Desain yang membutuhkan komponen kelas ruang harus memperhitungkan varians nilai komponen yang dapat terjadi seiring waktu. Ini terutama berlaku untuk resistor, yang dapat menunjukkan perubahan signifikan selama masa pakainya. Sayangnya, sebagian besar pedoman publik untuk memperkirakan Penghambat penuaan cukup konservatif, masalahnya adalah desainer mengikuti data khas dan sensasi periklanan dan bukan batasan sebenarnya yang diizinkan untuk diberikan oleh vendor.
Mengingat tidak ada terlalu banyak pemasok resistor kelas ruang angkasa, dan bahwa MIL-PRF-55342 menetapkan spesifikasi untuk resistor, varian yang digunakan perusahaan yang berbeda dalam toleransi penuaan dan pedoman untuk resistor cukup mengejutkan. Selama bertahun-tahun, di WCCA yang telah kami lakukan, kami telah melihat semuanya mulai dari 0.1% hingga 4% untuk istilah toleransi penuaan / lingkungan gabungan, yang sering disebut hanya sebagai penuaan. Pertimbangkan kembali menggunakan 0.5%, atau bahkan 1%, untuk efek akhir masa pakai resistor MIL-PRF-55342; itu mungkin tidak didukung.
Toleransi awal dan suhu (awal masa pakai, atau BOL) selalu ditentukan dengan baik dalam lembar data. Toleransi radiasi nol untuk komponen pasif. Ini hanya menyisakan toleransi penuaan yang didefinisikan sebagai varian akhir masa pakai (EOL). Di sinilah program dan analis cenderung menjadi kreatif.
Gambar 1: Foto ini menunjukkan seperti apa umur resistor 18 tahun di udara. (Gambar: Sistem AEi)
Saat ini, pelanggan kami menggunakan mulai dari 0.24% hingga 1.25% untuk misi luar angkasa Kelas A dengan banyak program penting yang memilih penuaan 0.5% untuk misi 10 tahun. Ini terlepas dari toleransi awal dan suhu dan hanya mencakup varian akhir masa pakainya. Variasi ekspektasi ini normal dan dapat dimengerti karena bahan yang digunakan untuk film resistif sangat bervariasi dan memiliki sifat yang berbeda. Oleh karena itu, setiap sumber data yang dipilih akan memiliki penerapan yang terbatas.
Mari kita evaluasi apakah angka-angka ini tampak masuk akal, atau setidaknya cukup konservatif untuk analisis rangkaian kasus terburuk (WCCA).
Basis data toleransi bagian, sering disebut sebagai PVDB (basis data variabilitas bagian), merupakan inti dari analisis kasus terburuk. Sentuh PVDB setelah analisis dimulai, atau buat kesalahan, dan seluruh analisis dapat terpengaruh. Ini pasti akan menjadi kasus untuk setiap perubahan toleransi resistor. Ini adalah salah satu alasan utama mengapa PVDB sebagian besar dikembangkan pada awal WCCA, dan mengapa persetujuan pelanggan / program sangat penting. Tanpa persetujuan dari semua pihak yang meninjau WCCA, perhitungan tidak boleh dimulai.
Saya membahas tingkat ketelitian yang diperlukan untuk WCCA di blog saya WCCA: Kurangnya ketelitian akan merugikan Anda, tetapi yang jelas toleransi EOL yang paling berdampak adalah dari resistor. Dalam makalah saya baru-baru ini tentang rasio anggaran tes vs. analisis (Referensi 1 dan 2), saya membahas rasio total BOL vs. total varian EOL dari berbagai komponen. Resistor tentu saja yang paling berdampak dan dapat memiliki persentase perubahan EOL terbesar, seperti yang ditunjukkan pada tabel di bawah ini.
Gbr. 2: Jangan pare sampai ke tulang kecuali Anda tahu di mana letak tulangnya (berdasarkan toleransi). (Gambar: Sistem AEi)
Tabel ini menunjukkan varian tumpukan toleransi BOL ke EOL untuk beberapa jenis suku cadang yang berbeda.
Variasi toleransi nilai ekstrim untuk setiap bagian yang digunakan dalam WCCA adalah kombinasi dari toleransi awal, suhu, lingkungan / penuaan gabungan, dan toleransi radiasi yang dijumlahkan secara aljabar. Toleransi penuaan biasanya diekstrapolasi dari persamaan Arrhenius berdasarkan burn-in, atau data uji kehidupan jangka pendek atau panjang (Referensi 3). Penghitungan sampel ditunjukkan di Ara. 3. Jika data pengujian tidak tersedia, maka pedoman publik atau kepemilikan digunakan sebagai asumsi (Ara. 4).
Gbr. 3: Contoh penghitungan umur resistor ini didasarkan pada data uji masa pakai / masa pakai untuk misi 84 ° C 10 tahun. Untuk batas uji hidup 70 ° C, 10,000 jam, 2% (sesuai spesifikasi militer [Referensi 10]), penuaannya antara 4.67% dan 4.99% menggunakan Ea sebagai 0.28 atau 0.43eV. 0.28eV disarankan oleh ESA (Referensi 4). Perlu dicatat bahwa energi aktivasi Ea, elemen kritis perhitungan, sebenarnya tidak diketahui dengan pasti. (Gambar: Sistem AEi)
Penuaan komponen adalah proses perubahan fisikokimia yang berkelanjutan. ini umumnya diasumsikan bahwa penuaan dapat terjadi meskipun bagian tersebut tidak bias. Itu berarti Anda tidak hanya perlu memperhitungkan masa pakai misi, tetapi Anda juga perlu menambahkan waktu penyimpanan, integrasi, dan pengujian pada kondisi suhu yang sesuai - kecuali, tentu saja, Anda menyimpan suku cadang Anda dalam nitrogen atau lingkungan lembam lainnya.
Anehnya, vendor produk resistif State of the Art, Inc. (SOTA) menyatakan bahwa resistor mungkin saja hingga 10 tahun saat dikirim. Namun, SOTA tidak percaya bahwa resistor film tipis tidak memiliki daya: "SOTA menyimpan perangkat dalam atmosfer standar (tanpa pembersihan N2) pada suhu sekitar ~ 23 ° C biasa hingga 10 tahun tanpa degradasi yang diamati."
SOTA membersihkan stok setelah 10 tahun dari produksi untuk memastikan konstruksi minimal dan variasi bahan dalam stok. Mereka tidak memiliki bukti penyimpanan suhu kamar yang mengakibatkan perubahan perilaku uji lot: “Pemutaran level-T biasanya disediakan pada lot yang ada dari stok. Penyaringan tingkat-T memberi Grup A pengondisian daya, inspeksi Grup B, dan diwakili dalam ER Life. Tidak ada masalah yang telah diidentifikasi yang terkait dengan penuaan. Untuk beberapa contoh lot asli dan lot level-T yang diwakili dalam ER Life, ada sedikit perbedaan atau tidak ada perbedaan dalam performa. "
Gbr. 4: Tabel ini menunjukkan pedoman umum umum untuk toleransi penuaan resistor. (Gambar: Sistem AEi)
Daftar panjang manufaktur dan toleransi terkait pengujian, sebagaimana ditentukan dalam spesifikasi militer, menentukan toleransi lingkungan gabungan. Toleransi terkait manufaktur berbeda untuk setiap program dan disesuaikan dengan persyaratan manufaktur, pengujian, dan kualifikasi dari setiap program. Meskipun terkait dengan manufaktur dan pengujian, mereka sering disamakan dengan penuaan sebagai faktor EOL. Toleransi spesifikasi militer ini tidak boleh diabaikan dan dapat, seperti disebutkan dalam Ara. 5, dengan mudah menyaingi toleransi penuaan (berbasis waktu).
Gbr. 5: Spesifikasi resistor MIL-PRF-55342 menunjukkan berbagai toleransi terkait manufaktur dan pengujian yang dapat bertambah. Pada akhirnya, pabrikan dapat mengirimkan resistor yang memenuhi persyaratan uji umur kurang dari atau sama dengan 2.0% perubahan resistansi selama 10,000 jam pada 70 ° C (Referensi 10).
Apa yang ditampilkan oleh data penuaan yang disediakan vendor
Untuk mengurangi asumsi yang digunakan di WCCA dan ketidakpastian dalam klaim program / vendor, kami menghubungi SOTA dan Vishay tahun lalu; bagian ini mencakup ringkasan percakapan dan pertukaran data.
Kami melakukan beberapa pekerjaan dengan SOTA sekitar satu dekade yang lalu dan menulis makalah tentangnya (Referensi 5). Saat dihubungi kali ini, SOTA mengirimi kami dokumen yang sama dengan yang mereka kirimkan kepada kami pada tahun 2009. Kami mengejar lebih jauh dan SOTA datang, memberikan data lot 10,000 dan 100,000 jam. Kami sangat berterima kasih untuk sedikitnya.
Data yang terkandung dalam dokumen kinerja tes kehidupan SOTA memberikan gambaran yang cerah dan menjelaskan beberapa asumsi yang telah dibuat di masa lalu. Data dalam '180502TN1206Life.pdf' (Referensi 6) berisi 166 lot data uji umur 10,000 jam untuk 1206 resistor film tipis (karakteristik E, terminasi B, 70 ° C). Mereka terdiri dari berbagai nilai resistor (miliohms hingga 1 MW) yang diukur di bawah kondisi MIL-PRF-55342 (metode paragraf 4.8.11). Dua lot data ditampilkan di Ara. 6.
Gambar 6: Dua lot data uji umur 70 ° C 10,000 yang disediakan oleh SOTA bersama dengan berbagai perhitungan pengukuran ditampilkan di sebelah kiri. Data sesuai dengan fungsi akar pangkat tiga (kira-kira) di sebelah kanan. Sumbu Y adalah% perubahan nilai resistor, sumbu X adalah waktu dalam jam, dan lompatan nilai besar ditandai dengan warna merah. Semua 166 lot dianalisis dengan cara yang sama. (Gambar: Sistem AEi)
Setiap lot cocok dengan ekspresi yang memiliki konstanta dan eksponen. Misalnya, 0.0015x0.2483 atau 0.0008x0.3675, seperti yang ditunjukkan pada Ara. 5. Formula tersebut kemudian diperpanjang menjadi 87660 jam untuk menemukan variasi penuaan total.
Nilai dalam warna merah Ara. 5 adalah tarif per jam terbesar untuk lot. Tarif per dekade jam dihitung dari pembacaan awal hingga jam di bagian atas kolom (tarif 250 jam adalah dari 0 hingga 250 jam, tarif 500 jam dari 0 hingga 500 jam, dan seterusnya).
Seperti yang diisyaratkan dalam lembar data SOTA dan Vishay (Ara. 7), resistor memang cocok dengan fungsi akar pangkat tiga, meskipun eksponennya sangat bervariasi. Pengungkapan ini sendiri kemungkinan besar akan menghasilkan perubahan beberapa pedoman kepemilikan yang digunakan oleh produsen dirgantara utama.
Gbr. 7: Lembar data resistor mengisyaratkan penuaan akar kubus untuk resistor. (Sumber: State of the Art, Inc.)
Meringkas data yang disajikan dalam lot set SOTA '180502TN1206Life.pdf' 10,000 jam:
- Film tipis 1206 chip resistor penuaan mengikuti fungsi akar kubus dengan eksponen yang bervariasi dari 0.2 hingga 6. Ini berarti bahwa penuaan dapat jauh lebih buruk daripada perkiraan akar kubus sederhana.
- Proses pengukuran memiliki kesalahan. Besarnya kesalahan tidak diketahui, tetapi biasanya disertai dengan pengukuran "lompatan".
- Diasumsikan bahwa jika ada lonjakan kesalahan yang besar dalam waktu singkat (> 0.5% selama <2000 jam), titik data yang dihasilkan dicurigai.
- Kesalahan <0.01% tidak dapat dibedakan dari kesalahan pengukuran. Bergantung pada akurasi jangka panjang dan kesalahan rentang nilai, bukan tidak mungkin untuk memiliki kesalahan pengukuran hingga 0.02%. Perubahan> 0.02% yang pulih sesuai dengan pengukuran sebelum ekskursi disebabkan oleh kesalahan pengukuran.
- Tingkat tegangan daya adalah variabel lain yang tidak diperhitungkan dalam data; namun, data uji umur pada daya pengenal penuh, tidak melebihi tegangan pengenal, sesuai MIL-PRF-55342.
- Vishay belum menyediakan data mentah hingga saat ini, jadi tidak diketahui apakah kinerjanya memenuhi penuaan akar kubus seperti yang ditunjukkan oleh catatan aplikasinya.
- Data yang disediakan adalah untuk resistor film tipis yang terdiri dari film paduan logam atau oksida logam, sedangkan resistor film tebal terdiri dari pecahan logam kaca yang biasanya menua pada kecepatan yang lebih tinggi daripada film tipis (Ara. 6).
- Trennya luar biasa dan selalu positif. Ini berarti bahwa toleransi tidak boleh acak tetapi bias. Ini akan memengaruhi kalkulasi WCCA Anda jika toleransi EOL adalah RSS karena variasi penuaan resistensi hanya akan berada dalam satu arah.
Brian Hill, manajer film tipis di SOTA mencatat, “Berdasarkan kumpulan data jangka panjang yang terbatas (100k + jam), saya yakin tren umum adalah pergerakan lambat positif dari waktu ke waktu. Saya menduga kesalahan pengukuran memberikan goyangan yang diamati di sekitar perilaku positif rata-rata (hampir linier) ini. Data mungkin menyarankan tingkat awal yang lebih tinggi dalam 250-500 jam pertama pengujian sebelum mencapai perilaku yang lebih stabil, tetapi dalam film tipis ini lebih sulit untuk ditentukan karena perubahan yang begitu dekat dengan batas kesalahan pengukuran. "
Data tersebut sangat mirip dengan data ESA dari ECSS-Q-60-11A (Referensi 7). Grafik juga memiliki manfaat tambahan untuk menunjukkan variasi stres. Kurva ESA masuk Ara. 7 jangan mengikuti data SOTA dengan tepat, dan pada tingkat daya yang lebih tinggi, kalkulasi ESA mungkin menunjukkan penyebab kekhawatiran dengan asumsi penuaan seluruh program.
Gambar 8: ESA adalah satu-satunya sumber data tentang perubahan penuaan dengan tingkat stres. ESA secara khusus, dan SOTA secara kualitatif, menunjukkan pengaruh kuat tegangan daya pada resistor penuaan (kemiringan variasi waktu). Data pokok yang menghasilkan grafik ini TIDAK tersedia. Sumber: ECSS-Q-60-11A: 55342 resistor aging. (Gambar: Sistem AEi)
Intinya
Set data SOTA dinilai. Data 10k jam diekstrapolasi menjadi 87,660 jam menggunakan persamaan yang sesuai menggunakan data 10k jam. Penyimpangan 87.66k jam yang dihasilkan dirangkum dalam Gambar 9 & 10.
Untuk kumpulan data yang ditinjau, dan mengabaikan lot dengan penuaan lebih dari ~ 2%, 81% dari lot tersebut kurang dari 0.065% menua selama 10 tahun pada suhu 70 ° C dan 19% dari lot tersebut antara 0.065% dan 0.395%. Pada suhu 84 ° C, dengan asumsi Ea 0.28, 82% lot kurang dari 0.065% menua selama 10 tahun dan 18% dari lot tersebut antara 0.065% dan 0.425%. Penyimpangan aktual bergantung pada properti lot resistor sistem, sehingga vendor lain, yang memiliki rumus berbeda untuk komposisi resistor, mungkin tidak mengikuti tren ini.
Gambar 9: 166 lot data uji 10,000 jam diekstrapolasi menjadi 87,660 jam pada 70 ° C. (Gambar: Sistem AEi)
Gambar 10: 166 lot data uji 10k jam diekstrapolasi menjadi 87.66k jam pada 84 ° C menggunakan Ea 0.28eV. (Gambar: Sistem AEi)
Anda juga perlu memperhitungkan suhu program terburuk Anda. Bahkan dengan suhu kualifikasi dalam kisaran 60 ° C-65 ° C, kenaikan suhu karena disipasi daya dapat meningkatkan suhu rata-rata resistor 10-20 derajat di atas lingkungan sekitar dan dapat membuat titik panas resistor dengan suhu lokal yang lebih tinggi. Titik panas ini dapat mendorong penuaan resistensi.
Untuk suhu> 70 ° C, toleransi penuaan lebih buruk. Variasi suhu terkait dengan energi aktivasi, Ea. Ea tidak dikenal untuk resistor film logam tebal dan tipis dari berbagai produsen. ESA menyarankan Ea 0.28eV. Spesifikasi militer menunjukkan Ea bisa lebih rendah, meskipun nilai umum antara 0.28eV dan 0.43eV. Oleh karena itu, penerjemahan data ini membutuhkan asumsi Ea. Untuk tujuan perbandingan, 84 ° C digunakan secara sewenang-wenang di Ara. 9.
Intinya begini. Kecuali jika Anda membeli banyak resistor atau Anda telah menulis dokumen kendali sumber (SCD) untuk mengikat kinerja uji kehidupan, data lot tidak relevan. Ya, ini menunjukkan performa yang lebih baik dari spesifikasi. Ini telah diklaim selama bertahun-tahun oleh berbagai pabrikan, tetapi terlepas dari, sesuai spesifikasi militer, vendor masih dapat memberi Anda resistor yang hanya memenuhi 2% pada 10k jam pada 70 ° C.
Oleh karena itu, mungkin dengan asumsi eksponen akar pangkat tiga kasus nominal (0.333) dan nilai Ea (0.28) bahwa varian 2% 10k jam bisa setinggi 4.67% (Referensi 8)! Toleransi penuaan menjadi jauh lebih buruk ketika varian akar pangkat tiga (eksponen) maksimum dari data uji lot digunakan (setinggi 0.6). Selain itu, ini tanpa penyesuaian tegangan resistor. Dan apakah Anda menggunakan spesifikasi atau entah bagaimana yakin Anda dapat mengandalkan banyak data; Anda masih harus bersaing dengan manufaktur / uji toleransi lain yang tidak 0%.
Oleh karena itu, tidak masuk akal untuk menggunakan 1%, apalagi 0.5%, untuk resistor penuaan MIL-PRF-55342 untuk misi 70 tahun 10 ° C.
Untuk membuat SCD yang akan membatasi toleransi penuaan EOL menjadi 0.5% pada 10 tahun 84 ° C, Anda dapat meminta batas pengujian 10k jam sebesar 0.215% (eksponen = 0.3333, Ea = 0.28eV) (Referensi 8). SOTA mencatat bahwa menyediakan resistor dengan persyaratan uji umur 10,000 jam itu mahal dan memiliki waktu tunggu yang lama (produksi + 14 bulan waktu tunggu uji). Kebanyakan orang membuat penilaian ini berdasarkan data uji kehidupan 1000 atau 2000 jam (waktu tunggu produksi + 1.5 hingga 3 bulan).
Terima kasih khusus kepada Brian Hill di SOTA dan Michael J Cozzolino di Aerospace Corporation atas komentar dan bimbingan mereka.
Referensi
- Mengoptimalkan Uji Elektronik / Rasio Analisis, Charles Hymowitz, 7 Februari 2020.
- Uji vs. Analisis; Berapa rasio yang tepat untuk mencapai keandalan yang tinggi ?, Charles Hymowitz, PSMA Webinar, Kamis, 18 Februari 2021.
- Persamaan Arrhenius, ScienceDirect
- ECSS-Q-TM-30-12A, Penyimpangan parameter akhir masa pakai - Komponen EEE, Oktober 2010 di halaman 46
- Mengapa Resistor 1% Anda Benar-Benar Tidak? Studi Toleransi Resistor, Steve Sandler, Charles Hymowitz, Space Power 2009, Aerospace Space Power Workshop
- Kinerja Uji Kehidupan, Produk Resistif, State of the Art, Inc., 180502TN1206Life.pdf
File data uji umur film tipis SOTA utama yang digunakan dalam kompilasi 180502TN1206Life_Macro dengan penambahan PH 10khr.xlsm - 180502TN1206Life_Macro dengan penambahan PH 10khr.xlsm - ekstrapolasi ke 10Yr Tol 70C Daya Penuh berdasarkan data uji SOTA 10khour - File data uji kehidupan lainnya termasuk beberapa dengan 100k jam! - ECSS-Q-60-11A 7 September 2004 Penurunan dan penyimpangan parameter akhir masa pakai - komponen EEE
- Toleransi Penuaan Film Tipis dengan Akar Variabel 10000 jam.xmcd 'File Mathcad, hubungi saya jika Anda ingin salinannya.
- SMC-S-010_12APR2013, Persyaratan Teknis Standar Pusat Sistem Luar Angkasa dan Rudal untuk Elektronik Bagian, Bahan, dan Proses yang Digunakan pada Kendaraan Luar Angkasa, Standar SMC, 12 April 2013
- MIL-PRF-55342 Rev H, Spesifikasi Kinerja Resistor, Chip, Tetap, Film, Keandalan Tidak Mapan, Keandalan Mapan, Tingkat Ruang
Artikel ini awalnya diterbitkan di publikasi saudari EDN.
tentang Sistem AEi