SiTime MEMS振荡器的可靠性MTBF计算 

SiTime MEMS振荡器的可靠性MTBF计算

1 简介

半导体组件有望在产品的整个生命周期内可靠地运行。 选择具有最高可靠性等级的设备可以限制故障组件导致现场产品故障的可能性。 SiTime 提供满足这一目标的振荡器，超过 2.5 亿个 MEMS 现场故障为零。

零现场故障令人印象深刻，但工程师希望确保零件已经过充分的可靠性测试。 衡量半导体组件可靠性的关键指标是平均无故障时间或 MTBF。 MTBF 越高，设备的预期寿命越长，因此设备越可靠。 本应用笔记描述了 SiTime MEMS 振荡器预测 MTBF 的测试过程和计算。

2加速测试

半导体组件的预测 MTBF 是时间故障 (FIT) 率的倒数，FIT 是在 10 亿工作小时后统计预期的故障数量。 对器件进行 10 亿小时的测试显然是不现实的，因此常见的方法是在升高的温度和电压（老化）下进行加速测试，并进行更短的小时数外推。

SiTime 在设定为 125°C 的行业标准温度的腔室中进行老化测试。 然而，由于部件通电时的散热，在压力测试和操作期间结温通常会升高 5 度。 这被计入表 1 中的值。 由温度引起的加速因子 AFT 遵循 Arrhenius 关系，并使用公式 1 参考标准工作温度进行计算。

公式1

表 1. 温度引起的加速因子的参数值

测试的 SiTime 振荡器的标称工作电压为 3.3 伏。 压力测试是在电源电压为 3.6 伏或比标称电压高出约 10% 的条件下进行的。 电压引起的加速因子 AFV 使用公式 2 计算，参数如表 2 中指定。

公式2

表 2. 电压加速因子的参数值

3 SiTime 振荡器的结果

SiTime 对数千个振荡器进行了压力测试，累计测试时间为 3,307,000 设备小时，无故障。 使用统计方法，可以使用公式 3 以一定的置信度预测 10 亿小时后的故障数量，其中 n 是器件老化测试的小时数。

公式3

对于 90% 的置信水平为零失败，X2 统计量的值为 4.6。 代入方程 3 得到 696.3 的 FIT0 率。 现在有必要使用公式 1 和 2 中的加速因子校正加速测试条件。调整后的最终 FIT 率由公式 4 给出。

公式4

使用表 1 和表 2 中的值来计算上述加速因子和 FIT0 值，SiTime 振荡器的最终 FIT 为：

公式5

MTBF 是 FIT 率的倒数，以十亿小时表示。 对于上面计算的 FIT 率，MTBF 约为 11.4 亿小时或超过 130,000 年。 这大大超过了竞争性石英振荡器的 MTBF，如图 1 所示。

图 1. 基于 SiTime MEMS 和石英的振荡器在 MTBF 方面的可靠性

为了加速 SiTime MEMS 硅晶振产品的应用普及，让中国电子工程师能快速体验 MEMS硅晶振的高稳定性、高可靠性、超小封装、超低功耗、超低抖动等更多优势，SiTime 公司联合本土半导体分销商北京晶圆电子有限公司共同建立 SiTime 样品中心，为用户提供免费样品申请，小批量试产、现货应急、特价申请、技术支持等便捷服务。