电子器件可靠性估算原理

1什么是HTOL

HTOL是High Temperature Operating Life的缩写，通常指高温工作寿命测试。

2为什么要进行HTOL测试

主要达成以下两个目标：

• 发现潜早期失效：产品在高温下加速老化，筛选与早期失效相关的故障，以便在产品开发阶段进行设计和制程的优化。

• 可靠性评估：产品在长期高温运行下，同过模型评估产品的早期失效率，为产品质量和可靠性提供重要数据。

3HTOL 测试条件

•环境温度：增加环境温度使被测试的 IC 的节温或壳温达到125℃左右（不能超过 IC 所能承受的最高温度 ）

•工作电压：最大工作电压

•偏置条件：缘于材料的疲劳或损耗

4电子器件可靠性估算

浴盆曲线

浴盆曲线是可靠性专家用来描述产品的寿命时间与统计，由三部分组成：早期失效，偶然失效，损耗失效。

浴盆曲线

4.1 失效原因

•早期失效：是由产品的天生缺陷或问题所造成：元器件问题，设计问题或者生产工艺问题。

•正常生命周期也叫随机失效：源于随机发生的外来因素，自然因素和人的因素引起的，如冲击，高温，高压，过电压

•损耗失效：缘于材料的疲劳或损耗

4.2 Weibull分布 拟合浴盆曲线

威布尔分布在不同形状参数下的失效率图

4.3早期失效的应对方案--高温老化

早期失效的主要是由构成产品的元器件，设计缺陷 或者生产工艺缺陷。这类缺陷在老化过程中经过一段较长时间，施加一定应力（温度，湿度，压力）才能暴露出来。然后分析，改善。

同时可以通过模型计算可靠性失效率。

温度加速因子:

其中，dM/dt是化学反应速率；A是常数；E是引起失效或退化过程的激活能；k是玻尔兹曼常数；T是热力学温度。

假定：t0时刻的状态为M0，为正常状态；t1时刻的状态为M1，为失效状态，时间与温度无关，则：

其中：

HTOL 高温老化模使用FIT&MTTF

来计算可靠性:

HTOL 是通过加速老化，估算常温下的可靠性失效率。最常使用来评估可靠性的是：

FIT：Failures in Time

MTTF：Mean time to failure

MTBF：Mean time between failures

失效率计算:

失效率：总体失效数除以累计工作时长。在HTOL 模型中，累计工作时长：

D=测试器件数量

H=每个器件测试时间

Af=加速因子

每小时失效率 (λ)

r=失效数量

加速因子:

Ea：能效因子

指造成一个失效所需要的最小能能量：氧化失效，光照失效，电子迁移或者脏污。

硅工艺通常接受值为（具体参数由晶圆制造商提供）

失效数:

失效数量这里会被替代为 Chi-squared (X2)

X2/2 (Chi-squared/2) 时失效数量的评估

α (alpha), 置信度

(nu)：自由度 v=2r+2， r=失效数量

失效率:

FIT:

工业界使用失效率每10亿（billion）小时

MTTF:

6HTOL 失效率

评估整体模型

7芯朴科技实测HTOL

FIT/MTTF 估算案例

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