瞭解安全事項應用筆記—第3部分：接腳FMEDA

作者：ADI 資深產品應用工程師 Bryan Angelo Borres


摘要

本文目的在深入探討IC接腳失效模式和影響分析(FMEA)的重要性，並結合ADI的安全事項應用筆記，說明FMEA在功能安全標準（如IEC 61508和ISO 13849）合規過程中的實踐意義。功能安全標準包含規範性和參考性兩類條款，其規定了系統整合業者在進行技術安全分析時需考慮的積體電路(IC)和印刷電路板(PCB)潛在失效情況。

引言

ADI透過系列文章，來介紹安全事項應用筆記如何為設計安全相關系統(SRS)的系統整合業者提供技術安全分析所需的關鍵資訊，本文是系列文章的最後一部分。先前的第1部分介紹了此類應用筆記如何依據Arrhenius高溫工作壽命(HTOL)、SN 29500和IEC 62380，確定IC的失效率，而第2部分則闡述如何透過失效模式分佈(FMD)識別相關失效模式。

本為所提供的最後一部分說明內容，目的在深入探討設計安全相關系統時瞭解IC接腳失效模式和影響分析(FMEA)的重要性，並說明ADI的安全事項應用筆記如何提供此類接腳FMEA資訊。

什麼是接腳FMEA？

接腳FMEA是FMEA的一種，主要專注於分析IC封裝的潛在失效模式及其對系統功能的影響。接腳FMEA可以與計算出的封裝失效率（例如通過IEC 62380）配合使用，以確定IC的失效率分佈，如圖1所示。失效率可以進一步分為四種情況：安全、危險、無影響或無元件（即不涉及具體元件）。這種失效率認定對於推導安全失效比率(SFF)和SRS危險失效概率十分重要。

Figure 1. Failure rate distribution illustration.
圖1.失效率分佈圖1

IC的接腳FMEA是ADI安全事項應用筆記中提供的另一項安全資訊，目的在協助系統整合業者進行技術安全分析。圖2顯示了LTC2933的接腳FMEA，可在其安全事項應用筆記中找到。藉由此類應用筆記，可以得知接腳故障是否會造成損壞，還是僅僅導致系統運行問題。

Figure 2. LTC2933 pin FMEA.
圖2.LTC2933接腳FMEA

IEC 61508的規定

基本功能安全(FS)標準2的表A.1中，展示了在量化隨機硬體失效的影響時要假設的失效情況，或在推導SFF時要考慮的失效情況。值得注意的是，對於直流故障模型假設，需要考慮如下之類的失效模式：固定位準故障、固定開路故障、開路或高阻抗輸出、訊號線之間短路、任意兩個連接（接腳）之間短路（針對IC）。

接腳FMEA顯示了這些假設的失效情況：固定位準故障（短接電源和短接到地）、開路或高阻抗、任意兩個相鄰連接之間短路（短接到相鄰接腳）。

其他標準的規定

為了實現功能安全，通常需要符合多個標準。除了IEC 61508之外，設計SRS的系統整合業者還必須遵守其他適用的標準，例如國家法律和指令，或是特定產業、產品或應用的具體標準。標準通常包含規範性（強制性）和參考性（非強制性）兩類條款。

例如，ISO 13849-2附錄D中的參考性要求涉及不同元件的失效假設。表1展示了可編程和/或複雜IC的失效假設，而非可編程或非複雜IC不考慮第一個和最後一個失效假設。系統整合業者如果負責執行IC分析以推導FMD，可以利用此類資訊。

否則，可以使用元件製造商提供的資訊，例如ADI的安全事項應用筆記（請參見本系列第1部分和第2部分的討論）。

表1.可編程和/或複雜IC的失效情況3

事項 考慮的故障
1 全部或部分功能故障，包括軟體故障
2 每個連接都發生開路
3 任意兩個連接之間短路
4 固定位準故障
5 輸出發生寄生振盪
6 值不斷變化
7 由於IC的複雜性而未檢測出的硬體故障

印刷電路板(PCB)也包括在技術安全分析中。ISO 13849-2:2012針對PCB的故障（失效模式）及其排除項提供了建議。根據該標準，在某些特定考量（如表2「備註」欄中所列）下，可以排除部分假設的失效模式。

表2.PCB故障3

考慮的故障 排除的故障 備註
兩個相鄰佈線/焊墊之間短路 遵照相關備註，相鄰導線之間發生短路 基材至少使用符合IEC 60893-1標準的環氧樹脂(EP)玻璃布增強材料(GC)。

電氣間隙和爬電距離的設計，至少符合IEC 60664-5標準（距離大於2 mm時符合IEC 60664-1標準），並適用污染等級2/過壓類別III要求；
如果兩個電源軌均由安全特低電壓/保護特低電壓(SELV/PELV)電源供電，則適用污染等級2/過壓類別II要求，最小電氣間隙為0.1 mm。
裝配完成的電路板安裝在一個能防止導電污染的外殼中，例如防護等級至少為IP54的外殼，並且印刷面塗有耐老化清漆或保護層，覆蓋所有導電路徑。

註1：經驗顯示，阻焊層能夠有效發揮保護層的作用。

註2：根據IEC 60664-3，額外的保護層可以降低爬電距離和電氣間隙要求。
任何佈線發生開路 無

對於PCB的這些失效假設，特別是對於安裝在其上的元件，系統整合業者需要獲得相關資訊，以判斷此類PCB失效對IC運行的影響，進而判斷是否會影響安全功能。請注意，兩個相鄰佈線/焊墊之間的短路可能表現為接腳與電源之間、接腳與地之間或相鄰接腳之間的短路，而佈線開路可能轉化為IC開路。所有這些都已納入ADI安全事項應用筆記的接腳FMEA分析，對於支援功能安全的元件，系統整合業者可以在產品網頁中輕鬆找到這些資訊。

結語

本系列文章的主要目的，是指導讀者學會使用ADI安全事項應用筆記中包含的資訊。前兩部分討論了失效率和失效模式分佈。本文作為最後一部分，主要圍繞IEC 61508和ISO 13849討論了接腳FMEA。此外，本系列文章也有助於提升業界對ADI元件相關應用筆記的認知，特別是支援功能安全的元件。針對支援功能安全的元件屬於標準IC而言，儘管並非按照功能安全標準開發，但仍可用於安全關鍵型應用。

參考文獻

1 “ISO 26262.Road Vehicles—Functional Safety, Part 11: Guidelines on Application of ISO 26262 to Semiconductors”，國際標準組織，2018年。

2 “IEC 61508.All Parts.Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems”，國際電子電機委員會(IEC)，2010年。

3 “ISO 13849.Safety of Machinery—Safety-Related Parts of Control Systems, Part 2: Validation”，國際標準組織，2012年。