摘要

在依據(jù)工業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合規(guī)評(píng)估時(shí)，對(duì)安全相關(guān)系統(tǒng)的元器件可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)至關(guān)重要。預(yù)測(cè)結(jié)果通常以“給定時(shí)間內(nèi)的失效次數(shù)”(FIT)表示，F(xiàn)IT是安全性分析的重要依據(jù)，用于評(píng)估系統(tǒng)是否達(dá)到目標(biāo)安全完整性等級(jí)。業(yè)界有多個(gè)元器件失效率數(shù)據(jù)庫(kù)，可供系統(tǒng)集成商參考使用。本文討論了預(yù)測(cè)集成電路(IC)失效率的三種常用技術(shù)，并介紹了ADI公司的安全應(yīng)用筆記如何提供此類(lèi)失效率信息。

為什么需要可靠性預(yù)測(cè)？

失效率或基本失效率是指產(chǎn)品在有效壽命期內(nèi)單位時(shí)間的預(yù)期失效頻次，通常以FIT（十億小時(shí)內(nèi)發(fā)生一次失效）為單位。圖1顯示了電子元器件失效的可靠性浴盆曲線(xiàn)模型，可分為三個(gè)階段：早期失效階段、有效壽命或穩(wěn)定工作期間隨機(jī)失效階段、磨損老化失效階段。本文重點(diǎn)關(guān)注元器件有效壽命期內(nèi)的失效率。

圖1.可靠性浴盆曲線(xiàn)1

了解電子系統(tǒng)中元器件的失效率對(duì)于開(kāi)展可靠性預(yù)測(cè)以評(píng)估系統(tǒng)整體的可靠性至關(guān)重要。進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)時(shí)，需要明確可靠性模型、失效模式假設(shè)、診斷間隔和診斷覆蓋率。預(yù)測(cè)結(jié)果將作為輸入信息，應(yīng)用于失效模式和影響分析(FMEA)、可靠性框圖(RBD)、失效樹(shù)分析(FTA)等可靠性建模方法。2,3

根據(jù)功能安全的要求，為了實(shí)現(xiàn)安全完整性等級(jí)(SIL)目標(biāo)，需要對(duì)安全相關(guān)系統(tǒng)的隨機(jī)硬件失效進(jìn)行定量可靠性預(yù)測(cè)。這一需求源自基礎(chǔ)功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508的第二部分，其中規(guī)定了安全相關(guān)系統(tǒng)(SRS)在硬件方面的具體要求。表1顯示了SIL目標(biāo)與SRS危險(xiǎn)失效概率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1.安全完整性等級(jí)要求與危險(xiǎn)失效概率的對(duì)應(yīng)關(guān)系2,3

注：當(dāng)需求率為每年一次時(shí)，PFD指標(biāo)和PFH指標(biāo)等效。

此外，這些失效率針對(duì)的是安全功能整體，而具體到單個(gè)集成電路(IC)，其分配到的失效率限值僅為總指標(biāo)的很小一部分，例如1%。

如何預(yù)測(cè)系統(tǒng)可靠性

業(yè)界有多個(gè)失效率數(shù)據(jù)庫(kù)，可供系統(tǒng)集成商在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)參考使用。電子和非電子元器件的失效率數(shù)據(jù)來(lái)源包括：《IEC技術(shù)報(bào)告62380: 2004》、西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)SN 29500、ADI元器件平均無(wú)失效時(shí)間(MTTF)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)退貨情況和專(zhuān)家判斷。4

ADI元器件的MTTF數(shù)據(jù)可在analog.com上的可靠性部分中找到。在“可靠性數(shù)據(jù)和資源”下方有晶圓制造數(shù)據(jù)、組裝/封裝工藝數(shù)據(jù)、Arrhenius/FIT率計(jì)算器、百萬(wàn)分率計(jì)算器和可靠性手冊(cè)。圖2顯示了每個(gè)資源子部分包含的內(nèi)容。

圖2.ADI可靠性數(shù)據(jù)和資源

為了幫助讀者理解前述三個(gè)半導(dǎo)體失效率數(shù)據(jù)來(lái)源（側(cè)重于Arrhenius高溫工作壽命(HTOL)的ADI元器件MTTF數(shù)據(jù)、西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)SN 29500和IEC TR 62380:2004）之間的區(qū)別，接下來(lái)的章節(jié)將解析每種方法和相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)。5,6

什么是Arrhenius HTOL？

HTOL是JEDEC標(biāo)準(zhǔn)中定義的常用加速壽命測(cè)試之一，用于評(píng)估元器件失效率。HTOL測(cè)試旨在讓器件在高溫下運(yùn)行，以加速其老化進(jìn)程，從而等效地模擬其在常溫（如55°C）下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的效果。因此，HTOL是一種在加速應(yīng)力條件下評(píng)估半導(dǎo)體元器件長(zhǎng)期可靠性的方法，比如評(píng)估元器件的平均無(wú)失效時(shí)間(MTTF)。這種測(cè)試通過(guò)加熱元器件并保持正常工作電壓，在較短時(shí)間內(nèi)模擬元器件的整個(gè)壽命周期。

在可靠性計(jì)算的詳細(xì)分析中，HTOL加速測(cè)試（125°C下1,000小時(shí)或等效條件）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需通過(guò)Arrhenius方程和0.7 eV的活化能為進(jìn)行換算，得到在最終用戶(hù)使用條件下的預(yù)期壽命（比如55°C下10年）。采用卡方統(tǒng)計(jì)分布，基于HTOL測(cè)試的樣本數(shù)量，計(jì)算失效率的60%和90%置信區(qū)間。

其中：

x2為逆卡方分布，其值取決于失效次數(shù)和置信區(qū)間

N為HTOL測(cè)試的樣本數(shù)量

H為HTOL測(cè)試的持續(xù)時(shí)間

At為根據(jù)Arrhenius方程計(jì)算的測(cè)試條件到使用條件的加速因子

晶圓制造數(shù)據(jù)是analog.com上提供的可靠性數(shù)據(jù)和資源之一。點(diǎn)擊它就會(huì)呈現(xiàn)包括產(chǎn)品整體壽命測(cè)試數(shù)據(jù)摘要在內(nèi)的數(shù)據(jù)。它由總樣本數(shù)量、失效數(shù)量、55°C下等效器件小時(shí)數(shù)、FIT值（基于HTOL數(shù)據(jù)）及MTTF數(shù)據(jù)（60%和90%置信度）組成。示例如圖3所示。

功能安全通常需要70%的置信度，因此90%的置信度可以作為一種更保守的選擇直接使用，或者可以利用某種方法（例如“如何改變可靠性預(yù)測(cè)的置信度”中介紹的方法）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。5

圖3.來(lái)自analog.com的晶圓制造數(shù)據(jù)

西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)29500

SN 29500標(biāo)準(zhǔn)是一種基于查詢(xún)表的可靠性預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，最初由西門(mén)子公司提出，現(xiàn)已被廣泛用作ISO 13849標(biāo)準(zhǔn)的可靠性預(yù)測(cè)依據(jù)。它通過(guò)失效率來(lái)計(jì)算可靠性，其中失效率定義為在特定的環(huán)境和功能運(yùn)行條件下，元器件在一定時(shí)間內(nèi)平均預(yù)期發(fā)生的失效比例。該標(biāo)準(zhǔn)代表了一種保守的元器件失效率確定方法。每類(lèi)元器件的參考FIT值基本上是根據(jù)特定類(lèi)型元器件的現(xiàn)場(chǎng)退貨情況確定的。因此，參考值會(huì)包括應(yīng)用中遇到的任何類(lèi)型失效，而不僅僅是上一節(jié)所述HTOL方法引起的內(nèi)在失效。其中包括電氣過(guò)載(EOS)所導(dǎo)致的失效，此失效不會(huì)在HTOL測(cè)試中使用的受控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下發(fā)生。5-8

公式2表明了SN 29500-2如何得出集成電路的失效率。首先，它提供了參考失效率，也就是標(biāo)準(zhǔn)所定義的參考條件下的元器件失效率。由于參考條件并不總是相同，因此該標(biāo)準(zhǔn)還提供了轉(zhuǎn)換模型，支持根據(jù)電壓、溫度和漂移靈敏度等應(yīng)力工作條件來(lái)計(jì)算失效率，如公式2所示。

其中：

λref是參考條件下的失效率，與晶體管的數(shù)量成比例

πU是電壓依賴(lài)因子

πT是溫度依賴(lài)因子

πD是漂移靈敏度因子

根據(jù)IC的特性，公式2可能有所不同。例如，當(dāng)它是具有擴(kuò)展工作電壓范圍的模擬IC時(shí)，可以使用公式2。對(duì)于所有其他具有固定工作電壓的模擬IC，電壓依賴(lài)因子將設(shè)置為1。對(duì)于數(shù)字CMOS-B系列，漂移靈敏度因子將設(shè)置為1。最后，對(duì)于所有其他IC，電壓依賴(lài)因子和漂移靈敏度因子都將設(shè)置為1。

請(qǐng)注意，IEC 617099標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明了如何根據(jù)不同使用條件調(diào)整可靠性預(yù)測(cè)，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)似乎是SN 29500所依據(jù)的理論基礎(chǔ)。

《IEC技術(shù)報(bào)告62380: 2004》

IEC 62380是另一個(gè)常用的IC失效率評(píng)估標(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)仍被汽車(chē)功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262:2018引用，在其第11部分中繼續(xù)用作電子元器件可靠性預(yù)測(cè)的參考模型。該標(biāo)準(zhǔn)將IC的失效率計(jì)算為芯片、封裝和EOS失效率之和。根據(jù)IEC TR 62380和ISO 26262-11:2018，F(xiàn)IT計(jì)算的表達(dá)式如公式3所示。10-12

其中：

λdie是芯片失效率，包含與晶體管數(shù)量、IC系列及所用技術(shù)、溫度、工作時(shí)間、年周期影響因子等任務(wù)曲線(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)的參數(shù)

λpackage是封裝失效率，包含與熱因素、熱膨脹、任務(wù)曲線(xiàn)的溫度循環(huán)因素及IC封裝相關(guān)的參數(shù)

λoverstress是過(guò)載失效率；針對(duì)不同的外部接口，它有相應(yīng)的術(shù)語(yǔ)定義

ADI安全應(yīng)用筆記中的失效率

除了analog.com上提供的可靠性數(shù)據(jù)之外，ADI元器件的可靠性預(yù)測(cè)還可以在IC的安全應(yīng)用筆記中找到。標(biāo)記為支持FS的IC通常有相應(yīng)的安全應(yīng)用筆記。例如，LTC2933的安全應(yīng)用筆記提供了根據(jù)HTOL、SN 29500和IEC 62380可靠性預(yù)測(cè)方法得出的器件FIT值，如圖4、圖5和圖6所示。圖中的表格顯示了FIT值及所考慮的條件。如果具體條件不同，系統(tǒng)集成商可以利用表格下方的信息自行計(jì)算FIT。

圖4.根據(jù)LTC2933安全應(yīng)用筆記，基于Arrhenius HTOL的FIT

圖5.根據(jù)LTC2933安全應(yīng)用筆記，基于SN 29500的FIT

圖6.根據(jù)LTC2933安全應(yīng)用筆記，基于IEC 62380的FIT

結(jié)語(yǔ)

本文概述了三種常見(jiàn)的集成電路可靠性預(yù)測(cè)技術(shù)，即Arrhenius HTOL、SN 29500和IEC 62380。利用HTOL測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)Arrhenius公式進(jìn)行計(jì)算，可以得出以FIT為單位的失效率。SN 29500提供了參考失效率及針對(duì)不同應(yīng)力工作條件的轉(zhuǎn)換模型。IEC 62380規(guī)定電子元器件的失效率為芯片失效率、封裝失效率和過(guò)載失效率之和。

ADI元器件的失效率可以在analog.com上或相應(yīng)的安全應(yīng)用筆記中找到。安全應(yīng)用筆記的優(yōu)點(diǎn)在于，它提供了依據(jù)上述三種方法得出的元器件可靠性預(yù)測(cè)。除此之外，它還提供了計(jì)算此類(lèi)FIT值所需的信息，以便系統(tǒng)集成商針對(duì)不同的工作條件自行重新計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

1 可靠性手冊(cè)，ADI公司。

2 David J. Smith，“The Safety Critical Systems Handbook: A Straightforward Guide to Functional Safety: IEC 61508 (2010 Edition), IEC 61511 (2015 Edition) and Related Guidance”，Butterworth-Heinemann，2020年。

3 “IEC 61508 All Parts, Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems”，國(guó)際電工委員會(huì)，2010年。

4 “IEC 61800-5-2 Annex C, Adjustable Speed Electrical Power Drive Systems—Safety Requirements—Functional: Available Failure Rate Databases”，國(guó)際電工委員會(huì)，2016年。

5 Tom Meany，“集成電路可靠性預(yù)測(cè)”，ADI公司，2021年。

6 S. Singh、S. Masade，“FIT Rate Calculations for FMEDA in ISO26262”，ACL Digital。

7 “SN 29500 Part 2, Expected Values for Integrated Circuits”，Siemens Norm，2010年。

8 Jesus Fco.Ortiz-Ya?ez、Manuel Roman Pina-Monarrez、Osvaldo Monclova-Quintana，“Reliability Prediction for Automotive Electronics”，DYNA，第91卷，2024年。

9 “IEC 61709, Electric Components—Reliability—Reference Conditions for Failure Rates and Stress Models for Conversion”，國(guó)際電工委員會(huì)，2017年。

10 “IEC Technical Report 62380: Reliability Data Handbook—Universal Model for Reliability Prediction of Electronics Components, PCBs and Equipment”，國(guó)際電工委員會(huì)，2004年。

11 “ISO 26262 Part 11, Road Vehicles—Functional Safety: Guidelines on Application of ISO 26262 to Semiconductors”，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，2018年。

12 Dan Butnicu，“A Review of Failure Rate Calculation’s Differences Due to Package for IEC-TR-62380 vs. Other Prediction Standards”，IEEE，2021年。