Metallfilmwiderstände verschiedener Hersteller. Die ESA schlägt einen Ea von 0.28 eV vor. Die militärische Spezifikation zeigt an, dass Ea niedriger sein kann, obwohl gemeinsame Werte zwischen 0.28 eV und 0.43 eV liegen. Daher erfordert die Übersetzung dieser Daten eine Ea-Annahme. Zu Vergleichszwecken werden 84 ° C willkürlich in verwendet Abb.. 9.
Das Endergebnis ist dies. Sofern Sie nicht eine ganze Menge von Widerständen kaufen oder ein Quellcodeverwaltungsdokument (SCD) geschrieben haben, um die Leistung des Lebensdauertests zu begrenzen, sind die Chargendaten irrelevant. Ja, es zeigt eine bessere Leistung als die Spezifikation an. Dies wird seit Jahren von verschiedenen Herstellern behauptet, aber unabhängig von der militärischen Spezifikation kann der Anbieter Ihnen immer noch Widerstände zur Verfügung stellen, die bei 2 Stunden bei 10 ° C nur 70% erreichen.
Es ist daher möglich, unter der Annahme eines Kubikwurzelexponenten im Nennfall (0.333) und eines Ea-Werts (0.28), dass eine Varianz von 2% bis 10 Stunden bis zu 4.67% betragen kann (Referenz 8)! Die Alterungstoleranz wird viel schlechter, wenn die maximale Abweichung der Kubikwurzel (Exponent) von den Chargentestdaten verwendet wird (bis zu 0.6). Darüber hinaus ist dies ohne Anpassungen für die Widerstandsspannung. Und ob Sie die Spezifikation verwenden oder irgendwie glauben, dass Sie sich auf Losdaten verlassen können; Sie müssen sich immer noch mit anderen Herstellungs- / Prüftoleranzen auseinandersetzen, die nicht 0% betragen.
Daher ist es nicht sinnvoll, 1%, geschweige denn 0.5%, für die Alterung des MIL-PRF-55342-Widerstands für eine 70-jährige Mission bei 10 ° C zu verwenden.
Um eine SCD zu erstellen, die die EOL-Alterungstoleranz bei 0.5 Jahren und 10 ° C auf 84% begrenzt, können Sie eine 10-Stunden-Testgrenze von 0.215% (Exponent = 0.3333, Ea = 0.28 eV) anfordern (Referenz 8). SOTA stellt fest, dass die Bereitstellung von Widerständen für eine Testanforderung von 10,000 Stunden teuer ist und lange Vorlaufzeiten aufweist (Herstellung + 14 Monate Testvorlaufzeit). Die meisten Menschen nehmen diese Bewertung auf der Grundlage von 1000- oder 2000-Stunden-Lebensdauertestdaten vor (Herstellung + 1.5 bis 3 Monate Testvorlaufzeit).
Besonderer Dank geht an Brian Hill von SOTA und Michael J Cozzolino von Aerospace Corporation für ihre Kommentare und Hinweise.
Bibliographie
- Optimierung des Verhältnisses von Elektroniktest zu Analyse, Charles Hymowitz, 7. Februar 2020.
- Test vs. Analyse; Was ist das richtige Verhältnis, um eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen?, Charles Hymowitz, PSMA-Webinar, Donnerstag, 18. Februar 2021.
- Arrhenius-Gleichung, ScienceDirect
- ECSS-Q-TM-30-12A, Drifts am Ende der Lebensdauer - EEE-Komponenten, Oktober 2010 auf Seite 46
- Warum ist Ihr 1% Widerstand wirklich nicht? Widerstandstoleranzstudie, Steve Sandler, Charles Hymowitz, Space Power 2009, Aerospace Space Power Workshop
- Lebensdauertestleistung, resistive Produkte, Stand der Technik, Inc., 180502TN1206Life.pdf
Haupt-SOTA-Dünnschicht-Lebensdauertestdatei, die bei der Zusammenstellung von 180502TN1206Life_Macro mit den Zusätzen PH 10khr.xlsm - 180502TN1206Life_Macro mit den Zusätzen PH 10khr.xlsm verwendet wird - Extrapolation auf 10 Jahre Tol 70C Full Power basierend auf SOTA 10khour-Testdaten - Andere Lebensdauertestdateien mit 100 Stunden! - ECSS-Q-60-11A 7. September 2004 Driften von Derating- und End-of-Life-Parametern - EEE-Komponenten
- Dünnschicht-Alterungstoleranz w Variable Root 10000 Stunden.xmcd 'Mathcad-Datei, kontaktieren Sie mich, wenn Sie eine Kopie wünschen.
- SMC-S-010_12APR2013, Technische Standardanforderungen des Space and Missile Systems Center für elektronisch Teile, Materialien und Prozesse, die in Raumfahrzeugen verwendet werden, SMC-Standard, 12. April 2013
- MIL-PRF-55342 Rev. H, Leistungsspezifikationswiderstände, Chip, fest, Film, nicht festgelegte Zuverlässigkeit, festgelegte Zuverlässigkeit, Raumniveau
Dieser Artikel wurde ursprünglich bei der Schwesterpublikation EDN veröffentlicht.
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