Uzay dereceli bileşenler gerektiren tasarımlarda, bileşen değerlerinde zaman içinde meydana gelebilecek farklılıklar dikkate alınmalıdır. Bu özellikle kullanım ömürleri boyunca önemli değişiklikler gösterebilen dirençler için geçerlidir. Ne yazık ki, tahmine yönelik çoğu genel kılavuz rezistans Yaşlanma makul derecede muhafazakardır, sorun tasarımcıların satıcıların sunmasına izin verilen gerçek sınırları değil, tipik verileri ve reklam abartısını takip etmesidir.
Çok fazla uzay sınıfı direnç tedarikçisi olmadığı ve MIL-PRF-55342'nin dirençler için spesifikasyonlar belirlediği göz önüne alındığında, farklı şirketlerin dirençler için eskime toleransları ve yönergelerinde kullandıkları farklılıklar oldukça şaşırtıcıdır. Yıllar boyunca gerçekleştirdiğimiz WCCA'da, genellikle sadece yaşlanma olarak adlandırılan yaşlanma/birleşik ortamlar tolerans terimi için %0.1'den %4'e kadar her şeyi gördük. MIL-PRF-0.5 direncinin kullanım ömrü sonu etkileri için %1, hatta %55342 kullanmayı yeniden düşünün; muhtemelen desteklenmiyor.
Başlangıç ve sıcaklık toleransları (kullanım başlangıcı veya BOL) veri sayfasında her zaman iyi tanımlanmıştır. Pasif bileşenler için radyasyon toleransı sıfırdır. Bu, yalnızca kullanım ömrü sonu (EOL) varyansı olarak tanımlanacak yaşlanma toleransını bırakır. Programların ve analistlerin yaratıcı olma eğiliminde olduğu yer burasıdır.
Şekil 1: Bu fotoğraf, dirençlerin 18 yıllık eskimesinin havada nasıl görünebileceğini göstermektedir. (Resim: AEi Sistemleri)
Şu anda müşterilerimiz, A Sınıfı uzay görevleri için %0.24 ila %1.25 arasında herhangi bir yerde kullanıyor ve birçok kritik program, 0.5 yıllık bir görev için %10 yaşlanmayı tercih ediyor. Bu, başlangıç ve sıcaklık toleranslarından ayrıdır ve yalnızca kullanım ömrü sonu farkını kapsar. Beklentideki bu farklılıklar normaldir ve anlaşılabilirdir çünkü dirençli film için kullanılan malzemeler büyük ölçüde farklılık gösterir ve buna bağlı olarak farklı özelliklere sahiptir. Bu nedenle seçilen herhangi bir veri kaynağının uygulanabilirliği sınırlı olacaktır.
Bu sayıların makul görünüp görünmediğini veya en azından en kötü durum devre analizi (WCCA) için makul derecede muhafazakar görünüp görünmediğini değerlendirelim.
Genellikle PVDB (parça değişkenliği veritabanı) olarak adlandırılan parça toleransı veritabanı, en kötü durum analizinin merkezinde yer alır. Analiz başladıktan sonra PVDB'ye dokunursanız veya bir hata yaparsanız tüm analiz etkilenebilir. Bu kesinlikle herhangi bir direnç toleransı değişikliği için geçerli olacaktır. Bu, PVDB'nin WCCA'nın başlangıcında büyük ölçüde geliştirilmesinin ve müşteri/program onayının neden bu kadar önemli olduğunun ana nedenlerinden biridir. WCCA'yı inceleyen tüm tarafların imzası olmadan hesaplamalar başlamamalıdır.
WCCA blogumda bir WCCA için gereken titizlik düzeyini tartıştım: Kesinlik eksikliği size pahalıya mal olacaktır, ancak açıkça en etkili EOL toleransları dirençlerinkidir. Test ve analiz bütçe oranı hakkındaki son makalelerimde (Referans 1 ve 2), çeşitli bileşenlerin toplam BOL ve toplam EOL varyans oranlarını tartıştım. Dirençler kesinlikle en etkili olanlardır ve aşağıdaki tabloda gösterildiği gibi yüzdesel olarak en büyük EOL değişimine sahip olabilirler.
Şekil 2: Kemiğin nerede olduğunu bilmiyorsanız (tolerans açısından) kemiğe kadar parçalamayın. (Resim: AEi Sistemleri)
Bu tablo, birkaç farklı parça türü için BOL'den EOL'ye tolerans yığılma farkını gösterir.
WCCA'da kullanılan her parça için uç değer toleransı değişimi, başlangıç, sıcaklık, birleşik ortamlar/yaşlanma ve radyasyon toleranslarının cebirsel olarak toplanmış birleşimidir. Yaşlanma toleransı genellikle yanmaya veya kısa veya uzun vadeli ömür testi verilerine dayanan Arrhenius denklemlerinden tahmin edilir (Referans 3). Örnek bir hesaplama şurada gösterilmiştir: İncir. 3. Test verileri mevcut değilse, varsayım olarak kamuya açık veya özel kılavuzlar kullanılır (İncir. 4).
Şekil 3: Direnç eskimesine ilişkin bu örnek hesaplama, 84°C'deki 10 yıllık bir görev için yanma/ömür testi verilerine dayanmaktadır. 70°C, 10,000 saatlik, %2 ömür testi sınırı için (askeri spesifikasyona göre [Referans 10]), Ea 4.67 veya 4.99eV olarak kullanıldığında yaşlanma %0.28 ile %0.43 arasındadır. ESA tarafından 0.28eV önerilmektedir (Referans 4). Hesaplamanın kritik bir unsuru olan aktivasyon enerjisi Ea'nın aslında kesin olarak bilinmediğine dikkat edilmelidir. (Resim: AEi Sistemleri)
Bileşen yaşlanması sürekli bir fizikokimyasal değişim sürecidir. Bu genellikle parça tarafsız olsa bile yaşlanmanın gerçekleşebileceği varsayılmıştır. Bu, yalnızca görev ömrünü hesaba katmanız gerekmediği, aynı zamanda uygun sıcaklık koşullarında depolama, entegrasyon ve test süresini de eklemeniz gerektiği anlamına gelir - tabii ki parçalarınızı nitrojende veya başka bir atıl ortamda saklamadığınız sürece.
Şaşırtıcı bir şekilde, dirençli ürün satıcısı State of the Art, Inc. (SOTA), dirençlerin 10 yaşına kadar sevk edildiğinde. Bununla birlikte, SOTA, ince film dirençlerinin güç verilmeden eskidiğine inanmıyor: "SOTA, cihazları standart atmosferde (N2 tahliyesi olmadan) tipik ~23°C ortam sıcaklığında 10 yıla kadar herhangi bir bozulma gözlemlenmeden saklar."
SOTA, stoktaki inşaat ve malzeme çeşitliliğinin minimum düzeyde olmasını sağlamak için üretimden 10 yıl sonra stoğu boşaltıyor. Parti testi davranışında değişikliğe yol açan oda sıcaklığında depolamaya dair hiçbir kanıtları yok: "T seviyesi taramalar genellikle stoktaki mevcut partilerde sağlanıyor. T düzeyi tarama, Grup A'ya güç koşullandırma ve Grup B denetimleri sağlar ve ER Life'ta temsil edilir. Yaşlanma ile ilişkili herhangi bir sorun tespit edilmemiştir. ER Life'ta temsil edilen orijinal parti ve T seviyesi partinin birkaç örneği için performansta çok az fark var veya hiç fark yok."
Şekil 4: Bu tablo, direnç eskime toleranslarına ilişkin genel genel kuralları göstermektedir. (Resim: AEi Sistemleri)
Askeri spesifikasyonlarda tanımlandığı gibi üretim ve testle ilgili toleransların uzun bir listesi, birleşik çevresel toleransı belirler. Üretimle ilgili toleranslar her program için farklıdır ve her programın üretim, test ve yeterlilik gereksinimlerine göre uyarlanmıştır. Bunlar üretim ve testle ilgili olsa da, genellikle EOL faktörleri olarak yaşlanmayla birlikte ele alınırlar. Bu askeri spesifikasyon toleransları göz ardı edilemez ve aşağıda belirtildiği gibi göz ardı edilemez. İncir. 5, yaşlanmaya (zamana dayalı) toleransla kolayca rekabet edebilir.
Şekil 5: MIL-PRF-55342 dirençlerinin spesifikasyonu, toplanabilecek çeşitli üretim ve testle ilgili toleransları gösterir. Sonuçta üreticiler, 2.0°C'de 10,000 saat boyunca dirençteki %70'a eşit veya daha az değişime sahip bir ömür testi gereksinimini karşılayan dirençler sunabilirler (Referans 10).
Satıcının sağladığı yaşlanma verileri neyi gösteriyor?
WCCA'da kullanılan varsayımları ve program/satıcı iddialarındaki belirsizliği azaltmak için geçen yıl SOTA ve Vishay ile temasa geçtik; Bu bölümde görüşmelerin ve veri alışverişlerinin özeti yer almaktadır.
Yaklaşık on yıl önce SOTA ile bazı çalışmalar yaptık ve bunun üzerine bir makale yazdık (Referans 5). Bu sefer iletişime geçtiğimizde SOTA, bize ilk olarak 2009'da gönderdikleri belgenin aynısını gönderdi. Biz daha da takip ettik ve SOTA geldi ve 10,000 ve 100,000 saatlik lot verileri sağladı. En azından minnettardık.
SOTA ömür testi performans belgesinde yer alan veriler, pembe bir tablo çiziyor ve geçmişte yapılan çeşitli varsayımlara açıklık getiriyor. '180502TN1206Life.pdf' (Referans 6) dosyasındaki veriler, 166 ince film direnci (karakteristik E, sonlandırma B, 10,000°C) için 1206 lot 70 saatlik ömür testi verisi içeriyordu. Bunlar, MIL-PRF-1 koşulları altında ölçülen çeşitli direnç değerlerinden (miliohm'dan 55342 MW'a kadar) oluşuyordu (yöntem paragrafı 4.8.11). İki lot veri gösterilmektedir İncir. 6.
Şekil 6: SOTA tarafından sağlanan 70°C 10,000 ömür testi veri lotlarından ikisi ve çeşitli ölçüm hesaplamaları solda gösterilmektedir. Veriler sağdaki küp kök fonksiyonuna (yaklaşık olarak) uyuyordu. Y ekseni direnç değerindeki % değişimdir, X ekseni saat cinsinden süredir ve büyük değer sıçramaları kırmızıyla belirtilmiştir. 166 lotun tamamı benzer şekilde analiz edildi. (Resim: AEi Sistemleri)
Her lot, sabiti ve üssü olan bir ifadeye uygundur. Örneğin, 0.0015x0.2483 veya 0.0008x0.3675, da gösterildiği gibi İncir. 5. Formül daha sonra toplam yaşlanma değişimini bulmak için 87660 saate genişletilir.
Kırmızı renkte olan değerler İncir. 5 parti için on yıllık saat başına en büyük oranlardır. On yıl başına saat oranları, ilk okumadan sütunun en üstündeki saate kadar hesaplanır (250 saatlik oran 0 ila 250 saat arasındadır, 500 saatlik oran 0 ila 500 saat arasındadır, vb.).
SOTA ve Vishay veri sayfalarında belirtildiği gibi (İncir. 7), üs büyük ölçüde değişse de dirençler gerçekten de bir küp kök fonksiyonuna uyuyor. Bu açıklama tek başına büyük olasılıkla önde gelen havacılık ve uzay imalatçıları tarafından kullanılan bazı özel kuralların değişmesine yol açacaktır.
Şekil 7: Direnç veri sayfaları, dirençlerin küp kök yaşlanmasına işaret ediyor. (Kaynak: State of the Art, Inc.)
SOTA '180502TN1206Life.pdf' 10,000 saatlik lot setinde sunulan verileri özetlemek gerekirse:
- İnce film 1206 çip direnç yaşlanması, 0.2 ila 6 arasında değişen bir üs ile bir küp kök fonksiyonunu takip eder. Bu, yaşlanmanın basit küp kök tahmininden önemli ölçüde daha kötü olabileceği anlamına gelir.
- Ölçüm sürecinde hatalar var. Hatanın büyüklüğü bilinmiyor ancak buna genellikle ölçüm "sıçramaları" eşlik ediyor.
- Kısa bir süre içinde hatada büyük bir sıçrama olması durumunda (< 0.5 saat için > %2000), ortaya çıkan veri noktasının şüpheli olacağı varsayılır.
- Hatalar < %0.01, ölçüm hatasından ayırt edilemez. Uzun vadeli doğruluk ve değer aralığı hatasına bağlı olarak %0.02'ye varan ölçüm hatasının olması düşünülemez değildir. Gezinmeden önce ölçümle aynı hizada olacak şekilde düzelen > %0.02'lik değişiklikler ölçüm hatasından kaynaklanmaktadır.
- Güç stresi düzeyi, verilere dahil edilmeyen başka bir değişkendir; ancak ömür testi verileri, MIL-PRF-55342 uyarınca nominal voltajı aşmayacak şekilde tam nominal güçtedir.
- Vishay bugüne kadar ham veri sağlamadığından, uygulama notlarında belirtildiği gibi performanslarının küp kök yaşlanmasını karşılayıp karşılamadığı bilinmiyor.
- Sağlanan veriler, metal alaşımlarından veya metal oksitlerden oluşan filmlerden oluşan ince film dirençleri içindi; kalın film dirençleri ise, ince filmlerden daha hızlı yaşlanan cam-metal cam elyafından oluşuyor (XNUMX).İncir. 6).
- Eğilim ezici bir çoğunlukla ve her zaman olumludur. Bu, toleransın muhtemelen rastgele değil, önyargılı olması gerektiği anlamına gelir. EOL toleransları RSS'ye dahil edilirse bu, WCCA hesaplamalarınızı etkileyecektir çünkü direnç yaşlanma değişiklikleri yalnızca tek yönde olacaktır.
SOTA'nın ince film müdürü Brian Hill şunları kaydetti: "Sınırlı uzun vadeli veri setlerine (100 bin+ saat) dayanarak, genel eğilimin zaman içinde olumlu yönde yavaş bir kayma olduğuna inanıyorum. Ölçüm hatasının bu ortalama (neredeyse doğrusal) olumlu davranış etrafında gözlemlenen yalpalamayı sağladığından şüpheleniyorum. Veriler, daha kararlı bir durum davranışı elde edilmeden önce testin ilk 250-500 saatinde başlangıçta daha yüksek bir oran önerebilir, ancak ince filmde değişimin ölçüm hatası sınırlarına çok yakın olması nedeniyle bunu belirlemek daha zordur."
Veriler, ECSS-Q-60-11A'daki ESA verilerini yakından taklit etmektedir (Referans 7). Grafikler aynı zamanda strese bağlı değişimi gösterme avantajına da sahiptir. ESA eğrileri İncir. 7 SOTA verilerini tam olarak takip etmemektedir ve daha yüksek güç seviyelerinde, ESA hesaplamaları program çapında tek bir yaşlanma varsayımıyla ilgili endişelere işaret edebilir.
Şekil 8: ESA, stres düzeyleriyle yaşlanmadaki değişime ilişkin tek veri kaynaklarından biridir. Özellikle ESA ve niteliksel olarak SOTA, direnç yaşlanması (zaman değişiminin eğimi) üzerinde güç stresinin güçlü bir etkisine işaret eder. Bu grafiği oluşturan temel veriler mevcut DEĞİLDİR. Kaynak: ECSS-Q-60-11A: 55342 direnç eskimesi. (Resim: AEi Sistemleri)
Alt satırda
SOTA veri seti değerlendirildi. 10 bin saatlik veriler, 87,660 bin saatlik veriler kullanılarak uygun hale getirilen denklem kullanılarak 10 saate tahmin edildi. Ortaya çıkan 87.66 bin saatlik sapmalar şu şekilde özetlenmiştir: Şekil 9 & 10.
İncelenen veri seti için, ~%2'nin üzerinde eskime olan partiler göz ardı edildiğinde, partilerin %81'i 0.065°C'de 10 yıl boyunca %70'ten az eskimiş ve partilerin %19'u %0.065 ile %0.395 arasındaydı. 84°C'de, Ea'nın 0.28 olduğu varsayıldığında, partilerin %82'si 0.065 yıllık yaşlanmanın %10'inden azdı ve partilerin %18'i %0.065 ile %0.425 arasındaydı. Gerçek sapma, sistem direnç partisinin özelliklerine bağlıdır; dolayısıyla direnç bileşimi için farklı formüllere sahip diğer satıcılar bu eğilimlere uymayabilir.
Şekil 9: 166 saatlik test verilerinin 10,000 lotu, 87,660°C'de 70 saate tahmin edilmiştir. (Resim: AEi Sistemleri)
Şekil 10: 166 saatlik test verilerinin 10 lotu, 87.66eV'lik bir Ea kullanılarak 84°C'de 0.28k saate tahmin edilmiştir. (Resim: AEi Sistemleri)
Ayrıca programınızın en kötü durum sıcaklığını da hesaba katmanız gerekecektir. 60°C-65°C aralığındaki yeterlilik sıcaklıklarında bile, güç dağıtımından kaynaklanan sıcaklık artışları, bir direncin ortalama sıcaklığını ortam ortamının 10-20 derece üzerine çıkarabilir ve daha da yüksek yerel sıcaklığa sahip bir direnç sıcak noktası oluşturabilir. Bu sıcak noktalar direncin yaşlanmasına neden olabilir.
> 70°C sıcaklıklarda eskime toleransları daha kötüdür. Sıcaklıkla değişim aktivasyon enerjisi Ea ile ilgilidir. Ea, çeşitli üreticilerin kalın ve ince metal film dirençleriyle tanınmıyor. ESA, 0.28eV'lik bir Ea önermektedir. Askeri spesifikasyon, Ea'nın daha düşük olabileceğini gösteriyor, ancak ortak değerler 0.28eV ile 0.43eV arasında. Bu nedenle bu verilerin çevirisi bir Ea varsayımını gerektirir. Karşılaştırma amacıyla 84°C keyfi olarak kullanılmıştır. İncir. 9.
Sonuç şudur. Çok sayıda direnç satın almadığınız veya ömür testi performansını sınırlamak için bir kaynak kontrol belgesi (SCD) yazmadığınız sürece, parti verilerinin bir önemi yoktur. Evet, spesifikasyon performansından daha iyi olduğunu gösterir. Bu, yıllardır çeşitli üreticiler tarafından iddia edilmektedir, ancak askeri spesifikasyona göre satıcı size 2°C'de 10k saatte yalnızca %70'yi karşılayan dirençler sağlayabilir.
Bu nedenle, nominal durumda küp kök üssü (0.333) ve Ea değeri (0.28) varsayıldığında %2'lik 10 bin saatlik varyansın %4.67 kadar yüksek olabileceği varsayılabilir (Referans 8)! Lot test verilerinden maksimum küp kök (üs) farkı kullanıldığında (0.6'ya kadar yüksek) yaşlanma toleransı çok daha kötüleşir. Ek olarak bu, direnç stresi için herhangi bir ayarlama yapılmaz. İster spesifikasyonu kullanın, ister bir şekilde parti verilerine güvenebileceğinize inanın; yine de %0 olmayan diğer üretim/test toleranslarıyla uğraşmanız gerekir.
Bu nedenle, 1°C'de 0.5 yıllık bir görev için MIL-PRF-55342 direncinin yaşlanması için bırakın %70'i %10'in kullanılması mantıklı değildir.
EOL yaşlanma toleransını 0.5 yıl 10°C'de %84'e sınırlayacak bir SCD oluşturmak için %10'lik (üs=0.215, Ea=0.3333eV) 0.28 bin saatlik test limiti talep edebilirsiniz (Referans 8). SOTA, 10,000 saatlik ömür testi gereksinimine sahip dirençler sağlamanın pahalı olduğunu ve uzun teslim sürelerine sahip olduğunu (imalat + 14 aylık test teslim süresi) belirtiyor. Çoğu kişi bu değerlendirmeyi 1000 veya 2000 saatlik ömür testi verilerine (üretim + 1.5 ila 3 ay test teslim süresi) dayanarak yapıyor.
Yorumları ve rehberlikleri için SOTA'dan Brian Hill'e ve Aerospace Corporation'dan Michael J Cozzolino'ya özellikle teşekkür ederiz.
Referanslar
- Elektronik Test/Analiz Oranını Optimize Etme, Charles Hymowitz, 7 Şubat 2020.
- Test ve Analiz; Yüksek güvenilirliğe ulaşmak için doğru oran nedir?, Charles Hymowitz, PSMA Web Semineri, 18 Şubat 2021 Perşembe.
- Arrhenius Denklemi, ScienceDirect
- ECSS-Q-TM-30-12A, Kullanım ömrü sonu parametre sapmaları – EEE bileşenleri, Ekim 2010 sayfa 46
- Neden %1 Direnciniz Gerçekten Değil? Direnç Tolerans Çalışması, Steve Sandler, Charles Hymowitz, Space Power 2009, Aerospace Space Power Workshop
- Ömür Testi Performansı, Dirençli Ürünler, State of the Art, Inc., 180502TN1206Life.pdf
180502TN1206Life_Macro'nun derlenmesinde kullanılan ana SOTA ince film ömrü testi veri dosyası, PH 10khr.xlsm eklemeleriyle – 180502TN1206Life_Macro, PH 10khr.xlsm eklemeleriyle – SOTA 10khour test verilerine dayalı 70Yr Tol 10C Full Power'a ekstrapolasyon – Bazılarını içeren diğer ömür testi veri dosyaları 100 bin saat ile! - ECSS-Q-60-11A 7 Eylül 2004 Değer kaybı ve kullanım ömrü sonu parametre sapmaları - EEE bileşenleri
- İnce Film Yaşlanma Toleransı Değişken Kök 10000 saat.xmcd' Mathcad dosyası, bir kopyasını isterseniz benimle iletişime geçin.
- SMC-S-010_12APR2013, Uzay ve Füze Sistemleri Merkezi için Standart Teknik Gereksinimler Elektronik Uzay Araçlarında Kullanılan Parçalar, Malzemeler Ve Süreçler, SMC Standardı, 12 Nisan 2013
- MIL-PRF-55342 Rev H, Performans Özellikli Dirençler, Çip, Sabit, Film, Belirlenmemiş Güvenilirlik, Belirlenmiş Güvenilirlik, Uzay Seviyesi
Bu makale ilk olarak kardeş yayın EDN'de yayınlanmıştır.
AEi Sistemleri hakkında