半導體元件有望在產品的整個壽命期內可靠運行.選擇可靠性等級最高的設備限制了故障組件在現場導致產品故障的可能性.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微機電系統振蕩器的測試過程和預測平均溫度系數的計算.

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,時間故障率是十億個工作小時后統計上預期的故障數.測試器件達10億小時顯然是不現實的,因此常用的方法是在更短的時間內在高溫和電壓下進行加速測試(老化)并外推.

SiTime在設定為125℃工業耐高溫晶振標準溫度的室內進行老化測試.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,參數如表2所示.

表2由電壓引起的加速因子的參數值

SiTime振蕩器的結果

SiTime壓力測試了數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,使用等式3,其中n是老化測試的器件小時數.

對于90%的置信水平零失敗,χ2統計值為4.6.插入等式3,FIT0比率為696.3.現在有必要使用等式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,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.