Reka bentuk yang memerlukan komponen kelas ruang mesti mengambil kira perbezaan nilai komponen yang boleh berlaku dari masa ke masa. Hal ini terutama berlaku untuk perintang, yang dapat menunjukkan perubahan yang ketara sepanjang hayatnya. Malangnya, sementara kebanyakan garis panduan umum untuk membuat anggaran Perintang penuaan cukup konservatif, masalahnya adalah pereka mengikuti data khas dan gembar-gembur iklan dan bukan had sebenar yang dibenarkan oleh vendor.
Memandangkan tidak ada terlalu banyak pembekal perintang kelas ruang, dan bahawa MIL-PRF-55342 menetapkan spesifikasi untuk perintang, perbezaan yang digunakan oleh syarikat yang berbeza dalam toleransi penuaan dan garis panduan untuk perintang agak mengejutkan. Selama bertahun-tahun, di WCCA yang telah kami tunjukkan, kami telah melihat semuanya dari 0.1% hingga 4% untuk istilah toleransi penuaan / persekitaran gabungan, yang sering disebut sebagai penuaan sahaja. Pertimbangkan semula menggunakan 0.5%, atau bahkan 1%, untuk kesan akhir hayat resistor MIL-PRF-55342; ia mungkin tidak disokong.
Toleransi awal dan suhu (permulaan hidup, atau BOL) selalu ditentukan dengan baik dalam lembar data. Toleransi sinaran adalah sifar untuk komponen pasif. Ini hanya membiarkan toleransi penuaan untuk ditakrifkan sebagai varians akhir hayat (EOL). Di sinilah program dan penganalisis cenderung kreatif.
Gambar 1: Foto ini menunjukkan seperti apa penuaan perintang 18 tahun di udara. (Imej: Sistem AEi)
Pada masa ini, pelanggan kami menggunakan mana-mana dari 0.24% hingga 1.25% untuk misi angkasa Kelas A dengan banyak program kritikal memilih penuaan 0.5% untuk misi 10 tahun. Ini terlepas dari toleransi awal dan suhu dan hanya meliputi varians akhir hayat. Variasi jangkaan ini normal dan dapat difahami kerana bahan yang digunakan untuk filem resistif sangat berbeza dan mempunyai sifat yang berbeza. Oleh itu, mana-mana sumber data yang dipilih akan mempunyai kemampuan terhad.
Mari kita menilai sama ada angka-angka ini kelihatan munasabah, atau sekurang-kurangnya cukup konservatif untuk analisis litar terburuk (WCCA).
Pangkalan data toleransi bahagian, sering disebut sebagai PVDB (pangkalan data kebolehubahan bahagian) merupakan inti dari analisis kes terburuk. Sentuh PVDB setelah analisis dimulakan, atau buat kesalahan, dan keseluruhan analisis dapat dipengaruhi. Ini tentunya berlaku bagi perubahan toleransi perintang. Ini adalah salah satu sebab utama mengapa PVDB banyak dikembangkan pada awal WCCA, dan mengapa kelulusan pelanggan / program sangat penting. Tanpa pendaftaran dari semua pihak yang mengkaji WCCA, pengiraan tidak boleh dimulakan.
Saya membincangkan tahap ketegasan yang diperlukan untuk WCCA di blog saya WCCA: Kekurangan ketegaran akan menanggung kos anda, tetapi jelas toleransi EOL yang paling berdampak adalah perintang. Dalam makalah baru-baru ini mengenai nisbah anggaran ujian vs analisis (Rujukan 1 dan 2), saya membincangkan jumlah nisbah varians BOL vs jumlah EOL pelbagai komponen. Perintang tentunya paling berpengaruh dan boleh mempunyai perubahan EOL terbesar mengikut peratusan, seperti yang ditunjukkan dalam jadual di bawah.
Gambar 2: Jangan sampai ke tulang kecuali anda tahu di mana tulang itu (bias toleransi). (Imej: Sistem AEi)
Jadual ini menunjukkan varians susunan toleransi BOL ke EOL untuk beberapa jenis bahagian.
Variasi toleransi nilai ekstrem untuk setiap bahagian yang digunakan dalam WCCA adalah gabungan penjumlahan awal, suhu, persekitaran gabungan / penuaan, dan toleransi radiasi secara aljabar. Toleransi penuaan biasanya diekstrapolasi dari persamaan Arrhenius berdasarkan data ujian hidup jangka pendek atau jangka pendek (Rujukan 3). Pengiraan sampel ditunjukkan dalam Rajah 3. Sekiranya data ujian tidak tersedia, maka garis panduan awam atau hak milik digunakan sebagai andaian (Rajah 4).
Rajah 3: Pengiraan sampel penuaan resistor ini berdasarkan data ujian burn-in / life untuk misi 84 tahun 10 ° C. Untuk had ujian hidup 70 ° C, 10,000 jam, 2% (mengikut spesifikasi tentera [Rujukan 10]), penuaan adalah antara 4.67% dan 4.99% menggunakan Ea sebagai 0.28 atau 0.43eV. 0.28eV dicadangkan oleh ESA (Rujukan 4). Perlu diingatkan bahawa tenaga pengaktifan Ea, elemen penting dalam pengiraan, sebenarnya tidak diketahui dengan pasti. (Imej: Sistem AEi)
Penuaan komponen adalah proses perubahan fizikokimia yang berterusan. Ia adalah umumnya diandaikan bahawa penuaan boleh berlaku walaupun bahagiannya tidak berat sebelah. Ini bermakna anda bukan sahaja perlu memperhitungkan jangka hayat misi, tetapi anda juga perlu menambahkan masa penyimpanan, penyatuan, dan masa ujian pada keadaan suhu yang sesuai - kecuali, tentu saja, anda menyimpan bahagian anda dalam nitrogen atau persekitaran lengai yang lain.
Anehnya, penjual produk resisten State of the Art, Inc. (SOTA) menyatakan bahawa perintang mungkin berumur sehingga 10 tahun semasa dihantar. Walau bagaimanapun, SOTA tidak percaya bahawa perintang filem nipis tidak berkuasa: "SOTA menyimpan peranti dalam suasana standard (tidak ada pembersihan N2) pada suhu persekitaran biasa ~ 23 ° C hingga 10 tahun tanpa penurunan yang diperhatikan."
SOTA membersihkan stok selepas 10 tahun dari pembuatan untuk memastikan minimum pembinaan dan variasi bahan dalam stok. Mereka tidak memiliki bukti penyimpanan suhu bilik yang mengakibatkan perubahan dalam perilaku pengujian lot: "Pemeriksaan tingkat-T biasanya diberikan pada lot yang ada dari stok. Pemeriksaan tahap-T menyediakan Kumpulan A dengan penyaman kuasa, pemeriksaan Kumpulan B, dan diwakili dalam ER Life. Tidak ada masalah yang dikenal pasti berkaitan dengan penuaan. Untuk beberapa contoh lot asal dan lot T-level yang diwakili dalam ER Life, terdapat sedikit perbezaan hingga tidak ada perbezaan dalam prestasi. "
Rajah 4: Jadual ini menunjukkan garis panduan umum khas untuk toleransi penuaan resistor. (Imej: Sistem AEi)
Senarai panjang toleransi berkaitan pembuatan dan ujian, seperti yang ditentukan dalam spesifikasi ketenteraan, menentukan toleransi persekitaran gabungan. Toleransi berkaitan pembuatan berbeza untuk setiap program dan disesuaikan dengan keperluan pembuatan, ujian, dan kelayakan setiap program. Walaupun mereka berkaitan dengan pembuatan dan ujian, mereka sering disamakan dengan penuaan sebagai faktor EOL. Toleransi spesifikasi ketenteraan ini tidak boleh ditolak dan boleh, seperti yang dinyatakan di Rajah 5, mudah menandingi toleransi penuaan (berdasarkan masa).
Gambar 5: Spesifikasi untuk resistor MIL-PRF-55342 menunjukkan pelbagai toleransi berkaitan pembuatan dan ujian yang dapat bertambah. Pada akhirnya, pengeluar dapat memberikan perintang yang memenuhi syarat ujian hidup kurang dari atau sama dengan 2.0% perubahan rintangan selama 10,000 jam pada suhu 70 ° C (Rujukan 10).
Apa yang ditunjukkan oleh data penuaan yang diberikan oleh vendor
Untuk mengurangkan andaian yang digunakan dalam WCCA dan ketidakpastian dalam tuntutan program / vendor, kami menghubungi SOTA dan Vishay tahun lalu; bahagian ini merangkumi ringkasan perbualan dan pertukaran data.
Kami melakukan beberapa kerja dengan SOTA kira-kira satu dekad yang lalu dan menulis makalah di atasnya (Rujukan 5). Ketika dihubungi kali ini, SOTA mengirimi kami dokumen yang sama yang mereka kirimkan pada awalnya pada tahun 2009. Kami mengejar lebih jauh dan SOTA melalui, memberikan data lot 10,000 dan 100,000 jam. Kami bersyukur tidak seberapa.
Data yang terkandung dalam dokumen prestasi ujian hidup SOTA melukis gambar yang cerah dan menjelaskan beberapa andaian yang telah dibuat pada masa lalu. Data dalam '180502TN1206Life.pdf' (Rujukan 6) mengandungi 166 banyak data ujian hayat 10,000 jam untuk 1206 perintang filem nipis (ciri E, penamatan B, 70 ° C). Mereka terdiri dari pelbagai nilai perintang (miliohms hingga 1 MW) yang diukur dalam keadaan MIL-PRF-55342 (kaedah perenggan 4.8.11). Dua banyak data ditunjukkan dalam Rajah. 6.
Rajah 6: Dua dari 70 ° C 10,000 ujian data hayat yang disediakan oleh SOTA beserta pelbagai pengiraan pengukuran ditunjukkan di sebelah kiri. Data sesuai dengan fungsi akar kubus (kira-kira) di sebelah kanan. Paksi Y adalah% perubahan pada nilai perintang, paksi X adalah masa dalam jam, dan lonjakan nilai besar dicatat dengan warna merah. Kesemua 166 lot dianalisis secara serupa. (Imej: Sistem AEi)
Setiap lot sesuai dengan ungkapan yang tetap dan eksponen. Contohnya, 0.0015x0.2483 atau 0.0008x0.3675, seperti ditunjukkan dalam Rajah 5. Rumus kemudian dilanjutkan hingga 87660 jam untuk mencari variasi penuaan total.
Nilai berwarna merah dalam Rajah 5 adalah kadar jam per dekad terbesar untuk lot. Kadar per dekad jam dihitung dari bacaan awal hingga jam di bahagian atas lajur (kadar 250 jam adalah dari 0 hingga 250 jam, kadar 500 jam dari 0 hingga 500 jam, dan seterusnya).
Seperti yang dinyatakan dalam lembaran data SOTA dan Vishay (Rajah 7, perintang memang sesuai dengan fungsi akar kubus, walaupun eksponennya berbeza-beza. Penyataan ini semata-mata akan mengakibatkan perubahan beberapa panduan hak milik yang digunakan oleh pengeluar aeroangkasa utama.
Rajah 7: Lembaran data perintang mengisyaratkan penuaan akar kubus untuk perintang. (Sumber: State of the Art, Inc.)
Meringkaskan data yang disajikan dalam set lot 180502 jam SOTA '1206TN10,000Life.pdf':
- Penuaan resistor cip filem tipis 1206 mengikuti fungsi akar kubus dengan eksponen yang bervariasi dari 0.2 hingga 6. Ini bermaksud bahawa penuaan boleh menjadi jauh lebih teruk daripada anggaran akar kubus sederhana.
- Proses pengukuran mempunyai kesilapan. Besarnya ralat tidak diketahui tetapi biasanya disertai dengan pengukuran "lompatan".
- Diasumsikan bahawa jika terdapat kesalahan besar dalam jangka masa yang pendek (> 0.5% selama <2000 jam) maka titik data yang dihasilkan adalah disyaki.
- Kesalahan <0.01% tidak dapat dibezakan dari kesalahan pengukuran. Bergantung pada ketepatan jangka panjang dan ralat nilai, tidak dapat dibayangkan mempunyai kesalahan pengukuran hingga 0.02%. Perubahan> 0.02% yang pulih agar sesuai dengan pengukuran sebelum perjalanan disebabkan oleh kesalahan pengukuran.
- Tahap tekanan daya adalah pemboleh ubah lain yang tidak diambil kira dalam data; namun, data ujian hayat berada pada daya undian penuh, tidak melebihi voltan pengenal, seperti pada MIL-PRF-55342.
- Vishay belum memberikan data mentah sehingga kini, jadi tidak diketahui apakah prestasi mereka memenuhi penuaan akar kubus seperti yang ditunjukkan oleh nota aplikasi mereka.
- Data yang diberikan adalah untuk perintang filem nipis yang terdiri daripada filem aloi logam atau oksida logam, sedangkan perintang filem tebal terdiri daripada pecahan logam kaca yang biasanya berumur pada kadar yang lebih tinggi daripada filem nipis (Rajah 6).
- Trend ini sangat positif dan sentiasa positif. Ini bermaksud bahawa toleransi kemungkinan tidak bersifat rawak tetapi berat sebelah. Ini akan mempengaruhi pengiraan WCCA anda jika toleransi EOL adalah RSS kerana variasi penuaan rintangan hanya akan berada dalam satu arah.
Brian Hill, pengurus filem tipis di SOTA menyatakan, “Berdasarkan set data jangka panjang yang terhad (100k + jam), saya percaya trend umum adalah pergerakan perlahan yang positif dari masa ke masa. Saya mengesyaki ralat pengukuran memberikan goyangan yang diperhatikan sekitar tingkah laku positif rata-rata (hampir linear) ini. Data mungkin menunjukkan kadar awal yang lebih tinggi dalam ujian 250-500 jam pertama sebelum mencapai tingkah laku keadaan yang lebih stabil, tetapi dalam filem tipis ini lebih sukar untuk ditentukan kerana perubahannya sangat dekat dengan batas kesalahan pengukuran. "
Data meniru data ESA dari ECSS-Q-60-11A (Rujukan 7). Grafik juga mempunyai faedah tambahan untuk menunjukkan variasi dengan tekanan. ESA melengkung di Rajah 7 jangan ikuti data SOTA dengan tepat, dan pada tahap kuasa yang lebih tinggi, pengiraan ESA mungkin menunjukkan sebab yang perlu diperhatikan dengan satu anggapan penuaan seluruh program.
Rajah 8: ESA adalah satu-satunya sumber data mengenai perubahan penuaan dengan tahap tekanan. ESA secara khusus, dan SOTA secara kualitatif, menunjukkan pengaruh kuat tekanan daya pada penuaan perintang (cerun variasi masa). Data asas yang menghasilkan grafik ini TIDAK tersedia. Sumber: Penuaan perintang ECSS-Q-60-11A: 55342. (Imej: Sistem AEi)
Garis bawah
Kumpulan data SOTA dinilai. Data 10k jam diekstrapolasi menjadi 87,660 jam menggunakan persamaan yang sesuai menggunakan data jam 10k. Penyimpangan jam 87.66k yang dihasilkan diringkaskan dalam Gambar 9 & 10.
Untuk set data yang dikaji, dan tanpa mengira banyak dengan penuaan lebih dari ~ 2%, 81% daripada jumlah penuaan kurang dari 0.065% selama 10 tahun pada suhu 70 ° C dan 19% lot adalah antara 0.065% dan 0.395%. Pada suhu 84 ° C, dengan anggapan Ea 0.28, 82% lot berumur kurang dari 0.065% penuaan selama 10 tahun dan 18% lot adalah antara 0.065% dan 0.425%. Drift sebenarnya bergantung pada sifat lot perintang sistem, oleh itu vendor lain, yang mempunyai formula yang berbeza untuk komposisi perintang, mungkin tidak mematuhi tren ini.
Gambar 9: 166 banyak data ujian 10,000 jam diekstrapolasi menjadi 87,660 jam pada suhu 70 ° C. (Imej: Sistem AEi)
Gambar 10: 166 banyak data ujian 10k jam diekstrapolasi menjadi 87.66k jam pada 84 ° C menggunakan Ea 0.28eV. (Imej: Sistem AEi)
Anda juga perlu memperhitungkan suhu terburuk program anda. Walaupun dengan suhu kelayakan dalam julat 60 ° C-65 ° C, kenaikan suhu kerana pelesapan daya dapat meningkatkan suhu rata-rata perintang 10-20 darjah di atas persekitaran persekitaran dan boleh membuat titik panas perintang dengan suhu lokalisasi yang lebih tinggi. Titik panas ini boleh menyebabkan penuaan tahan.
Untuk suhu> 70 ° C, toleransi penuaan lebih teruk. Variasi dengan suhu berkaitan dengan tenaga pengaktifan, Ea. Ea tidak terkenal dengan perintang filem logam tebal dan nipis dari pelbagai pengeluar. ESA mencadangkan Ea 0.28eV. Spesifikasi ketenteraan menunjukkan Ea dapat lebih rendah, walaupun nilai sepunya antara 0.28eV dan 0.43eV. Oleh itu, terjemahan data ini memerlukan andaian Ea. Untuk tujuan perbandingan, 84 ° C sewenang-wenangnya digunakan di Rajah 9.
Intinya adalah ini. Kecuali anda membeli sebilangan besar perintang atau anda telah menulis dokumen kawalan sumber (SCD) untuk mengikat prestasi ujian hidup, data lot tidak relevan. Ya, ini menunjukkan lebih baik daripada prestasi spesifikasi. Perkara ini telah dituntut selama bertahun-tahun oleh pelbagai pengeluar, tetapi tanpa menghiraukan, mengikut spesifikasi ketenteraan, vendor masih boleh memberi anda perintang yang hanya memenuhi 2% pada jam 10k pada 70 ° C.
Oleh itu, adalah mungkin dengan anggapan eksponen akar kubus berbentuk nominal (0.333) dan nilai Ea (0.28) bahawa varians 2% 10k jam boleh setinggi 4.67% (Rujukan 8)! Toleransi penuaan menjadi semakin teruk apabila varians akar kubus (eksponen) maksimum dari data ujian lot digunakan (setinggi 0.6). Selain itu, ini tanpa penyesuaian tegangan perintang. Dan sama ada anda menggunakan spesifikasi atau entah bagaimana percaya anda boleh bergantung pada banyak data; anda masih harus bersikap toleransi pembuatan / ujian lain yang tidak 0%.
Oleh itu, tidak wajar menggunakan 1%, apalagi 0.5%, untuk penuaan perintang MIL-PRF-55342 untuk misi 70 tahun 10 ° C.
Untuk membuat SCD yang akan mengikat toleransi penuaan EOL menjadi 0.5% pada 10 tahun 84 ° C, anda boleh meminta had ujian 10k jam 0.215% (eksponen = 0.3333, Ea = 0.28eV) (Rujukan 8). SOTA menyatakan bahawa memberikan perintang kepada keperluan ujian hayat 10,000 jam adalah mahal dan mempunyai masa petunjuk yang panjang (pembuatan + 14 bulan masa ujian). Sebilangan besar orang membuat penilaian ini berdasarkan data ujian hidup 1000- atau 2000 jam (pembuatan + 1.5 hingga 3 bulan masa petunjuk ujian).
Terima kasih khas kepada Brian Hill di SOTA dan Michael J Cozzolino di Aerospace Corporation atas komen dan bimbingan mereka.
Rujukan
- Mengoptimumkan Nisbah Ujian / Analisis Elektronik, Charles Hymowitz, 7 Februari 2020.
- Ujian vs Analisis; Apakah nisbah yang tepat untuk mencapai kebolehpercayaan yang tinggi ?, Charles Hymowitz, PSMA Webinar, Khamis, 18 Februari 2021.
- Arrhenius Persamaan, ScienceDirect
- ECSS-Q-TM-30-12A, drifter parameter Akhir hayat - komponen EEE, Oktober 2010 di halaman 46
- Mengapa Perintang 1% Anda Tidak? Kajian Toleransi Resistor, Steve Sandler, Charles Hymowitz, Space Power 2009, Aerospace Space Power Workshop
- Prestasi Ujian Hidup, Produk Tahan, State of the Art, Inc., 180502TN1206Life.pdf
Fail data ujian hidup filem tipis SOTA utama yang digunakan dalam penyusunan 180502TN1206Life_Macro dengan penambahan PH 10khr.xlsm - 180502TN1206Life_Macro dengan penambahan PH 10khr.xlsm - ekstrapolasi ke 10Yr Tol 70C Full Power berdasarkan data ujian SOTA 10khour - beberapa data ujian kehidupan lain dengan 100k jam! - ECSS-Q-60-11A 7 September 2004 Derating and end-of-life parameter drifts - komponen EEE
- Toleransi Penuaan Filem Tipis dengan Akar Berubah 10000 jam.xmcd 'Mathcad file, hubungi saya jika anda mahukan salinan.
- SMC-S-010_12APR2013, Keperluan Teknikal Standard Pusat Sistem Angkasa dan Peluru Berpandu untuk Elektronik Bahagian, Bahan dan Proses yang Digunakan dalam Kenderaan Angkasa, Standard SMC, 12 April 2013
- MIL-PRF-55342 Rev H, Resistor Spesifikasi Prestasi, Cip, Tetap, Filem, Kebolehpercayaan Tidak Terbentuk, Kebolehpercayaan Yang Ditetapkan, Tingkat Ruang
Artikel ini pada mulanya diterbitkan pada edisi kakak EDN.
mengenai AEi Systems