半导体元件有望在产品的整个寿命期内可靠运行.选择可靠性等级最高的设备限制了故障组件在现场导致产品故障的可能性.SITIME晶振提供满足这一目标的振荡器,零微机电系统场故障超过2.5亿个单位.
零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.衡量半导体元件可靠性的关键指标是平均故障间隔时间,即平均故障间隔时间.MTBF越高,器件的预期寿命越长,因此器件越可靠.本应用笔记描述了SiTime微机电系统振荡器的测试过程和预测平均温度系数的计算.
加速测试
半导体元件的预测平均故障间隔时间是时间故障率的倒数,时间故障率是十亿个工作小时后统计上预期的故障数.测试器件达10亿小时显然是不现实的,因此常用的方法是在更短的时间内在高温和电压下进行加速测试(老化)并外推.
SiTime在设定为125℃工业耐高温晶振标准温度的室内进行老化测试.然而,由于器件上电时的散热,在应力测试和运行期间,结温通常会上升5度.表1中的值考虑了这一点.温度引起的加速度因子AFT遵循阿伦尼乌斯关系,并使用公式1参考标准工作温度进行计算.
表1温度引起的加速因子的参数值
测试SiTime振荡器的标称工作电压为3.3伏.压力测试是在3.6伏的电源电压下进行的,比标称电压高出约10%.电压引起的加速度因子AFV通过公式2计算,参数如表2所示.
表2由电压引起的加速因子的参数值
SiTime振荡器的结果
SiTime压力测试了数千个有源贴片振荡器,累计测试时间为3,307,000个器件小时,无故障.使用统计方法,可以在一定程度上有把握地预测十亿小时后的故障数,使用等式3,其中n是老化测试的器件小时数.
对于90%的置信水平零失败,χ2统计值为4.6.插入等式3,FIT0比率为696.3.现在有必要使用等式1和等式2中的加速度因子来校正加速试验条件.调整后的最终拟合率由公式4给出.
使用表1和表2中的值计算加速度因子和上述FIT0值,SiTime振荡器的最终FIT为:
MTBF是拟合率的倒数,用几十亿小时表示.对于上述计算的适合率,平均无故障时间约为11.4亿小时或超过13万年.如图1所示,这大大超过了竞争石英晶体振荡器的平均无故障时间.
图1.基于硅微机电系统和石英振荡器的MTBF可靠性
结论
SiTime可靠性测试显示拟合率小于0.9,相当于1.14亿小时的平均无故障时间(MTBF).这是石英振荡器MTBF的30倍,使SiTime微机电振荡器成为市场上最可靠的有源晶振.
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