集成電路可靠性預(yù)測(cè)

具有良好的可靠性是功能安全的 3 大支柱之一，因此可靠性預(yù)測(cè)非常重要，如果沒(méi)有其他方法可以允許在不同架構(gòu)之間進(jìn)行比較，但 IEC 61508 確實(shí)對(duì)每小時(shí)危險(xiǎn)故障概率有強(qiáng)制性值，為了滿足這一點(diǎn)，您需要可靠性預(yù)測(cè)。但是，在有人發(fā)表評(píng)論之前，可以使用冗余和診斷來(lái)使用不可靠的組件設(shè)計(jì)一個(gè)安全的系統(tǒng)，我在最近的博客中談到了這一點(diǎn)。也可以使用可靠的組件設(shè)計(jì)不安全的系統(tǒng)，但我跑題了。然而，正如我所說(shuō)，可靠性以及HFT（硬件容錯(cuò)），SFF（安全故障分?jǐn)?shù)）以及采取措施防止引入設(shè)計(jì)錯(cuò)誤是功能安全的支柱。

圖1 ADI公司可靠性手冊(cè)中的浴盆曲線

許多物品的可靠性遵循通常稱(chēng)為浴缸曲線的形狀，如上所示。首次通電時(shí)，故障率可能很高，一旦超過(guò)物品的使用壽命，故障率再次很高，但在其壽命中期，可靠性達(dá)到穩(wěn)定的故障率，這是通常用于可靠性預(yù)測(cè)的數(shù)字。開(kāi)始時(shí)的延長(zhǎng)期可能為48小時(shí)或更短，ADI公司會(huì)進(jìn)行ELF（早期故障）測(cè)試，以測(cè)量此故障率并調(diào)試其制造工藝以消除此類(lèi)故障。半導(dǎo)體的磨損階段通常為20年或更長(zhǎng)時(shí)間，但取決于任務(wù)概況（在不同溫度下花費(fèi)的時(shí)間）。還進(jìn)行了測(cè)試以確保此使用壽命，HTOL – 高溫工作壽命，以及使用DRC（設(shè)計(jì)規(guī)則檢查器）和其他工具。

對(duì)此數(shù)據(jù)的批評(píng)是，它只包括隨機(jī)硬件故障，不包括由于系統(tǒng)原因引起的故障。這種批評(píng)是有道理的，因?yàn)槿绻鸄DI在HTOL測(cè)試期間發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，則會(huì)修復(fù)故障，并消除故障源。因此，基于HTOL的數(shù)據(jù)不包括由于客戶誤用設(shè)備而導(dǎo)致的故障，由于誤讀或數(shù)據(jù)表不準(zhǔn)確的故障，由于未正確保護(hù)設(shè)備免受電氣過(guò)應(yīng)力而導(dǎo)致的故障等。但是，我對(duì)此很好，因?yàn)槲艺J(rèn)為我們應(yīng)該只使用包含隨機(jī)硬件故障率的數(shù)據(jù)，因?yàn)樵贗EC 61508等功能安全標(biāo)準(zhǔn)中，隨機(jī)和系統(tǒng)故障的處理方式不同。

可靠性數(shù)據(jù)以FIT（時(shí)間故障）引用，F(xiàn)IT（在1億年的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)預(yù)期的故障次數(shù)）。當(dāng)某些東西具有非常高的可靠性時(shí)，可以使用該單位，因?yàn)樗峁┮子诮忉尩臄?shù)字，例如 10 FIT 或 100 FIT，而不是 1e-8/h 和 1e-7/h。如果某物的 FIT 為 1，這并不是說(shuō)該設(shè)備的壽命為 1 億年，而是如果您有 1 萬(wàn)臺(tái)設(shè)備運(yùn)行 1000 小時(shí)，如果 FIT 為 1，則可以預(yù)期由于隨機(jī)硬件故障問(wèn)題而導(dǎo)致的一次故障。

FIT實(shí)際上是在60%的置信水平和90%的置信水平下給出的。功能安全標(biāo)準(zhǔn)通常尋找70%或其他置信水平的數(shù)字，我之前寫(xiě)過(guò)一篇關(guān)于如何從一個(gè)置信度轉(zhuǎn)換到另一個(gè)置信度的博客，見(jiàn)這里。該工具僅允許您輸入平均工作溫度，雖然這對(duì)于工業(yè)應(yīng)用通常是可以接受的，但我們的汽車(chē)同事使用更令人印象深刻的任務(wù)配置文件來(lái)反映更高溫度下的更高故障率。在這些情況下，可以將上述預(yù)測(cè)輸入Excel電子表格，并使用Arrhenius方程求解任意任務(wù)配置文件的可靠性數(shù)字。

如果產(chǎn)品是多芯片解決方案，例如我們的數(shù)字隔離器中經(jīng)常使用的解決方案（光耦合器替代品），則將對(duì)封裝中的每個(gè)芯片進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表中的數(shù)據(jù)基于HTOL（高溫工作壽命）測(cè)試，該測(cè)試是在燃燒爐中進(jìn)行的一種形式或加速測(cè)試。此外，它不僅包括其自身的數(shù)據(jù)，而且通常還包括ADI在該工藝節(jié)點(diǎn)上提交給HTOL測(cè)試的每個(gè)部件的數(shù)據(jù)。還給出了這些部件和測(cè)試溫度（通常為125'c或150'c以獲得加速度系數(shù)）的列表。使用這種替代數(shù)據(jù)是被廣泛接受的。如果您使用的是ADI的新工藝節(jié)點(diǎn)，則不會(huì)有很多先前完成的定性來(lái)收集數(shù)據(jù)，也無(wú)法在60%置信水平下獲得可靠性預(yù)測(cè)，而報(bào)價(jià)的FIT可能非常高。隨著越來(lái)越多的零件在工藝節(jié)點(diǎn)上完成HTOL測(cè)試，置信度會(huì)增強(qiáng)，當(dāng)然，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)故障，報(bào)價(jià)的FIT將會(huì)下降。

如果您不想使用ADI數(shù)據(jù)，那么可靠性預(yù)測(cè)的常見(jiàn)來(lái)源是使用IEC 62380。下面顯示了使用 IEC 62380 預(yù)測(cè)芯片可靠性的公式，對(duì)于我們的客戶來(lái)說(shuō)，使用該公式可能很困難，因?yàn)槟赡懿恢?a target="_blank">晶體管數(shù)量等信息。

圖 3 - 根據(jù) IEC 62380 進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)的公式

該等式并不像看起來(lái)那么糟糕，可以封裝到電子表格中，其中包含下面所示的電子表格中的樣本。

圖 4 - 根據(jù) IEC 62380 進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)的快照

IEC 62380允許輸入更精細(xì)的任務(wù)配置文件。在上面的示例中，總壽命為 7920 小時(shí)（汽車(chē)典型壽命不到 1 年），包括在 -480'C 下為 20 小時(shí)，在 1600'C 下為 23 小時(shí)，在 5200'C 下為 60 小時(shí)。IEC 62380要求單獨(dú)計(jì)算封裝可靠性。

是呢環(huán)保局：郭婷