设计人员必须遵循電(diàn)阻器老化准则

2021-05-18

设计人员必须遵循電(diàn)阻器老化准则

需要空间级组件的设计必须考虑组件值随时间可(kě)能(néng)发生的变化。对于電(diàn)阻器而言尤其如此，因為(wèi)電(diàn)阻器的使用(yòng)寿命可(kě)能(néng)会发生重大变化。不幸的是，尽管大多(duō)数估计電(diàn)阻器老化的公共准则是相当保守的，但问题是设计师正在遵循典型的数据和广告宣传，而不是允许供应商(shāng)提供的实际限制。

考虑到空间级電(diàn)阻器的供应商(shāng)太多(duō)，并且MIL-PRF-55342建立了電(diàn)阻器规格，因此不同公司在電(diàn)阻器的老化公差和指南中使用(yòng)的差异非常令人惊讶。多(duō)年来，在WCCA中我们执行了老化/组合环境容差项，从0.1％到4％，通常被称為(wèi)老化。重新(xīn)考虑使用(yòng)0.5％或什至1％的MIL-PRF-55342電(diàn)阻寿命终止效果；它可(kě)能(néng)不受支持。

初始和温度公差（寿命开始或BOL）始终在数据表中定义得很(hěn)好。无源元件的辐射容差為(wèi)零。这仅将耐老化性定义為(wèi)寿命终止（EOL）差异。这是程序和分(fēn)析人员倾向于发挥创造力的地方。

图1这张照片显示了空气中18年的電(diàn)阻器老化情况。

目前，我们的客户正在使用(yòng)0.24％至1.25％的A级太空任務(wù)，许多(duō)关键计划都选择将十年任務(wù)的老化时间定為(wèi)0.5％。这与初始和温度容差不同，仅涵盖了寿命终止的变化。这些期望的变化是正常且可(kě)以理(lǐ)解的，因為(wèi)用(yòng)于電(diàn)阻膜的材料有(yǒu)很(hěn)大不同，并且具有(yǒu)相应的不同特性。因此，选择的任何单个数据源都将具有(yǒu)有(yǒu)限的适用(yòng)性。

让我们评估一下，对于最坏情况的電(diàn)路分(fēn)析（WCCA），这些数字是合理(lǐ)的还是保守的。

零件公差数据库（通常称為(wèi)PVDB（零件变异性数据库））是最坏情况分(fēn)析的核心。分(fēn)析开始后触摸PVDB或输入错误，可(kě)能(néng)会影响整个分(fēn)析。对于任何電(diàn)阻容差的改变，肯定都是这种情况。这是為(wèi)什么在WCCA初期大量开发PVDB的主要原因之一，也是為(wèi)什么客户/计划批准至关重要的原因之一。如果没有(yǒu)得到WCCA审查的所有(yǒu)各方的批准，则不应开始计算。

但显然，最有(yǒu)影响力的EOL容限是電(diàn)阻器。在我最近关于测试与分(fēn)析预算比率（参考文(wén)献1和2）的论文(wén)中，我讨论了各个组件的总BOL与总EOL方差比率。電(diàn)阻器无疑是影响最大的電(diàn)阻器，并且其EOL变化百分(fēn)比最大，如下表所示。

图2除非您知道骨骼在哪里（公差方面），否则请不要砍骨头。下表显示了几种不同类型零件的BOL到EOL公差叠加偏差。

WCCA中使用(yòng)的每个零件的极值公差变化是初始，温度，组合的环境/老化和辐射公差的代数求和组合。耐老化性通常根据老化或短期或長(cháng)期寿命测试数据从Arrhenius方程推算得出（参考文(wén)献3）。计算示例如图3所示。如果没有(yǒu)可(kě)用(yòng)的测试数据，则将公共或专有(yǒu)准则用(yòng)作假设（图4）。

图3该電(diàn)阻器老化的示例计算基于84°C 10年使用(yòng)寿命的老化/寿命测试数据。对于70°C，10,000小(xiǎo)时，2％的寿命测试极限（根据军事规格[参考10]），使用(yòng)Ea為(wèi)0.28或0.43eV时，老化在4.67％至4.99％之间。ESA建议使用(yòng)0.28eV（参考文(wén)献4）。应当指出，实际上不能(néng)确定地知道激活能(néng)Ea，它是计算的关键要素。

组件老化是物(wù)理(lǐ)化學(xué)变化的连续过程。它通常假定老化可(kě)能(néng)发生，即使部分(fēn)是公正的。这意味着您不仅需要考虑任務(wù)寿命，而且还需要增加在适当温度条件下的存储，集成和测试时间–除非您当然将零件存储在氮气或其他(tā)惰性环境中。

令人惊讶的是，電(diàn)阻产品供应商(shāng)State of the Art，Inc .。（SOTA）指出，電(diàn)阻出厂时可(kě)能(néng)長(cháng)达10年。但是，SOTA并不认為(wèi)薄膜電(diàn)阻器会在无電(diàn)的情况下老化：“ SOTA会将器件存储在标准大气（无N2吹扫）中，在典型的〜23°C环境温度下長(cháng)达10年而没有(yǒu)观察到的退化。”

SOTA会在制造10年后清除库存，以确保库存中的结构和材料变化最小(xiǎo)。他(tā)们没有(yǒu)证据表明室温存储会导致批次测试行為(wèi)发生变化：“通常会从库存中对现有(yǒu)批次进行T级筛选。T级筛查為(wèi)A组提供功率调节，B组检查，并在ER Life中代表。没有(yǒu)发现与老化相关的问题。对于ER Life中所代表的原始批次和T级批次的几个示例，性能(néng)几乎没有(yǒu)差异，也没有(yǒu)差异。”

图4该表显示了有(yǒu)关電(diàn)阻器老化容限的典型公共准则。

军事规范中定义了一長(cháng)串与制造和测试相关的公差，这些公差决定了综合的环境公差。每个程序的与制造相关的公差是不同的，并针对每个程序的制造，测试和资格要求量身定制。尽管它们与制造和测试有(yǒu)关，但它们经常会因老化而失效，成為(wèi)EOL因素。这些军事规格公差是不容忽视的，并且如图5所示，可(kě)以轻易地与老化（基于时间）公差相匹敌。

图5 MIL-PRF-55342電(diàn)阻器的规范指出了各种制造和测试相关的公差，这些公差可(kě)能(néng)加总。最终，制造商(shāng)可(kě)以提供在70°C的10,000小(xiǎo)时内达到寿命测试要求小(xiǎo)于或等于2.0％電(diàn)阻变化的電(diàn)阻器（参考文(wén)献10）。

供应商(shāng)提供的老化数据显示什么

為(wèi)了减少WCCA中使用(yòng)的假设以及计划/供应商(shāng)索赔的不确定性，我们去年联系了SOTA和Vishay。本节涵盖了对话和数据交换的摘要。

大约十年前，我们与SOTA进行了一些合作，并為(wèi)此撰写了一篇论文(wén)（参考文(wén)献5）。这次联系时，SOTA向我们发送了与最初在2009年发送给我们的文(wén)档相同的文(wén)档。我们进行了进一步追踪，SOTA得以提供10,000和100,000小(xiǎo)时的批量数据。至少可(kě)以说，我们很(hěn)感激。

SOTA寿命测试性能(néng)文(wén)档中包含的数据描绘了一个乐观的画面，并阐明了过去做出的一些假设。“ 180502TN1206Life.pdf”（参考文(wén)献6）中的数据包含166个1206薄膜電(diàn)阻器的10,000小(xiǎo)时寿命测试数据（特性E，端接B，70°C）。它们由在MIL-PRF-55342条件（方法第4.8.11节）下测量的各种電(diàn)阻值（兆欧至1 MW）组成。图6显示了两个数据。

图6左侧显示了SOTA提供的70°C 10,000次寿命测试数据批次中的两个以及各种测量计算。数据拟合到右侧的多(duō)维数据集根函数（大约）。Y轴是電(diàn)阻值的％变化，X轴是时间（以小(xiǎo)时為(wèi)单位），大的值跳跃用(yòng)红色表示。对所有(yǒu)166个批次进行了类似的分(fēn)析。

每个批次都适合一个具有(yǒu)常数和指数的表达式。例如，如图5所示，為(wèi)0.0015x 0.2483或0.0008x 0.3675。然后将该公式扩展到87660小(xiǎo)时，以找到总的老化变化。

图5中的红色值是该批次每十小(xiǎo)时最大的费率。每十小(xiǎo)时小(xiǎo)时数是从初始读数到列顶部的小(xiǎo)时数来计算的（250小(xiǎo)时率是0到250小(xiǎo)时，500小(xiǎo)时率是0到500小(xiǎo)时，依此类推）。

正如SOTA和Vishay数据表（图7）中所暗示的那样，尽管指数变化很(hěn)大，但这些電(diàn)阻确实符合立方根函数。仅此启示可(kě)能(néng)会导致主要航空制造商(shāng)使用(yòng)的某些专有(yǒu)准则发生变化。

图7電(diàn)阻数据表提示電(diàn)阻的立方根老化。

汇总SOTA'180502TN1206Life.pdf'10,000小(xiǎo)时的批号中提供的数据：

薄膜1206芯片電(diàn)阻器的老化遵循立方根函数，其指数在0.2到6之间变化。这意味着，老化可(kě)能(néng)比简单的立方根估计严重得多(duō)。

测量过程中有(yǒu)错误。误差的大小(xiǎo)未知，但通常会伴随测量“跳变”。

假设如果在短时间内出现较大的误差跳变（<2000小(xiǎo)时，> 0.5％），则可(kě)以怀疑所得的数据点。

<0.01％的误差与测量误差没有(yǒu)區(qū)别。根据長(cháng)期精度和值范围误差，高达0.02％的测量误差并非不可(kě)想象。在偏移之前恢复到与测量一致的> 0.02％的变化是由于测量误差引起的。

功率压力水平是另一个未计入数据的变量。但是，按照MIL-PRF-55342的规定，寿命测试数据应在满额定功率下进行，且不得超过额定電(diàn)压。

Vishay迄今為(wèi)止尚未提供原始数据，因此，如其应用(yòng)说明所指出的那样，尚不清楚它们的性能(néng)是否满足多(duō)维数据集根老化。

提供的数据适用(yòng)于由金属合金或金属氧化物(wù)的薄膜组成的薄膜電(diàn)阻器，而厚膜的電(diàn)阻器通常由玻璃-金属熔块组成，而玻璃-金属熔块的老化速率通常高于薄膜（图6）。

这种趋势是压倒性的，并且始终是积极的。这意味着公差可(kě)能(néng)不会是随机的，而是有(yǒu)偏差的。如果EOL公差為(wèi)RSS，这将影响您的WCCA计算，因為(wèi)電(diàn)阻的老化变化只会在一个方向上发生。

SOTA的薄膜经理(lǐ)Brian Hill指出：“基于有(yǒu)限的長(cháng)期数据集（超过10万小(xiǎo)时），我相信总體(tǐ)趋势是随着时间的推移缓慢缓慢地向正漂移。我怀疑测量误差提供了围绕该平均（几乎線(xiàn)性）正行為(wèi)的观察到的摆动。数据可(kě)能(néng)表明在达到稳定状态之前的最初250-500小(xiǎo)时测试中的初始速率较高，但是在薄膜中，由于变化非常接近测量误差边界，因此很(hěn)难确定。

该数据与ECSS-Q-60-11A的ESA数据非常相似（参考文(wén)献7）。图表还具有(yǒu)显示应力变化的附加好处。图7中的ESA曲線(xiàn)未完全遵循SOTA数据，在较高功率水平下，ESA计算可(kě)能(néng)表明担心单个程序范围内的老化假设。

图8 ESA是随压力变化的老化变化的唯一数据来源之一。具體(tǐ)来说，ESA和SOTA定性表明了功率应力对電(diàn)阻器老化（时间变化的斜率）的强烈影响。生成此图的基础数据不可(kě)用(yòng)。资料来源：ECSS-Q-60-11A：55342電(diàn)阻器老化。

底線(xiàn)

评估了SOTA数据集。使用(yòng)使用(yòng)1万小(xiǎo)时数据拟合的公式，将1万小(xiǎo)时数据外推到87,660小(xiǎo)时。所得的87.66k小(xiǎo)时偏差汇总在图9和10中。

对于所审查的数据集，并且不考虑老化大于〜2％的批次，在70°C下10年的批次中有(yǒu)81％的老化小(xiǎo)于0.065％，而批次中的19％介于0.065％和0.395％之间。在84°C下，假设Ea為(wèi)0.28，则82％的批次在10年内的老化小(xiǎo)于0.065％，而18％的批次在0.065％和0.425％之间。实际漂移取决于系统電(diàn)阻器批次的属性，因此其他(tā)具有(yǒu)不同電(diàn)阻器组成公式的供应商(shāng)可(kě)能(néng)不会遵循这些趋势。

图9将166个10k小(xiǎo)时测试数据批次在84°C下使用(yòng)0.28eV的Ea外推至87.66k小(xiǎo)时。

您还需要考虑程序的最坏情况温度。即使限定温度在60°C至65°C范围内，由于功耗引起的温度升高也会使電(diàn)阻器的平均温度比周围环境高10-20度，并可(kě)能(néng)产生局部温度更高的電(diàn)阻器热点。这些热点可(kě)能(néng)会导致電(diàn)阻老化。

对于> 70°C的温度，耐老化性会更差。温度的变化与活化能(néng)Ea有(yǒu)关。Ea对于各种制造商(shāng)的厚膜和薄金属膜電(diàn)阻器都不為(wèi)人所知。ESA建议Ea為(wèi)0.28eV。军事规格表明，尽管通用(yòng)值在0.28eV和0.43eV之间，但Ea可(kě)以更低。因此，此数据的转换需要一个Ea假设。為(wèi)了比较，在图9中任意使用(yòng)84°C。

底線(xiàn)是这个。除非您要購(gòu)买一整批電(diàn)阻器，否则必须编写源代码控制文(wén)档（SCD）来限制寿命测试的性能(néng)，否则批数据是无关紧要的。是的，它表明比规范的性能(néng)更好。各种制造商(shāng)已经对此提出了多(duō)年的要求，但是无论如何，根据军事规范，供应商(shāng)仍然可(kě)以為(wèi)您提供在70°C的10k小(xiǎo)时下只能(néng)满足2％的電(diàn)阻。

因此，有(yǒu)可(kě)能(néng)假设名义情况下的立方根指数（0.333）和Ea值（0.28），2％的10k小(xiǎo)时方差可(kě)以高达4.67％（参考文(wén)献8）！当使用(yòng)来自批次测试数据的最大立方根（指数）方差（高达0.6）时，耐老化性会变得更差。此外，这无需对電(diàn)阻应力进行任何调整。不管您使用(yòng)该规范还是以某种方式相信您都可(kě)以依靠批量数据；您仍然必须与其他(tā)制造/测试公差（不為(wèi)0％）抗衡。

因此，对于70°C的10年任務(wù)，MIL-PRF-55342電(diàn)阻器老化不宜使用(yòng)1％，更不用(yòng)说0.5％。

要创建一个SCD，它将在84°C的10年时将EOL的老化容限限制在0.5％，您可(kě)以要求10k小(xiǎo)时的测试极限為(wèi)0.215％（指数= 0.3333，Ea = 0.28eV）（参考文(wén)献8）。SOTA指出，提供满足10,000小(xiǎo)时寿命测试要求的電(diàn)阻器价格昂贵，而且交货期長(cháng)（制造+ 14个月的测试交货期）。大多(duō)数人都是根据1000或2000小(xiǎo)时的寿命测试数据进行评估。