電子元件老化——電壓基準中的長(cháng)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測的電壓參考的長(cháng)期漂移（LTD）。

雖然電壓參考的輸出在理想情況下應該與溫度和時(shí)間無(wú)關(guān)，但現實(shí)世界的電壓參考可能會(huì )受到溫度和老化的影響?？紤]到這一點(diǎn)，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可能很重要。

電壓基準的老化效應

總的來(lái)說(shuō)，電壓基準的輸出會(huì )隨時(shí)間而變化。通常，半導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力會(huì )隨時(shí)間變化，導致電壓參考輸出中的LTD。電壓參考的LTD定義如下：

解釋：

Vout，t0是將設備焊接到PC板后的初始輸出電壓

Vout，tn是運行n小時(shí)后的輸出電壓

圖1顯示了從ADI公司的五個(gè)典型帶隙基準樣品中收集的LTD數據。

LTD數據來(lái)自五個(gè)樣本。

圖1。LTD數據來(lái)自五個(gè)樣本。圖片由ADI公司提供

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

Arrhenius方程與電壓基準老化預測

任何電子元件的真正老化只能通過(guò)在最終應用的條件下在所需的壽命內操作來(lái)測量，在某些應用中，壽命可能長(cháng)達10-25年。這是不切實(shí)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(guò)程，該過(guò)程涉及在比設備正常工作溫度高得多的溫度下檢查設備1000小時(shí)的時(shí)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(cháng)時(shí)間內的器件漂移。

在電壓參考的情況下，高溫加速老化方法會(huì )導致對老化過(guò)程的錯誤樂(lè )觀(guān)預測。這就是為什么德州儀器（TI）、凌力爾特（Linear Technology）和Maxim Integrated（現為ADI公司的一部分）等主要芯片制造商通常在參考電壓的標稱(chēng)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(shí)間的電子元件老化效應

不同的芯片制造商可能會(huì )提供其電壓參考在不同測試持續時(shí)間內的老化數據。例如，如圖2所示，TI提供了REF50xx在4000小時(shí)內的長(cháng)期穩定性數據。

REF50xx的LTD數據。

圖2:REF50xx的LTD數據。圖片由TI提供

現在要問(wèn)的問(wèn)題是，我們如何估計超出規定測試時(shí)間的老化效應？電壓基準的老化效應是時(shí)間的非線(xiàn)性函數，假設與電路工作時(shí)間的平方根成正比。具有1000小時(shí)的LTD值，任意操作時(shí)間t后的LTD可以用方程式1估算：

方程式1。

其中t以小時(shí)為單位。例如，假設REF50xx的1000小時(shí)LTD為25ppm，我們可以預期8000小時(shí)后LTD的典型值為70ppm。圖3將上述方程獲得的曲線(xiàn)與在35°C下收集的一年（8760小時(shí)）的REF50xx LTD數據進(jìn)行了比較。

使用方程式1和REF50xx LTD數據的比較圖。

圖3。使用方程式1和REF50xx LTD數據的比較圖。圖片由TI提供

注意，在大約4000小時(shí)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(jiǎn)單模型，僅給出了實(shí)際性能的估計。老化效應是一個(gè)隨機過(guò)程，不同的電壓參考在穩定到其最終LTD值時(shí)可能表現不同。方程式1允許我們估計設備在很長(cháng)一段時(shí)間內的性能；然而，我們應該注意到，這個(gè)簡(jiǎn)單的方程不能精確地模擬電壓基準的復雜老化行為。

長(cháng)期漂移：塑料與陶瓷封裝的電壓參考

電壓基準的LTD性能受到包裝材料機械應力的顯著(zhù)影響。內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封裝相同的設計。

圖4。圖片由TI提供

此外，陶瓷封裝中的電壓基準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)，導致組裝后的彎曲程度遠低于塑料封裝。圖5和圖6分別展示了內置于塑料封裝中的MAX6070和陶瓷封裝中的MAX6079的LTD曲線(xiàn)。

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

陶瓷封裝中MAX6079的LTD曲線(xiàn)。

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

如您所見(jiàn)，陶瓷封裝的電壓基準提供了比塑料封裝設備更好的長(cháng)期穩定性。

LTD測試條件——電壓參考敏感度

LTD的特征在于在受控環(huán)境中老化被測設備的樣本群體。由于電壓基準易受濕度和溫度變化的影響，因此應在恒溫恒濕的環(huán)境室內進(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的輸出如何隨著(zhù)濕度變化而緩慢變化。

顯示塑料封裝電壓基準輸出隨濕度變化的圖表。

圖7。顯示塑料封裝電壓基準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(guò)程中，零件不間斷運行，并定期測量其輸出。測試設置應由不間斷電源（UPS）支持，以確保在發(fā)生電源故障時(shí)設備不會(huì )重置。通常提供至少1000小時(shí)的老化數據；然而，由于電壓基準在工業(yè)廠(chǎng)房?jì)x表中的關(guān)鍵作用，鼓勵制造商進(jìn)行超過(guò)1000小時(shí)的測試時(shí)間，以確保準確、可靠的運行。下圖顯示了在3500小時(shí)內收集的MAX6126 LTD數據。

MAX6126的LTD數據超過(guò)3500小時(shí)。

圖8。MAX6126的LTD數據超過(guò)3500小時(shí)。圖片由Maxim Integrated提供

如何減少長(cháng)期漂移效應？

盡管基于Arrhenius方程的方法未用于電壓基準的老化預測，但在高溫下，電壓基準的衰老仍然會(huì )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(shí)間內穩定設備，從而在最終應用中具有最小的變化。典型的老化程序可能會(huì )使電路板在125°C下運行168小時(shí)，或在85°C下工作約400小時(shí)。

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