Envelhecimento de Componentes Eletrônicos - os Efeitos de Envelhecimento de Resistores e Op

Anteriormente, discutimos o método de envelhecimento acelerado em alta temperatura para avaliar a estabilidade a longo prazo dos componentes eletrônicos usando durações de teste relativamente mais curtas.

Neste artigo, continuaremos esta discussão e daremos uma olhada no comportamento de envelhecimento de resistores e amplificadores.

Para começar, vamos lembrar que o valor de um resistor muda com o tempo. Em muitos circuitos, apenas um nível bruto de precisão é necessário e o envelhecimento do resistor pode não ser um problema sério. No entanto, certas aplicações de precisão requerem resistores com um desvio de longo prazo tão baixo quanto algumas partes por milhão durante a vida útil especificada. Portanto, é importante desenvolver modelos de previsão de envelhecimento com precisão suficiente para garantir que os resistores de precisão empregados mantenham a precisão especificada durante toda a vida útil do sistema. Uma empresa, Vishay, sugere usar a seguinte equação (Equação 1) para calcular a variação de longo prazo de um resistor de filme fino:

$$\frac{\Delta R}{R}(t,\theta_{j}) = 2^{\frac{\theta_{j}-\theta_{0}}{30\,K}}\,\ vezes \sqrt[3]{\frac{t}{t_{0}}}\times\,\frac{\Delta R}{R}(t_{0},\theta_{0})$$

Onde:

$$\frac{\Delta R}{R}(t_{0},\theta_{0})$$

É o desvio de referência do resistor no tempo de referência $$t_{0}$$ e na temperatura $$\theta_{0}$$.

Enquanto:

$$\frac{\Delta R}{R}(t,\theta_{j})$$

É o valor do desvio após o tempo de operação desejado do resistor, t, na temperatura $$\theta_{j}$$.

A Equação 1 mostra que aumentar a temperatura de operação do resistor em 30 °K aumenta seu desvio de longo prazo por um fator de 2. Além disso, o desvio aumenta com a raiz cúbica do tempo de operação. Por exemplo, se o desvio de 1000 horas do resistor a 125 °C for menor que 0,25%, o resistor sofrerá desvios após 8000 horas de operação na mesma temperatura $$(\theta_{j}=\theta_{0})$ $ é estimado por:

$$\frac{\Delta R}{R}(t= 8000\,h) = \sqrt[3]{\frac{8000}{1000}} \times\frac{\Delta R}{R}(t =1000\,h)\leq 2\vezes 0,25\% = 0,5\%$$

Na Equação 1, o termo que leva em consideração a dependência da temperatura é derivado da lei de velocidade de Arrhenius, que também é repetida abaixo como a Equação 2:

$$Processo \text{ } Rate\text{ }(PR) = Ae^{-\frac{E_a}{K_BT}}$$

Esta equação especifica como a velocidade de uma reação muda com a temperatura em Kelvin (T). De acordo com Vishay, o processo de envelhecimento dos resistores de filme fino e de folha obedece à equação de Arrhenius. A Figura 1 mostra os dados de envelhecimento de resistores de folha idênticos em diferentes temperaturas.

Nesta figura, o logaritmo natural do desvio padrão da distribuição de deriva dos resistores (Ln(DSD)) é plotado contra $$\frac{1000}{T}$$.

Observe que uma linha reta pode ser ajustada a esses pontos de dados. Isso é consistente com a equação de Arrhenius, que pode ser expressa como:

$$Ln(PR)=Ln(A)-\frac{E_a}{k_B}\vezes \frac{1}{T}$$

Esta equação mostra que o gráfico de Ln(PR)versus $$\frac{1}{T}$$ é uma linha reta quando uma reação obedece à equação de Arrhenius.

Como essa relação é válida para os pontos de dados da Figura 1, podemos concluir que o processo de envelhecimento desses resistores obedece à lei de Arrhenius.

Com base na Equação 1, manter o resistor em uma temperatura mais baixa pode reduzir seu desvio com o tempo. A questão que resta é: como podemos manter o resistor mais frio?

Os termos θ na Equação 1 referem-se à temperatura do resistor em vez da temperatura ambiente. A temperatura do resistor (θ Resistor) pode ser estimada pela seguinte equação:

$$\theta_{Resistor}=\theta_{A}+P\vezes R_{th}$$

Onde:

Esta equação mostra que, além da temperatura ambiente, o calor dissipado no resistor e o valor da resistência térmica podem afetar a temperatura do resistor. Para que o resistor fique mais frio, podemos limitar a potência dissipada no resistor, se possível. Além disso, alterar as características da placa do circuito impresso, como a densidade de traços e o número de planos de alimentação/terra, pode alterar o valor da resistência térmica efetiva do sistema. Essa mudança ocorre porque a placa atua como um dissipador de calor soldado ao resistor. Um dissipador de calor mais eficiente pode melhorar a transferência de calor e manter os componentes do circuito, incluindo os resistores de precisão, mais frios.