测试SiTime MEMS振荡器的预测MTBF的处理和计算

1、简介

预计半导体元件在产品的整个寿命期间可靠地运行.选择具有最高可靠性等级的设备可以限制组件故障的可能性导致现场产品故障.SiTime提供满足此目标的振荡器,使用Sitime MEMS振荡器零故障零超过2.5亿台(截至2015年1月).

使用零故障令人印象深刻,但工程师希望确保产品充分测试可靠性.衡量半导体元件可靠性的关键指标是平均故障间隔时间或MTBF.MTBF越高,预期寿命越长设备因此设备越可靠.文中介绍了测试SiTime MEMS振荡器的预测MTBF的处理和计算.

2、测试

半导体元件的预测MTBF与时间故障(FIT)的倒数相反速率,即在10亿个工作小时后统计预期的故障数.它是测试设备十亿小时显然不太现实,所以常见的方法是在升高的温度和电压(老化)下进行加速测试的次数较短小时和推断.

SiTime Crystal在设定为工业标准温度的室内进行老化测试125℃.但是,由于部件通电时散热,通常会有五个-压力测试期间和操作期间结温升高.这是一个因素进入表1中的值.由温度引起的加速因子AFT遵循Arrhenius关系和使用等式1参考标准操作温度计算.

表1.  由于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伏特或比标称电压高约10％的条件下进行.由电压AFV引起的加速因子使用等式2和参数计算如表2所示.

表2.  由电压引起的加速因子的参数值

3、SiTime振荡器的结果

SiTime压力测试了数千个有源晶体振荡器,累计测试时间为3,307,000个器件几小时没有失败.使用统计方法可以预测故障的数量在一定程度的置信度十亿小时之后,使用等式3,其中n是老化测试的设备小时数.

对于零失败的90％置信水平,χ2统计值为4.6.插入等式3导致FIT0率为696.3.现在有必要纠正加速测试使用来自等式1和2的加速因子的条件.调整的最终FIT率是由等式4给出.

使用表1和表2中的值计算加速因子和FIT0值上面,SiTime振荡器的最终FIT是：FIT=0.88

MTBF是FIT率的倒数,以数十亿小时表示.对于FIT率如上所述,MTBF约为11.4亿小时或超过130,000年.这很大对于竞争的石英晶体振荡器,超过报告的MTBF,如图1所示.

图1.  SiTime基于MEMS和石英的振荡器在MTBF方面的可靠性

4、结论

SiTime可靠性测试表明FIT率小于0.9,对应于MTBF 1140万小时.这比石英晶体振荡器的MTBF好30倍SiTime MEMS振荡器是市场上最可靠的振荡器.