Конструкции, требующие компонентов космического класса, должны учитывать изменения в значениях компонентов, которые могут возникать с течением времени. Это особенно верно для резисторов, которые могут значительно изменяться в течение своего срока службы. К сожалению, хотя большинство общедоступных рекомендаций по оценке резистор старение достаточно консервативны, проблема в том, что дизайнеры следуют типичным данным и рекламной шумихе, а не фактическим пределам, которые вендоры могут доставлять.
Учитывая, что поставщиков резисторов космического класса не так много, и что MIL-PRF-55342 устанавливает спецификации для резисторов, различия, которые разные компании используют в допусках на старение и руководящих принципах для резисторов, довольно удивительны. На протяжении многих лет в WCCA, который мы проводили, мы видели все от 0.1% до 4% для срока допуска старения / комбинированной среды, часто называемого просто старением. Пересмотрите возможность использования 0.5% или даже 1% для устранения последствий истечения срока службы резистора MIL-PRF-55342; это, вероятно, не поддерживается.
Начальные и температурные допуски (начало срока службы или BOL) всегда четко определены в таблице данных. Для пассивных компонентов радиационная стойкость равна нулю. Это оставляет только допуск к старению, который можно определить как дисперсию в конце срока службы (EOL). Именно здесь программы и аналитики проявляют творческий подход.
Рис. 1: На этой фотографии показано, как 18-летнее старение резистора может выглядеть на воздухе. (Изображение: AEi Systems)
В настоящее время наши клиенты используют от 0.24% до 1.25% для космических миссий класса A, при этом многие критически важные программы выбирают 0.5% старения для 10-летнего полета. Это помимо начальных допусков и допусков по температуре и просто покрывает отклонения в конце срока службы. Эти ожидаемые вариации являются нормальными и понятными, поскольку материалы, используемые для резистивной пленки, существенно различаются и, соответственно, имеют разные свойства. Следовательно, любой выбранный источник данных будет иметь ограниченную применимость.
Давайте оценим, кажутся ли эти числа разумными или, по крайней мере, разумно консервативными для анализа схем наихудшего случая (WCCA).
База данных допусков деталей, часто называемая PVDB (база данных изменчивости деталей), лежит в основе анализа наихудшего случая. Коснитесь PVDB после запуска анализа или сделайте ошибку, и это может повлиять на весь анализ. Это, безусловно, будет иметь место при любых изменениях допуска резистора. Это одна из основных причин, почему PVDB в значительной степени разрабатывается в начале WCCA, и почему утверждение клиента / программы имеет решающее значение. Без одобрения всех сторон, рассматривающих WCCA, расчеты не должны начинаться.
Я обсуждал уровень строгости, необходимый для WCCA, в моем блоге WCCA: Отсутствие строгости будет стоить вам, но очевидно, что наиболее значимыми допусками оконечных резисторов являются допуски резисторов. В моих недавних статьях о соотношении бюджета на тестирование и анализ (ссылки 1 и 2) я обсуждал отношения дисперсии общего BOL к общему EOL для различных компонентов. Резисторы, безусловно, являются наиболее эффективными и могут иметь наибольшее процентное изменение оконечных резисторов, как показано в таблице ниже.
Рис. 2: Не сокращайте до кости, если не знаете, где находится кость (с точки зрения допуска). (Изображение: AEi Systems)
В этой таблице показано отклонение наложения допусков BOL и EOL для нескольких различных типов деталей.
Отклонение от предельного значения допуска для каждой детали, используемой в WCCA, представляет собой алгебраически сложенную комбинацию допусков начальной, температуры, комбинированной среды / старения и радиации. Допуск на старение обычно экстраполируется из уравнений Аррениуса на основе данных испытаний на выгорание или краткосрочного или длительного срока службы (ссылка 3). Пример расчета показан на Рис 3. Если тестовые данные недоступны, в качестве предположений используются общедоступные или частные рекомендации (Рис 4).
Рис. 3: Этот пример расчета старения резистора основан на данных испытаний на выгорание / ресурс для 84-летней эксплуатации при 10 ° C. Для предела ресурсных испытаний 70 ° C, 10,000 2 часов, 10% (согласно военным техническим условиям [Ссылка 4.67]) старение составляет от 4.99% до 0.28% при Ea как 0.43 или 0.28 эВ. 4 эВ предлагается ESA (ссылка XNUMX). Следует отметить, что энергия активации Ea, критический элемент расчета, на самом деле точно не известна. (Изображение: AEi Systems)
Старение компонентов - это непрерывный процесс физико-химических изменений. это в общем Предполагается, что старение может иметь место даже в случае несмещенной части. Это означает, что вам нужно не только учитывать срок службы миссии, но также необходимо добавить время хранения, интеграции и тестирования при соответствующих температурных условиях - если, конечно, вы не храните свои детали в азоте или какой-либо другой инертной среде.
Удивительно, но производитель резистивных продуктов State of the Art, Inc. (SOTA) заявляет, что резисторы могут быть до 10 лет при отправке. Однако SOTA не считает, что тонкопленочные резисторы стареют без питания: «SOTA хранит устройства в стандартной атмосфере (без продувки N2) при типичной температуре окружающей среды ~ 23 ° C в течение до 10 лет без наблюдаемого ухудшения характеристик».
SOTA очищает складские запасы через 10 лет после производства, чтобы гарантировать минимальные вариации конструкции и материалов на складе. У них нет доказательств хранения при комнатной температуре, что привело бы к изменению поведения теста партии: «Скрининг Т-уровня обычно проводится на существующих партиях со склада. Скрининг T-level обеспечивает Группу A согласованием мощности, проверки Группы B и представлен в ER Life. Никаких проблем, связанных со старением, выявлено не было. Для нескольких примеров оригинальной партии и партии Т-уровня, представленных в ER Life, разница в производительности практически отсутствует ».
Рис. 4: В этой таблице показаны типичные общедоступные рекомендации по допускам на старение резисторов. (Изображение: AEi Systems)
Длинный список допусков, связанных с производством и испытаниями, как определено в военных спецификациях, определяет комбинированный допуск к воздействию окружающей среды. Допуски, связанные с производством, различны для каждой программы и соответствуют требованиям к производству, испытаниям и квалификации каждой программы. Хотя они связаны с производством и испытаниями, их часто объединяют со старением как факторами EOL. Эти допуски военной спецификации не могут быть отклонены и могут, как указано в Рис 5, легко конкурируют с толерантностью к старению (основанной на времени).
Рис. 5: В спецификации резисторов MIL-PRF-55342 указаны различные производственные и испытательные допуски, которые могут складываться. В конечном итоге производители могут поставлять резисторы, которые соответствуют требованиям испытаний на долговечность и не превышают 2.0% изменения сопротивления за 10,000 70 часов при 10 ° C (Ссылка XNUMX).
Что показывают данные о старении, предоставленные поставщиком
Чтобы уменьшить допущения, используемые в WCCA, и неопределенность в заявках программы / поставщика, мы связались с SOTA и Vishay в прошлом году; в этом разделе содержится сводка разговоров и обмена данными.
Мы немного поработали с SOTA около десяти лет назад и написали об этом статью (Ссылка 5). Когда к нам обратились на этот раз, SOTA отправила нам тот же документ, который они изначально отправили нам в 2009 году. Мы продолжили работу, и SOTA смогла предоставить данные о партиях за 10,000 100,000 и XNUMX XNUMX часов. Мы были, мягко говоря, благодарны.
Данные, содержащиеся в документе о характеристиках жизненного теста SOTA, рисуют радужную картину и проясняют несколько предположений, которые были сделаны в прошлом. Данные в «180502TN1206Life.pdf» (ссылка 6) содержат 166 партий данных испытаний на срок службы 10,000 1206 часов для 70 тонкопленочных резисторов (характеристика E, клемма B, 1 ° C). Они состояли из резисторов различных номиналов (от миллиом до 55342 МВт), измеренных в условиях MIL-PRF-4.8.11 (пункт XNUMX метода). Два набора данных показаны в Рис. 6.
Рис. 6: Слева показаны две из партий данных испытаний на долговечность при температуре 70 ° C 10,000 166, предоставленных SOTA вместе с различными расчетами измерений. Данные соответствовали функции кубического корня (приблизительно) справа. По оси Y отложено изменение номинала резистора в%, по оси X отложено время в часах, большие скачки значений отмечены красным цветом. Аналогичным образом были проанализированы все XNUMX лотов. (Изображение: AEi Systems)
Каждый лот соответствует выражению, имеющему константу и показатель степени. Например, 0.0015x0.2483 или 0.0008x0.3675, как показано в Рис 5. Затем формула расширяется до 87660 XNUMX часов, чтобы найти полное изменение старения.
Значения красного цвета в Рис 5 являются наибольшими ставками за декаду для лота. Часовые ставки за декаду вычисляются от начального значения до часа в верхней части столбца (250-часовая ставка - от 0 до 250 часов, 500-часовая ставка - от 0 до 500 часов и т. Д.).
Как указано в таблицах данных SOTA и Vishay (Рис 7), резисторы действительно соответствуют функции кубического корня, хотя показатель степени варьируется в широких пределах. Одно только это открытие, вероятно, приведет к изменению некоторых патентованных правил, используемых ведущими производителями аэрокосмической отрасли.
Рис. 7: Паспорта резисторов намекают на старение резисторов кубическим корнем. (Источник: State of the Art, Inc.)
Обобщая данные, представленные в наборе лотов SOTA '180502TN1206Life.pdf' на 10,000 XNUMX часов:
- Старение тонкопленочного чип-резистора 1206 следует функции кубического корня с показателем, который изменяется от 0.2 до 6. Это означает, что старение может быть значительно хуже, чем оценка простого кубического корня.
- В процессе измерения есть ошибки. Величина ошибки неизвестна, но обычно сопровождается «скачками» измерения.
- Предполагается, что если есть большой скачок ошибки в течение короткого периода времени (> 0.5% в течение <2000 часов), то полученная точка данных является подозрительной.
- Погрешности <0.01% неотличимы от погрешности измерения. В зависимости от долговременной точности и погрешности диапазона значений возможна погрешность измерения до 0.02%. Изменения> 0.02%, которые восстанавливаются, чтобы соответствовать измерению до отклонения, вызваны ошибкой измерения.
- Уровень силового напряжения - еще одна переменная, не учитываемая в данных; однако данные ресурсных испытаний приведены при полной номинальной мощности, не превышающей номинальное напряжение, в соответствии с MIL-PRF-55342.
- На сегодняшний день Vishay не предоставила необработанных данных, поэтому неизвестно, соответствует ли их производительность старению корня куба, как указано в примечании к приложению.
- Приведены данные для тонкопленочных резисторов, которые состоят из пленок из металлических сплавов или оксидов металлов, тогда как толстопленочные резисторы состоят из стекло-металлической фритты, которая обычно стареет с большей скоростью, чем тонкие пленки (Рис 6).
- Тенденция в подавляющем большинстве случаев положительная. Это означает, что допуск, скорее всего, должен быть не случайным, а смещенным. Это повлияет на ваши расчеты WCCA, если допуски EOL установлены RSS, потому что изменения сопротивления старению будут только в одном направлении.
Брайан Хилл, менеджер по работе с тонкими пленками в SOTA, отметил: «Основываясь на ограниченных долгосрочных наборах данных (более 100 тыс. Часов), я считаю, что общая тенденция является медленным положительным с течением времени. Я подозреваю, что ошибка измерения обеспечивает наблюдаемое колебание вокруг этого среднего (почти линейного) положительного поведения. Данные могут указывать на начальную более высокую скорость в первые 250-500 часов испытания до достижения более устойчивого состояния, но в тонкой пленке это труднее определить из-за того, что изменение настолько близко к границам погрешности измерения ».
Эти данные очень похожи на данные ESA из ECSS-Q-60-11A (Ссылка 7). Графики также имеют дополнительное преимущество, показывая изменение в зависимости от напряжения. Кривые ESA в Рис 7 не следуют в точности данным SOTA, и на более высоких уровнях мощности расчеты ESA могут указывать на причину беспокойства в связи с одним предположением о старении в масштабе всей программы.
Рис. 8: ESA - один из немногих источников данных об изменении старения в зависимости от уровня стресса. В частности, ESA и SOTA качественно указывают на сильное влияние силового напряжения на старение резистора (крутизну изменения во времени). Базовые данные, на основе которых был построен этот график, НЕ были доступны. Источник: ECSS-Q-60-11A: старение резистора 55342. (Изображение: AEi Systems)
Заключение
Был оценен набор данных SOTA. Данные за 10 тыс. Часов были экстраполированы на 87,660 10 часов с использованием уравнения, которое было подобрано с использованием данных за 87.66 тыс. Часов. В результате отклонения на XNUMX тыс. Часов суммированы в Инжир 9 и 10.
Для анализируемого набора данных, без учета партий со старением более ~ 2%, 81% партий имели старение менее 0.065% в течение 10 лет при 70 ° C, а 19% партий - от 0.065% до 0.395%. При 84 ° C, предполагая, что Ea составляет 0.28, 82% партий имеют старение менее 0.065% в течение 10 лет, а 18% партий - от 0.065% до 0.425%. Фактический дрейф зависит от свойств партии резисторов системы, поэтому другие поставщики, у которых есть другие формулы для состава резисторов, могут не придерживаться этих тенденций.
Рис. 9: 166 партий данных испытаний за 10,000 87,660 часов были экстраполированы на 70 XNUMX часов при XNUMX ° C. (Изображение: AEi Systems)
Рис. 10: 166 партий данных испытаний по 10 тыс. Часов были экстраполированы на 87.66 тыс. Часов при 84 ° C с использованием Ea 0.28 эВ. (Изображение: AEi Systems)
Вам также необходимо учитывать наихудшую температуру вашей программы. Даже при квалификационных температурах в диапазоне 60 ° C-65 ° C повышение температуры из-за рассеивания мощности может привести к увеличению средней температуры резистора на 10-20 градусов выше температуры окружающей среды и может создать горячую точку резистора с еще более высокой локальной температурой. Эти горячие точки могут вызвать старение сопротивления.
Для температур> 70 ° C допуски на старение хуже. Изменение температуры связано с энергией активации Ea. Компания Ea не знает толстых и тонких металлопленочных резисторов различных производителей. ESA предлагает Ea 0.28 эВ. Военная спецификация указывает, что Ea может быть ниже, хотя общие значения составляют от 0.28 до 0.43 эВ. Следовательно, для перевода этих данных требуется допущение Ea. Для сравнения, 84 ° C произвольно используется в Рис 9.
Суть в следующем. Если вы не покупаете целую партию резисторов или не написали документ управления версиями (SCD), ограничивающий производительность испытания на долговечность, данные партии не имеют значения. Да, это указывает на производительность лучше, чем указано в спецификации. Об этом годами заявляли различные производители, но, несмотря на это, в соответствии с военными спецификациями, поставщик все еще может предоставить вам резисторы, которые соответствуют только 2% при 10 70 часов при XNUMX ° C.
Следовательно, возможно предположить, что для номинального случая экспоненты кубического корня (0.333) и значения Ea (0.28) отклонение в 2% за 10 тыс. Часов может достигать 4.67% (Ссылка 8)! Допуск к старению становится намного хуже, когда используется максимальное отклонение кубического корня (экспонента) от данных испытаний партии (до 0.6). Кроме того, это без каких-либо корректировок напряжения резистора. И используете ли вы спецификацию или как-то полагаете, что можете полагаться на данные партии; вы все равно должны бороться с другими производственными / испытательными допусками, которые не равны 0%.
Следовательно, нецелесообразно использовать 1%, не говоря уже о 0.5%, для старения резистора MIL-PRF-55342 в течение 70 лет эксплуатации при 10 ° C.
Чтобы создать SCD, который ограничивал бы допуск на старение EOL до 0.5% при температуре 10 ° C в течение 84 лет, вы можете запросить предел теста 10 тыс. Часов, равный 0.215% (показатель степени = 0.3333, Ea = 0.28 эВ) (Ссылка 8). SOTA отмечает, что предоставление резисторов на срок 10,000 14 часов является дорогостоящим и требует длительного времени на выполнение заказа (производство + время выполнения испытаний 1000 месяцев). Большинство людей делают эту оценку на основе данных испытаний на срок службы 2000 или 1.5 часов (производство + время выполнения испытаний от 3 до XNUMX месяцев).
Особая благодарность Брайану Хиллу из SOTA и Майклу Дж. Коццолино из Aerospace Corporation за их комментарии и рекомендации.
Рекомендации
- Оптимизация соотношения тестирования и анализа электроники, Чарльз Химовиц, 7 февраля 2020 г.
- Тест против анализа; Какое правильное соотношение для достижения высокой надежности? Чарльз Хаймовиц, веб-семинар PSMA, четверг, 18 февраля 2021 г.
- Уравнение Аррениуса, ScienceDirect
- ECSS-Q-TM-30-12A, Дрейф параметров при истечении срока службы - компоненты EEE, октябрь 2010 г., стр.
- Почему у вас 1% резистор на самом деле нет? Исследование толерантности к резистору, Стив Сандлер, Чарльз Химовиц, Space Power 2009, Aerospace Space Power Workshop
- Показатели долговечности, резистивные продукты, State of the Art, Inc., 180502TN1206Life.pdf
Основной файл данных испытаний на срок службы тонкой пленки SOTA, использованный при компиляции 180502TN1206Life_Macro с дополнениями PH 10khr.xlsm - 180502TN1206Life_Macro с дополнениями PH 10khr.xlsm - экстраполяция к 10-летним Tol 70C Full Power на основе данных испытаний SOTA 10khour, включая некоторые файлы данных испытаний на срок службы со 100к часов! - ECSS-Q-60-11A 7 сентября 2004 г. Снижение номинальных характеристик и дрейф параметров по истечении срока службы - компоненты EEE
- Допуск к старению тонкой пленки с переменным корнем 10000 часов.xmcd 'Файл Mathcad, свяжитесь со мной, если вам нужна копия.
- SMC-S-010_12апреля 2013, Типовые технические требования Центра космических и ракетных систем для Электронный Детали, материалы и процессы, используемые в космических аппаратах, Стандарт SMC, 12 апреля 2013 г.
- MIL-PRF-55342 Rev H, Резисторы со спецификацией характеристик, микросхемы, фиксированные, пленочные, неустановленная надежность, подтвержденная надежность, космический уровень
Эта статья изначально была опубликована в дочернем издании EDN.
об AEi Systems