電子元件老化——電壓基準(zhǔn)中的長期漂移（LTD）

了解制造商如何表征和估計用于電子元件老化預(yù)測的電壓參考的長期漂移（LTD）。

雖然電壓參考的輸出在理想情況下應(yīng)該與溫度和時間無關(guān)，但現(xiàn)實世界的電壓參考可能會受到溫度和老化的影響。考慮到這一點，本文將討論制造商如何表征和估計電壓參考的LTD。為了更好地為本文做好準(zhǔn)備，閱讀之前的文章以了解石英晶體、電阻器和放大器的老化效應(yīng)可能很重要。

電壓基準(zhǔn)的老化效應(yīng)

總的來說，電壓基準(zhǔn)的輸出會隨時間而變化。通常，半導(dǎo)體材料的摻雜水平和封裝材料施加到電壓參考管芯的物理應(yīng)力會隨時間變化，導(dǎo)致電壓參考輸出中的LTD。電壓參考的LTD定義如下：

解釋：

Vout，t0是將設(shè)備焊接到PC板后的初始輸出電壓

Vout，tn是運行n小時后的輸出電壓

圖1顯示了從ADI公司的五個典型帶隙基準(zhǔn)樣品中收集的LTD數(shù)據(jù)。

LTD數(shù)據(jù)來自五個樣本。

圖1。LTD數(shù)據(jù)來自五個樣本。圖片由ADI公司提供

在這種情況下，測試在50°C的環(huán)境室內(nèi)進(jìn)行1000小時。請注意，LTD在數(shù)據(jù)表中被指定為典型值，零件之間的差異可能很大。

Arrhenius方程與電壓基準(zhǔn)老化預(yù)測

任何電子元件的真正老化只能通過在最終應(yīng)用的條件下在所需的壽命內(nèi)操作來測量，在某些應(yīng)用中，壽命可能長達(dá)10-25年。這是不切實際的。

對于一些電子元件，如電阻器和石英晶體，制造商使用加速老化過程，該過程涉及在比設(shè)備正常工作溫度高得多的溫度下檢查設(shè)備1000小時的時間。這些基于Arrhenius定律或方程的高溫加速老化測試可用于估算更長時間內(nèi)的器件漂移。

在電壓參考的情況下，高溫加速老化方法會導(dǎo)致對老化過程的錯誤樂觀預(yù)測。這就是為什么德州儀器（TI）、凌力爾特（Linear Technology）和Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司的一部分）等主要芯片制造商通常在參考電壓的標(biāo)稱工作溫度下測試器件老化，并避免使用基于Arrhenius方程的方法。

超出記錄測試時間的電子元件老化效應(yīng)

不同的芯片制造商可能會提供其電壓參考在不同測試持續(xù)時間內(nèi)的老化數(shù)據(jù)。例如，如圖2所示，TI提供了REF50xx在4000小時內(nèi)的長期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。

REF50xx的LTD數(shù)據(jù)。

圖2:REF50xx的LTD數(shù)據(jù)。圖片由TI提供

現(xiàn)在要問的問題是，我們?nèi)绾喂烙嫵鲆?guī)定測試時間的老化效應(yīng)？電壓基準(zhǔn)的老化效應(yīng)是時間的非線性函數(shù)，假設(shè)與電路工作時間的平方根成正比。具有1000小時的LTD值，任意操作時間t后的LTD可以用方程式1估算：

方程式1。

其中t以小時為單位。例如，假設(shè)REF50xx的1000小時LTD為25ppm，我們可以預(yù)期8000小時后LTD的典型值為70ppm。圖3將上述方程獲得的曲線與在35°C下收集的一年（8760小時）的REF50xx LTD數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

使用方程式1和REF50xx LTD數(shù)據(jù)的比較圖。

圖3。使用方程式1和REF50xx LTD數(shù)據(jù)的比較圖。圖片由TI提供

注意，在大約4000小時后，從方程中獲得的值大于從測量中獲得的典型值。方程式1是老化行為的簡單模型，僅給出了實際性能的估計。老化效應(yīng)是一個隨機(jī)過程，不同的電壓參考在穩(wěn)定到其最終LTD值時可能表現(xiàn)不同。方程式1允許我們估計設(shè)備在很長一段時間內(nèi)的性能；然而，我們應(yīng)該注意到，這個簡單的方程不能精確地模擬電壓基準(zhǔn)的復(fù)雜老化行為。

長期漂移：塑料與陶瓷封裝的電壓參考

電壓基準(zhǔn)的LTD性能受到包裝材料機(jī)械應(yīng)力的顯著影響。內(nèi)置于較大封裝中的相同電壓參考管芯可以提供較低的LTD。圖4顯示了將REF34管芯放置在相對較大的VSSOP封裝中如何優(yōu)于與SOT23封裝相同的設(shè)計。

圖4。圖片由TI提供

此外，陶瓷封裝中的電壓基準(zhǔn)通常比塑料型封裝具有更好的LTD性能。這一優(yōu)勢是因為陶瓷封裝使用不同的化合物和組裝技術(shù)，導(dǎo)致組裝后的彎曲程度遠(yuǎn)低于塑料封裝。圖5和圖6分別展示了內(nèi)置于塑料封裝中的MAX6070和陶瓷封裝中的MAX6079的LTD曲線。

圖5。MAX6070在塑料包裝中的LTD曲線。圖片由Maxim Integrated提供。

陶瓷封裝中MAX6079的LTD曲線。

圖6。陶瓷封裝中MAX6079的LTD曲線。圖片由Maxim Integrated提供。

如您所見，陶瓷封裝的電壓基準(zhǔn)提供了比塑料封裝設(shè)備更好的長期穩(wěn)定性。

LTD測試條件——電壓參考敏感度

LTD的特征在于在受控環(huán)境中老化被測設(shè)備的樣本群體。由于電壓基準(zhǔn)易受濕度和溫度變化的影響，因此應(yīng)在恒溫恒濕的環(huán)境室內(nèi)進(jìn)行測試，例如在25°C、40%相對濕度下。圖7顯示了塑料封裝電壓基準(zhǔn)的輸出如何隨著濕度變化而緩慢變化。

顯示塑料封裝電壓基準(zhǔn)輸出隨濕度變化的圖表。

圖7。顯示塑料封裝電壓基準(zhǔn)輸出隨濕度變化的圖表。圖片由Maxim Integrated提供

因此，使用濕度控制的環(huán)境室非常重要。在測試過程中，零件不間斷運行，并定期測量其輸出。測試設(shè)置應(yīng)由不間斷電源（UPS）支持，以確保在發(fā)生電源故障時設(shè)備不會重置。通常提供至少1000小時的老化數(shù)據(jù)；然而，由于電壓基準(zhǔn)在工業(yè)廠房儀表中的關(guān)鍵作用，鼓勵制造商進(jìn)行超過1000小時的測試時間，以確保準(zhǔn)確、可靠的運行。下圖顯示了在3500小時內(nèi)收集的MAX6126 LTD數(shù)據(jù)。

MAX6126的LTD數(shù)據(jù)超過3500小時。

圖8。MAX6126的LTD數(shù)據(jù)超過3500小時。圖片由Maxim Integrated提供

如何減少長期漂移效應(yīng)？

盡管基于Arrhenius方程的方法未用于電壓基準(zhǔn)的老化預(yù)測，但在高溫下，電壓基準(zhǔn)的衰老仍然會加速。這就是為什么在通電狀態(tài)下燃燒零件可以在較短的時間內(nèi)穩(wěn)定設(shè)備，從而在最終應(yīng)用中具有最小的變化。典型的老化程序可能會使電路板在125°C下運行168小時，或在85°C下工作約400小時。

如果主要關(guān)注的是應(yīng)力釋放，也可以使用無動力老化循環(huán)。為了減少LTD效應(yīng)，還建議盡可能晚地進(jìn)行初始系統(tǒng)校準(zhǔn)，以消除初始校準(zhǔn)過程中因老化而產(chǎn)生的早期變化。