Die Langzeitstabilität von Präzisionsverstärkern – Oder: Wie man sicher stellt, dass ICs würdevoll altern und keinen plötzlichen Tod sterben

Die Lebensdauer vieler Produkte beträgt 20 Jahre. Wie gut wird ihre Kalibrierung während dieser Zeit durchhalten?

Eigentlich recht gut. Vorausgesetzt Sie schützen Ihr Produkt vor Missbrauch.

Mein englischer Kollege mag gute Einzeiler recht gerne. Wenn er also gefragt wurde, wie Präzisions-Analog-ICs altern, antwortete er meistens „würdevoll“ oder „365 Tage im Jahr“. Obwohl diese Antworten richtig sind, sind sie nicht immer sehr hilfreich.

Präzisions-Analog-ICs sind sehr stabile Bauteile. Im Gegensatz zu Wein werden Präzisions-Analog-ICs mit zunehmendem Alter aber nicht wirklich besser. Stattdessen weisen sie normalerweise altersbedingte Änderungen von etwa 1 ppm/1.000 h auf (der genaue Wert steht eventuell im Datenblatt). Es ist wichtig zu wissen, dass sich dieser Alterungsprozess nicht einfach summiert, sondern vergleichbar mit dem Gang eines Betrunkenen ist. Falls Sie an der Mathematik interessiert sind, mit der sich der Weg eines Betrunkenen beschreiben lässt, sollten Sie die Referenz [1] lesen. Im Wesentlichen verläuft jeder seiner nächsten Schritte jedoch in einer zufälligen oder wahlfreien Richtung. Für den eindimensionalen Gang eines Betrunkenen bedeutet dies, dass die Entfernung vom Ursprung etwa proportional der Quadratwurzel der Anzahl der Schritte ist.

Übertragen auf ein Bauteil heißt dies, dass, wenn ein Bauteil mit 1 ppm/1.000 h altert, es mit √2 ppm/2.000 h altert usw. Da das Jahr 8.766 Stunden hat (durchschnittlich; 8.760 in einem normalen und 8.784 in einem Schaltjahr) ist 1 ppm/1.000 h = 2,96 ppm/Jahr = 9,36 ppm/Dekade und 13,24 ppm/2 Dekaden.

Diese Werte gelten weitgehend unabhängig davon, ob ein Bauteil im Dauerbetrieb arbeitet, gelagert wird oder vernünftigen Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist. Da dies ein statistischer Prozess ist, sind die Abweichungen zwischen Bauteilen genau so groß wie der Effekt selber. Hohe Temperaturen beschleunigen den Prozess, jedoch nicht sehr extrem. Und die Charakteristika ändern sich bei verschiedenen Prozessen.

Sofern Ihre Schaltung den Großteil ihrer Zeit bei Temperaturen unter 100 °C verbringt, kann eine Alterung entsprechend den Werten im Datenblatt veranschlagt werden.

Allerdings gibt es einen anderen Effekt, der bei Bauteilen plötzliche Änderungen der Genauigkeit hervorruft und auch den darauf folgenden Alterungsprozess beschleunigen kann: Elektrostatische Entladung (ESD). Meist wird angenommen, dass ESD den plötzlichen Tod für einen IC bedeutet. Dies stimmt auch oft. Eine elektrostatische Entladung kann jedoch kleine Schäden verursachen, die das Bauteil nicht zerstören, sich aber auf seine Leistungsfähigkeit auswirken (und zu einem späteren Zeitpunkt zum plötzlichen Ausfall führen können). Eine solche Beschädigung ist oft einmalig, kann sich aber addieren. Einmal hatten wir einen Kunden aus Finnland, der sich beschwerte, dass einer unserer Operationsverstärker im Laufe der Jahre immer stärker rauschte. Genauere Untersuchungen ergaben, dass über die Jahre in den Sommermonaten nicht viel passierte. In den Wintermonaten jedoch begünstigte die trockene Luft des finnischen Winters die Entstehung statischer Elektrizität.

Fazit: Soll ein IC würdevoll altern, ist ein angemessener ESD-Schutz notwendig.

[1]  http://de.wikipedia.org/wiki/Zufallsbewegung
Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices

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