I progetti che richiedono componenti di livello spaziale devono tenere conto delle variazioni nei valori dei componenti che possono verificarsi nel tempo. Ciò è particolarmente vero per i resistori, che possono mostrare cambiamenti significativi nel corso della loro vita. Purtroppo, mentre la maggior parte delle linee guida pubbliche per la stima Resistore l'invecchiamento è ragionevolmente conservativo, il problema è che i progettisti stanno seguendo i dati tipici e l'hype pubblicitario e non i limiti effettivi a cui i fornitori sono autorizzati a fornire.
Dato che non ci sono troppi fornitori di resistori di grado spaziale e che MIL-PRF-55342 stabilisce le specifiche per i resistori, la varianza che le diverse aziende utilizzano nelle tolleranze di invecchiamento e nelle linee guida per i resistori è piuttosto sorprendente. Nel corso degli anni, nel WCCA che abbiamo eseguito, abbiamo visto tutto dallo 0.1% al 4% per il termine di tolleranza all'invecchiamento / ambienti combinati, spesso indicato come solo invecchiamento. Riconsiderare l'utilizzo dello 0.5%, o anche dell'1%, per gli effetti di fine vita del resistore MIL-PRF-55342; probabilmente non è sopportabile.
Le tolleranze iniziali e di temperatura (inizio vita, o BOL) sono sempre ben definite nella scheda tecnica. La tolleranza alle radiazioni è zero per i componenti passivi. Ciò lascia solo la tolleranza all'invecchiamento da definire come varianza di fine vita (EOL). È qui che i programmi e gli analisti tendono a diventare creativi.
Fig 1: Questa foto mostra come possono apparire 18 anni di invecchiamento del resistore nell'aria. (Immagine: AEi Systems)
Attualmente, i nostri clienti utilizzano dallo 0.24% all'1.25% per missioni spaziali di Classe A con molti programmi critici che optano per l'invecchiamento dello 0.5% per una missione di 10 anni. Questo è a parte le tolleranze iniziali e di temperatura e copre solo la varianza di fine vita. Queste variazioni nell'aspettativa sono normali e comprensibili poiché i materiali utilizzati per la pellicola resistiva variano sostanzialmente e hanno proprietà corrispondentemente differenti. Pertanto, qualsiasi singola fonte di dati selezionata avrebbe un'applicabilità limitata.
Valutiamo se questi numeri sembrano ragionevoli o almeno ragionevolmente conservativi per un'analisi del circuito nel caso peggiore (WCCA).
Il database di tolleranza delle parti, spesso denominato PVDB (database di variabilità delle parti) è al centro dell'analisi del caso peggiore. Toccare il PVDB dopo l'avvio dell'analisi o commettere un errore e l'intera analisi potrebbe essere influenzata. Questo sarebbe certamente il caso per qualsiasi modifica della tolleranza del resistore. Questo è uno dei motivi principali per cui il PVDB è ampiamente sviluppato all'inizio del WCCA e perché l'approvazione del cliente / programma è cruciale. Senza l'approvazione di tutte le parti che esaminano il WCCA, i calcoli non dovrebbero iniziare.
Ho discusso del livello di rigore necessario per una WCCA nel mio blog WCCA: La mancanza di rigore ti costerà, ma chiaramente le tolleranze EOL più impattanti sono quelle dei resistori. Nei miei recenti articoli sul rapporto tra test e budget di analisi (riferimenti 1 e 2), ho discusso i rapporti di varianza BOL totale rispetto a EOL totale di vari componenti. I resistori sono sicuramente i più impattanti e possono avere la più grande variazione percentuale di EOL, come mostrato nella tabella seguente.
Fig. 2: Non abbattere l'osso a meno che tu non sappia dove si trova l'osso (in termini di tolleranza). (Immagine: AEi Systems)
Questa tabella mostra la varianza di accumulo di tolleranza da BOL a EOL per diversi tipi di parti.
La variazione di tolleranza del valore estremo per ciascuna parte utilizzata nel WCCA è la combinazione algebricamente sommata delle tolleranze iniziali, di temperatura, ambiente / invecchiamento combinato e radiazioni. La tolleranza all'invecchiamento viene solitamente estrapolata dalle equazioni di Arrhenius sulla base di dati di burn-in o di test di vita a breve o lungo termine (riferimento 3). Un esempio di calcolo è mostrato in Fig. 3. Se i dati del test non sono disponibili, vengono utilizzate linee guida pubbliche o proprietarie come ipotesi (Fig. 4).
Fig.3: Questo calcolo di esempio dell'invecchiamento del resistore si basa sui dati del test di rodaggio / durata per una missione di 84 anni a 10 ° C. Per un limite di test di vita di 70 ° C, 10,000 ore, 2% (secondo le specifiche militari [Riferimento 10]), l'invecchiamento è compreso tra 4.67% e 4.99% utilizzando Ea come 0.28 o 0.43eV. 0.28eV è suggerito dall'ESA (Riferimento 4). Da notare che l'energia di attivazione Ea, elemento critico del calcolo, non è effettivamente conosciuta con certezza. (Immagine: AEi Systems)
L'invecchiamento dei componenti è un processo continuo di cambiamento fisico-chimico. È generalmente presume che l'invecchiamento possa avvenire anche se la parte è imparziale. Ciò significa che non solo è necessario tenere conto della durata della missione, ma è anche necessario aggiungere tempo di conservazione, integrazione e test alle condizioni di temperatura appropriate, a meno che, ovviamente, non si conservino le parti in azoto o in un altro ambiente inerte.
Sorprendentemente, il fornitore di prodotti resistivi State of the Art, Inc. (SOTA) afferma che i resistori possono essere fino a 10 anni quando spedito. Tuttavia, SOTA non crede che i resistori a film sottile invecchino senza alimentazione: "SOTA immagazzina i dispositivi in atmosfera standard (senza spurgo di N2) a una temperatura ambiente tipica di ~ 23 ° C per un massimo di 10 anni senza degradazione osservata."
SOTA elimina le scorte dopo 10 anni dalla produzione per garantire una variazione minima di costruzione e materiali all'interno delle scorte. Non hanno prove di conservazione a temperatura ambiente che determini un cambiamento nel comportamento del test del lotto: “Gli screening a livello T sono tipicamente forniti su lotti esistenti a magazzino. Lo screening di livello T fornisce al gruppo A il condizionamento dell'alimentazione, le ispezioni del gruppo B ed è rappresentato in ER Life. Non sono stati identificati problemi associati all'invecchiamento. Per i pochi esempi del lotto originale e del lotto di livello T rappresentati in ER Life, c'è poca differenza o nessuna differenza nelle prestazioni. "
Fig. 4: questa tabella mostra le linee guida pubbliche tipiche per le tolleranze di invecchiamento dei resistori. (Immagine: AEi Systems)
Un lungo elenco di tolleranze relative alla produzione e ai test, come definito nelle specifiche militari, determina la tolleranza ambientale combinata. Le tolleranze relative alla produzione sono diverse per ogni programma e adattate ai requisiti di produzione, test e qualificazione di ogni programma. Sebbene siano correlati alla produzione e ai test, sono spesso associati all'invecchiamento come fattori di fine vita. Queste tolleranze delle specifiche militari non devono essere ignorate e possono, come indicato in Fig. 5, rivaleggia facilmente con la tolleranza all'invecchiamento (basata sul tempo).
Fig. 5: La specifica per i resistori MIL-PRF-55342 indica una varietà di tolleranze relative alla produzione e ai test che possono sommarsi. In definitiva, i produttori possono fornire resistori che soddisfano un requisito del test di durata inferiore o uguale al 2.0% di variazione della resistenza nelle 10,000 ore a 70 ° C (riferimento 10).
Cosa mostrano i dati sull'invecchiamento forniti dal fornitore
Per ridurre le ipotesi utilizzate in WCCA e l'incertezza nelle affermazioni di programmi / fornitori, abbiamo contattato SOTA e Vishay l'anno scorso; questa sezione copre il riepilogo delle conversazioni e degli scambi di dati.
Abbiamo lavorato con SOTA circa dieci anni fa e abbiamo scritto un articolo su di esso (riferimento 5). Quando questa volta contattata, SOTA ci ha inviato lo stesso documento che ci avevano inviato inizialmente nel 2009. Abbiamo proseguito e SOTA è arrivata, fornendo dati sui lotti di 10,000 e 100,000 ore. Siamo stati a dir poco grati.
I dati contenuti nel documento sulle prestazioni del test di vita SOTA dipingono un quadro roseo e chiariscono diverse ipotesi che sono state fatte in passato. I dati in "180502TN1206Life.pdf" (Riferimento 6) contenevano 166 lotti di dati di test di durata di 10,000 ore per 1206 resistori a film sottile (caratteristica E, terminazione B, 70 ° C). Consistevano in vari valori di resistenza (da milliohm a 1 MW) misurati in condizioni MIL-PRF-55342 (metodo paragrafo 4.8.11). Vengono visualizzati due lotti di dati Fig. 6.
Fig. 6: Due dei lotti di dati dei test di vita a 70 ° C 10,000 forniti da SOTA insieme a vari calcoli di misurazione sono mostrati a sinistra. I dati erano adatti a una funzione di radice del cubo (approssimativamente) a destra. L'asse Y è la variazione% del valore del resistore, l'asse X è il tempo in ore e i salti di valore elevato sono contrassegnati in rosso. Tutti i 166 lotti sono stati analizzati in modo simile. (Immagine: AEi Systems)
Ogni lotto è dotato di un'espressione che ha una costante ed esponente. Ad esempio, 0.0015x0.2483 o 0.0008x0.3675, Come mostrato in Fig. 5. La formula viene quindi estesa a 87660 ore per trovare la variazione di invecchiamento totale.
I valori in rosso in Fig. 5 sono le tariffe orarie decennali più elevate per il lotto. Le tariffe orarie per decade vengono calcolate dalla lettura iniziale all'ora nella parte superiore della colonna (la frequenza di 250 ore va da 0 a 250 ore, la frequenza di 500 ore va da 0 a 500 ore e così via).
Come accennato nelle schede tecniche SOTA e Vishay (Fig. 7), i resistori si adattano effettivamente a una funzione di radice cubica, sebbene l'esponente vari ampiamente. Questa rivelazione da sola porterà probabilmente alla modifica di alcune linee guida proprietarie utilizzate dai principali produttori aerospaziali.
Fig.7: Schede tecniche dei resistori suggeriscono l'invecchiamento della radice cubica per i resistori. (Fonte: State of the Art, Inc.)
Riassumendo i dati presentati nel lotto di 180502 ore SOTA '1206TN10,000Life.pdf':
- L'invecchiamento della resistenza del chip 1206 a film sottile segue una funzione di radice cubica con un esponente che varia da 0.2 a 6. Ciò significa che l'invecchiamento può essere significativamente peggiore rispetto alla semplice stima della radice cubica.
- Il processo di misurazione presenta errori. L'entità dell'errore è sconosciuta, ma di solito è accompagnata da "salti" di misurazione.
- Si presume che se si verifica un grande salto di errore in un breve periodo di tempo (> 0.5% per <2000 ore), il punto dati risultante è sospetto.
- Errori <0.01% non sono distinguibili dall'errore di misurazione. A seconda della precisione a lungo termine e dell'errore dell'intervallo di valori, non è inconcepibile avere un errore di misurazione fino allo 0.02%. Le variazioni> 0.02% che si ripristinano per essere in linea con la misurazione prima dell'escursione sono dovute a un errore di misurazione.
- Il livello di stress energetico è un'altra variabile non presa in considerazione nei dati; tuttavia, i dati del test di durata sono a piena potenza nominale, per non superare la tensione nominale, come da MIL-PRF-55342.
- Vishay non ha fornito dati grezzi fino ad oggi, quindi non è noto se le loro prestazioni soddisfino l'invecchiamento della radice del cubo come indica la loro nota applicativa.
- I dati forniti erano per resistori a film sottile che consistono in film di leghe metalliche o ossidi metallici, mentre i resistori a film spesso sono costituiti da fritte vetro-metallo che tipicamente invecchiano a una velocità maggiore rispetto ai film sottili (Fig. 6).
- La tendenza è in modo schiacciante e sempre positiva. Ciò significa che la tolleranza probabilmente non dovrebbe essere casuale ma parziale. Ciò avrà un impatto sui tuoi calcoli WCCA se le tolleranze EOL sono RSS perché le variazioni di invecchiamento della resistenza sarebbero solo in una direzione.
Brian Hill, thin film manager presso SOTA ha osservato: "Sulla base dei set di dati limitati a lungo termine (oltre 100 ore), credo che la tendenza generale sia una deriva positiva nel tempo. Sospetto che l'errore di misurazione fornisca l'oscillazione osservata attorno a questo comportamento positivo medio (quasi lineare). I dati possono suggerire un tasso iniziale più alto nelle prime 250-500 ore di test prima di ottenere un comportamento più stazionario, ma nel film sottile questo è più difficile da determinare a causa del cambiamento così vicino ai limiti dell'errore di misurazione ".
I dati imitano da vicino i dati ESA da ECSS-Q-60-11A (riferimento 7). I grafici hanno anche l'ulteriore vantaggio di mostrare la variazione con lo stress. L'ESA curva in Fig. 7 non seguire esattamente i dati SOTA e, a livelli di potenza più elevati, i calcoli ESA potrebbero indicare motivo di preoccupazione con una singola ipotesi di invecchiamento a livello di programma.
Fig. 8: L'ESA è una delle uniche fonti di dati sul cambiamento dell'invecchiamento con i livelli di stress. ESA in particolare, e SOTA qualitativamente, indicano una forte influenza dello stress da potenza sull'invecchiamento del resistore (pendenza della variazione temporale). I dati sottostanti che hanno prodotto questo grafico NON erano disponibili. Fonte: ECSS-Q-60-11A: invecchiamento del resistore 55342. (Immagine: AEi Systems)
La linea di fondo
Il set di dati SOTA è stato valutato. I dati di 10 ore sono stati estrapolati a 87,660 ore utilizzando l'equazione adatta utilizzando i dati di 10 ore. Le deviazioni risultanti di 87.66k ore sono riassunte in Figg.9 e 10.
Per il set di dati esaminato, e ignorando i lotti con invecchiamento superiore al ~ 2%, l'81% dei lotti aveva meno dello 0.065% di invecchiamento per 10 anni a 70 ° C e il 19% dei lotti era compreso tra lo 0.065% e lo 0.395%. A 84 ° C, ipotizzando una Ea di 0.28, l'82% dei lotti presentava un invecchiamento inferiore allo 0.065% per 10 anni e il 18% dei lotti era compreso tra lo 0.065% e lo 0.425%. La deriva effettiva dipende dalle proprietà del lotto del resistore del sistema, quindi altri fornitori, che hanno formule diverse per la composizione del resistore, potrebbero non aderire a queste tendenze.
Fig. 9: 166 lotti di dati di test di 10,000 ore sono stati estrapolati a 87,660 ore a 70 ° C. (Immagine: AEi Systems)
Fig. 10: 166 lotti di dati di test di 10k ore sono stati estrapolati a 87.66k ore a 84 ° C utilizzando un Ea di 0.28 eV. (Immagine: AEi Systems)
Dovrai anche tenere conto della temperatura peggiore del tuo programma. Anche con temperature di qualificazione comprese tra 60 ° C e 65 ° C, gli aumenti di temperatura dovuti alla dissipazione di potenza possono aumentare la temperatura media di un resistore di 10-20 gradi al di sopra dell'ambiente ambiente e possono creare un punto caldo del resistore con una temperatura localizzata ancora più elevata. Questi punti caldi possono guidare l'invecchiamento della resistenza.
Per temperature> 70 ° C, le tolleranze all'invecchiamento sono peggiori. La variazione con la temperatura è correlata all'energia di attivazione, Ea. L'Ea non è noto per resistori a film metallico spesso e sottile di vari produttori. L'ESA suggerisce un Ea di 0.28 eV. Le specifiche militari indicano che Ea può essere inferiore, sebbene i valori comuni siano compresi tra 0.28 eV e 0.43 eV. Pertanto, la traduzione di questi dati richiede un'ipotesi Ea. A fini comparativi, 84 ° C viene utilizzato arbitrariamente in Fig. 9.
La linea di fondo è questa. A meno che tu non stia acquistando un intero lotto di resistori o non abbia scritto un documento di controllo della sorgente (SCD) per vincolare le prestazioni del test di durata, i dati del lotto sono irrilevanti. Sì, indica prestazioni migliori rispetto alle specifiche. Questo è stato affermato per anni da vari produttori, ma indipendentemente, secondo le specifiche militari, il fornitore può ancora fornire resistori che soddisfano solo il 2% a 10k ore a 70 ° C.
È quindi possibile ipotizzare un esponente della radice cubica del caso nominale (0.333) e un valore Ea (0.28) che una varianza del 2% a 10k ore possa raggiungere il 4.67% (Riferimento 8)! La tolleranza all'invecchiamento peggiora molto quando viene utilizzata la varianza massima della radice cubica (esponente) dai dati del test del lotto (fino a 0.6). Inoltre, questo è senza alcuna regolazione per lo stress del resistore. E se usi le specifiche o in qualche modo credi di poter fare affidamento sui dati del lotto; devi comunque fare i conti con altre tolleranze di produzione / prova che non sono dello 0%.
Pertanto, non è ragionevole utilizzare l'1%, figuriamoci lo 0.5%, per l'invecchiamento del resistore MIL-PRF-55342 per una missione di 70 anni a 10 ° C.
Per creare un SCD che vincoli la tolleranza all'invecchiamento EOL allo 0.5% a 10 anni 84 ° C, è possibile richiedere un limite di prova di 10k ore dello 0.215% (esponente = 0.3333, Ea = 0.28eV) (Riferimento 8). SOTA osserva che fornire resistenze per un requisito di test di durata di 10,000 ore è costoso e ha tempi di consegna lunghi (produzione + tempo di esecuzione del test di 14 mesi). La maggior parte delle persone effettua questa valutazione sulla base di dati di test di vita di 1000 o 2000 ore (produzione da + 1.5 a 3 mesi di tempo di esecuzione del test).
Un ringraziamento speciale a Brian Hill di SOTA e Michael J Cozzolino di Aerospace Corporation per i loro commenti e indicazioni.
Riferimenti
- Ottimizzazione del rapporto test / analisi dell'elettronica, Charles Hymowitz, 7 febbraio 2020.
- Test vs. analisi; Qual è il giusto rapporto per ottenere un'elevata affidabilità ?, Charles Hymowitz, Webinar PSMA, giovedì 18 febbraio 2021.
- Equazione di Arrhenius, ScienceDirect
- ECSS-Q-TM-30-12A, Derive dei parametri di fine vita - Componenti EEE, ottobre 2010 a pagina 46
- Perché la tua resistenza all'1% non lo è davvero? Resistor Tolerance Study, Steve Sandler, Charles Hymowitz, Space Power 2009, Workshop sull'energia spaziale aerospaziale
- Prestazioni del test di durata, prodotti resistivi, stato dell'arte, Inc., 180502TN1206Life.pdf
File di dati del test di durata del film sottile SOTA principale utilizzato nella compilazione di 180502TN1206Life_Macro con aggiunte PH 10khr.xlsm - 180502TN1206Life_Macro con aggiunte PH 10khr.xlsm - estrapolazione a 10Yr Tol 70C Full Power basata su SOTA 10khour dati di test - Altri file di dati di test di vita inclusi alcuni con 100k ore! - ECSS-Q-60-11A 7 settembre 2004 Derating e derive dei parametri di fine vita - Componenti EEE
- Tolleranza all'invecchiamento del film sottile w Radice variabile 10000 ore. Xmcd "File Mathcad, contattami se desideri una copia.
- SMC-S-010_12APR2013, Requisiti tecnici standard del Centro sistemi missilistici e spaziali per Elettronico Parti, materiali e processi utilizzati nei veicoli spaziali, standard SMC, 12 aprile 2013
- MIL-PRF-55342 Rev H, Resistori con specifiche di prestazione, Chip, Fisso, Film, Affidabilità non stabilita, Affidabilità stabilita, Livello di spazio
Questo articolo è stato originariamente pubblicato nella pubblicazione sorella EDN.
sui sistemi AEi