失效率（或稱基準失效率）指單位時間內的故障次數(shù)，其常用單位為故障數(shù) / 十億小時（FIT），即十億小時內出現(xiàn)一次故障，該指標用于衡量產(chǎn)品在使用壽命內的故障概率。圖 1 為電子元器件的可靠性浴盆曲線模型，該曲線分為三個階段：早期失效（又稱早期損耗失效）階段、使用壽命（又稱恒定失效 / 隨機失效）階段、耗損失效階段。本文的討論重點為元器件使用壽命階段的失效率。

1. 顯示為可靠性浴缸曲線。

了解電子系統(tǒng)中元件的失效率對于進行可靠性預測以評估整體系統(tǒng)可靠性至關重要?？煽啃灶A測涉及指定可靠性模型、應假設的失效模式、診斷間隔和診斷覆蓋范圍。這些預測作為可靠性建模技術的輸入，如失效模式與效應分析（FMEA）、可靠性塊圖（RBD）、故障樹分析（FTA）等。

與功能安全相關，預測安全相關系統(tǒng)隨機硬件故障相關的定量可靠性，需符合基本功能安全標準IEC 61508的第二部分。3 它規(guī)定了安全相關系統(tǒng)（SRS）硬件方面的要求。表中顯示了這些SIL目標相對于SRS危險失效概率的關系。

如何開始預測系統(tǒng)可靠性

存在多個數(shù)據(jù)庫，供系統(tǒng)集成商在設計系統(tǒng)時使用。電子和非電子元件的故障率數(shù)據(jù)來源包括IEC技術報告62380：2004、西門子標準SN 29500、ADI組件平均失效時間（MTTF）數(shù)據(jù)、現(xiàn)場回報和專家判斷。

ADI組件MTTF數(shù)據(jù)可在 analog.com 的可靠性部分找到?？煽啃詳?shù)據(jù)和資源部分包括晶圓制造數(shù)據(jù)、組裝/封裝工藝數(shù)據(jù)、Arrhenius/FIT速率計算器、百萬分之一計算器和可靠性手冊。圖2展示了每個資源子部分的內容。

2. 模擬設備的可靠性數(shù)據(jù)和資源。

為了幫助理解半導體前三個故障率數(shù)據(jù)來源之間的區(qū)別——專注于阿累尼烏斯高溫工作壽命（HTOL）的ADI組件MTTF數(shù)據(jù)、西門子標準SN 29500和IEC TR 62380：2004——接下來的章節(jié)將對這些方法及其相關數(shù)據(jù)庫提供一些見解。

什么是阿倫尼烏斯HTOL？

HTOL是JEDEC標準中最常用的加速壽命測試之一，用于估算元件失效率。高壓（HTOL）測試旨在模擬設備在高溫下的工作，以提供足夠的加速度，模擬多年在常溫（通常為55°C）下的工作。 因此，HTOL估算半導體元件（例如MTTF）在加速應力條件下的長期可靠性，這些應力壓縮了模擬元件壽命的時間，同時加熱并維持其工作電壓。

放大可靠性計算細節(jié)，在加速測試條件下生成的數(shù)據(jù)（125°C等效條件下1000小時）通過激活能為0.7 eV的阿累尼烏斯方程轉換為終端用戶運行條件下的壽命（55°C下10年）。卡方統(tǒng)計分布用于計算基于HTOL測試單位數(shù)的失效率數(shù)據(jù)的置信區(qū)間（60%和90%）。

其中：

• x² 是卡方逆分布，其值取決于失敗次數(shù)和置信區(qū)間

• N 是測試的 HTOL 單元數(shù)

• H 是 HTOL 測試的持續(xù)時間

• at 是根據(jù)阿累尼烏斯方程計算的從測試到使用條件的加速度因子

晶圓制造數(shù)據(jù)是 analog.com 可用的可靠性數(shù)據(jù)和資源之一。點擊它會獲得包含產(chǎn)品整體壽命測試數(shù)據(jù)摘要的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)包括總體樣本量、失效數(shù)量、55°C時等效設備小時數(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展示了一個例子。

3. analog.com 的晶圓制造數(shù)據(jù)標簽頁

功能安全通常需要70%的置信水平，因此90%的水平可以保守使用?；蛘呖梢酝ㄟ^類似《如何改變你可靠性預測的置信度水平》中展示的過程進行轉換。

什么是西門子規(guī)范29500？

SN 29500標準是一種基于查找表的標準，由西門子發(fā)起，廣泛作為ISO 13849可靠性預測的基礎。通過失敗率計算可靠性預測，即在特定環(huán)境和功能運行條件下，在時間區(qū)間內平均可預期的故障比例。該標準被認為是確定元件失效率的一種保守方法。

每個設備類別的參考FIT值基本上是通過特定組件類別的字段返回確定的。因此，它們將包括應用中出現(xiàn)的任何類型的失效，而不僅僅是前節(jié)HTOL方法所誘導的內在失效。這包括因電氣過應力（EOS）導致的故障，而在用于HTOL測試的受控實驗室環(huán)境中，這種情況不會發(fā)生。

方程2展示了SN 29500-2如何推導集成電路的失效率。首先，它提供了一個參考失效率，該率對應于標準定義參考條件下的元件失效率。由于參考條件不總是相同，標準還提供了轉換模型，用于根據(jù)應力作條件（如電壓、溫度和漂移敏感性）計算失效率，如方程2所示。

其中：

• λ_ref 是參考條件下的失效率，隨晶體管數(shù)量增長而變化

• π_U 是電壓依賴因子

• π_T 是溫度依賴因子

• π_D 是漂移靈敏度因子

根據(jù)集成電路的性質，方程2可以有所不同。例如，當它是具有較大工作電壓范圍的模擬IC時，可以使用方程2。對于所有其他具有固定工作電壓的模擬IC，電壓依賴因子將設為1。對于數(shù)字CMOS-B系列，漂移靈敏度因子將設為1。最后，所有其他IC的電壓依賴和漂移靈敏度因子都設為1。

請注意，IEC 617099 標準提供了如何將可靠性預測從一組條件轉換到另一組條件的信息，這似乎是 SN 29500 背后的理論。

什么是IEC技術報告62380：2004？

IEC 62380 是另一個常用的用于估算集成電路失效率的標準。該標準于2004年發(fā)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;它仍然可以在第11部分作為電子元件可靠性預測模型提供。該標準將IC的失效率計算為芯片、封裝和EOS的總和。根據(jù)IEC TR 62380和ISO 26262-11：2018的FIT計算表達式見公式3。

其中：

• λdie是芯片失效率，包含晶體管數(shù)量、集成電路系列及所用技術，以及溫度、工作時間和年周期影響因子等任務參數(shù)

• λ_package是封裝失效率，包含與熱因數(shù)、熱膨脹、任務周期溫度因子以及集成電路封裝相關的參數(shù)

• λ_overstress是具有對應不同外部接口項的超應力失效率

ADI安全應用說明中的失效率

除了 analog.com 中可找到的可靠性數(shù)據(jù)外，模擬器件（ADI）元件的可靠性預測也可在集成電路的安全應用說明中找到，該說明通常在IC被標記為FS支持時提供。例如，LTC2933的安全應用說明顯示了該零件的FIT值，這些值是根據(jù)HTOL、SN 29500和IEC 62380可靠性預測方法得出的。這可以在圖4、5和圖6中看到。

4. 根據(jù)LTC2933安全應用說明，基于Arrhenius HTOL的FIT。

5. 根據(jù)LTC2933安全應用說明，基于SN 29500的FIT。

6. 根據(jù)LTC2933安全應用說明，基于IEC 62380的FIT。

圖中表格顯示了FIT值及考慮的條件。系統(tǒng)積分器可以利用表格中的可用信息自行計算FIT，前提是條件不同。

結論

本文概述了集成電路中三種最常見的可靠性預測技術，即Arrhenius HTOL、SN 29500和IEC 62380?；诎⒗勰釣跛构讲⒗肏TOL測試數(shù)據(jù)計算，得出FIT中的失效率。SN 29500提供了參考失效率和轉換模型，以考慮不同的應力作條件。IEC 62380 提供了電子元件的失效率，即芯片失效率、封裝失效率和超應力失效率的總和。

對于ADI，元件的失效率可以在 analog.com 或元件的安全應用說明中找到。安全應用說明的優(yōu)點在于它基于上述三種方法提供組件的可靠性預測。此外，計算此類FIT值所需的信息也被公開，供系統(tǒng)積分器在不同作條件下自行重新計算。