Ontwerpen die componenten van ruimtekwaliteit vereisen, moeten rekening houden met de variaties in componentwaarden die in de loop van de tijd kunnen optreden. Dit geldt met name voor weerstanden, die gedurende hun levensduur aanzienlijke veranderingen kunnen vertonen. Helaas, terwijl de meeste openbare richtlijnen voor schattingen Weerstand veroudering zijn redelijk conservatief, het probleem is dat ontwerpers de typische gegevens- en advertentiehype volgen en niet de werkelijke limieten waaraan leveranciers mogen voldoen.
Aangezien er niet al te veel leveranciers zijn van weerstanden van ruimtevaartkwaliteit, en dat MIL-PRF-55342 specificaties voor weerstanden vaststelt, is de variantie die verschillende bedrijven gebruiken in de verouderingstoleranties en richtlijnen voor weerstanden nogal verrassend. In de WCCA die we hebben uitgevoerd, hebben we in de loop der jaren alles gezien van 0.1% tot 4% voor de tolerantieterm voor veroudering / gecombineerde omgevingen, vaak aangeduid als gewoon veroudering. Heroverweeg om 0.5%, of zelfs 1%, te gebruiken voor MIL-PRF-55342 weerstandseffecten aan het einde van de levensduur; het is waarschijnlijk niet te ondersteunen.
De begin- en temperatuurtoleranties (begin-van-leven of BOL) zijn altijd goed gedefinieerd in het gegevensblad. De stralingstolerantie is nul voor passieve componenten. Hierdoor blijft alleen de verouderingstolerantie over om te worden gedefinieerd als de end-of-life (EOL) -variantie. Dit is waar programma's en analisten de neiging hebben creatief te worden.
Fig 1: Deze foto laat zien hoe 18 jaar veroudering van weerstanden eruit kan zien in lucht. (Afbeelding: AEi Systems)
Momenteel gebruiken onze klanten ergens tussen de 0.24% en 1.25% voor klasse A-ruimtemissies, waarbij veel kritieke programma's kiezen voor 0.5% veroudering voor een missie van 10 jaar. Dit is afgezien van de begin- en temperatuurtoleranties en dekt alleen de variantie aan het einde van de levensduur. Deze variaties in verwachting zijn normaal en begrijpelijk, aangezien de materialen die worden gebruikt voor de weerstandsfilm aanzienlijk variëren en overeenkomstig verschillende eigenschappen hebben. Daarom zou een enkele geselecteerde gegevensbron een beperkte toepasbaarheid hebben.
Laten we eens kijken of deze cijfers redelijk lijken, of op zijn minst redelijk conservatief voor een worst-case circuitanalyse (WCCA).
De onderdeeltolerantiedatabase, ook wel PVDB (parts variability database) genoemd, vormt de kern van de worst case-analyse. Raak de PVDB aan nadat de analyse is gestart, of maak een fout en de hele analyse kan worden beïnvloed. Dit zou zeker het geval zijn voor eventuele wijzigingen in de weerstandstolerantie. Dit is een van de belangrijkste redenen waarom de PVDB grotendeels is ontwikkeld aan het begin van de WCCA, en waarom de goedkeuring van de klant / het programma cruciaal is. Zonder goedkeuring van alle partijen die de WCCA herzien, zouden de berekeningen niet mogen beginnen.
Ik besprak het niveau van strengheid dat nodig is voor een WCCA in mijn blog WCCA: Gebrek aan strengheid kost je, maar de meest impactvolle EOL-toleranties zijn duidelijk die van de weerstanden. In mijn recente artikelen over de budgetratio van test versus analyse (referenties 1 en 2), heb ik de totale BOL versus totale EOL-variantie-ratio's van verschillende componenten besproken. Weerstanden zijn zeker de meest impactvolle en kunnen procentueel de grootste EOL-verandering hebben, zoals weergegeven in de onderstaande tabel.
Fig. 2: Snijd niet tot op het bot, tenzij u weet waar het bot is (tolerantie-gewijs). (Afbeelding: AEi Systems)
Deze tabel toont de stapelingsvariantie van de BOL tot EOL-tolerantie voor verschillende soorten onderdelen.
De extreme waardetolerantievariatie voor elk onderdeel dat in de WCCA wordt gebruikt, is de algebraïsch opgetelde combinatie van de aanvankelijke, temperatuur, gecombineerde omgeving / veroudering en stralingstoleranties. De verouderingstolerantie wordt meestal geëxtrapoleerd uit Arrhenius-vergelijkingen op basis van inbranding of testgegevens voor de korte of lange levensduur (referentie 3). Een voorbeeldberekening wordt weergegeven in Fig 3. Als er geen testgegevens beschikbaar zijn, worden openbare of bedrijfseigen richtlijnen als aannames gebruikt (Fig 4).
Fig. 3: Deze voorbeeldberekening van de veroudering van de weerstand is gebaseerd op inbrand- / levensduurtestgegevens voor een missie van 84 ° C gedurende 10 jaar. Voor een testlimiet van 70 ° C, 10,000 uur en 2% levensduur (volgens de militaire specificatie [Referentie 10]), ligt de veroudering tussen 4.67% en 4.99% bij gebruik van Ea als 0.28 of 0.43 eV. 0.28 eV wordt voorgesteld door ESA (referentie 4). Opgemerkt moet worden dat de activeringsenergie Ea, een kritiek element van de berekening, eigenlijk niet met zekerheid bekend is. (Afbeelding: AEi Systems)
De veroudering van componenten is een continu proces van fysisch-chemische verandering. Het is algemeen aangenomen dat veroudering kan plaatsvinden, zelfs als het onderdeel onbevooroordeeld is. Dat betekent dat u niet alleen rekening moet houden met de levensduur van de missie, maar ook opslag-, integratie- en testtijd moet toevoegen bij de juiste temperatuuromstandigheden - tenzij u uw onderdelen natuurlijk opslaat in stikstof of een andere inerte omgeving.
Verrassend genoeg stelt de leverancier van resistieve producten State of the Art, Inc. (SOTA) dat weerstanden kunnen zijn tot 10 jaar oud wanneer verzonden. SOTA gelooft echter niet dat dunnefilmweerstanden zonder vermogen verouderen: "SOTA slaat apparaten op in een standaardatmosfeer (geen N2-spoeling) bij een typische omgevingstemperatuur van ~ 23 ° C gedurende maximaal 10 jaar zonder waargenomen degradatie."
SOTA zuivert de voorraad na 10 jaar vanaf de fabricage om minimale variatie in constructie en materialen binnen de voorraad te garanderen. Ze hebben geen bewijs van opslag bij kamertemperatuur, wat resulteert in een verandering in het testgedrag van de partij: “T-level screenings worden doorgaans geleverd op bestaande partijen uit voorraad. De screening op T-niveau biedt groep A stroomconditionering, groep B-inspecties en is vertegenwoordigd in de ER Life. Er zijn geen problemen geïdentificeerd die verband houden met veroudering. Voor de weinige voorbeelden van de originele partij en de partij op T-niveau die in ER Life worden vertegenwoordigd, is er weinig verschil of geen verschil in prestatie. "
Afb. 4: Deze tabel toont de typische openbare richtlijnen voor toleranties voor weerstandsveroudering. (Afbeelding: AEi Systems)
Een lange lijst van fabricage- en testgerelateerde toleranties, zoals gedefinieerd in de militaire specificaties, bepaalt de gecombineerde milieutolerantie. De fabricagegerelateerde toleranties zijn verschillend voor elk programma en afgestemd op de fabricage-, test- en kwalificatie-eisen van elk programma. Hoewel ze gerelateerd zijn aan productie en testen, worden ze vaak op één hoop gegooid met veroudering als EOL-factoren. Deze toleranties voor militaire specificaties moeten niet worden verworpen en kunnen, zoals vermeld in Fig 5, evenaart gemakkelijk de (tijdgebaseerde) verouderingstolerantie.
Fig.5: De specificatie voor MIL-PRF-55342-weerstanden geeft een verscheidenheid aan fabricage- en testgerelateerde toleranties aan die kunnen oplopen. Uiteindelijk kunnen fabrikanten weerstanden leveren die voldoen aan een levensduurtestvereiste van minder dan of gelijk aan 2.0% verandering in weerstand over de 10,000 uur bij 70 ° C (referentie 10).
Wat de door de leverancier verstrekte verouderingsgegevens laten zien
Om de aannames die in WCCA worden gebruikt en de onzekerheid in programma- / leveranciersclaims te verminderen, hebben we vorig jaar contact opgenomen met SOTA en Vishay; deze sectie behandelt de samenvatting van de gesprekken en gegevensuitwisselingen.
We werkten ongeveer tien jaar geleden met SOTA en schreven er een paper over (referentie 5). Toen SOTA dit keer contact opnam, stuurde SOTA ons hetzelfde document dat ze ons in 2009 in eerste instantie hadden gestuurd. We gingen verder en SOTA slaagde erin en leverde lotgegevens van 10,000 en 100,000 uur. We waren op zijn zachtst gezegd dankbaar.
De gegevens in het prestatiedocument van de SOTA-levenstest geven een rooskleurig beeld en verduidelijken verschillende aannames die in het verleden zijn gedaan. De gegevens in '180502TN1206Life.pdf' (referentie 6) bevatten 166 veel testgegevens van 10,000 uur voor 1206 dunne-filmweerstanden (karakteristiek E, afsluiting B, 70 ° C). Ze bestonden uit verschillende weerstandswaarden (milliohm tot 1 MW) gemeten onder MIL-PRF-55342 condities (methode paragraaf 4.8.11). Er worden twee veel gegevens weergegeven in Fig. 6.
Afb. 6: Links worden twee van de 70 ° C 10,000 levensduurtestgegevenspartijen van SOTA weergegeven, samen met verschillende meetberekeningen. De gegevens zijn aangepast aan een kubuswortelfunctie (ongeveer) aan de rechterkant. De Y-as is het% verandering in de weerstandswaarde, de X-as is de tijd in uren en grote sprongen worden in rood aangegeven. Alle 166 percelen werden op dezelfde manier geanalyseerd. (Afbeelding: AEi Systems)
Elk lot is uitgerust met een uitdrukking die een constante en exponent heeft. Bijvoorbeeld 0.0015x0.2483 of 0.0008x0.3675, zoals getoond in Fig 5. De formule wordt vervolgens uitgebreid tot 87660 uur om de totale verouderingsvariatie te vinden.
De waarden in rood in Fig 5 zijn de hoogste uurtarieven per decennium voor het perceel. De uurtarieven per decennium worden berekend vanaf de eerste aflezing tot het uur bovenaan de kolom (het tarief van 250 uur is van 0 tot 250 uur, het tarief van 500 uur is van 0 tot 500 uur, enzovoort).
Zoals gesuggereerd in de datasheets van SOTA en Vishay (Fig 7), passen de weerstanden inderdaad in een kubuswortelfunctie, hoewel de exponent sterk varieert. Alleen al deze onthulling zal waarschijnlijk resulteren in de wijziging van enkele gepatenteerde richtlijnen die worden gebruikt door vooraanstaande lucht- en ruimtevaartfabrikanten.
Fig. 7: Gegevensbladen voor weerstanden geven een indicatie van de veroudering van de kubuswortel voor weerstanden. (Bron: State of the Art, Inc.)
Een samenvatting van de gegevens die worden gepresenteerd in de SOTA '180502TN1206Life.pdf' lotenset voor 10,000 uur:
- De veroudering van de dunne film 1206 chipweerstand volgt een kubuswortelfunctie met een exponent die varieert van 0.2 tot 6. Dit betekent dat de veroudering aanzienlijk slechter kan zijn dan de eenvoudige schatting van de kubuswortel.
- Het meetproces heeft fouten. De omvang van de fout is niet bekend, maar gaat meestal gepaard met meet-sprongen.
- Aangenomen wordt dat als er een grote foutssprong is gedurende een korte tijdsperiode (> 0.5% voor <2000 uur), het resulterende datapunt verdacht is.
- Fouten <0.01% zijn niet te onderscheiden van meetfouten. Afhankelijk van de nauwkeurigheid op lange termijn en de fout in het waardebereik, is het niet ondenkbaar om een meetfout tot 0.02% te hebben. Veranderingen> 0.02% die herstellen om in lijn te zijn met de meting voorafgaand aan de excursie, zijn het gevolg van meetfouten.
- Het niveau van de krachtbelasting is een andere variabele die niet in de gegevens is verwerkt; Levensduur testgegevens zijn echter op volledig nominaal vermogen en mogen de nominale spanning niet overschrijden, volgens MIL-PRF-55342.
- Vishay heeft tot nu toe geen onbewerkte gegevens verstrekt, dus het is niet bekend of hun prestaties voldoen aan de kubuswortelveroudering, zoals hun toepassingsnotitie aangeeft.
- De verstrekte gegevens waren voor dunnefilmweerstanden die bestaan uit films van metaallegeringen of metaaloxiden, terwijl dikkefilmweerstanden bestaan uit glas-metaalfritten die doorgaans sneller verouderen dan de dunne films (Fig 6).
- De trend is overweldigend en altijd positief. Dit betekent dat de tolerantie waarschijnlijk niet willekeurig maar bevooroordeeld moet zijn. Dit heeft invloed op uw WCCA-berekeningen als EOL-toleranties worden RSS-achtig, omdat variaties in weerstandsveroudering slechts in één richting zouden zijn.
Brian Hill, dunne-filmmanager bij SOTA merkte op: “Op basis van de beperkte gegevenssets op lange termijn (100k + uur), denk ik dat de algemene trend een langzame positieve afwijking is in de tijd. Ik vermoed dat een meetfout zorgt voor de waargenomen schommeling rond dit gemiddelde (bijna lineaire) positieve gedrag. Gegevens suggereren mogelijk een aanvankelijk hoger percentage in de eerste 250-500 uur van de test voordat een stabieler gedrag wordt bereikt, maar in dunne films is dit moeilijker te bepalen omdat de verandering zo dicht bij de meetfoutgrenzen ligt. "
De gegevens lijken sterk op ESA-gegevens van ECSS-Q-60-11A (referentie 7). De grafieken hebben ook het extra voordeel dat ze de variatie met spanning laten zien. De ESA buigt zich naar binnen Fig 7 volg de SOTA-gegevens niet exact, en bij hogere vermogensniveaus kunnen de ESA-berekeningen aanleiding geven tot bezorgdheid met een enkele programmabrede verouderingsaanname.
Fig. 8: ESA is een van de weinige gegevensbronnen over de verandering in veroudering met stressniveaus. Specifiek ESA, en kwalitatief SOTA, duiden op een sterke invloed van vermogensbelasting op de veroudering van de weerstand (helling van de tijdsvariatie). De onderliggende gegevens die deze grafiek hebben opgeleverd, waren NIET beschikbaar. Bron: ECSS-Q-60-11A: 55342 veroudering weerstand. (Afbeelding: AEi Systems)
De bottom line
De SOTA-dataset werd beoordeeld. De gegevens van 10k uur werden geëxtrapoleerd naar 87,660 uur met behulp van de vergelijking die paste met behulp van de gegevens van 10k uur. De resulterende afwijkingen van 87.66 uur zijn samengevat in Afb.9 en 10.
Voor de onderzochte dataset, en zonder rekening te houden met de partijen met een veroudering van meer dan ~ 2%, was 81% van de partijen minder dan 0.065% verouderd gedurende 10 jaar bij 70 ° C en 19% van de partijen tussen 0.065% en 0.395%. Bij 84 ° C, uitgaande van een Ea van 0.28, was 82% van de percelen minder dan 0.065% verouderd gedurende 10 jaar en 18% van de percelen lag tussen 0.065% en 0.425%. De feitelijke drift hangt af van de eigenschappen van de partij systeemweerstanden, dus andere leveranciers, die verschillende formules voor weerstandssamenstelling hebben, houden zich mogelijk niet aan deze trends.
Fig. 9: 166 lots van 10,000 uur testgegevens werden geëxtrapoleerd naar 87,660 uur bij 70 ° C. (Afbeelding: AEi Systems)
Fig. 10: 166 partijen 10k-uur testgegevens werden geëxtrapoleerd naar 87.66k uur bij 84 ° C met een Ea van 0.28 eV. (Afbeelding: AEi Systems)
U moet ook rekening houden met de slechtste temperatuur van uw programma. Zelfs met kwalificatietemperaturen in het bereik van 60 ° C-65 ° C, kan temperatuurstijging als gevolg van vermogensdissipatie de gemiddelde temperatuur van een weerstand 10-20 graden boven de omgeving verhogen en kan een weerstandshotspot met een nog hogere plaatselijke temperatuur ontstaan. Deze hotspots kunnen veroudering van de weerstand stimuleren.
Bij temperaturen> 70 ° C zijn de verouderingstoleranties slechter. De variatie met temperatuur is gerelateerd aan de activeringsenergie, Ea. De Ea staat niet bekend om dikke en dunne metaalfilmweerstanden van verschillende fabrikanten. ESA stelt een Ea van 0.28 eV voor. De militaire specificatie geeft aan dat Ea lager kan zijn, hoewel de gemeenschappelijke waarden tussen 0.28 eV en 0.43 eV liggen. Daarom is voor de vertaling van deze gegevens een aanname van Ea vereist. Voor vergelijkingsdoeleinden wordt 84 ° C willekeurig gebruikt in Fig 9.
Waar het op neerkomt is dit. Tenzij u een hele partij weerstanden koopt of u een broncontroledocument (SCD) hebt geschreven om de prestaties van de levensduurtest te binden, zijn de partijgegevens niet relevant. Ja, het geeft betere prestaties aan dan de specificatie. Dit wordt al jaren beweerd door verschillende fabrikanten, maar ongeacht de militaire specificatie kan de verkoper u nog steeds weerstanden leveren die slechts 2% voldoen bij 10k uur bij 70 ° C.
Het is daarom mogelijk om aan te nemen dat een kubuswortelexponent in nominaal geval (0.333) en Ea-waarde (0.28) een 2% afwijking van 10k uur kan oplopen tot 4.67% (referentie 8)! De verouderingstolerantie wordt veel erger wanneer de maximale kubuswortel (exponent) variantie van de partijtestgegevens wordt gebruikt (zo hoog als 0.6). Bovendien is dit zonder enige aanpassing voor weerstandsbelasting. En of u de specificatie gebruikt of op de een of andere manier gelooft dat u op partijgegevens kunt vertrouwen; u moet nog steeds kampen met andere fabricage- / testtoleranties die niet 0% zijn.
Daarom is het niet redelijk om 1%, laat staan 0.5%, te gebruiken voor MIL-PRF-55342-weerstandsveroudering voor een 70-jarige missie van 10 ° C.
Om een SCD te maken die de EOL-verouderingstolerantie zou beperken tot 0.5% bij 10 jaar 84 ° C, kunt u een testlimiet van 10k uur van 0.215% aanvragen (exponent = 0.3333, Ea = 0.28 eV) (referentie 8). SOTA merkt op dat het leveren van weerstanden voor een levensduurtest van 10,000 uur duur is en lange doorlooptijden heeft (productie + 14 maanden testdoorlooptijd). De meeste mensen maken deze beoordeling op basis van testgegevens van 1000 of 2000 uur (fabricage + 1.5 tot 3 maanden testdoorlooptijd).
Speciale dank aan Brian Hill van SOTA en Michael J Cozzolino van Aerospace Corporation voor hun opmerkingen en begeleiding.
Referenties
- Optimalisatie van elektronische test- / analyseverhouding, Charles Hymowitz, 7 februari 2020.
- Test versus analyse; Wat is de juiste verhouding om een hoge betrouwbaarheid te bereiken? Charles Hymowitz, PSMA-webinar, donderdag 18 februari 2021.
- Vergelijking van Arrhenius, ScienceDirect
- ECSS-Q-TM-30-12A, Parameterafwijkingen aan het einde van de levensduur - EEE-componenten, oktober 2010 op pagina 46
- Waarom is uw 1% -weerstand dat echt niet? Resistor Tolerance Study, Steve Sandler, Charles Hymowitz, Space Power 2009, Aerospace Space Power Workshop
- Levensduurtestprestaties, resistente producten, State of the Art, Inc., 180502TN1206Life.pdf
Belangrijkste SOTA dunne film levensduur testgegevensbestand gebruikt bij de compilatie van 180502TN1206Life_Macro met toevoegingen PH 10khr.xlsm - 180502TN1206Life_Macro met toevoegingen PH 10khr.xlsm - extrapolatie naar 10Yr Tol 70C Full Power gebaseerd op SOTA 10khour testgegevens - Andere levensduurtestgegevensbestanden inclusief enkele met 100 uur! - ECSS-Q-60-11A 7 september 2004 Derating en parameterafwijkingen aan het einde van de levensduur - EEA-componenten
- Thin Film Aging Tolerance w Variable Root 10000 hours.xmcd 'Mathcad-bestand, neem contact met me op als je een kopie wilt.
- SMC-S-010_12APR2013, Space and Missile Systems Center Standaard technische vereisten voor elektronisch Onderdelen, materialen en processen die worden gebruikt in ruimtevoertuigen, SMC-standaard, 12 april 2013
- MIL-PRF-55342 Rev H, prestatiespecificatie weerstanden, chip, vast, film, niet-gevestigde betrouwbaarheid, bewezen betrouwbaarheid, ruimtelijk niveau
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in zusterpublicatie EDN.
over AEi Systems