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遵循电阻器老化的指导方针

文章作者:Charles Hymowitz和Paul Ho

重新考虑使用0.5%，甚至1%，为MIL-PRF-55342电阻器老化;它可能是不可支持的。

万博投注网址需要空间级组件的设计必须考虑到随时间发生的组件值中的差异。这对于电阻器尤其如此，这可以在其寿命上表现出显着的变化。遗憾的是，虽然大多数估算电阻老化的公开指导性是合理保守的，但问题是设计人员遵循典型的数据和广告炒作，而不是允许供应商提供的实际限制。

鉴于空间级电阻的供应商不是太多，而Mil-PRF-55342建立了电阻器规范，不同公司在老化公差和电阻指南中使用的方差相当令人惊讶。多年来，在WCCA中我们已经完成的，我们已经看到了老化/组合环境的0.1％到4％的公差术语，通常被称为老化。重新考虑使用0.5％，甚至1％，用于MIL-PRF-55342电阻寿命效果;它可能是不可支持的。

初始公差和温度公差(生命开始，或BOL)总是在数据表中得到很好的定义。无源元件的辐射耐受为零。这就只剩下将老化容差定义为寿命结束(EOL)方差。这就是程序和分析人员倾向于发挥创造力的地方。

图1这张照片显示了电阻器在空气中老化18年的样子。

目前，我们的客户使用0.24％至1.25％的空间特派团，为10年的使命选择0.5％的关键计划。这与初始和温度的耐受性分开，只是覆盖了生活端的方差。由于用于电阻膜的材料基本上变化并且具有相应的性质，因此期望的这些变化是正常的并且可以理解的。因此，所选择的任何单个数据源都具有有限的适用性。

让我们评估这些数字是否似乎是合理的，或者至少是合理保守的最坏情况的电路分析（WCCA）。

零件公差数据库，通常称为PVDB(零件可变性数据库)是最坏情况分析的核心。分析启动后触摸PVDB，否则出错，会影响整个分析。这肯定是任何电阻公差变化的情况。这就是为什么PVDB在WCCA开始时就被大量开发的主要原因之一，也是为什么客户/程序批准是至关重要的。没有WCCA评审各方的签字，计算不应开始。

我在博客中讨论了WCCA所需的严格程度WCCA：缺乏严谨会花费你，但显然影响最大的EOL公差是电阻。在我最近关于测试与分析预算比率的论文中(参考文献1和2)，我讨论了各种成分的总BOL与总EOL方差比率。电阻器当然是影响最大的，并且可以有最大的EOL变化百分比，如下表所示。

图2不要切到骨头，除非你知道骨头在哪里(宽容的明智)。这个表格显示了几种不同类型零件的BOL到EOL公差叠加差异。

WCCA中使用的每个部件的极值公差变化是初始、温度、组合环境/老化和辐射公差的代数求和组合。老化公差通常是根据老化或短期或长期寿命试验数据从阿伦尼乌斯方程推断出来的(参考文献3)图3．如果测试数据不可用，则使用公共或专有指南作为假设(图4）.

图3这个电阻器老化的样本计算是基于84°C 10年任务的老化/寿命测试数据。对于70°C, 10000小时，2%寿命试验极限(根据军事规范[参考10])，使用Ea为0.28或0.43eV时，老化介于4.67%和4.99%之间。0.28eV是ESA(参考文献4)提出的。需要指出的是，活化能Ea是计算的关键元素，实际上并不是很确定。

成分老化是一个连续的物理化学变化过程。它是一般假设即使部件是无偏见的，也可能发生老化。这意味着您不仅需要考虑到任务生命周期，而且还需要在适当的温度条件下添加存储，集成和测试时间 - 除非当然，否则您将零件存储在氮气中或其他一些惰性环境中。

令人惊讶的是，电阻产品供应商最先进公司．（SOTA）指出电阻器可能是10岁以下发货时。然而，SOTA不相信薄膜电阻器年龄无动力：“SOTA在标准气氛（NO N2吹扫）中的设备在典型的〜23°C环境温度下储存长达10年，没有观察到的降级。”

SOTA在生产10年后清除库存，以确保库存内的结构和材料变化最小。他们没有证据表明室温储存会导致批次测试行为的变化:“t级筛选通常是在库存的现有批次上提供的。t级筛选为A组提供电源调节，B组检查，并在ER生命中表示。目前还没有发现与衰老相关的问题。对于ER Life中所代表的原始批次和t级批次的少数例子来说，在性能上几乎没有差异。”

图4此表显示了电阻老化容差的典型公共指南．

通常在军事规范中定义的制造和测试相关公差的长期列表，决定了环境耐受性的结合。每个程序的制造相关公差都不同，并针对每个计划的制造，测试和资格要求量身定制。虽然它们与制造和测试有关时，它们通常随着EOL因素而衰老。如上所述，这些军事规范耐受性不得被驳回并且可以图5，容易与老化(基于时间)的耐受性相媲美。

图5MIL-PRF-55342电阻的规格表明了各种制造和测试相关的公差，可以加起来。最终，制造商可以提供在70°C下10,000小时内电阻变化小于或等于2.0%的寿命测试要求的电阻(参考文献10)。

供应商提供的老化数据显示是什么

为了减少WCCA中使用的假设和项目/供应商索赔中的不确定性，我们去年联系了SOTA和Vishay;本节涵盖了对话和数据交换的总结。

大约十年前，我们与SOTA做了一些工作，并就此写了一篇论文(参考文献5)。当我们这次联系时，SOTA给我们发送了与他们最初在2009年发送给我们的相同的文件。我们进行了进一步的研究，并获得了SOTA的支持，提供了1万至10万小时的批量数据。我们至少可以说很感激。

SOTA寿命测试性能文档中包含的数据描绘了一幅美好的图景，并阐明了过去所做的几个假设。在' 180502TN1206Life.pdf '(参考文献6)中包含了166个批次的1206薄膜电阻(特征E，终止B, 70°C)的10,000小时寿命测试数据。它们包括在MIL-PRF-55342条件下测量的各种电阻值(毫欧姆到1mw)(方法第4.8.11段)。其中显示了两组数据图6．

图6通过SOTA提供的70°C 10,000寿命测试数据批次以及各种测量计算的两个寿命均显示为左侧。数据适合右侧的多维数据集函数（大约）。y轴在电阻值中的百分比变化，x轴是时间以小时为单位，并且红色值跳转为红色。所有166个批次都被同样分析。

每个批次都与一个包含常数和指数的表达式相匹配。例如,0.0015 x^0.2483或0.0008倍^0.3675，如图5所示。然后将公式扩展到87660小时，以找到总的老化变化。

图5中的红色值是全数批次的最大时间。从初始读数到柱顶部的初始读数（250小时为0到250小时，500小时速率为0至500小时，从初始读数计算，从初始读数到0到250小时。

如SOTA和Vishay数据表所示(图7)，电阻确实符合立方根函数，尽管指数变化很大。仅这一披露就可能导致主要航空航天制造商使用的一些专利指导方针发生变化。

图7电阻器数据表提示电阻器的立方根老化。(来源:艺术州，Inc。）

总结SOTA ' 180502TN1206Life.pdf ' 10,000小时批次设置中的数据:

薄膜1206芯片电阻老化遵循一个指数从0.2到6的立方根函数。这意味着老化可能比简单立方根估计严重得多。
测量过程存在误差。误差的大小是未知的，但通常伴随着测量“跳跃”。
我们假设，如果在短时间内(> 0.5%的< 2000小时)出现较大的错误，则得出的数据点是可疑的。
误差< 0.01%与测量误差难以区分。根据长期精度和值范围误差，测量误差高达0.02%并非不可想象。在偏移前恢复到与测量一致的> 0.02%的变化是由于测量误差造成的。
功率应力水平是另一个不考虑数据的变量;但是，寿命测试数据处于完全额定功率，而不是超过额定电压，根据MIL-PRF-55342。
Vishay至今还没有提供原始数据，因此不知道它们的性能是否满足立方根老化的要求。
提供的数据是用于薄膜电阻器，该薄膜电阻器由金属合金或金属氧化物膜组成，而厚膜电阻器由玻璃金属玻璃料组成，其通常以比薄膜更大的速率为更大的速度（图6）。
这种趋势绝大多数，总是积极的。这意味着容差应该不随意但偏见。如果EOL容差是RSS的，这将影响您的WCCA计算，因为阻力老化变化只能在一个方向上。

Brian Hill，Sota的薄膜经理指出，“基于长期数据集（100k +时间），我相信一般趋势是缓慢漂移阳性随着时间的推移。我怀疑测量误差为观察到的WOBBLE围绕这种平均值（几乎线性）的积极行为。数据可能在实现更稳态行为之前的前250-500小时内提出初始更高的速率，但在薄膜中，由于变化如此接近测量误差边界，这更难确定。“

数据与ECSS-Q-60-11A（参考文献7）密切地模仿ESA数据。图表还具有显示应力的变化的增加的益处。图7中的ESA曲线确切地遵循SOTA数据，并且在更高的功率水平时，ESA计算可能表示对单个程序范围的老化假设的关注的原因。

图8ESA是关于随着应力水平变化的唯一数据来源之一。ESA具体而言，和SOTA定性地表示功率应力对电阻老化的强烈影响（时间变化的斜率）。产生此图的底层数据不可用。资料来源：ECSS-Q-60-11A：55342电阻老化。

底线

评估SOTA数据集。使用与10k小时数据相匹配的方程，将10k小时数据外推至87,660小时。由此产生的87.66k小时偏差总结在图9和10．

对于审查的数据集，忽视大于〜2％的老化的批次，81％的批量在70°C时较低10年的衰老，19％的批量为0.065％和0.395％。在84℃下，假设EA为0.28,82％的批次小于0.065％的老化10岁，18％的批次为0.065％和0.425％。实际漂移取决于系统电阻批次的性质，因此具有不同配方的其他供应商，用于电阻组合物，可能无法遵守这些趋势。

图9在70°C下，将166次10,000小时的测试数据推断为87,660小时。

图9使用0.28EV的EA在84℃下将166个10k小时的测试数据推断为87.66k小时。

您还需要考虑您的计划最坏情况。即使在60°C-65°C范围内的资格温度，由于功耗导致的温度升高也会增加电阻器的平均温度10-20度，在环境环境高于10-20度，并可以甚至更高的局部温度创建电阻器热点。这些热点可能会驱动阻力老化。

对于温度> 70°C，时效容差较差。随温度的变化与活化能有关，Ea。Ea在各种厂家的厚膜电阻和薄膜电阻中并不知名。ESA给出的电势为0.28eV。军用规格表明Ea可以更低，尽管普通值在0.28eV和0.43eV之间。因此，该数据的转换需要Ea假设。为了便于比较，图9中任意使用84°C。

底线是这个。除非您正在购买整个大量电阻或写入源控制文件（SCD）以绑定生命测试性能，否则Lot数据是无关紧要的。是的，它表明比规范性能更好。这已被各种制造商声称多年来，但无论如何，根据军事规范，供应商仍然可以为您提供仅在70°C时10k小时在10k小时内达到2％的电阻器。

因此，假设标称壳体立方指数（0.333）和EA值（0.28），2％10k小时方差可以高达4.67％（参考8）！当使用从批次测试数据的最大立方根（指数）方差（高达0.6）时，老化容差会变得更加差。此外，这在没有任何调整的电阻应力。无论您是使用规范还是以某种方式相信您可以依赖批次数据;您仍必须耐受其他不是0％的制造/测试公差。

因此，使用1％不合理，更不用说0.5％，对于MIL-PRF-55342电阻老化为70°C 10年的任务。

为了创建一个SCD，将EOL老化容差约为0.5％的10年84°C，您可以要求10k小时的测试限制为0.215％（指数= 0.3333，EA = 0.28EV）（参考8）。SOTA注意到为10,000小时的寿命测试要求提供电阻器是昂贵的并且具有长的交货时间（制造+ 14个月的试验时间）。大多数人正在基于1000或2000小时的生命测试数据（制造+ 1.5至3个月的测试提前期）进行此评估。

这篇文章最初发表于edn.．

Charles Hymowitz是AEI系统的董事长兼首席执行官。

Paul Ho是AEI系统的高级工程专家。

特别感谢来自SOTA的Brian Hill和来自Aerospace Corporation的Michael J Cozzolino的评论和指导。

参考

优化电子测试/分析比率，Charles Hymowitz，2月7日，2020年。
测试与分析;实现高可靠性的正确比率是多少？，Charles Hymowitz，PSMA网络研讨会，星期四，2月18日星期四，2021年。
Arrhenius方程式，sciencedirect.
ECSS-Q-TM-30-12A，寿命结束参数漂移- EEE组件，2010年10月，第46页
为什么你的1％电阻真的不是？电阻耐受性研究，史蒂夫桑勒，查尔斯希罗茨，太空电力2009，航空航天厂电力车间
寿命测试性能，电阻产品，艺术状态，Inc。，180502TN1206Life.pdf
主要的SOTA薄膜寿命测试数据文件用于180502TN1206LIFE_MACRO的编译加入pH 10khr.xlsm - 180502tn1206life_macro用另外的pH10khr.xlsm - 外推到10yrtol 70c全功率基于sota 10khour测试数据 - 其他生命测试数据文件包括一些有100k小时！
ECSS-Q-60-11A 2004年9月7日达到和生命结束参数漂移 - EEE组件
薄膜耐老化w可变根10000小时。Mathcad xmcd”文件,联络我如果你想要一份副本。
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