瞭解安全事項應用筆記——第1部分：失效率

作者：ADI資深產品應用工程師 Bryan Angelo Borres


摘要

在依據工業功能安全標準進行合規評估時，對安全相關系統的零組件可靠性進行預測非常重要。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，用於評估系統是否達到目標安全完整性等級。業界有多個零組件失效率資料庫，可供系統整合商參考使用。本文討論了預測積體電路(IC)失效率的三種常用技術，並介紹ADI的安全應用筆記如何提供此類失效率資訊。

為什麼需要可靠性預測？

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顯示了電子零組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。本文則是重點關注零組件有效壽命期內的失效率。

Figure 1. Reliability bathtub curve.
圖1.可靠性浴盆曲線1

瞭解電子系統中零組件的失效率對於開展可靠性預測以評估系統整體的可靠性非常重要。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資訊，應用於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體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)在硬體方面的具體要求。表1顯示了SIL目標與SRS危險失效概率的對應關係。

表1.安全完整性等級要求與危險失效概率的對應關係2,3
安全完整性等級 持續性高需求率(PFH) 低需求率(PFD)
4 ≥10-9 to <10-8 ≥10-5 to <10-4
3 ≥10-8 to <10-7 ≥10-4 to <10-3
2 ≥10-7 to <10-6 ≥10-3 to <10-2
1 ≥10-6 to <10-5 ≥10-2 to <10-1

註：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，而具體到單一積體電路(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

業界有多個失效率資料庫，可供系統整合商在設計系統時參考使用。電子和非電子零組件的失效率資料來源包括：《IEC技術報告62380: 2004》(IEC Technical Report 62380: 2004)、西門子標準SN 29500(Siemens Standard SN 29500)、ADI零組件平均無失效時間(ADI component mean time to fail, MTTF)資料、現場退貨情況和專家判斷。4

ADI零組件的MTTF資料可在analog.com上的可靠性部分中找到。在「可靠性資料和資源」下方有晶圓製造資料、組裝/封裝製程資料、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。

Figure 2. ADI reliability data and resources.
圖2.ADI可靠性資料和資源

為了協助讀者理解前述三個半導體失效率資料來源（側重於Arrhenius高溫工作壽命(HTOL)的ADI零組件MTTF資料、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資料庫。5,6

什麼是Arrhenius HTOL？

HTOL是JEDEC標準中定義的常用加速壽命測試之一，用於評估零組件失效率。HTOL測試目的在使元件在高溫下運行，以加速其老化進程，進而等效地類比其在常溫（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零組件長期可靠性的方法，例如評估零組件的平均無失效時間(MTTF)。這種測試透過加熱零組件並保持正常工作電壓，在較短時間內模擬零組件的整個壽命週期。

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）產生的資料需透過Arrhenius方程式和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（例如55°C下10年）。採用卡方統計分佈，基於HTOL測試的樣本數量，計算失效率的60%和90%置信區間。

Equation 1

其中：

  • x2為逆卡方分佈，其值取決於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方程式計算的測試條件到使用條件的加速因數

晶圓製造資料是analog.com上提供的可靠性資料和資源之一。點擊它就會呈現包括產品整體壽命測試資料摘要在內的資料。其由總樣本數量、失效數量、55°C下等效元件小時數、FIT值（基於HTOL資料）及MTTF資料（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。5

Figure 3. Wafer fabrication data tab from analog.com.
圖3.來自analog.com的晶圓製造資料

西門子標準29500

SN 29500標準是一種基於查詢表的可靠性預測標準，最初由西門子公司(Siemens)提出，現已被廣泛用於ISO 13849標準的可靠性預測依據。其透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，零組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零組件失效率確定方法。每類零組件的參考FIT值基本上是根據特定類型零組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，而不僅是上一節所述HTOL方法引起的內在失效。其中包括電氣超載(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說明了SN 29500-2如何得出積體電路的失效率。首先，其提供了參考失效率，也就是標準所定義的參考條件下的零組件失效率。由於參考條件並不總是相同，因此該標準還提供了轉換模型，支援根據電壓、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。

Equation 2

其中：

  • λref 是參考條件下的失效率，與電晶體的數量成比例
  • πU 是電壓依賴因數
  • πT 是溫度依賴因數
  • πD是漂移靈敏度因數

根據IC的特性，公式2可能有所不同。例如，當其是具有擴展工作電壓範圍的類比IC時，可以使用公式2。對於所有其他具有固定工作電壓的類比IC，電壓依賴因數將設定為1。對於數位CMOS-B系列，漂移靈敏度因數將設定為1。最後，對於所有其他IC，電壓依賴因數和漂移靈敏度因數都將設定為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，此項標準似乎是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。其於2004年發佈，隨後被IEC 61709取代。儘管如此，IEC 62380標準仍被汽車功能安全標準ISO 26262:2018引用，在其第11部分中繼續用於電子零組件可靠性預測的參考模型。該標準將IC的失效率計算為晶片、封裝和EOS失效率之和。根據IEC TR 62380和ISO 26262-11:2018，FIT計算的運算式如公式3所示。10–12

Equation 3

其中：

  • λdie 是晶片失效率，包含與電晶體數量、IC系列及所用技術、溫度、工作時間、年週期影響因數等任務曲線資料相關的參數
  • λpackage是封裝失效率，包含與熱因素、熱膨脹、任務曲線的溫度迴圈因素及IC封裝相關的參數
  • λoverstress是超載失效率；針對不同的外部介面，其有相應的術語定義

ADI安全應用筆記中的失效率

除了analog.com上提供的可靠性資料之外，ADI零組件的可靠性預測還可以在IC的安全應用筆記中找到。標記為支援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元件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，系統整合商可以利用表格下方的資訊自行計算FIT。

Figure 4. FIT based on the Arrhenius HTOL according to the LTC2933 safety application note.
圖4.根據LTC2933安全應用筆記，基於Arrhenius HTOL的FIT

Figure 5. FIT based on the SN 29500 according to the LTC2933 safety application note.
圖5.根據LTC2933安全應用筆記，基於SN 29500的FIT

Figure 6. FIT based on the IEC 62380 according to the LTC2933 safety application note.
圖6.根據LTC2933安全應用筆記，基於IEC 62380的FIT

結語

本文概述了三種常見的積體電路可靠性預測技術，即Arrhenius HTOL、SN 29500和IEC 62380。利用HTOL測試資料，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規定電子零組件的失效率為晶片失效率、封裝失效率和超載失效率之和。

ADI零組件的失效率可以在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於，其提供了依據上述三種方法得出的零組件可靠性預測。除此之外，它還提供了計算此類FIT值所需的資訊，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。

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”，國際電子電機委員會，2010年。

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

5 Tom Meany，「積體電路可靠性預測」，ADI，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-Yañez, Manuel Roman Pina-Monarrez, and 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”，國際電子電機委員會，2017年。

10 “IEC Technical Report 62380: Reliability Data Handbook—Universal Model for Reliability Prediction of Electronics Components, PCBs and Equipment”，國際電子電機委員會，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。