电子器件可靠性估算原理

描述

1什么是HTOL

HTOL是High Temperature Operating Life的缩写,通常指高温工作寿命测试。

2为什么要进行HTOL测试

主要达成以下两个目标:

• 发现潜早期失效:产品在高温下加速老化,筛选与早期失效相关的故障,以便在产品开发阶段进行设计和制程的优化。

• 可靠性评估:产品在长期高温运行下,同过模型评估产品的早期失效率,为产品质量和可靠性提供重要数据。

3HTOL 测试条件

• 环境温度:增加环境温度使被测试的 IC 的节温或壳温达到125℃左右(不能超过 IC 所能承受的最高温度 )

• 工作电压:最大工作电压

• 偏置条件:缘于材料的疲劳或损耗

4电子器件可靠性估算

浴盆曲线

浴盆曲线是可靠性专家用来描述产品的寿命时间与统计,由三部分组成:早期失效,偶然失效,损耗失效。

电子器件

浴盆曲线

4.1 失效原因

• 早期失效:是由产品的天生缺陷或问题所造成:元器件问题,设计问题或者生产工艺问题。

• 正常生命周期也叫随机失效:源于随机发生的外来因素,自然因素和人的因素引起的,如冲击,高温,高压,过电压

• 损耗失效:缘于材料的疲劳或损耗

4.2 Weibull分布 拟合浴盆曲线

电子器件

威布尔分布在不同形状参数下的失效率图

4.3 早期失效的应对方案--高温老化

早期失效的主要是由构成产品的元器件,设计缺陷 或者生产工艺缺陷。这类缺陷在老化过程中经过一段较长时间,施加一定应力(温度,湿度,压力)才能暴露出来。然后分析,改善。

同时可以通过模型计算可靠性失效率。

温度加速因子:

电子器件

其中,dM/dt是化学反应速率;A是常数;E是引起失效或退化过程的激活能;k是玻尔兹曼常数;T是热力学温度。

假定:t0时刻的状态为M0,为正常状态;t1时刻的状态为M1,为失效状态,时间与温度无关,则:

电子器件电子器件

其中:

电子器件

HTOL 高温老化模使用FIT&MTTF 

来计算可靠性:

HTOL 是通过加速老化,估算常温下的可靠性失效率。最常使用来评估可靠性的是:

FIT:Failures in Time

MTTF:Mean time to failure

MTBF:Mean time between failures

失效率计算:

失效率:总体失效数除以累计工作时长。在HTOL 模型中,累计工作时长:

电子器件

 D=测试器件数量

 H=每个器件测试时间

 Af=加速因子

每小时失效率 (λ)

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r=失效数量

加速因子:

电子器件电子器件

Ea:能效因子

指造成一个失效所需要的最小能能量:氧化失效,光照失效,电子迁移或者脏污。

硅工艺通常接受值为(具体参数由晶圆制造商提供)

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失效数:

失效数量这里会被替代为 Chi-squared (X2)

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X2/2 (Chi-squared/2) 时失效数量的评估

α (alpha), 置信度

(nu):自由度 v=2r+2, r=失效数量

失效率:

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FIT:

工业界使用失效率每10亿(billion)小时

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MTTF:

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6HTOL 失效率

评估整体模型

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7芯朴科技实测HTOL

FIT/MTTF 估算案例

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