우주 등급 구성 요소가 필요한 설계는 시간이 지남에 따라 발생할 수있는 구성 요소 값의 변동을 고려해야합니다. 이는 수명 동안 상당한 변화를 보일 수있는 저항의 경우 특히 그렇습니다. 불행히도 대부분의 추정에 대한 공개 지침은 저항기 노화는 상당히 보수적이며, 문제는 디자이너가 공급 업체가 제공 할 수있는 실제 제한이 아니라 일반적인 데이터와 광고 광고를 따르고 있다는 것입니다.
우주 등급 저항기 공급 업체가 너무 많지 않고 MIL-PRF-55342가 저항기 사양을 설정한다는 점을 감안할 때, 저항기에 대한 노화 공차 및 지침에서 다른 회사가 사용하는 편차는 상당히 놀랍습니다. 수년에 걸쳐 우리가 수행 한 WCCA에서 우리는 종종 단순히 노화라고하는 노화 / 복합 환경 허용 오차 기간에 대해 0.1 %에서 4 %까지 모든 것을 보았습니다. MIL-PRF-0.5 저항기 수명 종료 효과에 대해 1 % 또는 55342 %를 사용하여 다시 고려하십시오. 아마도 지원할 수 없습니다.
초기 및 온도 허용 오차 (수명 시작 또는 BOL)는 항상 데이터 시트에 잘 정의되어 있습니다. 수동 부품의 경우 방사선 허용 오차는 XNUMX입니다. 이로 인해 수명 종료 (EOL) 분산으로 정의되는 노화 허용 오차 만 남습니다. 프로그램과 분석가가 창의적인 경향이있는 곳입니다.
그림 1 :이 사진은 18 년 동안의 저항 노화가 공기 중에서 어떻게 보일 수 있는지 보여줍니다. (이미지 : AEi Systems)
현재 우리 고객들은 0.24 년 임무를 위해 1.25 % 노화를 선택하는 많은 중요한 프로그램과 함께 A 급 우주 임무에 0.5 %에서 10 %까지 사용하고 있습니다. 이것은 초기 및 온도 허용 오차와는 별개이며 수명이 다한 차이 만 포함합니다. 이러한 기대치의 변화는 저항 막에 사용되는 재료가 실질적으로 다양하고 그에 따라 다른 특성을 갖기 때문에 정상적이고 이해할 수 있습니다. 따라서 선택한 단일 데이터 소스는 적용 가능성이 제한됩니다.
이 수치가 합리적으로 보이는지 또는 최악의 경우 회로 분석 (WCCA)에 대해 적어도 합리적으로 보수적인지 평가 해 보겠습니다.
종종 PVDB (부품 가변성 데이터베이스)라고하는 부품 공차 데이터베이스는 최악의 경우 분석의 핵심입니다. 분석이 시작된 후 PVDB를 터치하거나 실수를하면 전체 분석에 영향을 미칠 수 있습니다. 이것은 저항 공차 변경의 경우에 해당됩니다. 이것은 PVDB가 WCCA 초기에 개발 된 주요 이유 중 하나이며 고객 / 프로그램 승인이 중요한 이유입니다. WCCA를 검토하는 모든 당사자의 승인없이 계산을 시작해서는 안됩니다.
내 블로그 WCCA에서 WCCA에 필요한 엄격한 수준에 대해 논의했습니다. 엄격하지 않은 경우 비용이 발생하지만 가장 영향력있는 EOL 허용 오차는 저항기의 허용 오차입니다. 최근 테스트 대 분석 예산 비율 (참고 자료 1 및 2)에 대한 논문에서 다양한 구성 요소의 총 BOL 대 총 EOL 분산 비율에 대해 논의했습니다. 저항은 확실히 가장 영향력이 크며 아래 표에 표시된 것처럼 EOL 변화율이 가장 클 수 있습니다.
그림 2 : 뼈의 위치를 알지 못하는 경우 (허용 오차 측면에서) 뼈까지 내려 가지 마십시오. (이미지 : AEi Systems)
이 표는 여러 부품 유형에 대한 BOL 대 EOL 공차 누적 분산을 보여줍니다.
WCCA에 사용 된 각 부품에 대한 극한값 허용 오차 변동은 초기, 온도, 결합 된 환경 / 노화 및 복사 허용 오차를 대수적으로 합산 한 것입니다. 노화 허용 오차는 일반적으로 번인 (burn-in) 또는 단기 또는 장기 수명 테스트 데이터를 기반으로 한 Arrhenius 방정식에서 외삽됩니다 (참조 3). 샘플 계산은 다음과 같습니다. Fig. 3. 테스트 데이터를 사용할 수없는 경우 공개 또는 독점 지침이 가정으로 사용됩니다 (Fig. 4).
그림 3 : 저항기 노화에 대한이 샘플 계산은 84 ° C 10 년 미션에 대한 번인 / 수명 테스트 데이터를 기반으로합니다. 70 ° C, 10,000 시간, 2 % 수명 테스트 한계 (군사 사양 [참조 10]에 따름)의 경우 Ea를 4.67 또는 4.99eV로 사용하여 노화는 0.28 %에서 0.43 % 사이입니다. 0.28eV는 ESA에서 제안합니다 (참고 문헌 4). 계산의 중요한 요소 인 활성화 에너지 Ea는 실제로 확실하게 알려져 있지 않다는 점에 유의해야합니다. (이미지 : AEi Systems)
구성 요소 노화는 물리 화학적 변화의 지속적인 과정입니다. 그것은 일반적으로 부품이 편견이 없더라도 노화가 발생할 수 있다고 가정했습니다. 즉, 미션 수명을 고려해야 할뿐만 아니라 적절한 온도 조건에서 보관, 통합 및 테스트 시간을 추가해야합니다. 물론 부품을 질소 또는 기타 불활성 환경에 보관하지 않는 한 말입니다.
놀랍게도 저항성 제품 공급 업체 인 State of the Art, Inc. (SOTA)는 저항이 10 세 이하 배송 될 때. 그러나 SOTA는 박막 저항기가 전원이 공급되지 않는 상태에서 노화되지 않는다고 믿지 않습니다. "SOTA는 표준 대기 (N2 퍼지 없음)에서 일반 ~ 23 ° C 주변 온도에서 최대 10 년 동안 성능 저하없이 장치를 저장합니다."
SOTA는 제조 후 10 년 후에 재고를 제거하여 재고 내에서 구성 및 자재 변동을 최소화합니다. 그들은 상온 저장에 대한 증거가 없어 로트 테스트 동작이 변경되었습니다.“T 레벨 스크리닝은 일반적으로 재고의 기존 로트에 제공됩니다. T 레벨 스크리닝은 그룹 A에 전력 조절, 그룹 B 검사를 제공하며 ER 수명에 표시됩니다. 노화와 관련된 문제는 확인되지 않았습니다. ER Life에서 대표되는 원래 로트 및 T 레벨 로트의 몇 가지 예의 경우 성능 차이가 거의 없거나 전혀 없습니다.”
그림 4 :이 표는 저항 노화 허용 오차에 대한 일반적인 공개 지침을 보여줍니다. (이미지 : AEi Systems)
군사 사양에 정의 된대로 제조 및 테스트 관련 공차 목록이 결합 된 환경 공차를 결정합니다. 제조 관련 허용 오차는 각 프로그램마다 다르며 각 프로그램의 제조, 테스트 및 자격 요건에 맞게 조정됩니다. 그들은 제조 및 테스트와 관련이 있지만 EOL 요인으로 노화와 함께 종종 집중됩니다. 이러한 군사 사양 공차는 무시해서는 안되며 Fig. 5, 쉽게 노화 (시간 기반) 허용 오차와 경쟁합니다.
그림 5 : MIL-PRF-55342 저항에 대한 사양은 추가 할 수있는 다양한 제조 및 테스트 관련 공차를 나타냅니다. 궁극적으로 제조업체는 2.0 ° C에서 10,000 시간 동안 저항 변화가 70 % 이하인 수명 테스트 요구 사항을 충족하는 저항기를 제공 할 수 있습니다 (참조 10).
공급 업체가 제공 한 노화 데이터가 보여주는 내용
WCCA에 사용 된 가정과 프로그램 / 벤더 클레임의 불확실성을 줄이기 위해 작년에 SOTA와 Vishay에 연락했습니다. 이 섹션에서는 대화 및 데이터 교환에 대한 요약을 다룹니다.
우리는 약 5 년 전에 SOTA와 일부 작업을했고 이에 대한 논문을 썼습니다 (참고 자료 2009). 이번 연락을 받았을 때 SOTA는 10,000 년에 처음 보낸 것과 동일한 문서를 우리에게 보냈습니다. 우리는 더 나아가서 SOTA를 통해 100,000 시간 및 XNUMX 시간 로트 데이터를 제공했습니다. 우리는 최소한의 말을 해주셔서 감사했습니다.
SOTA 수명 테스트 성능 문서에 포함 된 데이터는 장밋빛 그림을 그리고 과거에 이루어진 몇 가지 가정을 명확히합니다. '180502TN1206Life.pdf'(참고 6)의 데이터에는 166 박막 저항기 (특성 E, 종단 B, 10,000 ° C)에 대한 1206 시간 수명 테스트 데이터 70 개가 포함되어 있습니다. MIL-PRF-1 조건 (방법 단락 55342)에서 측정 된 다양한 저항 값 (밀리 옴에서 4.8.11MW)으로 구성되었습니다. 두 개의 데이터가 표시됩니다. 그림. 6.
그림 6 : SOTA에서 제공하는 70 ° C 10,000 수명 테스트 데이터 로트 중 166 개와 다양한 측정 계산이 왼쪽에 표시됩니다. 데이터는 오른쪽의 세제곱근 함수 (대략)에 적합했습니다. Y 축은 저항 값의 % 변화이고 X 축은 시간 단위이며 큰 값 점프는 빨간색으로 표시됩니다. XNUMX 개 로트 모두 유사하게 분석되었습니다. (이미지 : AEi Systems)
각 로트는 상수와 지수가있는 표현식에 적합합니다. 예 : 0.0015x0.2483 또는 0.0008x0.3675,과 같이 Fig. 5. 그런 다음 공식을 87660 시간으로 확장하여 총 노화 변화를 찾습니다.
빨간색으로 표시된 값 Fig. 5 250 년당 가장 큰 비율입니다. 0 년당 시간 비율은 초기 판독 값에서 열 상단의 시간까지 계산됩니다 (250 시간 비율은 500 ~ 0 시간, 500 시간 비율은 XNUMX ~ XNUMX 시간 등).
SOTA 및 Vishay 데이터 시트 (Fig. 7), 저항은 실제로 세제곱근 함수에 적합하지만 지수는 매우 다양합니다. 이 폭로만으로 주요 항공 우주 제조업체가 사용하는 일부 독점 지침이 변경 될 가능성이 있습니다.
그림 7 : 저항기 데이터 시트는 저항기의 큐브 루트 노화에 대한 힌트를 제공합니다. (출처 : State of the Art, Inc.)
SOTA '180502TN1206Life.pdf'10,000 시간 로트 세트에 제시된 데이터 요약 :
- 박막 (1206) 칩 저항기 노화는 0.2에서 6까지 변하는 지수를 갖는 세제곱근 함수를 따릅니다. 이것은 노화가 단순한 세제곱근 추정치보다 훨씬 더 나쁠 수 있음을 의미합니다.
- 측정 프로세스에 오류가 있습니다. 오류의 크기는 알 수 없지만 일반적으로 측정 "점프"가 수반됩니다.
- 단기간에 오류가 크게 증가하면 (<0.5 시간 동안 2000 % 초과) 결과 데이터 포인트가 의심되는 것으로 간주됩니다.
- 0.01 % 미만의 오류는 측정 오류와 구별 할 수 없습니다. 장기적인 정확도와 값 범위 오류에 따라 최대 0.02 %의 측정 오류를 갖는 것은 상상할 수없는 일이 아닙니다. 변동 이전에 측정과 일치하도록 복구되는> 0.02 % 변경은 측정 오류로 인한 것입니다.
- 전력 스트레스 수준은 데이터에 포함되지 않는 또 다른 변수입니다. 그러나 수명 테스트 데이터는 MIL-PRF-55342에 따라 정격 전압을 초과하지 않는 최대 정격 전력입니다.
- Vishay는 현재까지 원시 데이터를 제공하지 않았으므로 애플리케이션 노트에서 알 수 있듯이 성능이 세제곱근 노화를 충족하는지 여부는 알 수 없습니다.
- 제공된 데이터는 금속 합금 또는 금속 산화물 필름으로 구성된 박막 저항기에 대한 것이지만 후막 저항기는 일반적으로 박막보다 더 빠른 속도로 노화되는 유리-금속 프릿으로 구성됩니다 (Fig. 6).
- 추세는 압도적으로 항상 긍정적입니다. 이는 허용 오차가 무작위가 아니라 편향되어 있어야 함을 의미합니다. 저항 노화 변화가 한 방향으로 만 이루어지기 때문에 EOL 허용 오차가 RSS 인 경우 WCCA 계산에 영향을 미칩니다.
SOTA의 박막 관리자 인 Brian Hill은“제한된 장기 데이터 세트 (100 만 시간 이상)를 기반으로 할 때 일반적인 추세는 시간이 지남에 따라 느리게 이동하는 긍정적 인 것이라고 생각합니다. 측정 오류가이 평균 (거의 선형) 긍정적 인 행동에 대해 관찰 된 흔들림을 제공한다고 생각합니다. 데이터는보다 안정된 상태의 동작을 달성하기 전에 테스트의 첫 250-500 시간에서 초기 속도가 더 높음을 암시 할 수 있지만 박막에서는 변경이 측정 오류 경계에 너무 가깝기 때문에 결정하기가 더 어렵습니다.”
이 데이터는 ECSS-Q-60-11A (참조 7)의 ESA 데이터와 거의 유사합니다. 그래프에는 스트레스에 따른 변동을 보여주는 추가 이점도 있습니다. ESA 곡선 Fig. 7 SOTA 데이터를 정확하게 따르지 말고 더 높은 전력 수준에서 ESA 계산은 단일 프로그램 전체 노화 가정에 대한 우려의 원인을 나타낼 수 있습니다.
그림 8 : ESA는 스트레스 수준에 따른 노화의 변화에 대한 유일한 데이터 소스 중 하나입니다. 특히 ESA와 SOTA는 정 성적으로 저항 노화 (시간 변화의 기울기)에 대한 전력 스트레스의 강한 영향을 나타냅니다. 이 그래프를 생성 한 기본 데이터는 사용할 수 없습니다. 출처 : ECSS-Q-60-11A : 55342 저항 노화. (이미지 : AEi Systems)
결론
SOTA 데이터 세트가 평가되었습니다. 10 만 시간 데이터는 87,660 만 시간 데이터를 사용하여 적합한 방정식을 사용하여 10 시간으로 추정되었습니다. 그 결과 87.66k 시간 편차는 다음과 같이 요약됩니다. 그림 9 및 10.
검토 된 데이터 세트의 경우 ~ 2 % 이상의 노화를 가진 로트를 무시하면 로트의 81 %가 0.065 ° C에서 10 년 동안 70 % 미만으로 노화되었으며 로트의 19 %는 0.065 %에서 0.395 % 사이였습니다. 84 ° C에서 Ea가 0.28이라고 가정하면 로트의 82 %가 0.065 년 동안 10 % 미만의 노화를 보였고 로트의 18 %가 0.065 %에서 0.425 % 사이였습니다. 실제 드리프트는 시스템 저항기 로트의 속성에 따라 다르므로 저항기 구성에 대한 공식이 다른 다른 공급 업체는 이러한 추세를 따르지 않을 수 있습니다.
그림 9 : 166 시간 테스트 데이터 10,000 개를 87,660 ° C에서 70 시간으로 추정했습니다. (이미지 : AEi Systems)
그림 10 : 166 로트의 10k 시간 테스트 데이터는 87.66eV의 Ea를 사용하여 84 ° C에서 0.28k 시간으로 외삽되었습니다. (이미지 : AEi Systems)
또한 프로그램의 최악의 온도를 고려해야합니다. 검증 온도가 60 ° C ~ 65 ° C 범위 인 경우에도 전력 손실로 인한 온도 상승으로 인해 저항기의 평균 온도가 주변 환경보다 10 ~ 20도 높아질 수 있으며 더 높은 국부 온도로 저항기 핫스팟이 생성 될 수 있습니다. 이러한 핫스팟은 저항 노화를 유발할 수 있습니다.
70 ° C를 초과하는 온도에서는 노화 허용 오차가 더 나쁩니다. 온도에 따른 변화는 활성화 에너지 Ea와 관련이 있습니다. Ea는 다양한 제조업체의 두껍고 얇은 금속 필름 저항기로 알려져 있지 않습니다. ESA는 0.28eV의 Ea를 제안합니다. 군용 사양에 따르면 Ea는 더 낮을 수 있지만 일반적인 값은 0.28eV에서 0.43eV 사이입니다. 따라서이 데이터를 변환하려면 Ea 가정이 필요합니다. 비교 목적으로 84 ° C는 Fig. 9.
결론은 이것입니다. 전체 저항기를 구입하거나 수명 테스트 성능을 제한하기 위해 소스 제어 문서 (SCD)를 작성하지 않는 한, 로트 데이터는 관련이 없습니다. 예, 사양 성능보다 우수합니다. 이는 여러 제조업체에서 수년 동안 주장 해 왔지만 군사 사양에 관계없이 공급 업체는 2 ° C에서 10k 시간에서 70 % 만 충족하는 저항기를 여전히 제공 할 수 있습니다.
따라서 공칭 케이스 큐브 루트 지수 (0.333)와 Ea 값 (0.28)을 가정하면 2 % 10k 시간 분산이 4.67 %만큼 높을 수 있습니다 (참조 8)! 로트 테스트 데이터의 최대 세제곱근 (지수) 분산이 사용되면 노화 허용 오차가 훨씬 더 나빠집니다 (최대 0.6). 또한 이것은 저항 스트레스에 대한 조정이 없습니다. 그리고 사양을 사용하든 어떤 식 으로든 로트 데이터에 의존 할 수 있다고 믿든 상관 없습니다. 여전히 0 %가 아닌 다른 제조 / 테스트 허용 오차와 경쟁해야합니다.
따라서 1 ° C 0.5 년 임무를 위해 MIL-PRF-55342 저항기 노화에 70 %는 고사하고 10 %를 사용하는 것은 합리적이지 않습니다.
EOL 노화 허용 오차를 0.5 년 10 ° C에서 84 %로 제한하는 SCD를 만들려면 10k 시간 테스트 제한 0.215 % (지수 = 0.3333, Ea = 0.28eV)를 요청할 수 있습니다 (참조 8). SOTA는 10,000 시간의 수명 테스트 요구 사항에 저항기를 제공하는 것은 비용이 많이 들고 리드 타임이 길다고 말합니다 (제조 + 14 개월 테스트 리드 타임). 대부분의 사람들은 1000 시간 또는 2000 시간 수명 테스트 데이터 (제조 + 1.5 ~ 3 개월 테스트 리드 타임)를 기반으로이 평가를 수행합니다.
SOTA의 Brian Hill과 Aerospace Corporation의 Michael J Cozzolino의 의견과 지침에 특별히 감사드립니다.
참고자료
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- 테스트 대 분석; 높은 신뢰성을 달성하기위한 적절한 비율은 무엇입니까?, Charles Hymowitz, PSMA Webinar, 18 년 2021 월 XNUMX 일 목요일.
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- 왜 당신의 1 % 저항은 그렇지 않습니까? 저항 공차 연구, Steve Sandler, Charles Hymowitz, Space Power 2009, Aerospace Space Power Workshop
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추가 PH 180502khr.xlsm – 1206TN10Life_Macro를 추가하여 PH 180502khr.xlsm – SOTA 1206khour 테스트 데이터를 기반으로 10Yr Tol 10C Full Power에 대한 외삽 – 일부를 포함한 기타 수명 테스트 데이터 파일 70 만 시간으로! - ECSS-Q-60-11A 7 년 2004 월 XNUMX 일 경감 및 수명 종료 매개 변수 드리프트 — EEE 구성 요소
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- MIL-PRF-55342 Rev H, 성능 사양 저항기, 칩, 고정, 필름, 확립되지 않은 신뢰성, 확립 된 신뢰성, 공간 수준
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