半導(dǎo)體元件有望在產(chǎn)品的整個(gè)壽命期內(nèi)可靠運(yùn)行.選擇可靠性等級(jí)最高的設(shè)備限制了故障組件在現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)致產(chǎn)品故障的可能性.SITIME晶振提供滿足這一目標(biāo)的振蕩器,零微機(jī)電系統(tǒng)場(chǎng)故障超過2.5億個(gè)單位.

零場(chǎng)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(cè)試.衡量半導(dǎo)體元件可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)是平均故障間隔時(shí)間,即平均故障間隔時(shí)間.MTBF越高,器件的預(yù)期壽命越長(zhǎng),因此器件越可靠.本應(yīng)用筆記描述了SiTime微機(jī)電系統(tǒng)振蕩器的測(cè)試過程和預(yù)測(cè)平均溫度系數(shù)的計(jì)算.

加速測(cè)試

半導(dǎo)體元件的預(yù)測(cè)平均故障間隔時(shí)間是時(shí)間故障率的倒數(shù),時(shí)間故障率是十億個(gè)工作小時(shí)后統(tǒng)計(jì)上預(yù)期的故障數(shù).測(cè)試器件達(dá)10億小時(shí)顯然是不現(xiàn)實(shí)的,因此常用的方法是在更短的時(shí)間內(nèi)在高溫和電壓下進(jìn)行加速測(cè)試(老化)并外推.

SiTime在設(shè)定為125℃工業(yè)耐高溫晶振標(biāo)準(zhǔn)溫度的室內(nèi)進(jìn)行老化測(cè)試.然而,由于器件上電時(shí)的散熱,在應(yīng)力測(cè)試和運(yùn)行期間,結(jié)溫通常會(huì)上升5度.表1中的值考慮了這一點(diǎn).溫度引起的加速度因子AFT遵循阿倫尼烏斯關(guān)系,并使用公式1參考標(biāo)準(zhǔn)工作溫度進(jìn)行計(jì)算.

表1溫度引起的加速因子的參數(shù)值

測(cè)試SiTime振蕩器的標(biāo)稱工作電壓為3.3伏.壓力測(cè)試是在3.6伏的電源電壓下進(jìn)行的,比標(biāo)稱電壓高出約10%.電壓引起的加速度因子AFV通過公式2計(jì)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(jié)果

SiTime壓力測(cè)試了數(shù)千個(gè)有源貼片振蕩器,累計(jì)測(cè)試時(shí)間為3,307,000個(gè)器件小時(shí),無故障.使用統(tǒng)計(jì)方法,可以在一定程度上有把握地預(yù)測(cè)十億小時(shí)后的故障數(shù),使用等式3,其中n是老化測(cè)試的器件小時(shí)數(shù).

對(duì)于90%的置信水平零失敗,χ2統(tǒng)計(jì)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(yàn)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(jì)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(shí)表示.對(duì)于上述計(jì)算的適合率,平均無故障時(shí)間約為11.4億小時(shí)或超過13萬(wàn)年.如圖1所示,這大大超過了競(jìng)爭(zhēng)石英晶體振蕩器的平均無故障時(shí)間.

圖1.基于硅微機(jī)電系統(tǒng)和石英振蕩器的MTBF可靠性

結(jié)論

SiTime可靠性測(cè)試顯示擬合率小于0.9,相當(dāng)于1.14億小時(shí)的平均無故障時(shí)間(MTBF).這是石英振蕩器MTBF的30倍,使SiTime微機(jī)電振蕩器成為市場(chǎng)上最可靠的有源晶振.