失效率（或稱基準失效率）指單位時間內的故障次數，其常用單位為故障數 / 十億小時（FIT），即十億小時內出現一次故障，該指標用于衡量產品在使用壽命內的故障概率。圖 1 為電子元器件的可靠性浴盆曲線模型，該曲線分為三個階段：早期失效（又稱早期損耗失效）階段、使用壽命（又稱恒定失效 / 隨機失效）階段、耗損失效階段。本文的討論重點為元器件使用壽命階段的失效率。

1. 顯示為可靠性浴缸曲線。

了解電子系統中元件的失效率對于進行可靠性預測以評估整體系統可靠性至關重要。可靠性預測涉及指定可靠性模型、應假設的失效模式、診斷間隔和診斷覆蓋范圍。這些預測作為可靠性建模技術的輸入，如失效模式與效應分析（FMEA）、可靠性塊圖（RBD）、故障樹分析（FTA）等。

與功能安全相關，預測安全相關系統隨機硬件故障相關的定量可靠性，需符合基本功能安全標準IEC 61508的第二部分。3 它規定了安全相關系統（SRS）硬件方面的要求。表中顯示了這些SIL目標相對于SRS危險失效概率的關系。

如何開始預測系統可靠性

存在多個數據庫，供系統集成商在設計系統時使用。電子和非電子元件的故障率數據來源包括IEC技術報告62380：2004、西門子標準SN 29500、ADI組件平均失效時間（MTTF）數據、現場回報和專家判斷。

ADI組件MTTF數據可在 analog.com 的可靠性部分找到。可靠性數據和資源部分包括晶圓制造數據、組裝/封裝工藝數據、Arrhenius/FIT速率計算器、百萬分之一計算器和可靠性手冊。圖2展示了每個資源子部分的內容。

2. 模擬設備的可靠性數據和資源。

為了幫助理解半導體前三個故障率數據來源之間的區別——專注于阿累尼烏斯高溫工作壽命（HTOL）的ADI組件MTTF數據、西門子標準SN 29500和IEC TR 62380：2004——接下來的章節將對這些方法及其相關數據庫提供一些見解。

什么是阿倫尼烏斯HTOL？

HTOL是JEDEC標準中最常用的加速壽命測試之一，用于估算元件失效率。高壓（HTOL）測試旨在模擬設備在高溫下的工作，以提供足夠的加速度，模擬多年在常溫（通常為55°C）下的工作。 因此，HTOL估算半導體元件（例如MTTF）在加速應力條件下的長期可靠性，這些應力壓縮了模擬元件壽命的時間，同時加熱并維持其工作電壓。

放大可靠性計算細節，在加速測試條件下生成的數據（125°C等效條件下1000小時）通過激活能為0.7 eV的阿累尼烏斯方程轉換為終端用戶運行條件下的壽命（55°C下10年）。卡方統計分布用于計算基于HTOL測試單位數的失效率數據的置信區間（60%和90%）。

其中：

• x² 是卡方逆分布，其值取決于失敗次數和置信區間

• N 是測試的 HTOL 單元數

• H 是 HTOL 測試的持續時間

• at 是根據阿累尼烏斯方程計算的從測試到使用條件的加速度因子

晶圓制造數據是 analog.com 可用的可靠性數據和資源之一。點擊它會獲得包含產品整體壽命測試數據摘要的數據。該數據包括總體樣本量、失效數量、55°C時等效設備小時數、FIT值（基于HTOL數據）以及60%和90%置信水平下的MTTF數據。圖3展示了一個例子。

3. analog.com 的晶圓制造數據標簽頁

功能安全通常需要70%的置信水平，因此90%的水平可以保守使用。或者可以通過類似《如何改變你可靠性預測的置信度水平》中展示的過程進行轉換。

什么是西門子規范29500？

SN 29500標準是一種基于查找表的標準，由西門子發起，廣泛作為ISO 13849可靠性預測的基礎。通過失敗率計算可靠性預測，即在特定環境和功能運行條件下，在時間區間內平均可預期的故障比例。該標準被認為是確定元件失效率的一種保守方法。

每個設備類別的參考FIT值基本上是通過特定組件類別的字段返回確定的。因此，它們將包括應用中出現的任何類型的失效，而不僅僅是前節HTOL方法所誘導的內在失效。這包括因電氣過應力（EOS）導致的故障，而在用于HTOL測試的受控實驗室環境中，這種情況不會發生。

方程2展示了SN 29500-2如何推導集成電路的失效率。首先，它提供了一個參考失效率，該率對應于標準定義參考條件下的元件失效率。由于參考條件不總是相同，標準還提供了轉換模型，用于根據應力作條件（如電壓、溫度和漂移敏感性）計算失效率，如方程2所示。

其中：

• λ_ref 是參考條件下的失效率，隨晶體管數量增長而變化

• π_U 是電壓依賴因子

• π_T 是溫度依賴因子

• π_D 是漂移靈敏度因子

根據集成電路的性質，方程2可以有所不同。例如，當它是具有較大工作電壓范圍的模擬IC時，可以使用方程2。對于所有其他具有固定工作電壓的模擬IC，電壓依賴因子將設為1。對于數字CMOS-B系列，漂移靈敏度因子將設為1。最后，所有其他IC的電壓依賴和漂移靈敏度因子都設為1。

請注意，IEC 617099 標準提供了如何將可靠性預測從一組條件轉換到另一組條件的信息，這似乎是 SN 29500 背后的理論。

什么是IEC技術報告62380：2004？

IEC 62380 是另一個常用的用于估算集成電路失效率的標準。該標準于2004年發布，隨后被IEC 61709取代。盡管如此，IEC 62380標準仍被用作汽車功能安全標準ISO 26262：2018的參考;它仍然可以在第11部分作為電子元件可靠性預測模型提供。該標準將IC的失效率計算為芯片、封裝和EOS的總和。根據IEC TR 62380和ISO 26262-11：2018的FIT計算表達式見公式3。

其中：

• λdie是芯片失效率，包含晶體管數量、集成電路系列及所用技術，以及溫度、工作時間和年周期影響因子等任務參數

• λ_package是封裝失效率，包含與熱因數、熱膨脹、任務周期溫度因子以及集成電路封裝相關的參數

• λ_overstress是具有對應不同外部接口項的超應力失效率

ADI安全應用說明中的失效率

除了 analog.com 中可找到的可靠性數據外，模擬器件（ADI）元件的可靠性預測也可在集成電路的安全應用說明中找到，該說明通常在IC被標記為FS支持時提供。例如，LTC2933的安全應用說明顯示了該零件的FIT值，這些值是根據HTOL、SN 29500和IEC 62380可靠性預測方法得出的。這可以在圖4、5和圖6中看到。

4. 根據LTC2933安全應用說明，基于Arrhenius HTOL的FIT。

5. 根據LTC2933安全應用說明，基于SN 29500的FIT。

6. 根據LTC2933安全應用說明，基于IEC 62380的FIT。

圖中表格顯示了FIT值及考慮的條件。系統積分器可以利用表格中的可用信息自行計算FIT，前提是條件不同。

結論

本文概述了集成電路中三種最常見的可靠性預測技術，即Arrhenius HTOL、SN 29500和IEC 62380。基于阿累尼烏斯公式并利用HTOL測試數據計算，得出FIT中的失效率。SN 29500提供了參考失效率和轉換模型，以考慮不同的應力作條件。IEC 62380 提供了電子元件的失效率，即芯片失效率、封裝失效率和超應力失效率的總和。

對于ADI，元件的失效率可以在 analog.com 或元件的安全應用說明中找到。安全應用說明的優點在于它基于上述三種方法提供組件的可靠性預測。此外，計算此類FIT值所需的信息也被公開，供系統積分器在不同作條件下自行重新計算。