צלילה עמוקה להנחיות להזדקנות הנגד

עיצובים הדורשים רכיבים ברמת חלל חייבים לקחת בחשבון את השונות בערכי הרכיבים שיכולים להתרחש לאורך זמן. זה נכון במיוחד עבור נגדים, אשר יכולים להציג שינויים משמעותיים במהלך חייהם. למרבה הצער, בעוד שרוב ההנחיות הציבוריות להערכת נַגָד ההזדקנות היא שמרנית למדי, הבעיה היא שמעצבים עוקבים אחר נתונים אופייניים והייפ פרסומי ולא לפי המגבלות האמיתיות שמותר לספקים לספק.

בהתחשב בכך שאין יותר מדי ספקים של נגדים ברמת החלל, וכי MIL-PRF-55342 קובע מפרט לנגדים, השונות בה משתמשים חברות שונות בסבילות ההזדקנות ובהנחיות לנגדים היא די מפתיעה. במהלך השנים, ב- WCCA שביצענו, ראינו הכל בין 0.1% ל -4% לטווח הסובלנות להזדקנות / לסביבות משולבות, המכונה לעתים קרובות רק הזדקנות. שקול מחדש באמצעות 0.5%, או אפילו 1%, להשפעות MIL-PRF-55342 של נגדי סוף החיים; זה כנראה לא ניתן לתמיכה.

סובלנות ההתחלה והטמפרטורה (התחלת חיים או BOL) מוגדרים תמיד בגיליון הנתונים. סובלנות הקרינה היא אפס לרכיבים פסיביים. זה משאיר רק את סובלנות ההזדקנות כדי להגדיר את השונות בסוף החיים (EOL). זה המקום שבו תוכניות ואנליסטים נוטות להיות יצירתיות.

איור 1: תמונה זו מראה כיצד 18 שנות הזדקנות הנגד יכולות להראות באוויר. (תמונה: AEi Systems)

נכון לעכשיו, הלקוחות שלנו משתמשים בכל מקום בין 0.24% ל -1.25% למשימות חלל מסוג A עם תוכניות קריטיות רבות שבוחרות הזדקנות של 0.5% למשימה של עשר שנים. זה מלבד הסובלנות הראשונית והטמפרטורה ורק מכסה את השונות בסוף החיים. שינויים אלה בציפייה הם נורמליים ומובנים מכיוון שהחומרים המשמשים לסרט ההתנגדות משתנים באופן משמעותי ויש להם מאפיינים שונים בהתאמה. לכן, לכל מקור נתונים יחיד שנבחר תהיה תחולה מוגבלת.

בואו נעריך האם מספרים אלה נראים סבירים, או לפחות שמרניים באופן סביר לניתוח מעגלים במקרה הגרוע ביותר (WCCA).

מסד הנתונים של סובלנות החלקים, המכונה לעיתים קרובות PVDB (מאגר משתנות החלקים) הוא לב הניתוח במקרה הגרוע ביותר. גע ב- PVDB לאחר תחילת הניתוח, או טעה, והניתוח כולו עלול להיות מושפע. זה בהחלט יהיה המקרה של כל שינוי בסובלנות נגד. זו אחת הסיבות העיקריות לכך ש- PVDB פותח ברובו בתחילת ה- WCCA, ומדוע אישור לקוח / תוכנית חיוני. ללא חתימה מכל הגורמים הבודקים את ה- WCCA, אין להתחיל בחישובים.

דיברתי על רמת הקפדנות הדרושה ל- WCCA בבלוג שלי WCCA: חוסר קפדנות יעלה לך, אך ברור שסבילות ה- EOL המשפיעות ביותר הן של הנגדים. במאמרים האחרונים שלי על יחס המבחן לעומת ניתוח התקציב (הפניות 1 ו -2), דנתי בסך הכל BOL לעומת יחסי שונות שונות של EOL של רכיבים שונים. נגדים הם בהחלט המשפיעים ביותר ויכולים לשנות את אחוז ה- EOL הגדול ביותר, כפי שמוצג בטבלה שלהלן.

איור 2: אל תסתדר עד העצם אלא אם כן אתה יודע איפה העצם (מבחינה סובלנית). (תמונה: AEi Systems)

טבלה זו מציגה את שונות העריכה של סובלנות BOL ל- EOL למספר סוגים שונים של חלקים.

וריאציית סובלנות הערכים הקיצונית עבור כל חלק המשמש ב- WCCA היא השילוב המסוכם באופן אלגברי של הסבילות הראשונית, הטמפרטורה, הסביבות המשולבות / ההזדקנות והקרינה. סובלנות ההזדקנות מוחלשת בדרך כלל ממשוואות Arrhenius בהתבסס על נתוני בדיקת חיים שרופים, או לטווח קצר או ארוך (הפניה 3). חישוב לדוגמא מוצג ב האיור 3. אם נתוני בדיקה אינם זמינים, הנחיות ציבוריות או קנייניות משמשות כהנחות יסוד (האיור 4).

איור 3: חישוב מדגם זה של הזדקנות הנגד מבוסס על נתוני בדיקת צריבה / חיים עבור משימה של 84 מעלות צלזיוס למשך 10 שנים. במגבלת בדיקת חיים של 70 מעלות צלזיוס, 10,000 שעות ו -2% (בהתאם למפרט הצבאי [הפניה 10]), ההזדקנות היא בין 4.67% ל -4.99% תוך שימוש ב- Ea כ- 0.28 או 0.43 eV 0.28 eV מוצע על ידי ESA (הפניה 4). יש לציין כי אנרגיית ההפעלה Ea, מרכיב קריטי בחישוב, אינה ידועה בפועל בוודאות. (תמונה: AEi Systems)

הזדקנות רכיבים היא תהליך מתמשך של שינוי פיזיקוכימי. זה בדרך כלל הניח כי הזדקנות עשויה להתרחש גם אם החלק אינו משוחד. זה אומר שאתה לא רק צריך להסביר את חיי המשימה, אלא גם להוסיף זמן אחסון, אינטגרציה ובדיקה בתנאי הטמפרטורה המתאימים - אלא אם כן, כמובן, אתה מאחסן את החלקים שלך בחנקן או בסביבה אינרטית אחרת.

באופן מפתיע, ספקית מוצרים התנגדות, State of the Art, Inc. (SOTA) קובעת כי נגדים עשויים להיות עד גיל 10 בעת משלוח. עם זאת, SOTA אינה מאמינה כי נגדי סרטים דקים מזדקנים ללא כוח: "SOTA מאחסן מכשירים באווירה סטנדרטית (ללא טיהור N2) בטמפרטורת סביבה אופיינית ~ 23 מעלות צלזיוס למשך עד 10 שנים ללא השפלה שנצפתה."

SOTA מטהרת מלאי לאחר 10 שנים מהייצור כדי להבטיח מינימום בנייה וחומרים במלאי. אין להם שום עדות לאחסון בטמפרטורת החדר וכתוצאה מכך לשנות את התנהגות בדיקת המגרש: "מיונים ברמת T ניתנים בדרך כלל במגרשים קיימים מהמלאי. ההקרנה ברמה T מספקת לקבוצה A מיזוג חשמל, בדיקות קבוצה B ומיוצגת ב- ER Life. לא זוהו בעיות הקשורות להזדקנות. עבור הדוגמאות המעטות למגרש המקורי ולמפלס ה- T המיוצגים ב- ER Life, אין הבדל קטן ללא הבדל בביצועים. "

איור 4: טבלה זו מציגה את ההנחיות הציבוריות האופייניות לסובלנות ההזדקנות נגד. (תמונה: AEi Systems)

רשימה ארוכה של סובלנות ייצור וקשרי בדיקה, כהגדרתם במפרט הצבאי, קובעת את הסובלנות הסביבתית המשולבת. הסובלנות הקשורה לייצור שונה עבור כל תוכנית ומותאמת לדרישות הייצור, הבדיקה וההסמכה של כל תוכנית. אמנם הם קשורים לייצור ולבדיקה, אך לעתים קרובות הם נקלעים להזדקנות כגורמי EOL. אין לפסול את סובלנות המפרט הצבאי הללו ויכולים, כאמור האיור 5, מתחרים בקלות בסובלנות ההזדקנות (המבוססת על זמן).

איור 5: המפרט עבור נגדי MIL-PRF-55342 מצביע על מגוון סובלנות הקשורות לייצור ולבדיקה שיכולים להסתכם. בסופו של דבר, יצרנים יכולים לספק נגדים העומדים בדרישת בדיקת חיים של פחות או שווה לשינוי התנגדות של 2.0% במשך 10,000 השעות בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס (הפניה 10).

מה מראים נתוני ההזדקנות שסופקו על ידי הספק

כדי להפחית את ההנחות ששימשו ב- WCCA ואת חוסר הוודאות בתביעות התוכנה / ספק, פנינו SOTA ו- Vishay בשנה שעברה; חלק זה מכסה את סיכום השיחות והחלפת נתונים.

עבדנו עם SOTA לפני כעשור וכתבנו עליו מאמר (הפניה 5). כאשר פנו אלינו הפעם, SOTA שלחה לנו את אותו המסמך ששלחו אלינו בתחילה בשנת 2009. המשכנו הלאה ו- SOTA הגיעה, ומסרה נתוני לוטוס של 10,000 ו -100,000 שעות. היינו אסירי תודה בלשון המעטה.

הנתונים הכלולים במסמך ביצועי מבחן החיים של SOTA מציירים תמונה ורודה ומבהירים כמה הנחות שהועלו בעבר. הנתונים ב- '180502TN1206Life.pdf' (הפניה 6) הכילו 166 הרבה נתוני בדיקת חיים של 10,000 שעות עבור 1206 נגדי סרט דק (מאפיין E, סיום B, 70 מעלות צלזיוס). הם כללו ערכי נגדים שונים (מיליוניהם ל -1 מגה וואט) שנמדדו בתנאי MIL-PRF-55342 (סעיף שיטה 4.8.11). שני המון נתונים מוצגים ב איור. 6.

איור 6: שניים מבין נתוני נתוני בדיקת החיים של 70 ° C, 10,000 שסופקו על ידי SOTA יחד עם חישובי מדידה שונים, מוצגים משמאל. הנתונים התאימו לפונקציה של שורש קוביה (בערך) בצד ימין. ציר Y הוא% שינוי בערך הנגד, ציר X הוא זמן בשעות, וקפיצות של ערך גדול מצוינות באדום. כל 166 המגרשים נותחו באופן דומה. (תמונה: AEi Systems)

כל מגרש מתאים לביטוי שיש בו קבוע ומעריך. למשל, 0.0015x^0.2483 או פי 0.0008^0.3675, כמו שמוצג ב האיור 5. לאחר מכן מורחבת הנוסחה ל- 87660 שעות כדי למצוא את וריאציית ההזדקנות הכוללת.

הערכים באדום ב האיור 5 הם שיעורי השעה הגדולים ביותר בעשור למגרש. שיעורי השעה לעשור מחושבים מהקריאה הראשונית ועד השעה שבראש העמודה (תעריף 250 השעות הוא בין 0 ל -250 שעות, התעריף של 500 שעות הוא בין 0 ל -500 שעות, וכן הלאה).

כפי שנרמז בגליונות הנתונים של SOTA ו- Vishay (האיור 7), הנגדים אכן מתאימים לפונקציה של שורש קוביה, אם כי המעריך משתנה מאוד. גילוי זה בלבד יביא ככל הנראה לשינוי כמה הנחיות קנייניות המשמשות את יצרני החלל העיקריים.

איור 7: גליונות נתוני הנגד מרמזים על הזדקנות שורשי הקוביות לנגדים. (מקור: State of the Art, Inc.)

סיכום הנתונים שהוצגו במערך המגרש של SOTA '180502TN1206Life.pdf' 10,000 שעות:

• הזדקנות נגדי שבב סרט 1206 דק עוקבת אחר פונקציית שורש קוביה עם אקספוננט המשתנה בין 0.2 ל 6. פירוש הדבר שההזדקנות יכולה להיות גרועה משמעותית מההערכה הפשוטה של ​​שורש הקוביה.
• בתהליך המדידה יש ​​שגיאות. גודל השגיאה אינו ידוע אך בדרך כלל מלווה במדידת "קפיצות".
• ההנחה היא שאם יש זינוק גדול בטעות לאורך פרק זמן קצר (> 0.5% במשך <2000 שעות) נקודת הנתונים המתקבלת חשודה.
• לא ניתן להבחין בשגיאות <0.01% משגיאת המדידה. בהתאם לדיוק לטווח הארוך ולשגיאת טווח הערכים, לא מן הנמנע שגיאת מדידה של עד 0.02%. שינויים> 0.02% שמתאוששים להיות בקנה אחד עם המדידה לפני הטיול נובעים משגיאת מדידה.
• רמת מתח הכוח היא משתנה נוסף שלא נכלל בנתונים; עם זאת, נתוני בדיקת החיים הם בהספק מדורג מלא, ולא יעלה על המתח המדורג, בהתאם ל- MIL-PRF-55342.
• Vishay לא סיפק עד היום נתונים גולמיים, ולכן לא ידוע אם הביצועים שלהם עומדים בהתיישנות שורשי הקוביות כפי שמציין הערת היישום שלהם.
• הנתונים שנמסרו היו לגבי נגדי סרט דק המורכבים מסרטי סגסוגות מתכת או תחמוצות מתכת, ואילו נגדי סרטים עבים מורכבים משבבי זכוכית-מתכת שבדרך כלל מזדקנים בקצב גבוה יותר מאשר הסרטים הדקים (האיור 6).
• המגמה היא באופן גורף ותמיד חיובי. פירוש הדבר כי סביר להניח שהסובלנות לא תהיה אקראית אלא מוטה. זה ישפיע על חישובי ה- WCCA שלך אם סובלנות ה- EOL מוגדרות ל- RSS מכיוון ששינויים בהזדקנות ההתנגדות יהיו רק בכיוון אחד.

בריאן היל, מנהל סרטים רזה ב- SOTA ציין, "בהתבסס על מערכי הנתונים המוגבלים לטווח הארוך (100 אלף שעות +), אני מאמין שהמגמה הכללית היא סחיפה איטית וחיובית לאורך זמן. אני חושד שגיאת מדידה מספקת את הנענוד שנצפה סביב התנהגות חיובית ממוצעת זו (כמעט לינארית). נתונים עשויים להצביע על שיעור התחלתי גבוה יותר ב- 250-500 השעות הראשונות של הבדיקה לפני השגת התנהגות במצב יציב יותר, אך בסרט דק קשה יותר לקבוע זאת בגלל שהשינוי קרוב כל כך לגבולות שגיאת המדידה. "

הנתונים מדמים מקרוב את נתוני ה- ESA מ- ECSS-Q-60-11A (הפניה 7). לתרשימים יש גם יתרון נוסף בהצגת השונות עם לחץ. ה- ESA מתעקם פנימה האיור 7 אל תעקוב בדיוק אחר נתוני ה- SOTA, וברמות הספק גבוהות יותר, חישובי ה- ESA עשויים להצביע על סיבה לדאגה בהנחת הזדקנות אחת בתוכנית.

איור 8: ESA הוא אחד המקורות היחידים לנתונים על שינוי ההזדקנות עם רמות הלחץ. ESA באופן ספציפי, ו- SOTA באופן איכותי, מצביעים על השפעה חזקה של מתח כוח על הזדקנות הנגד (שיפוע וריאציית הזמן). הנתונים הבסיסיים שהפיקו גרף זה לא היו זמינים. מקור: ECSS-Q-60-11A: 55342 הזדקנות הנגד. (תמונה: AEi Systems)

השורה התחתונה

מערך הנתונים של SOTA הוערך. נתוני 10k שעה הוחלפו ל 87,660 שעות באמצעות המשוואה שהייתה בכושר באמצעות נתוני 10k שעה. חריגות השעה של 87.66 אלף שעות מסוכמות ב איורים 9 ו -10.

עבור מערך הנתונים שנבדק, והתעלם ממגרשים עם הזדקנות של יותר מ ~ 2%, 81% מהמגרשים היו פחות מ- 0.065% הזדקנות במשך 10 שנים בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס ו- 19% מהמגרשים היו בין 0.065% ל- 0.395%. ב- 84 מעלות צלזיוס, בהנחה ש- Ea הוא 0.28, 82% מהמגרשים היו פחות מ- 0.065% הזדקנות במשך 10 שנים ו- 18% מהמגרשים היו בין 0.065% ל- 0.425%. הסחף בפועל תלוי בתכונות של מנגדי הנגד של המערכת, ולכן ספקים אחרים, שיש להם נוסחאות שונות להרכב הנגד, עשויים שלא לדבוק במגמות אלה.

איור 9: 166 המון נתוני בדיקה של 10,000 שעות הוחלפו ל -87,660 שעות ב -70 מעלות צלזיוס. (תמונה: AEi Systems)

איור 10: 166 המון נתוני בדיקה של 10k שעה חולצו ל- 87.66k שעות ב 84 מעלות צלזיוס תוך שימוש ב- Ea של 0.28 eV. (תמונה: AEi Systems)

יהיה עליך להתחשב גם בטמפרטורה הגרועה ביותר בתוכנית שלך. גם עם טמפרטורות ההסמכה בטווח של 60 ° C -65 ° C, הטמפרטורה עולה עקב פיזור הכוח יכולה להגדיל את הטמפרטורה הממוצעת של הנגד 10-20 מעלות מעל הסביבה הסביבתית ועלולה ליצור נקודה חמה נגד עם טמפרטורה מקומית גבוהה עוד יותר. נקודות חמות אלה עשויות לגרום להזדקנות ההתנגדות.

לטמפרטורות> 70 מעלות צלזיוס, סובלנות ההזדקנות גרועה יותר. השונות עם הטמפרטורה קשורה לאנרגיית ההפעלה, Ea. ה- Ea אינו ידוע כנגד נגדי סרטי מתכת עבים ודקים של יצרנים שונים. ESA מציע Ea של 0.28 eV. המפרט הצבאי מצביע על כך ש- Ea יכול להיות נמוך יותר, אם כי ערכים משותפים הם בין 0.28 eV ל- 0.43 eV. לכן, תרגום נתונים אלה דורש הנחה של Ea. למטרות השוואה, נעשה שימוש שרירותי ב -84 מעלות צלזיוס האיור 9.

השורה התחתונה היא זו. אלא אם כן אתה קונה הרבה מאוד נגדים או שכתבת מסמך בקרת מקור (SCD) כדי לאגד את ביצועי בדיקת החיים, נתוני המגרש אינם רלוונטיים. כן, זה מצביע על ביצועי מפרט טובים יותר. זה טען במשך שנים על ידי יצרנים שונים, אך ללא קשר, על פי המפרט הצבאי, הספק עדיין יכול לספק לך נגדים שעומדים רק על 2% ב -10 שעות בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס.

ניתן, איפוא, בהנחה שמעריך שורשי קוביות מקרה נומינלי (0.333) וערך Ea (0.28) כי שונות 2% של 10k שעה יכולה להיות גבוהה ככל 4.67% (הפניה 8)! סובלנות ההזדקנות מחמירה בהרבה כאשר משתמשים בשונות שורש הקוביה המרבית (אקספוננט) מנתוני בדיקת המגרש (עד 0.6). בנוסף, זה ללא כל התאמות למתח הנגד. ובין אם אתה משתמש במפרט או איכשהו מאמין שאתה יכול להסתמך על נתוני הרבה; עליך עדיין להתמודד עם סובלנות ייצור / בדיקה אחרות שאינן 0%.

לכן, אין זה סביר להשתמש ב -1%, שלא לדבר על 0.5%, להזדקנות הנגד MIL-PRF-55342 למשימה של 70 מעלות צלזיוס.

כדי ליצור SCD שיגביל את סובלנות ההזדקנות EOL ל 0.5% ב 10 שנים 84 ° C, אתה יכול לבקש מגבלת בדיקה של 10k שעה של 0.215% (אקספוננט = 0.3333, Ea = 0.28 eV) (הפניה 8). SOTA מציין כי מתן נגדים לדרישת בדיקת חיים של 10,000 שעות הוא יקר ויש לו זמני עופרת ארוכים (ייצור + זמן הובלה של 14 חודשים). רוב האנשים מבצעים הערכה זו על סמך נתוני בדיקות חיים של 1000 או 2000 שעות (ייצור + 1.5 עד 3 חודשים מוביל למבחן).

תודה מיוחדת לבריאן היל ב- SOTA ולמייקל ג'יי קוזולינו בתאגיד התעופה והחלל על הערותיהם והדרכתם.

הפניות 

1. מיטוב יחס מבחן / ניתוח אלקטרוניקה, צ'רלס הימוביץ ', 7 בפברואר 2020.
2. מבחן לעומת ניתוח; מה היחס הנכון להשגת אמינות גבוהה ?, צ'רלס הימוביץ ', PSMA Webinar, יום חמישי, 18 בפברואר 2021.
3. משוואת ארניוס, ScienceDirect
4. ECSS-Q-TM-30-12A, נסחף פרמטר סוף החיים - רכיבי EEE, אוקטובר 2010 בעמוד 46
5. מדוע הנגד של 1% שלך באמת לא? מחקר סובלנות נגד, סטיב סנדלר, צ'רלס הימוביץ ', כוח חלל 2009, סדנת כוח חלל וחלל
6. ביצועי מבחן חיים, מוצרים עמידים, מצב של אמנות, בע"מ, 180502TN1206Life.pdf
   קובץ נתוני בדיקת חיי SOTA סרט דק ראשי המשמש באוסף 180502TN1206Life_Macro עם תוספות PH 10khr.xlsm - 180502TN1206Life_Macro עם תוספות PH 10khr.xlsm - אקסטרפולציה ל- 10Yr Tol 70C כוח מלא בהתבסס על SOTA 10khour מבחן נתונים - כמה נתוני בדיקת חיים אחרים עם 100k שעות!
7. ECSS-Q-60-11A 7 בספטמבר 2004 סחיפות פרמטרים של השפעה וסיום חיים - רכיבי EEE
8. סובלנות להזדקנות של סרט דק w שורש משתנה 10000 שעות. קובץ Mathcad 'xmcd, צרו איתי קשר אם תרצו העתק.
9. SMC-S-010_12APR2013, מרכז מערכות חלל וטילים סטנדרטיים דרישות טכניות עבור אֶלֶקטרוֹנִי חלקים, חומרים ותהליכים בשימוש ברכבי חלל, תקן SMC, 12 באפריל, 2013
10. MIL-PRF-55342 Rev H, נגדי מפרט ביצועים, שבב, קבוע, סרט, אמינות לא מבוססת, אמינות מבוססת, רמת שטח

מאמר זה פורסם במקור בפרסום האחות EDN.

על מערכות AEi