摘要

在依據工業功能安全標準進行合規評估時，對安全相關系統的元器件可靠性進行預測至關重要。預測結果通常以“給定時間內的失效次數”(FIT)表示，FIT是安全性分析的重要依據，用于評估系統是否達到目標安全完整性等級。業界有多個元器件失效率數據庫，可供系統集成商參考使用。本文討論了預測集成電路(IC)失效率的三種常用技術，并介紹了ADI公司的安全應用筆記如何提供此類失效率信息。

為什么需要可靠性預測？

失效率或基本失效率是指產品在有效壽命期內單位時間的預期失效頻次，通常以FIT（十億小時內發生一次失效）為單位。圖1顯示了電子元器件失效的可靠性浴盆曲線模型，可分為三個階段：早期失效階段、有效壽命或穩定工作期間隨機失效階段、磨損老化失效階段。本文重點關注元器件有效壽命期內的失效率。

圖1.可靠性浴盆曲線1

了解電子系統中元器件的失效率對于開展可靠性預測以評估系統整體的可靠性至關重要。進行可靠性預測時，需要明確可靠性模型、失效模式假設、診斷間隔和診斷覆蓋率。預測結果將作為輸入信息，應用于失效模式和影響分析(FMEA)、可靠性框圖(RBD)、失效樹分析(FTA)等可靠性建模方法。2,3

根據功能安全的要求，為了實現安全完整性等級(SIL)目標，需要對安全相關系統的隨機硬件失效進行定量可靠性預測。這一需求源自基礎功能安全標準IEC 61508的第二部分，其中規定了安全相關系統(SRS)在硬件方面的具體要求。表1顯示了SIL目標與SRS危險失效概率的對應關系。

表1.安全完整性等級要求與危險失效概率的對應關系2,3

注：當需求率為每年一次時，PFD指標和PFH指標等效。

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

如何預測系統可靠性

業界有多個失效率數據庫，可供系統集成商在設計系統時參考使用。電子和非電子元器件的失效率數據來源包括：《IEC技術報告62380: 2004》、西門子標準SN 29500、ADI元器件平均無失效時間(MTTF)數據、現場退貨情況和專家判斷。4

ADI元器件的MTTF數據可在analog.com上的可靠性部分中找到。在“可靠性數據和資源”下方有晶圓制造數據、組裝/封裝工藝數據、Arrhenius/FIT率計算器、百萬分率計算器和可靠性手冊。圖2顯示了每個資源子部分包含的內容。

圖2.ADI可靠性數據和資源

為了幫助讀者理解前述三個半導體失效率數據來源（側重于Arrhenius高溫工作壽命(HTOL)的ADI元器件MTTF數據、西門子標準SN 29500和IEC TR 62380:2004）之間的區別，接下來的章節將解析每種方法和相關的數據庫。5,6

什么是Arrhenius HTOL？

HTOL是JEDEC標準中定義的常用加速壽命測試之一，用于評估元器件失效率。HTOL測試旨在讓器件在高溫下運行，以加速其老化進程，從而等效地模擬其在常溫（如55°C）下長時間運行的效果。因此，HTOL是一種在加速應力條件下評估半導體元器件長期可靠性的方法，比如評估元器件的平均無失效時間(MTTF)。這種測試通過加熱元器件并保持正常工作電壓，在較短時間內模擬元器件的整個壽命周期。

在可靠性計算的詳細分析中，HTOL加速測試（125°C下1,000小時或等效條件）產生的數據需通過Arrhenius方程和0.7 eV的活化能為進行換算，得到在最終用戶使用條件下的預期壽命（比如55°C下10年）。采用卡方統計分布，基于HTOL測試的樣本數量，計算失效率的60%和90%置信區間。

其中：

?x2為逆卡方分布，其值取決于失效次數和置信區間

?N為HTOL測試的樣本數量

?H為HTOL測試的持續時間

?At為根據Arrhenius方程計算的測試條件到使用條件的加速因子

晶圓制造數據是analog.com上提供的可靠性數據和資源之一。點擊它就會呈現包括產品整體壽命測試數據摘要在內的數據。它由總樣本數量、失效數量、55°C下等效器件小時數、FIT值（基于HTOL數據）及MTTF數據（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“如何改變可靠性預測的置信度”中介紹的方法）進行轉換。

圖3.來自analog.com的晶圓制造數據

西門子標準29500

SN 29500標準是一種基于查詢表的可靠性預測標準，最初由西門子公司提出，現已被廣泛用作ISO 13849標準的可靠性預測依據。它通過失效率來計算可靠性，其中失效率定義為在特定的環境和功能運行條件下，元器件在一定時間內平均預期發生的失效比例。該標準代表了一種保守的元器件失效率確定方法。每類元器件的參考FIT值基本上是根據特定類型元器件的現場退貨情況確定的。因此，參考值會包括應用中遇到的任何類型失效，而不僅僅是上一節所述HTOL方法引起的內在失效。其中包括電氣過載(EOS)所導致的失效，此失效不會在HTOL測試中使用的受控實驗室環境下發生。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，也就是標準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，因此該標準還提供了轉換模型，支持根據電壓、溫度和漂移靈敏度等應力工作條件來計算失效率，如公式2所示。

其中：

?λref是參考條件下的失效率，與晶體管的數量成比例

?πU是電壓依賴因子

?πT是溫度依賴因子

?πD是漂移靈敏度因子

根據IC的特性，公式2可能有所不同。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。對于所有其他具有固定工作電壓的模擬IC，電壓依賴因子將設置為1。對于數字CMOS-B系列，漂移靈敏度因子將設置為1。最后，對于所有其他IC，電壓依賴因子和漂移靈敏度因子都將設置為1。

請注意，IEC 617099標準說明了如何根據不同使用條件調整可靠性預測，這項標準似乎是SN 29500所依據的理論基礎。

《IEC技術報告62380: 2004》

IEC 62380是另一個常用的IC失效率評估標準。它于2004年發布，隨后被IEC 61709取代。盡管如此，IEC 62380標準仍被汽車功能安全標準ISO 26262:2018引用，在其第11部分中繼續用作電子元器件可靠性預測的參考模型。該標準將IC的失效率計算為芯片、封裝和EOS失效率之和。根據IEC TR 62380和ISO 26262-11:2018，FIT計算的表達式如公式3所示。10-12

其中：

?λdie是芯片失效率，包含與晶體管數量、IC系列及所用技術、溫度、工作時間、年周期影響因子等任務曲線數據相關的參數

?λpackage是封裝失效率，包含與熱因素、熱膨脹、任務曲線的溫度循環因素及IC封裝相關的參數

?λoverstress是過載失效率；針對不同的外部接口，它有相應的術語定義

ADI安全應用筆記中的失效率

除了analog.com上提供的可靠性數據之外，ADI元器件的可靠性預測還可以在IC的安全應用筆記中找到。標記為支持FS的IC通常有相應的安全應用筆記。例如，LTC2933的安全應用筆記提供了根據HTOL、SN 29500和IEC 62380可靠性預測方法得出的器件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，系統集成商可以利用表格下方的信息自行計算FIT。

圖4.根據LTC2933安全應用筆記，基于Arrhenius HTOL的FIT

圖5.根據LTC2933安全應用筆記，基于SN 29500的FIT

圖6.根據LTC2933安全應用筆記，基于IEC 62380的FIT

結語

本文概述了三種常見的集成電路可靠性預測技術，即Arrhenius HTOL、SN 29500和IEC 62380。利用HTOL測試數據，根據Arrhenius公式進行計算，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不同應力工作條件的轉換模型。IEC 62380規定電子元器件的失效率為芯片失效率、封裝失效率和過載失效率之和。

ADI元器件的失效率可以在analog.com上或相應的安全應用筆記中找到。安全應用筆記的優點在于，它提供了依據上述三種方法得出的元器件可靠性預測。除此之外，它還提供了計算此類FIT值所需的信息，以便系統集成商針對不同的工作條件自行重新計算。

參考文獻

1 可靠性手冊，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”，國際電工委員會，2010年。

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

5 Tom Meany，“集成電路可靠性預測”，ADI公司，2021年。

6 S. Singh、S. Masade，“FIT Rate Calculations for FMEDA in ISO 26262”，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”，國際電工委員會，2017年。

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

11 “ISO 26262 Part 11, Road Vehicles—Functional Safety: Guidelines on Application of ISO 26262 to Semiconductors”，國際標準化組織，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。

作者：Bryan Angelo Borres，高級產品應用工程師

作者簡介

Bryan Angelo Borres是經TüV認證的功能安全工程師，目前負責多個工業功能安全項目。作為高級電源應用工程師，他負責幫助系統集成商設計符合IEC 61508等工業功能安全標準的功能安全電源架構。最近，他成為了IEC TC65/SC65A的IEC菲律賓國家委員會和IEEE功能安全標準委員會的成員。Bryan擁有電力電子專業的研究生文憑，在設計高效、穩健的電力電子系統方面積累了近七年的豐富經驗。