宇宙グレードのコンポーネントを必要とする設計では、時間の経過とともに発生する可能性のあるコンポーネント値の変動を考慮に入れる必要があります。 これは特に抵抗器に当てはまります。抵抗器は、その寿命にわたって大きな変化を示す可能性があります。 残念ながら、推定のためのほとんどの公開ガイドラインは 抵抗 経年劣化はかなり保守的です。問題は、設計者が典型的なデータと広告の誇大宣伝に従っており、ベンダーが提供できる実際の制限ではないことです。
宇宙グレードの抵抗器のサプライヤがあまり多くなく、MIL-PRF-55342が抵抗器の仕様を確立していることを考えると、さまざまな企業が抵抗器の経年変化許容値とガイドラインで使用する差異は非常に驚くべきものです。 何年にもわたって、私たちが行ったWCCAでは、エージング/複合環境の許容範囲（しばしば単にエージングと呼ばれる）について、0.1％から4％までのすべてを見てきました。 MIL-PRF-0.5抵抗器の寿命の影響については、1％、さらには55342％を使用することを再検討してください。 おそらくサポートされていません。
初期公差と温度公差（寿命の始まり、またはBOL）は、データシートで常に明確に定義されています。 受動部品の放射線耐性はゼロです。 これにより、耐用年数（EOL）の変動として定義されるのは経年変化の許容範囲のみになります。 これは、プログラムやアナリストが創造的になる傾向がある場所です。
図1：この写真は、18年間の抵抗器の経年劣化が空気中でどのように見えるかを示しています。 （画像：AEi Systems）
現在、お客様はクラスAの宇宙ミッションに0.24％から1.25％の範囲で使用しており、多くの重要なプログラムが0.5年間のミッションで10％のエージングを選択しています。 これは、初期および温度の許容誤差とは別に、寿命の終わりの変動をカバーするだけです。 抵抗膜に使用される材料は大幅に異なり、それに応じて異なる特性を有するため、これらの期待値の変動は正常であり、理解できる。 したがって、選択された単一のデータソースは、適用範囲が制限されます。
これらの数値が妥当であるか、または最悪の場合の回路分析（WCCA）で少なくとも合理的に保守的であるかどうかを評価してみましょう。
部品公差データベースは、PVDB（部品変動データベース）と呼ばれることが多く、最悪の場合の分析の中心です。 分析開始後にPVDBに触れるか、間違えると、分析全体に影響が出る可能性があります。 これは確かに抵抗器の許容誤差の変化に当てはまります。 これが、PVDBがWCCAの開始時に主に開発された主な理由のXNUMXつであり、顧客/プログラムの承認が重要である理由のXNUMXつです。 WCCAをレビューするすべての関係者からの承認なしに、計算を開始するべきではありません。
WCCAに必要な厳密さのレベルについてはブログWCCAで説明しました。厳密さが不足するとコストがかかりますが、最も影響力のあるEOL許容値は抵抗器の許容誤差です。 テストと分析の予算比率に関する最近の論文（参考文献1と2）では、さまざまなコンポーネントの合計BOLと合計EOLの分散比率について説明しました。 次の表に示すように、抵抗器は確かに最も影響力があり、パーセンテージで最大のEOL変化を示す可能性があります。
図2：骨がどこにあるかを知らない限り（許容範囲に関して）、骨まで削らないでください。 （画像：AEi Systems）
この表は、いくつかの異なるタイプの部品のBOLからEOLへの許容差の積み重ねの差異を示しています。
WCCAで使用される各部品の極値許容値の変動は、初期、温度、環境/経年変化の組み合わせ、および放射許容値の代数的に合計された組み合わせです。 経年劣化耐性は通常、バーンイン、または短期または長期の寿命試験データに基づいてアレニウスの式から推定されます（参考文献3）。 計算例をに示します。 図3。 テストデータが利用できない場合は、公的または独自のガイドラインが前提条件として使用されます（図4).
図3：抵抗器の経年劣化のこのサンプル計算は、84°Cの10年間のミッションのバーンイン/寿命テストデータに基づいています。 70°C、10,000時間、2％の寿命テスト制限（軍用規格[参照10]による）の場合、Eaを4.67または4.99eVとして使用すると、エージングは0.28％から0.43％の間です。 0.28eVはESAによって提案されています（参考文献4）。 計算の重要な要素である活性化エネルギーEaは、実際には確実にわかっていないことに注意してください。 （画像：AEi Systems）
コンポーネントの経年劣化は、物理化学的変化の継続的なプロセスです。 です 一般に 部品に偏りがなくてもエージングが発生する可能性があると想定。 つまり、ミッションの寿命を考慮する必要があるだけでなく、適切な温度条件での保管、統合、およびテスト時間を追加する必要があります。もちろん、部品を窒素またはその他の不活性環境に保管する場合を除きます。
驚いたことに、抵抗器製品のベンダーであるState of the Art、Inc。（SOTA）は、抵抗器は 10歳まで 出荷時。 ただし、SOTAは、薄膜抵抗器に電力が供給されていない状態で経年劣化するとは考えていません。
SOTAは、製造から10年後に在庫をパージして、在庫内の構造と材料のばらつきを最小限に抑えます。 室温での保管がロットテストの動作に変化をもたらすという証拠はありません。「Tレベルのスクリーニングは通常、在庫から既存のロットで提供されます。 Tレベルのスクリーニングは、グループAにパワーコンディショナー、グループBの検査を提供し、ERライフで表されます。 老化に関連する問題は確認されていません。 ER Lifeで表されている元のロットとTレベルのロットのいくつかの例では、パフォーマンスにほとんど違いはありません。」
図4：この表は、抵抗器の経年劣化許容値に関する一般的な公開ガイドラインを示しています。 （画像：AEi Systems）
軍用規格で定義されている製造およびテスト関連の公差の長いリストによって、組み合わされた環境公差が決まります。 製造関連の公差はプログラムごとに異なり、各プログラムの製造、テスト、および認定の要件に合わせて調整されています。 それらは製造とテストに関連していますが、EOL要因として経年劣化に集中していることがよくあります。 これらの軍用規格の公差は却下されるべきではなく、 図5、経年変化（時間ベース）の許容範囲に簡単に匹敵します。
図5：MIL-PRF-55342抵抗器の仕様は、合計できるさまざまな製造およびテスト関連の公差を示しています。 最終的に、メーカーは、2.0°Cで10,000時間にわたって抵抗の70％以下の変化という寿命試験要件を満たす抵抗器を提供できます（参考文献10）。
ベンダー提供の経年劣化データが示すもの
WCCAで使用される仮定と、プログラム/ベンダーの主張の不確実性を減らすために、昨年、SOTAとVishayに連絡しました。 このセクションでは、会話とデータ交換の概要について説明します。
私たちは約5年前にSOTAといくつかの作業を行い、それに関する論文を書きました（参考文献2009）。 今回連絡があったとき、SOTAは10,000年に最初に送ったのと同じ文書を送ってくれました。私たちはさらに追求し、SOTAがやって来て、100,000時間とXNUMX時間のロットデータを提供しました。 控えめに言ってもありがたいです。
SOTAライフテストパフォーマンスドキュメントに含まれるデータは、バラ色の絵を描き、過去に行われたいくつかの仮定を明らかにします。 「180502TN1206Life.pdf」（参照6）のデータには、166個の薄膜抵抗器（特性E、終端B、10,000°C）の1206時間寿命テストデータが70ロット含まれていました。 それらは、MIL-PRF-1条件下で測定されたさまざまな抵抗値（ミリオームから55342 MW）で構成されていました（メソッドパラグラフ4.8.11）。 XNUMXつのロットのデータがに示されています 図 6。
図6：SOTAが提供する70°C10,000寿命試験データロットのうちの166つと、さまざまな測定計算が左側に示されています。 データは、右側の立方根関数（約）に適合しました。 Y軸は抵抗値の変化率、X軸は時間単位の時間、大きな値のジャンプは赤で示されています。 XNUMXロットすべてが同様に分析されました。 （画像：AEi Systems）
各ロットは、定数と指数を持つ式に適合します。 たとえば、0.0015x0.2483 または0.0008倍0.3675、 に示すように 図5。 次に、式を87660時間に拡張して、総経年変化を求めます。
赤で表示されている値 図5 ロットの250年あたりの最大レートです。 0年ごとの時間レートは、最初の読み取り値から列の上部にある時間まで計算されます（250時間のレートは500〜0時間、500時間のレートはXNUMX〜XNUMX時間など）。
SOTAおよびVishayのデータシートで示唆されているように（図7）、指数は大きく異なりますが、抵抗は実際に立方根関数に適合します。 この啓示だけでも、主要な航空宇宙メーカーが使用する独自のガイドラインが変更される可能性があります。
図7：抵抗器のデータシートは、抵抗器の立方根の経年劣化を示唆しています。 （出典：State of the Art、Inc。）
SOTA '180502TN1206Life.pdf'10,000時間ロットセットで提示されたデータの要約：
- 薄膜1206チップ抵抗器の経年劣化は、指数が0.2から6まで変化する立方根関数に従います。これは、経年劣化が単純な立方根の推定値よりも大幅に悪化する可能性があることを意味します。
- 測定プロセスにエラーがあります。 エラーの大きさは不明ですが、通常、測定の「ジャンプ」が伴います。
- 短期間にエラーに大きなジャンプがある場合（<0.5時間で> 2000％）、結果のデータポイントが疑わしいと想定されます。
- 0.01％未満の誤差は、測定誤差と区別できません。 長期的な精度と値の範囲の誤差にもよりますが、0.02％までの測定誤差があることは考えられません。 エクスカーション前の測定と一致するように回復する0.02％を超える変化は、測定エラーによるものです。
- 電力ストレスのレベルは、データに考慮されていないもう55342つの変数です。 ただし、寿命試験データは、MIL-PRF-XNUMXに従って、定格電圧を超えない最大定格電力でのものです。
- Vishayはこれまで生データを提供していないため、アプリケーションノートに示されているように、パフォーマンスが立方根の経年劣化を満たしているかどうかは不明です。
- 提供されたデータは、金属合金または金属酸化物の膜で構成される薄膜抵抗器に関するものでしたが、厚膜抵抗器は、通常、薄膜よりも速い速度でエージングするガラス-金属フリットで構成されています（図6).
- この傾向は圧倒的かつ常に前向きです。 これは、許容誤差がランダムではなくバイアスされている可能性が高いことを意味します。 抵抗の経年変化は一方向にしか変化しないため、EOL許容値がRSSである場合、これはWCCA計算に影響を与えます。
SOTAの薄膜マネージャーであるBrianHillは、次のように述べています。 測定誤差は、この平均的な（ほぼ線形の）正の動作の周りに観察されたぐらつきを提供すると思います。 データは、より定常状態の動作を達成する前の最初の100〜250時間のテストで最初の高いレートを示唆している可能性がありますが、薄膜では、変化が測定誤差の境界に非常に近いため、これを判断するのは困難です。」
このデータは、ECSS-Q-60-11AのESAデータを厳密に模倣しています（参照7）。 グラフには、ストレスによる変化を示すという追加の利点もあります。 ESA曲線 図7 SOTAデータに正確に従わず、より高い電力レベルでは、ESA計算は、単一のプログラム全体の経年劣化の仮定に関する懸念の原因を示している可能性があります。
図8：ESAは、ストレスレベルに伴う加齢の変化に関する唯一のデータソースの60つです。 特にESA、および定性的にはSOTAは、抵抗器の経年劣化（時間変化の傾き）に対する電力ストレスの強い影響を示しています。 このグラフを作成した基礎となるデータは利用できませんでした。 出典：ECSS-Q-11-55342A：XNUMX抵抗器の経年劣化。 （画像：AEi Systems）
ボトムライン
SOTAデータセットが評価されました。 10k時間のデータは、87,660k時間のデータを使用して近似された式を使用して、10時間に外挿されました。 結果として生じる87.66k時間の偏差は、次のように要約されます。 図9＆10.
レビューしたデータセットでは、エージングが約2％を超えるロットを無視すると、ロットの81％が0.065°Cで10年間のエージングが70％未満であり、ロットの19％が0.065％から0.395％の間でした。 84°Cで、Eaを0.28と仮定すると、ロットの82％は0.065年間のエージングが10％未満であり、ロットの18％は0.065％から0.425％の間でした。 実際のドリフトはシステム抵抗ロットの特性に依存するため、抵抗組成の式が異なる他のベンダーは、これらの傾向に従わない場合があります。
図9：166ロットの10,000時間のテストデータは、87,660°Cで70時間に外挿されました。 （画像：AEi Systems）
図10：166ロットの10k時間のテストデータは、87.66eVのEaを使用して、84°Cで0.28k時間に外挿されました。 （画像：AEi Systems）
また、プログラムの最悪の場合の温度も考慮する必要があります。 認定温度が60°C〜65°Cの範囲であっても、電力損失による温度上昇により、抵抗器の平均温度が周囲環境より10〜20度高くなる可能性があり、さらに高い局所温度で抵抗器のホットスポットが作成される可能性があります。 これらのホットスポットは、抵抗の経年劣化を引き起こす可能性があります。
70°Cを超える温度では、耐老化性はさらに悪くなります。 温度による変化は、活性化エネルギーEaに関連しています。 Eaは、さまざまなメーカーの厚い金属膜抵抗器と薄い金属膜抵抗器で知られていません。 ESAは0.28eVのEaを示唆しています。 軍用規格では、一般的な値は0.28eV〜0.43eVですが、Eaは低くなる可能性があることが示されています。 したがって、このデータの変換にはEaの仮定が必要です。 比較のために、84°Cは任意に使用されます 図9.
肝心なのはこれです。 抵抗器を大量に購入する場合、または寿命テストのパフォーマンスを制限するためにソース管理ドキュメント（SCD）を作成した場合を除いて、ロットデータは関係ありません。 はい、仕様よりも優れていることを示しています。 これはさまざまなメーカーによって長年主張されてきましたが、軍用規格に関係なく、ベンダーは2°Cで10k時間で70％しか満たす抵抗を提供できません。
したがって、主格の立方根指数（0.333）とEa値（0.28）を想定すると、2％の10k時間の分散は4.67％に達する可能性があります（参照8）。 ロットテストデータからの最大立方根（指数）分散を使用すると、経年劣化の許容範囲がさらに悪化します（0.6まで）。 さらに、これには抵抗ストレスの調整はありません。 そして、仕様を使用するか、何らかの形でロットデータに依存できると信じているかどうか。 それでも、0％ではない他の製造/テスト公差と競合する必要があります。
したがって、1°Cの0.5年間のミッションでのMIL-PRF-55342抵抗器の経年劣化に、70％はもちろん10％を使用することは合理的ではありません。
0.5年10°CでEOLエージング耐性を84％に制限するSCDを作成するには、10％（指数= 0.215、Ea = 0.3333eV）の0.28k時間のテスト制限を要求できます（参照8）。 SOTAは、10,000時間の寿命テスト要件に抵抗を提供することは費用がかかり、リードタイムが長い（製造+ 14か月のテストリードタイム）と述べています。 ほとんどの人は、1000時間または2000時間の寿命テストデータ（製造+ 1.5〜3か月のテストリードタイム）に基づいてこの評価を行っています。
コメントとガイダンスを提供してくれたSOTAのBrianHillとAerospaceCorporationのMichaelJCozzolinoに特に感謝します。
参考文献
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- テスト対分析; 高い信頼性を達成するための適切な比率はどれくらいですか？、Charles Hymowitz、PSMAウェビナー、18年2021月XNUMX日木曜日。
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- ECSS-Q-TM-30-12A、耐用年数を経たパラメータのドリフト– EEEコンポーネント、2010年46月（XNUMXページ）
- なぜあなたの1％抵抗器は本当にそうではないのですか？ 抵抗器公差研究、Steve Sandler、Charles Hymowitz、Space Power 2009、Aerospace Space Power Workshop
- 寿命試験性能、耐性製品、State of the Art、Inc.、180502TN1206Life.pdf
180502TN1206Life_MacroとPH10khr.xlsmのコンパイルで使用されるメインのSOTA薄膜寿命テストデータファイル–180502TN1206Life_MacroとPH10khr.xlsmの追加– SOTA10khourテストデータに基づく70YrTol 10Cフルパワーへの外挿–その他の寿命テストデータファイル100万時間で！ - ECSS-Q-60-11A 7年2004月XNUMX日ディレーティングおよび寿命末期のパラメータドリフト—EEEコンポーネント
- 薄膜エージングトレランスw可変ルート10000hours.xmcd'Mathcadファイル、コピーが必要な場合は私に連絡してください。
- SMC-S-010_12APR2013、宇宙・ミサイルシステムセンターの標準技術要件 エレクトロニック 宇宙船で使用される部品、材料、プロセス、SMC 規格、12 年 2013 月 XNUMX 日
- MIL-PRF-55342 Rev H、性能仕様抵抗、チップ、固定、フィルム、確立されていない信頼性、確立された信頼性、スペースレベル
この記事は、もともと姉妹出版物EDNで公開されました。
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