电子元件老化——电压基准中的长期漂移（LTD）

作者：时间：2024-08-07 来源：EEPW编译

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了解制造商如何表征和估计用于电子元件老化预测的电压参考的长期漂移（LTD）。

本文引用地址：//www.cghlg.com/article/202408/461750.htm

虽然电压参考的输出在理想情况下应该与温度和时间无关，但现实世界的电压参考可能会受到温度和老化的影响。考虑到这一点，本文将讨论制造商如何表征和估计电压参考的LTD。为了更好地为本文做好准备，阅读之前的文章以了解石英晶体、电阻器和放大器的老化效应可能很重要。

电压基准的老化效应

总的来说，电压基准的输出会随时间而变化。通常，半导体材料的掺杂水平和封装材料施加到电压参考管芯的物理应力会随时间变化，导致电压参考输出中的LTD。电压参考的LTD定义如下：

解释：

Vout，t0是将设备焊接到PC板后的初始输出电压

Vout，tn是运行n小时后的输出电压

图1显示了从ADI公司的五个典型带隙基准样品中收集的LTD数据。

LTD数据来自五个样本。

图1。LTD数据来自五个样本。图片由ADI公司提供

在这种情况下，测试在50°C的环境室内进行1000小时。请注意，LTD在数据表中被指定为典型值，零件之间的差异可能很大。

Arrhenius方程与电压基准老化预测

任何电子元件的真正老化只能通过在最终应用的条件下在所需的寿命内操作来测量，在某些应用中，寿命可能长达10-25年。这是不切实际的。

对于一些电子元件，如电阻器和石英晶体，制造商使用加速老化过程，该过程涉及在比设备正常工作温度高得多的温度下检查设备1000小时的时间。这些基于Arrhenius定律或方程的高温加速老化测试可用于估算更长时间内的器件漂移。

在电压参考的情况下，高温加速老化方法会导致对老化过程的错误乐观预测。这就是为什么德州仪器（TI）、凌力尔特（Linear Technology）和Maxim Integrated（现为ADI公司的一部分）等主要芯片制造商通常在参考电压的标称工作温度下测试器件老化，并避免使用基于Arrhenius方程的方法。

超出记录测试时间的电子元件老化效应

不同的芯片制造商可能会提供其电压参考在不同测试持续时间内的老化数据。例如，如图2所示，TI提供了REF50xx在4000小时内的长期稳定性数据。

REF50xx的LTD数据。

图2:REF50xx的LTD数据。图片由TI提供

现在要问的问题是，我们如何估计超出规定测试时间的老化效应？电压基准的老化效应是时间的非线性函数，假设与电路工作时间的平方根成正比。具有1000小时的LTD值，任意操作时间t后的LTD可以用方程式1估算：

方程式1。

其中t以小时为单位。例如，假设REF50xx的1000小时LTD为25ppm，我们可以预期8000小时后LTD的典型值为70ppm。图3将上述方程获得的曲线与在35°C下收集的一年（8760小时）的REF50xx LTD数据进行了比较。

使用方程式1和REF50xx LTD数据的比较图。

图3。使用方程式1和REF50xx LTD数据的比较图。图片由TI提供

注意，在大约4000小时后，从方程中获得的值大于从测量中获得的典型值。方程式1是老化行为的简单模型，仅给出了实际性能的估计。老化效应是一个随机过程，不同的电压参考在稳定到其最终LTD值时可能表现不同。方程式1允许我们估计设备在很长一段时间内的性能；然而，我们应该注意到，这个简单的方程不能精确地模拟电压基准的复杂老化行为。

长期漂移：塑料与陶瓷封装的电压参考

电压基准的LTD性能受到包装材料机械应力的显著影响。内置于较大封装中的相同电压参考管芯可以提供较低的LTD。图4显示了将REF34管芯放置在相对较大的VSSOP封装中如何优于与SOT23封装相同的设计。

图4。图片由TI提供

此外，陶瓷封装中的电压基准通常比塑料型封装具有更好的LTD性能。这一优势是因为陶瓷封装使用不同的化合物和组装技术，导致组装后的弯曲程度远低于塑料封装。图5和图6分别展示了内置于塑料封装中的MAX6070和陶瓷封装中的MAX6079的LTD曲线。

图5。MAX6070在塑料包装中的LTD曲线。图片由Maxim Integrated提供。

陶瓷封装中MAX6079的LTD曲线。

图6。陶瓷封装中MAX6079的LTD曲线。图片由Maxim Integrated提供。

如您所见，陶瓷封装的电压基准提供了比塑料封装设备更好的长期稳定性。

LTD测试条件——电压参考敏感度

LTD的特征在于在受控环境中老化被测设备的样本群体。由于电压基准易受湿度和温度变化的影响，因此应在恒温恒湿的环境室内进行测试，例如在25°C、40%相对湿度下。图7显示了塑料封装电压基准的输出如何随着湿度变化而缓慢变化。

显示塑料封装电压基准输出随湿度变化的图表。

图7。显示塑料封装电压基准输出随湿度变化的图表。图片由Maxim Integrated提供

因此，使用湿度控制的环境室非常重要。在测试过程中，零件不间断运行，并定期测量其输出。测试设置应由不间断电源（UPS）支持，以确保在发生电源故障时设备不会重置。通常提供至少1000小时的老化数据；然而，由于电压基准在工业厂房仪表中的关键作用，鼓励制造商进行超过1000小时的测试时间，以确保准确、可靠的运行。下图显示了在3500小时内收集的MAX6126 LTD数据。

MAX6126的LTD数据超过3500小时。