半導(dǎo)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(shè)備限制了故障組件在現(xiàn)場導(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(dǎo)體元件可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)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(yù)期壽命越長,因此器件越可靠.本應(yīng)用筆記描述了SiTime微機電系統(tǒng)振蕩器的測試過程和預(yù)測平均溫度系數(shù)的計算.

加速測試

半導(dǎo)體元件的預(yù)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(yù)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(shè)定為125℃工業(yè)耐高溫晶振標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力測試和運行期間,結(jié)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(guān)系,并使用公式1參考標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(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(yù)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(jié)論

SiTime可靠性測試顯示擬合率小于0.9,相當(dāng)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.