了解您的安全應用說明（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，通常以時間故障 （FIT） 表示，相當于產品在其使用壽命內預計會發生一次故障。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的故障率。

1. 所示為可靠性浴盆曲線。1

了解電子系統中組件的故障率對于進行可靠性預測以評估整體系統可靠性至關重要。可靠性預測包括指定可靠性模型、要假設的故障模式、診斷區間和診斷覆蓋率。這些預測可作為可靠性建模技術的輸入，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。

根據功能安全，基本功能安全標準 IEC 61508 的第二部分需要根據安全完整性等級 （SIL） 目標預測與安全相關系統的隨機硬件故障相關的定量可靠性。3 它規定了安全相關系統 （SRS） 的硬件方面的要求。表中顯示了與 SRS 發生危險故障概率相關的此類 SIL 目標。

如何開始預測系統的可靠性

存在多個數據庫來提供系統集成商在設計系統時可以使用的故障率。電子和非電子元件的故障率數據可用來源包括 IEC 技術報告 62380：2004、西門子標準 SN 29500、ADI 元件平均故障時間 （MTTF） 數據、現場返回和專家判斷。4

ADI 元件 MTTF 數據可以在 analog.com 的 Reliability 部分下找到。可靠性數據和資源下是晶圓制造數據、組裝/封裝工藝數據、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 包含的內容。

2. Analog Devices 的可靠性數據和資源。

為了幫助理解前三個引用的半導體故障率數據源（ADI 元件 MTTF 數據，側重于 Arrhenius 高溫工作壽命 （HTOL）、西門子標準 SN 29500 和 IEC TR 62380：2004）之間的差異，以下部分將提供有關每種方法和相關數據庫的一些見解。5,6

什么是 Arrhenius HTOL？

HTOL 是 JEDEC 標準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 測試旨在模擬設備在高溫下的運行，以提供足夠的加速度來模擬在環境溫度（通常為 55°C）下多年的運行。 因此，HTOL 估計半導體元件（例如 MTTF）在加速應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節，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）下生成的數據轉換為最終用戶工作條件下的壽命（55°C 下 10 年）。卡方統計分布用于根據 HTOL 測試的單位數計算失敗率數據的置信區間（60% 和 90%）。

哪里：

• x2 是逆卡方分布，其值取決于失敗次數和置信區間

• N 是 HTOL 測試的單位數量

• H 是 HTOL 測試的持續時間

• at 是根據 Arrhenius 方程計算的從測試到使用條件的加速因子

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

3. analog.com 中的 Wafer manufacturing data（晶圓制造數據）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。或者，可以使用“如何更改可靠性預測的置信度”中所示的過程進行轉換。5

什么是西門子 Norm 29500？

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

每個器件類別的參考 FIT 值基本上是根據特定組件類的字段返回確定的。因此，它們將包括應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所示的 HTOL 方法引起的固有失效。這包括由于電氣過應力 （EOS） 引起的故障，在 HTOL 測試中使用的受控實驗室環境中不會發生故障。5-8

公式 2 顯示了 SN 29500-2 如何推導出集成電路的故障率。首先，它提供了一個參考故障率，該故障率對應于標準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，因此該標準還提供了轉換模型，以根據應力作條件（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，隨晶體管數量的變化而變化

• πU 是電壓依賴性系數

• πT 是溫度依賴因子

• πD 是漂移敏感因子

根據 IC 的性質，公式 2 可能會有所不同。例如，當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，電壓依賴性系數將設置為 1。對于數字 CMOS-B 系列，漂移敏感度系數將設置為 1。最后，對于所有其他 IC，電壓依賴性和漂移敏感度系數都將設置為 1。

請注意，IEC 617099 標準提供了有關如何將可靠性預測從一組條件轉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 技術報告 62380：2004？

IEC 62380 是另一種常用的估計 IC 故障率的標準。它于 2004 年發布，隨后被 IEC 61709 取代。盡管如此，IEC 62380 標準仍被用作汽車功能安全標準 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測的模型提供。該標準將 IC 的故障率計算為裸片、封裝和 EOS 的總和。根據 IEC TR 62380 和 ISO 26262-11：2018 的 FIT 計算表達式如公式 3 所示。10-12

哪里：

• λdie 是芯片故障率，包含與晶體管數量、IC 系列和所用技術以及任務配置文件數據（如溫度、工作時間和年循環影響因子）相關的參數

• λ封裝是封裝故障率，包含與熱因數、熱膨脹、任務配置文件的循環溫度因數和 IC 封裝相關的參數

• λoverstress 是過應力失效率，對于不同的外部接口有相應的術語

ADI 安全應用筆記中的故障率

除了可以在 analog.com 上找到的可靠性數據外，ADI 公司 （ADI） 元件的可靠性預測也可以在 IC 的安全應用說明中找到，當 IC 標記為支持 FS 時，通常可以獲得該說明。例如，LTC2933 的安全應用說明顯示了從 HTOL、SN 29500 和 IEC 62380 可靠性預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 LTC2933 安全應用說明，基于 Arrhenius HTOL 的 FIT。ADI 公司5. FIT 基于 SN 29500，符合 LTC2933 安全應用說明。6. FIT 基于 IEC 62380，符合 LTC2933 安全應用說明。

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。

結論

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

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