设计人员必须遵循电阻器老化准则

2021-05-18

设计人员必须遵循电阻器老化准则

需要空间级组件的设计必须考虑组件值随时间可能发生的变化。对于电阻器而言尤其如此，因为电阻器的使用寿命可能会发生重大变化。不幸的是，尽管大多数估计电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，而不是允许供应商提供的实际限制。

考虑到空间级电阻器的供应商太多，并且MIL-PRF-55342建立了电阻器规格，因此不同公司在电阻器的老化公差和指南中使用的差异非常令人惊讶。多年来，在WCCA中我们执行了老化/组合环境容差项，从0.1％到4％，通常被称为老化。重新考虑使用0.5％或什至1％的MIL-PRF-55342电阻寿命终止效果；它可能不受支持。

初始和温度公差（寿命开始或BOL）始终在数据表中定义得很好。无源元件的辐射容差为零。这仅将耐老化性定义为寿命终止（EOL）差异。这是程序和分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年的电阻器老化情况。

目前，我们的客户正在使用0.24％至1.25％的A级太空任务，许多关键计划都选择将十年任务的老化时间定为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以理解的，因为用于电阻膜的材料有很大不同，并且具有相应的不同特性。因此，选择的任何单个数据源都将具有有限的适用性。

让我们评估一下，对于最坏情况的电路分析（WCCA），这些数字是合理的还是保守的。

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

但显然，最有影响力的EOL容限是电阻器。在我最近关于测试与分析预算比率（参考文献1和2）的论文中，我讨论了各个组件的总BOL与总EOL方差比率。电阻器无疑是影响最大的电阻器，并且其EOL变化百分比最大，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长期寿命测试数据从Arrhenius方程推算得出（参考文献3）。计算示例如图3所示。如果没有可用的测试数据，则将公共或专有准则用作假设（图4）。

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

组件老化是物理化学变化的连续过程。它通常假定老化可能发生，即使部分是公正的。这意味着您不仅需要考虑任务寿命，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惰性环境中。

令人惊讶的是，电阻产品供应商State of the Art，Inc .。（SOTA）指出，电阻出厂时可能长达10年。但是，SOTA并不认为薄膜电阻器会在无电的情况下老化：“ SOTA会将器件存储在标准大气（无N2吹扫）中，在典型的〜23°C环境温度下长达10年而没有观察到的退化。”

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。他们没有证据表明室温存储会导致批次测试行为发生变化：“通常会从库存中对现有批次进行T级筛选。T级筛查为A组提供功率调节，B组检查，并在ER Life中代表。没有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，性能几乎没有差异，也没有差异。”

图4该表显示了有关电阻器老化容限的典型公共准则。

军事规范中定义了一长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关，但它们经常会因老化而失效，成为EOL因素。这些军事规格公差是不容忽视的，并且如图5所示，可以轻易地与老化（基于时间）公差相匹敌。

图5 MIL-PRF-55342电阻器的规范指出了各种制造和测试相关的公差，这些公差可能加总。最终，制造商可以提供在70°C的10,000小时内达到寿命测试要求小于或等于2.0％电阻变化的电阻器（参考文献10）。

供应商提供的老化数据显示什么

为了减少WCCA中使用的假设以及计划/供应商索赔的不确定性，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，并为此撰写了一篇论文（参考文献5）。这次联系时，SOTA向我们发送了与最初在2009年发送给我们的文档相同的文档。我们进行了进一步追踪，SOTA得以提供10,000和100,000小时的批量数据。至少可以说，我们很感激。

SOTA寿命测试性能文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”（参考文献6）中的数据包含166个1206薄膜电阻器的10,000小时寿命测试数据（特性E，端接B，70°C）。它们由在MIL-PRF-55342条件（方法第4.8.11节）下测量的各种电阻值（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维数据集根函数（大约）。Y轴是电阻值的％变化，X轴是时间（以小时为单位），大的值跳跃用红色表示。对所有166个批次进行了类似的分析。

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

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

正如SOTA和Vishay数据表（图7）中所暗示的那样，尽管指数变化很大，但这些电阻确实符合立方根函数。仅此启示可能会导致主要航空制造商使用的某些专有准则发生变化。

图7电阻数据表提示电阻的立方根老化。

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

薄膜1206芯片电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，老化可能比简单的立方根估计严重得多。

测量过程中有错误。误差的大小未知，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小时，> 0.5％），则可以怀疑所得的数据点。

<0.01％的误差与测量误差没有区别。根据长期精度和值范围误差，高达0.02％的测量误差并非不可想象。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，且不得超过额定电压。

Vishay迄今为止尚未提供原始数据，因此，如其应用说明所指出的那样，尚不清楚它们的性能是否满足多维数据集根老化。

提供的数据适用于由金属合金或金属氧化物的薄膜组成的薄膜电阻器，而厚膜的电阻器通常由玻璃-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。这意味着公差可能不会是随机的，而是有偏差的。如果EOL公差为RSS，这将影响您的WCCA计算，因为电阻的老化变化只会在一个方向上发生。

SOTA的薄膜经理Brian Hill指出：“基于有限的长期数据集（超过10万小时），我相信总体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（几乎线性）正行为的观察到的摆动。数据可能表明在达到稳定状态之前的最初250-500小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，因此很难确定。

该数据与ECSS-Q-60-11A的ESA数据非常相似（参考文献7）。图表还具有显示应力变化的附加好处。图7中的ESA曲线未完全遵循SOTA数据，在较高功率水平下，ESA计算可能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。具体来说，ESA和SOTA定性表明了功率应力对电阻器老化（时间变化的斜率）的强烈影响。生成此图的基础数据不可用。资料来源：ECSS-Q-60-11A：55342电阻器老化。

底线

评估了SOTA数据集。使用使用1万小时数据拟合的公式，将1万小时数据外推到87,660小时。所得的87.66k小时偏差汇总在图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81％的老化小于0.065％，而批次中的19％介于0.065％和0.395％之间。在84°C下，假设Ea为0.28，则82％的批次在10年内的老化小于0.065％，而18％的批次在0.065％和0.425％之间。实际漂移取决于系统电阻器批次的属性，因此其他具有不同电阻器组成公式的供应商可能不会遵循这些趋势。

图9将166个10k小时测试数据批次在84°C下使用0.28eV的Ea外推至87.66k小时。

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电阻器的平均温度比周围环境高10-20度，并可能产生局部温度更高的电阻器热点。这些热点可能会导致电阻老化。

对于> 70°C的温度，耐老化性会更差。温度的变化与活化能Ea有关。Ea对于各种制造商的厚膜和薄金属膜电阻器都不为人所知。ESA建议Ea为0.28eV。军事规格表明，尽管通用值在0.28eV和0.43eV之间，但Ea可以更低。因此，此数据的转换需要一个Ea假设。为了比较，在图9中任意使用84°C。

底线是这个。除非您要购买一整批电阻器，否则必须编写源代码控制文档（SCD）来限制寿命测试的性能，否则批数据是无关紧要的。是的，它表明比规范的性能更好。各种制造商已经对此提出了多年的要求，但是无论如何，根据军事规范，供应商仍然可以为您提供在70°C的10k小时下只能满足2％的电阻。

因此，有可能假设名义情况下的立方根指数（0.333）和Ea值（0.28），2％的10k小时方差可以高达4.67％（参考文献8）！当使用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，这无需对电阻应力进行任何调整。不管您使用该规范还是以某种方式相信您都可以依靠批量数据；您仍然必须与其他制造/测试公差（不为0％）抗衡。

因此，对于70°C的10年任务，MIL-PRF-55342电阻器老化不宜使用1％，更不用说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％，您可以要求10k小时的测试极限为0.215％（指数= 0.3333，Ea = 0.28eV）（参考文献8）。SOTA指出，提供满足10,000小时寿命测试要求的电阻器价格昂贵，而且交货期长（制造+ 14个月的测试交货期）。大多数人都是根据1000或2000小时的寿命测试数据进行评估。