芯片小课堂 | 失效模式与FMEDA

 

失效模式与FMEDA

 

- 第88期 -

PART 01

 

首先，何谓失效？

ISO 26262中对“故障”、“错误”、“失效”的定义如下：

故障（Fault）: 可引起要素或相关项失效的异常情况。

错误（Error）: 计算的、观测的、测量的值或条件与真实的、规定的、理论上正确的值或条件之间的差异。

失效（Failure）：要素按要求执行功能的能力的终止。

同一个层级中，故障是失效的原因，失效是故障的结果；错误是故障的表现形式。

不同层级间，组件层级的失效最终会引发系统层级的故障。

如上图故障分为三类：

系统性软件故障

系统性硬件故障

随机硬件故障

这里我们重点讨论随机硬件故障。一块ECU由数以万计的元器件组成，每个元器件都有发生随机失效的可能，但并不是所有元器件的失效都会导致违背安全目标；有些元器件的失效会直接导致违背安全目标；而有些元器件需要与另一个元器件同时发生失效才会违背安全目标。因此，我们将随机硬件故障类型进行进一步的细分为：单点故障、 残余故障、 可探测的双点故障、可感知的双点故障、 潜伏的双点故障和安全故障等。
 

1.单点故障

直接导致违背安全目标；

硬件要素故障，对于该硬件要素，没有任何安全机制预防其某些故障违背安全目标。

2.残余故障

可直接导致违背安全目标

硬件要素的故障，对于该硬件要素，有至少一个安全机制预防其某些违背安全目标的故障。

3.可探测的双点故障

仅与另一个(双点故障有关的)独立硬件故障联合才能导致安全目标的违背。

被防止其潜伏的安全机制所探测。

4.可感知的双点故障

仅与另一个(双点故障有关的)独立硬件故障联合才能导致安全目标的违背

在规定的时间内被驾驶员所感知（有或无安全机制探测）。

5.潜伏的双点故障

仅与另一个(双点故障有关的)独立硬件故障联合才能导致安全目标的违背。

不被安全机制所探测也不被驾驶员感知。直到第二个独立故障发生前，系统始终可以运行且驾驶员也不知道发生了故障。

6.安全故障

指某个故障，它不会显著地增加违反安全目标的概率。

 

PART 02
 

FMEDA

什么是FMEDA?

FMEDA-失效模式影响与诊断分析(Failure Mode Effect and Diagnostic Analysis)是产品设计定量分析的基础，可以用来分析整个系统也可以用来分析系统的某个模块单元。

系统失效的过程往往是从单元(器件)的异常情况(故障)开始导致测量值与规定值不符(误差)，最终使系统或单元失去执行某项功能的能力(失效)。失效率指系统或零件在单位时间内失效的概率，其单位通常用FIT表示，1FIT=10-9 /h。

产品设计过程中， FMEDA可以同时分析以上三个指标，度量产品的硬件设计是否符合相应的安全要求。产品设计的过程中SPFM 和LFM 可以用来验证硬件构架设计应对随机失效的鲁棒性，PMHF用来评估随机硬件失效率导致违反安全目标的风险已经足够小。

FMEDA计算公式：

1.单点故障度量指标SPFM:

2.潜在故障度量指标LFM：

3.随机硬件失效率PMHF:

上式中各个符号的含义如下：

下面的公式为IEC TR 62380中关于半导体的可靠性数学预测模型：

其中各个参数含义如下：

裸片失效率 λdie：

对于某一种器件工艺类型，λ1和λ2均可以通过查表法获得，N可以通过芯片设计EDA工具统计得到，器件工艺类型的温度系数：

参数πt是器件工艺类型在对应的芯片结温tj下获得的，芯片的结温tj可以通过以下公式计算得到:

其中，tac即为工作剖面中的参数，Rja为封装的热阻，P为芯片的功耗。

其中各项参数都和工作剖面有关，即产品在完成规定任务这段时间内所经历的时间和环境的时序描述。芯片在工作时环境温度是在不停变化的，同时也存在运行状态和非运行状态。

IEC TR 62380中列举了如下表的2种典型的工作剖面，带入工作剖面前半部分的各项参数，即可获得对应的温度系数。

裸片中往往混合着多种工艺类型的器件，可以通过叠加求和的方式得到整个裸片的失效率。其中由于λ2是有关集成电路工艺技术的失效率，和晶体管数量无关，因此λ2推荐在叠加求和的时候要根据各个工艺器件的晶体管数N进行加权平均得到。因此对于混合工艺的裸片的失效率计算公式如下：

封装失效率 λpackage：

对于某一特定封装，πα和λ3均可以通过查表法简单计算获得，而温度循环系数:

其中的各项参数也都和工作剖面后半部分的参数有关，根据IEC TR 62380：

ni表示的为1年内的循环次数，每年不使用车辆的天数为30天，则使用的天数为335天，进而夜晚启动的次数为每年670次，相应的白天启动的次数为每年1340次，则：

其中，(tac)i取工作剖面中的加权平均值计算得到(tac)i=60℃，(tae)i则根据下表给出：

可见，通过“世界范围”方式计算出的结果和在工作剖面中直接给出的公式是一致的。

另外，λpackage是包括了封装内部的失效率（框架连接和焊盘）和封装外部与PCB的焊点失效率，作为芯片开发者，FMEDA只要在计算的时候考虑其中占比80%的封装内部的失效率即可。

电过应力失效率 λoverstress：

由于λEOS电子过应力属于系统性失效，因此在FMEDA时，这部分不应该被计算在内。

由于不同的产品应用导致的危害不同，ISO26262引入了安全等级和量化指标。FMEDA作为定量分析的核心技术得到从业者越来越多的关注。