半導體元件有望在產(chǎn)品的整個壽命期內(nèi)可靠運行.選擇可靠性等級最高的設備限制了故障組件在現(xiàn)場導致產(chǎn)品故障的可能性.SITIME晶振提供滿足這一目標的振蕩器,零微機電系統(tǒng)場故障超過2.5億個單位.
零場故障令人印象深刻,但工程師希望確保零件已經(jīng)過充分的可靠性測試.衡量半導體元件可靠性的關鍵指標是平均故障間隔時間,即平均故障間隔時間.MTBF越高,器件的預期壽命越長,因此器件越可靠.本應用筆記描述了SiTime微機電系統(tǒng)振蕩器的測試過程和預測平均溫度系數(shù)的計算.
加速測試
半導體元件的預測平均故障間隔時間是時間故障率的倒數(shù),時間故障率是十億個工作小時后統(tǒng)計上預期的故障數(shù).測試器件達10億小時顯然是不現(xiàn)實的,因此常用的方法是在更短的時間內(nèi)在高溫和電壓下進行加速測試(老化)并外推.
SiTime在設定為125℃工業(yè)耐高溫晶振標準溫度的室內(nèi)進行老化測試.然而,由于器件上電時的散熱,在應力測試和運行期間,結溫通常會上升5度.表1中的值考慮了這一點.溫度引起的加速度因子AFT遵循阿倫尼烏斯關系,并使用公式1參考標準工作溫度進行計算.
表1溫度引起的加速因子的參數(shù)值
測試SiTime振蕩器的標稱工作電壓為3.3伏.壓力測試是在3.6伏的電源電壓下進行的,比標稱電壓高出約10%.電壓引起的加速度因子AFV通過公式2計算,參數(shù)如表2所示.
表2由電壓引起的加速因子的參數(shù)值
SiTime振蕩器的結果
SiTime壓力測試了數(shù)千個有源貼片振蕩器,累計測試時間為3,307,000個器件小時,無故障.使用統(tǒng)計方法,可以在一定程度上有把握地預測十億小時后的故障數(shù),使用等式3,其中n是老化測試的器件小時數(shù).
對于90%的置信水平零失敗,χ2統(tǒng)計值為4.6.插入等式3,FIT0比率為696.3.現(xiàn)在有必要使用等式1和等式2中的加速度因子來校正加速試驗條件.調(diào)整后的最終擬合率由公式4給出.
使用表1和表2中的值計算加速度因子和上述FIT0值,SiTime振蕩器的最終FIT為:
MTBF是擬合率的倒數(shù),用幾十億小時表示.對于上述計算的適合率,平均無故障時間約為11.4億小時或超過13萬年.如圖1所示,這大大超過了競爭石英晶體振蕩器的平均無故障時間.
圖1.基于硅微機電系統(tǒng)和石英振蕩器的MTBF可靠性
結論
SiTime可靠性測試顯示擬合率小于0.9,相當于1.14億小時的平均無故障時間(MTBF).這是石英振蕩器MTBF的30倍,使SiTime微機電振蕩器成為市場上最可靠的有源晶振.
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