運用安全事項應用筆記實現安全設計——第2部分：FMEDA數據導入

作者：ADI 資深功能安全工程師 Bryan Angelo Borres

摘要

在完成合理性校驗，確認元件功能安全(FS)失效率、失效模式分佈(FMD)及接腳失效模式與影響分析(FMEA)的推導假設成立後，系統整合商下一步需將這些資料導入其系統的失效模式、影響與診斷分析(FMEDA)中。ADI的安全事項應用筆記提供了多種計算失效率、裸晶FMD及接腳FMEA的方法。系統整合商可根據自身在安全相關系統(SRS)設計或透過FMEDA展開技術安全分析的經驗，採用不同方式來運用這些資訊。本系列文章的第2部分，便是介紹一種結合裸晶FMD與接腳FMEA來推導FS元件失效率分佈的方法。

引言

在《瞭解安全事項應用筆記》系列文章第2部分中，我們將以電源電路失效模式、影響與診斷分析(FMEDA)為例，展示元件級FMEDA的建構方法（如圖1所示）。ADI的安全事項應用筆記中包含可直接複製至圖1中FMEDA重點標示區域的安全相關資訊。本系列文章第2部分目的在說明如何擷取元件安全事項應用筆記中的資訊，並將其應用於系統級FMEDA分析。1-3

Figure 1. How a part’s failure rate and failure mode distribution (FMD) are placed in an FMEDA.
圖1：元件失效率與失效模式分佈(FMD)在FMEDA中的填入方式

選擇可靠性預測方法

在功能安全(FS)元件的安全事項應用筆記中找到安全相關資訊，並對所採用的假設完成合理性校驗後，系統整合商下一步需為具體的應用選擇合適的可靠性預測方法，如圖2所示。為此，需要與技術安全分析方法保持一致。例如，使用統一的可靠性預測資料來源。

Figure 2. The ADP7156’s reliability predictions from its safety application note.
圖2：ADP7156的安全事項應用筆記中提供的可靠性預測

表1：FMEDA案例 - 僅展示ADP7156基於IEC 62380方法的失效率資訊
元件 功能 失效率(FIT) 失效模式 FMD
低壓差(LDO)穩壓器 致能後1.2ms內提供3.3V±1.5%的低雜訊穩壓輸出 7.15    
0.39    

ADI安全事項應用筆記提供三種可靠性預測方法：SN 29500、IEC 62380或基於實驗室測量的高溫工作壽命(HTOL)方法。《瞭解安全事項應用筆記》系列文章第1部分討論了各種方法之間的差異。值得注意的是，HTOL與SN 29500方法可以提供整個積體電路(IC)的失效率，而IEC 62380方法則分別提供裸晶與封裝的失效率。 1,4

如果選擇HTOL或SN 29500方法，則可以藉由專家判斷，將總失效率進一步分解為裸晶失效率與封裝失效率。例如，汽車功能安全標準ISO 26262:2018—11第4.6.2.1.2.4節中提供的SN 29500基礎失效率，可採用與IEC 62380方法相同的比例，分解為裸晶失效率與封裝失效率。5

將圖1中重點標示資訊應用於ADP7156後，表1展示了基於IEC 62380方法、採用裸晶失效率(7.15 FIT)與封裝失效率(0.39 FIT)填充的失效率列。

填充裸晶FMD列

安全事項應用筆記中所示的FMD指的是裸晶FMD，其依據元件的裸晶面積占比、複雜程度及工程專業判斷推導得出。因此，該資料可直接填入對應元件的系統級FMEDA中的失效模式與FMD部分。具體參見表2。若無安全事項應用筆記，系統整合商通常需按照IEC 61508‑2:2010表A.1，將失效率平均分配至各失效模式。藉由安全事項應用筆記，則可獲得基於實際IC分析得出的失效模式分佈。

表2：FMEDA案例 - 展示ADP7156失效率與裸晶FMD
元件 功能 失效率(FIT) 失效模式 FMD
LDO穩壓器 致能後1.2ms內提供3.3V±1.5%的低雜訊穩壓輸出 7.15 VOUT關斷或箝位在接近0V的低位準 29%
VOUT穩壓調節結果高於目標值 12%
VOUT穩壓調節結果低於目標值 9%
VOUT輸出振盪，但仍在穩壓範圍內 6%
VOUT箝位在接近VIN的水準 24%
VOUT建立時間>1.2ms 3%
VOUT 輸出振盪，且超出穩壓範圍 1%
對系統功能無影響 16%
0.39

表1需將與接腳失效模式相關的0.39 FIT進行分配。

生成接腳FMD

藉由接腳失效模式與影響分析(FMEA)，可根據安全事項應用筆記中提供的接腳FMEA表推導出接腳FMD。通常，裸晶FMD中的失效模式與接腳FMD相近，因為這些失效模式均與積體電路(IC)的系統功能相關；否則，就會出現一些疏漏，例如表3中部分FMD標註為0%。將接腳FMEA表的影響列中對應的系統級失效模式占比求和至100%，即可得到如表3所示的接腳FMD。

在完成表3所示的FMEDA後，系統整合商需針對其特定安全功能，定義每個IC失效模式的影響，確定各失效模式的失效分類（安全、危險、無影響、無組件），並檢查在既定目標安全完整性等級(SIL)下，所得到的危險未檢測失效率是否夠低。

表3：FMEDA示例 - 展示ADP7156失效率與FMD
元件 功能 失效率(FIT) 失效模式 FMD
LDO穩壓器 致能後1.2ms內提供3.3V±1.5%的低雜訊穩壓輸出 7.15 VOUT關斷或箝位在接近0V的低位準 29%
VOUT穩壓調節結果高於目標值 12%
VOUT穩壓調節結果低於目標值 9%
VOUT輸出振盪，但仍在穩壓範圍內 6%
VOUT箝位在接近VIN的水準 24%
VOUT建立時間>1.2ms 3%
VOUT輸出振盪，且超出穩壓範圍 1%
對系統功能無影響 16%
0.39 VOUT關斷或箝位在接近0V的低位準 32.2%
VOUT穩壓調節結果高於目標值 6.8%
VOUT穩壓調節結果低於目標值 6.8%
VOUT輸出振盪，但仍在穩壓範圍內 3.4%
VOUT箝位在接近 VIN的水準 20.5%
VOUT建立時間>1.2ms 0%
VOUT輸出振盪，且超出穩壓範圍 0%
對系統功能無影響 30.3%

結論

總而言之，運用ADI安全事項應用筆記，可獲得用於填充元件級FMEDA的關鍵資料，進而簡化技術安全分析流程。透過選擇統一的可靠性預測方法（如IEC 62380、SN 29500或HTOL），並將提供的裸晶FMD與接腳FMEA直接映射至分析過程中，系統整合商可準確地將失效率分配至各類功能失效模式。這種系統化方法將工作流程從初始合理性校驗推進至FMEDA輸入部分的完整填充，為安全分析的最終階段奠定重要基礎：對失效進行分類，確定安全及危險失效率，並最終驗證系統是否符合整體SIL要求。

參考資料

1Bryan Borres，「瞭解安全事項應用筆記——第1部分：失效率」，ADI，2015年8月。

2Bryan Borres，「瞭解安全事項應用筆記——第2部分：失效模式分佈」，ADI，2025年10月。

3Bryan Borres，「瞭解安全事項應用筆記——第3部分：接腳FMEA」，ADI，2025年11月。

4 Tom Meany，「積體電路可靠性預測」，ADI，2021年12月。

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