了解您的安全應(yīng)用說明（第1部分）：故障率

故障率或基本故障率是指每單位時間的故障數(shù)，通常以時間故障 （FIT） 表示，相當(dāng)于產(chǎn)品在其使用壽命內(nèi)預(yù)計會發(fā)生一次故障。圖 1 顯示了電子元件故障的可靠性浴盆曲線模型，可分為三個部分：早期壽命或嬰兒死亡率故障、使用壽命或恒定（隨機）故障以及磨損故障。因此，本文重點介紹組件使用壽命內(nèi)的故障率。

1. 所示為可靠性浴盆曲線。1

了解電子系統(tǒng)中組件的故障率對于進行可靠性預(yù)測以評估整體系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。可靠性預(yù)測包括指定可靠性模型、要假設(shè)的故障模式、診斷區(qū)間和診斷覆蓋率。這些預(yù)測可作為可靠性建模技術(shù)的輸入，例如故障模式和影響分析 （FMEA）、可靠性框圖 （RBD）、故障樹分析 （FTA） 等2,3。

根據(jù)功能安全，基本功能安全標(biāo)準(zhǔn) IEC 61508 的第二部分需要根據(jù)安全完整性等級 （SIL） 目標(biāo)預(yù)測與安全相關(guān)系統(tǒng)的隨機硬件故障相關(guān)的定量可靠性。3 它規(guī)定了安全相關(guān)系統(tǒng) （SRS） 的硬件方面的要求。表中顯示了與 SRS 發(fā)生危險故障概率相關(guān)的此類 SIL 目標(biāo)。

如何開始預(yù)測系統(tǒng)的可靠性

存在多個數(shù)據(jù)庫來提供系統(tǒng)集成商在設(shè)計系統(tǒng)時可以使用的故障率。電子和非電子元件的故障率數(shù)據(jù)可用來源包括 IEC 技術(shù)報告 62380：2004、西門子標(biāo)準(zhǔn) SN 29500、ADI 元件平均故障時間 （MTTF） 數(shù)據(jù)、現(xiàn)場返回和專家判斷。4

ADI 元件 MTTF 數(shù)據(jù)可以在 analog.com 的 Reliability 部分下找到?？煽啃詳?shù)據(jù)和資源下是晶圓制造數(shù)據(jù)、組裝/封裝工藝數(shù)據(jù)、Arrhenius/FIT 率計算器、百萬分之幾計算器和可靠性手冊。圖 2 顯示了每個 resource subsection 包含的內(nèi)容。

2. Analog Devices 的可靠性數(shù)據(jù)和資源。

為了幫助理解前三個引用的半導(dǎo)體故障率數(shù)據(jù)源（ADI 元件 MTTF 數(shù)據(jù)，側(cè)重于 Arrhenius 高溫工作壽命 （HTOL）、西門子標(biāo)準(zhǔn) SN 29500 和 IEC TR 62380：2004）之間的差異，以下部分將提供有關(guān)每種方法和相關(guān)數(shù)據(jù)庫的一些見解。5,6

什么是 Arrhenius HTOL？

HTOL 是 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)中定義的最常用的加速壽命測試之一，用于估計組件故障率。HTOL 測試旨在模擬設(shè)備在高溫下的運行，以提供足夠的加速度來模擬在環(huán)境溫度（通常為 55°C）下多年的運行。 因此，HTOL 估計半導(dǎo)體元件（例如 MTTF）在加速應(yīng)力條件下的長期可靠性，該條件下壓縮了模擬元件壽命的時間，同時加熱元件并保持其工作電壓。

深入研究可靠性計算的細(xì)節(jié)，通過使用活化能為 0.7 eV 的 Arrhenius 方程，將 HTOL 加速測試條件（125°C 或同等溫度下 1,000 小時）下生成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為最終用戶工作條件下的壽命（55°C 下 10 年）。卡方統(tǒng)計分布用于根據(jù) HTOL 測試的單位數(shù)計算失敗率數(shù)據(jù)的置信區(qū)間（60% 和 90%）。

哪里：

• x2 是逆卡方分布，其值取決于失敗次數(shù)和置信區(qū)間

• N 是 HTOL 測試的單位數(shù)量

• H 是 HTOL 測試的持續(xù)時間

• at 是根據(jù) Arrhenius 方程計算的從測試到使用條件的加速因子

晶圓制造數(shù)據(jù)是 analog.com 提供的可靠性數(shù)據(jù)和資源之一。單擊它將提供包含產(chǎn)品的整體壽命測試數(shù)據(jù)摘要的數(shù)據(jù)。這包括總體樣本量、不合格數(shù)量、55°C 下的等效設(shè)備小時數(shù)、FIT 值（基于 HTOL 數(shù)據(jù)）以及 60% 和 90% 置信水平下的 MTTF 數(shù)據(jù)。圖 3 顯示了一個示例。

3. analog.com 中的 Wafer manufacturing data（晶圓制造數(shù)據(jù)）選項卡

功能安全通常需要 70% 的置信度，因此可以保守地使用 90% 的水平?；蛘撸梢允褂谩叭绾胃?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/可靠性預(yù)測">可靠性預(yù)測的置信度”中所示的過程進行轉(zhuǎn)換。5

什么是西門子 Norm 29500？

SN 29500 標(biāo)準(zhǔn)是由西門子發(fā)起的基于查找表的標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛用作 ISO 13849 中可靠性預(yù)測的基礎(chǔ)。這樣，可靠性預(yù)測是通過故障率來計算的，其中故障率定義為在給定環(huán)境和功能運行條件下，在某個時間間隔內(nèi)平均可以預(yù)期的故障比例。該標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是確定組件故障率的保守方法。

每個器件類別的參考 FIT 值基本上是根據(jù)特定組件類的字段返回確定的。因此，它們將包括應(yīng)用程序中看到的任何類型的失效類型，而不僅僅是由上一節(jié)所示的 HTOL 方法引起的固有失效。這包括由于電氣過應(yīng)力 （EOS） 引起的故障，在 HTOL 測試中使用的受控實驗室環(huán)境中不會發(fā)生故障。5-8

公式 2 顯示了 SN 29500-2 如何推導(dǎo)出集成電路的故障率。首先，它提供了一個參考故障率，該故障率對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)定義的參考條件下的組件故障率。由于參考條件并不總是相同的，因此該標(biāo)準(zhǔn)還提供了轉(zhuǎn)換模型，以根據(jù)應(yīng)力作條件（如電壓、溫度和漂移敏感性）計算故障率，如公式 2 所示。

哪里：

• λref 是參考條件下的故障率，隨晶體管數(shù)量的變化而變化

• πU 是電壓依賴性系數(shù)

• πT 是溫度依賴因子

• πD 是漂移敏感因子

根據(jù) IC 的性質(zhì)，公式 2 可能會有所不同。例如，當(dāng)它是具有擴展工作電壓范圍的模擬 IC 時，可以使用公式 2。對于具有固定工作電壓的所有其他模擬 IC，電壓依賴性系數(shù)將設(shè)置為 1。對于數(shù)字 CMOS-B 系列，漂移敏感度系數(shù)將設(shè)置為 1。最后，對于所有其他 IC，電壓依賴性和漂移敏感度系數(shù)都將設(shè)置為 1。

請注意，IEC 617099 標(biāo)準(zhǔn)提供了有關(guān)如何將可靠性預(yù)測從一組條件轉(zhuǎn)換為另一組條件的信息，這似乎是 SN 29500 背后的理論。

什么是 IEC 技術(shù)報告 62380：2004？

IEC 62380 是另一種常用的估計 IC 故障率的標(biāo)準(zhǔn)。它于 2004 年發(fā)布，隨后被 IEC 61709 取代。盡管如此，IEC 62380 標(biāo)準(zhǔn)仍被用作汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn) ISO 26262：2018 的參考;在第 11 部分中，它仍然作為電子元件可靠性預(yù)測的模型提供。該標(biāo)準(zhǔn)將 IC 的故障率計算為裸片、封裝和 EOS 的總和。根據(jù) IEC TR 62380 和 ISO 26262-11：2018 的 FIT 計算表達(dá)式如公式 3 所示。10-12

哪里：

• λdie 是芯片故障率，包含與晶體管數(shù)量、IC 系列和所用技術(shù)以及任務(wù)配置文件數(shù)據(jù)（如溫度、工作時間和年循環(huán)影響因子）相關(guān)的參數(shù)

• λ封裝是封裝故障率，包含與熱因數(shù)、熱膨脹、任務(wù)配置文件的循環(huán)溫度因數(shù)和 IC 封裝相關(guān)的參數(shù)

• λoverstress 是過應(yīng)力失效率，對于不同的外部接口有相應(yīng)的術(shù)語

ADI 安全應(yīng)用筆記中的故障率

除了可以在 analog.com 上找到的可靠性數(shù)據(jù)外，ADI 公司 （ADI） 元件的可靠性預(yù)測也可以在 IC 的安全應(yīng)用說明中找到，當(dāng) IC 標(biāo)記為支持 FS 時，通?？梢垣@得該說明。例如，LTC2933 的安全應(yīng)用說明顯示了從 HTOL、SN 29500 和 IEC 62380 可靠性預(yù)測方法得出的零件的 FIT 值。這可以在圖 4、 5 和 6 中看到。

4. 根據(jù) LTC2933 安全應(yīng)用說明，基于 Arrhenius HTOL 的 FIT。ADI 公司5. FIT 基于 SN 29500，符合 LTC2933 安全應(yīng)用說明。6. FIT 基于 IEC 62380，符合 LTC2933 安全應(yīng)用說明。

圖中所示的表格顯示了 FIT 值以及考慮的條件。如果系統(tǒng)集成商有不同的條件，他們可以使用表格下的可用信息自行計算 FIT。

結(jié)論

本文概述了集成電路的三種最常見的可靠性預(yù)測技術(shù)，即 Arrhenius HTOL、SN 29500 和 IEC 62380。基于 Arrhenius 公式的計算利用 HTOL 測試的數(shù)據(jù)提供了 FIT 中的失敗率。SN 29500 提供參考故障率以及轉(zhuǎn)換模型，以考慮不同的應(yīng)力作條件。IEC 62380 規(guī)定電子元件的故障率為芯片故障率、封裝故障率和過應(yīng)力故障率的總和。

對于 ADI，元件的故障率可以在 analog.com 或元件的安全應(yīng)用說明中找到。安全應(yīng)用說明的優(yōu)勢在于，它根據(jù)所討論的三種方法提供了組件的可靠性預(yù)測。最重要的是，還提供了計算此類 FIT 值所需的信息，以便系統(tǒng)集成商可以在具有不同的工作條件時自行重新進行計算。