Projetos que requerem componentes de grau espacial devem levar em consideração as variações nos valores dos componentes que podem ocorrer ao longo do tempo. Isso é especialmente verdadeiro para resistores, que podem exibir mudanças significativas ao longo de sua vida útil. Infelizmente, embora a maioria das diretrizes públicas para estimar Resistor o envelhecimento é razoavelmente conservador, o problema é que os designers estão seguindo os dados típicos e os exageros da publicidade, e não os limites reais que os fornecedores podem cumprir.
Dado que não há muitos fornecedores de resistores de grau espacial e que MIL-PRF-55342 estabelece especificações para resistores, a variação que diferentes empresas usam nas tolerâncias de envelhecimento e diretrizes para resistores é bastante surpreendente. Ao longo dos anos, no WCCA que realizamos, vimos tudo de 0.1% a 4% para o termo de tolerância de envelhecimento / ambientes combinados, muitas vezes referido como apenas envelhecimento. Reconsidere o uso de 0.5%, ou mesmo 1%, para efeitos de fim de vida do resistor MIL-PRF-55342; provavelmente não é suportável.
As tolerâncias inicial e de temperatura (início de vida ou BOL) estão sempre bem definidas na ficha técnica. A tolerância à radiação é zero para componentes passivos. Isso deixa apenas a tolerância ao envelhecimento para ser definida como a variância de fim de vida (EOL). É aqui que os programas e analistas tendem a ser criativos.
Fig 1: Esta foto mostra como podem ser 18 anos de envelhecimento do resistor no ar. (Imagem: AEi Systems)
Atualmente, nossos clientes estão usando de 0.24% a 1.25% para missões espaciais de Classe A com muitos programas críticos optando por 0.5% de envelhecimento para uma missão de 10 anos. Isso está além das tolerâncias inicial e de temperatura e cobre apenas a variação de fim de vida. Essas variações na expectativa são normais e compreensíveis, uma vez que os materiais utilizados para a película resistiva variam substancialmente e têm propriedades correspondentemente diferentes. Portanto, qualquer fonte de dados única selecionada teria aplicabilidade limitada.
Vamos avaliar se esses números parecem razoáveis, ou pelo menos razoavelmente conservadores para uma análise de circuito de pior caso (WCCA).
O banco de dados de tolerância de peças, geralmente conhecido como PVDB (banco de dados de variabilidade de peças), está no centro da análise do pior caso. Toque no PVDB após o início da análise ou cometa um erro e toda a análise poderá ser afetada. Esse certamente seria o caso para quaisquer alterações de tolerância do resistor. Esta é uma das principais razões pelas quais o PVDB é amplamente desenvolvido no início do WCCA, e porque a aprovação do cliente / programa é crucial. Sem a aprovação de todas as partes que analisam a WCCA, os cálculos não devem começar.
Eu discuti o nível de rigor necessário para um WCCA em meu blog WCCA: A falta de rigor vai custar caro, mas claramente as tolerâncias EOL mais impactantes são as dos resistores. Em meus artigos recentes sobre a razão de orçamento de teste vs. análise (Referências 1 e 2), discuti as razões de variância de BOL total vs. EOL total de vários componentes. Os resistores são certamente os mais impactantes e podem ter a maior alteração percentual de fim de vida útil, conforme mostrado na tabela abaixo.
Fig. 2: Não corte até o osso, a menos que você saiba onde o osso está (em termos de tolerância). (Imagem: AEi Systems)
Esta tabela mostra a variação de empilhamento de tolerância de BOL a EOL para vários tipos diferentes de peças.
A variação de tolerância de valor extremo para cada peça usada no WCCA é a combinação algebricamente somada das tolerâncias inicial, temperatura, ambientes / envelhecimento combinados e radiação. A tolerância ao envelhecimento é geralmente extrapolada a partir das equações de Arrhenius baseadas em dados de teste de vida útil de curto ou longo prazo (Referência 3). Um cálculo de amostra é mostrado em FIG. 3. Se os dados de teste não estiverem disponíveis, as diretrizes públicas ou proprietárias são usadas como premissas (FIG. 4).
Fig. 3: Este cálculo de amostra do envelhecimento do resistor é baseado em dados de teste de burn-in / vida para uma missão de 84 anos a 10 ° C. Para um limite de teste de vida de 70 ° C, 10,000 horas e 2% de vida (de acordo com a especificação militar [Referência 10]), o envelhecimento está entre 4.67% e 4.99% usando Ea como 0.28 ou 0.43eV. 0.28eV é sugerido pela ESA (Referência 4). Deve-se notar que a energia de ativação Ea, um elemento crítico do cálculo, não é realmente conhecida com certeza. (Imagem: AEi Systems)
O envelhecimento do componente é um processo contínuo de mudança físico-química. Isto é geralmente assumiu que o envelhecimento pode ocorrer mesmo se a peça for imparcial. Isso significa que você não só precisa levar em conta a vida útil da missão, mas também precisa adicionar armazenamento, integração e tempo de teste nas condições de temperatura apropriadas - a menos, é claro, que você armazene suas peças em nitrogênio ou algum outro ambiente inerte.
Surpreendentemente, o fornecedor de produtos resistivos State of the Art, Inc. (SOTA) afirma que os resistores podem ser até 10 anos de idade quando enviado. No entanto, a SOTA não acredita que os resistores de filme fino envelheçam sem energia: “SOTA armazena dispositivos em atmosfera padrão (sem purga de N2) em temperatura ambiente típica de ~ 23 ° C por até 10 anos sem degradação observada.”
A SOTA elimina o estoque após 10 anos da fabricação para garantir o mínimo de construção e variação de materiais dentro do estoque. Eles não têm nenhuma evidência de armazenamento em temperatura ambiente resultando em uma mudança no comportamento do teste de lote: “As telas de nível T são normalmente fornecidas em lotes existentes do estoque. A triagem de nível T fornece condicionamento de energia ao Grupo A, inspeções do Grupo B e é representada no ER Life. Não foram identificados problemas associados ao envelhecimento. Para os poucos exemplos do lote original e lote de nível T sendo representados no ER Life, há pouca diferença ou nenhuma diferença no desempenho. ”
Fig. 4: Esta tabela mostra as diretrizes públicas típicas para tolerâncias de envelhecimento do resistor. (Imagem: AEi Systems)
Uma longa lista de tolerâncias relacionadas à fabricação e teste, conforme definido nas especificações militares, determina a tolerância ambiental combinada. As tolerâncias relacionadas à fabricação são diferentes para cada programa e adaptadas aos requisitos de fabricação, teste e qualificação de cada programa. Embora estejam relacionados à fabricação e aos testes, costumam ser considerados fatores de envelhecimento como fatores de fim de vida. Essas tolerâncias de especificações militares não devem ser descartadas e podem, conforme observado em FIG. 5, facilmente rivaliza com a tolerância ao envelhecimento (baseada no tempo).
Fig. 5: A especificação para resistores MIL-PRF-55342 indica uma variedade de tolerâncias relacionadas à fabricação e teste que podem se somar. Em última análise, os fabricantes podem fornecer resistores que atendem a um requisito de teste de vida inferior ou igual a 2.0% de alteração na resistência ao longo de 10,000 horas a 70 ° C (Referência 10).
O que mostram os dados de envelhecimento fornecidos pelo fornecedor
Para reduzir as suposições usadas no WCCA e a incerteza nas reclamações do programa / fornecedor, entramos em contato com a SOTA e Vishay no ano passado; esta seção cobre o resumo das conversas e trocas de dados.
Fizemos alguns trabalhos com SOTA cerca de uma década atrás e escrevemos um artigo sobre ele (Referência 5). Quando contatado desta vez, o SOTA nos enviou o mesmo documento que eles enviaram inicialmente para nós em 2009. Nós prosseguimos e o SOTA veio, fornecendo dados de lote de 10,000 e 100,000 horas. Ficamos gratos, para dizer o mínimo.
Os dados contidos no documento de desempenho de teste de vida SOTA mostram um quadro otimista e esclarecem várias suposições feitas no passado. Os dados em '180502TN1206Life.pdf' (Referência 6) continham 166 lotes de dados de teste de vida de 10,000 horas para 1206 resistores de filme fino (característica E, terminação B, 70 ° C). Eles consistiam em vários valores de resistor (miliohms a 1 MW) medidos nas condições MIL-PRF-55342 (método parágrafo 4.8.11). Dois lotes de dados são mostrados em FIG. 6.
Fig. 6: Dois dos lotes de dados de teste de vida útil de 70 ° C 10,000 fornecidos pela SOTA junto com vários cálculos de medição são mostrados à esquerda. Os dados foram ajustados a uma função de raiz cúbica (aproximadamente) à direita. O eixo Y é a% de mudança no valor do resistor, o eixo X é o tempo em horas e grandes saltos de valor são anotados em vermelho. Todos os 166 lotes foram analisados de forma semelhante. (Imagem: AEi Systems)
Cada lote é ajustado com uma expressão que possui uma constante e um expoente. Por exemplo, 0.0015x0.2483 ou 0.0008x0.3675, como mostrado em FIG. 5. A fórmula é então estendida para 87660 horas para encontrar a variação total do envelhecimento.
Os valores em vermelho em FIG. 5 são as maiores taxas de hora por década para o lote. As taxas de hora por década são calculadas a partir da leitura inicial até a hora no topo da coluna (a taxa de 250 horas é de 0 a 250 horas, a taxa de 500 horas é de 0 a 500 horas e assim por diante).
Conforme sugerido nas planilhas de dados SOTA e Vishay (FIG. 7), os resistores realmente se encaixam em uma função de raiz cúbica, embora o expoente varie amplamente. Essa revelação por si só provavelmente resultará na mudança de algumas diretrizes proprietárias que são usadas pelos principais fabricantes aeroespaciais.
Fig. 7: Folhas de dados de resistores dão uma ideia do envelhecimento da raiz cúbica para resistores. (Fonte: State of the Art, Inc.)
Resumindo os dados apresentados no conjunto de lote de 180502 horas SOTA '1206TN10,000Life.pdf':
- O envelhecimento do resistor de chip 1206 de filme fino segue uma função de raiz cúbica com um expoente que varia de 0.2 a 6. Isso significa que o envelhecimento pode ser significativamente pior do que a estimativa da raiz cúbica simples.
- O processo de medição contém erros. A magnitude do erro é desconhecida, mas geralmente é acompanhada por "saltos" de medição.
- Supõe-se que, se houver um grande salto no erro em um curto período de tempo (> 0.5% para <2000 horas), o ponto de dados resultante será suspeito.
- Erros <0.01% são indistinguíveis do erro de medição. Dependendo da precisão de longo prazo e do erro de faixa de valor, não é inconcebível ter um erro de medição de até 0.02%. Alterações> 0.02% que se recuperam para ficar em linha com a medição antes da excursão são devidas a erro de medição.
- O nível de estresse de energia é outra variável não considerada nos dados; no entanto, os dados de teste de vida estão em potência nominal total, não excedendo a tensão nominal, de acordo com MIL-PRF-55342.
- Vishay não forneceu dados brutos até o momento, portanto, não se sabe se seu desempenho atende ao envelhecimento da raiz do cubo, conforme indica a nota do aplicativo.
- Os dados fornecidos foram para resistores de filme fino que consistem em filmes de ligas de metal ou óxidos de metal, enquanto os resistores de filme espesso consistem em fritas de metal de vidro que normalmente envelhecem a uma taxa maior do que os filmes finos (FIG. 6).
- A tendência é avassaladora e sempre positiva. Isso significa que a tolerância provavelmente não deve ser aleatória, mas tendenciosa. Isso afetará seus cálculos WCCA se as tolerâncias EOL forem RSS, porque as variações de envelhecimento da resistência seriam apenas em uma direção.
Brian Hill, gerente de filmes finos da SOTA observou: “Com base nos conjuntos de dados limitados de longo prazo (mais de 100k horas), acredito que a tendência geral é uma lenta oscilação positiva ao longo do tempo. Eu suspeito que o erro de medição fornece a oscilação observada em torno desse comportamento positivo médio (quase linear). Os dados podem sugerir uma taxa inicial mais alta nas primeiras 250-500 horas de teste antes de atingir um comportamento de estado mais estável, mas em filme fino isso é mais difícil de determinar devido à mudança estar tão perto dos limites de erro de medição. ”
Os dados imitam de perto os dados ESA de ECSS-Q-60-11A (Referência 7). Os gráficos também têm o benefício adicional de mostrar a variação com o estresse. As curvas ESA em FIG. 7 não siga os dados SOTA exatamente e, em níveis de poder mais altos, os cálculos do ESA podem indicar motivo de preocupação com uma única suposição de envelhecimento em todo o programa.
Fig. 8: A ESA é uma das únicas fontes de dados sobre a alteração do envelhecimento com os níveis de estresse. ESA especificamente, e SOTA qualitativamente, indicam uma forte influência do estresse de energia no envelhecimento do resistor (inclinação da variação de tempo). Os dados subjacentes que produziram este gráfico NÃO estavam disponíveis. Fonte: ECSS-Q-60-11A: envelhecimento do resistor 55342. (Imagem: AEi Systems)
A linha inferior
O conjunto de dados SOTA foi avaliado. Os dados de 10k horas foram extrapolados para 87,660 horas usando a equação que foi ajustada usando os dados de 10k horas. Os desvios de 87.66k horas resultantes são resumidos em Figs 9 e 10.
Para o conjunto de dados revisado, e desconsiderando lotes com envelhecimento superior a ~ 2%, 81% dos lotes estavam com menos de 0.065% de envelhecimento por 10 anos a 70 ° C e 19% dos lotes estavam entre 0.065% e 0.395%. A 84 ° C, assumindo um Ea de 0.28, 82% dos lotes estavam com menos de 0.065% de envelhecimento por 10 anos e 18% dos lotes estavam entre 0.065% e 0.425%. O desvio real depende das propriedades do lote do resistor do sistema, portanto, outros fornecedores, que têm fórmulas diferentes para a composição do resistor, podem não aderir a essas tendências.
Fig. 9: 166 lotes de dados de teste de 10,000 horas foram extrapolados para 87,660 horas a 70 ° C. (Imagem: AEi Systems)
Fig. 10: 166 lotes de dados de teste de 10k horas foram extrapolados para 87.66k horas a 84 ° C usando um Ea de 0.28 eV. (Imagem: AEi Systems)
Você também precisará levar em consideração a pior situação de temperatura do seu programa. Mesmo com temperaturas de qualificação na faixa de 60 ° C a 65 ° C, os aumentos de temperatura devido à dissipação de energia podem aumentar a temperatura média de um resistor 10-20 graus acima do ambiente e pode criar um ponto quente do resistor com uma temperatura localizada ainda mais alta. Esses pontos quentes podem levar ao envelhecimento da resistência.
Para temperaturas> 70 ° C, as tolerâncias ao envelhecimento são piores. A variação com a temperatura está relacionada à energia de ativação, Ea. O Ea não é conhecido por resistores de filme de metal espesso e fino de vários fabricantes. ESA sugere um Ea de 0.28eV. A especificação militar indica que Ea pode ser menor, embora os valores comuns estejam entre 0.28eV e 0.43eV. Portanto, a tradução desses dados requer uma suposição de Ea. Para fins comparativos, 84 ° C é arbitrariamente usado em FIG. 9.
O resultado final é este. A menos que você esteja comprando um lote inteiro de resistores ou tenha escrito um documento de controle de origem (SCD) para limitar o desempenho do teste de vida, os dados do lote são irrelevantes. Sim, indica desempenho melhor do que a especificação. Isso tem sido afirmado há anos por vários fabricantes, mas independentemente, de acordo com as especificações militares, o fornecedor ainda pode fornecer resistores que atendem a apenas 2% a 10k horas a 70 ° C.
Portanto, é possível assumir um expoente de raiz cúbica de caso nominal (0.333) e o valor Ea (0.28) que uma variação de 2% de 10k horas pode ser tão alta quanto 4.67% (Referência 8)! A tolerância ao envelhecimento fica muito pior quando a variância máxima da raiz cúbica (expoente) dos dados de teste do lote é usada (até 0.6). Além disso, isso sem quaisquer ajustes para o estresse do resistor. E se você usa a especificação ou de alguma forma acredita que pode confiar nos dados do lote; você ainda deve lutar com outras tolerâncias de fabricação / teste que não sejam de 0%.
Portanto, não é razoável usar 1%, muito menos 0.5%, para envelhecimento do resistor MIL-PRF-55342 para uma missão de 70 anos a 10 ° C.
Para criar um SCD que limitaria a tolerância de envelhecimento EOL a 0.5% a 10 anos 84 ° C, você poderia solicitar um limite de teste de 10k horas de 0.215% (expoente = 0.3333, Ea = 0.28eV) (Referência 8). A SOTA observa que fornecer resistores para um requisito de teste de 10,000 horas de vida útil é caro e tem prazos de entrega longos (fabricação + prazo de teste de 14 meses). A maioria das pessoas está fazendo essa avaliação com base em dados de teste de vida de 1000 ou 2000 horas (tempo de execução de teste de fabricação + 1.5 a 3 meses).
Agradecimentos especiais a Brian Hill da SOTA e Michael J Cozzolino da Aerospace Corporation por seus comentários e orientação.
Referências
- Optimizing Electronics Test / Analysis Ratio, Charles Hymowitz, 7 de fevereiro de 2020.
- Teste vs. Análise; Qual é a proporção certa para alcançar alta confiabilidade ?, Charles Hymowitz, PSMA Webinar, quinta-feira, 18 de fevereiro de 2021.
- Equação de Arrhenius, ScienceDirect
- ECSS-Q-TM-30-12A, desvios de parâmetro de fim de vida - componentes EEE, outubro de 2010 na página 46
- Por que seu resistor de 1% realmente não é? Resistor Tolerance Study, Steve Sandler, Charles Hymowitz, Space Power 2009, Aerospace Space Power Workshop
- Desempenho de teste de vida, produtos resistivos, estado da arte, Inc., 180502TN1206Life.pdf
Arquivo de dados de teste de vida de filme fino SOTA principal usado na compilação de 180502TN1206Life_Macro com adições PH 10khr.xlsm - 180502TN1206Life_Macro com adições de PH 10khr.xlsm - extrapolação para 10Yr Tol 70C Full Power com base em dados de teste SOTA 10khr.xlsm - Outros arquivos de dados de teste de vida, incluindo alguns com 100k horas! - ECSS-Q-60-11A 7 de setembro de 2004 Desclassificação e desvios de parâmetro de fim de vida - componentes EEE
- Tolerância ao envelhecimento de filme fino w Raiz variável 10000 horas.xmcd 'Arquivo Mathcad, entre em contato comigo se desejar uma cópia.
- SMC-S-010_12APR2013, Requisitos Técnicos Padrão do Centro de Sistemas Espaciais e de Mísseis para Eletrônico Peças, materiais e processos usados em veículos espaciais, padrão SMC, 12 de abril de 2013
- MIL-PRF-55342 Rev H, Resistores de especificação de desempenho, chip, fixo, filme, confiabilidade não estabelecida, confiabilidade estabelecida, nível de espaço
Este artigo foi publicado originalmente na publicação irmã EDN.
sobre AEi Systems