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美國SiTime Oscillator可靠性計(jì)算
眾所周知,SiTime Corp.公司是美國規(guī)模最大的MEMS可編程振蕩器的生產(chǎn)廠家之一,2005年的時(shí)候SiTime晶振創(chuàng)新了低成本MEMS的先河,使MEMS振蕩器在十幾年里得到飛躍般的發(fā)展.SiTime Oscillator產(chǎn)品系列均符合國際上所有電子元件認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格管控污染源,在無鉛無害的環(huán)境下制造振蕩器.目前SiTime Oscillator在市場(chǎng)上的流通性算是比較大的,預(yù)計(jì)半導(dǎo)體元件將在產(chǎn)品的整個(gè)使用壽命期間可靠地運(yùn)行.選擇具有最高可靠性等級(jí)的設(shè)備將有助于防止由于設(shè)備原因?qū)е碌氖袌?chǎng)中的產(chǎn)品故障.截至2019年1月,SiTime已提供超過4.5億個(gè)振蕩器,其目標(biāo)是在MEMS貼片晶振中實(shí)現(xiàn)零市場(chǎng)缺陷.
市場(chǎng)缺陷0非常令人印象深刻,但工程師要求零件在足夠的時(shí)間線上可靠.評(píng)估半導(dǎo)體元件可靠性的一個(gè)重要措施是從故障到故障的平均時(shí)間(平均故障間隔時(shí)間(以下簡(jiǎn)稱MTBF)).因此,MTBF越大,設(shè)備越可靠,使用壽命越長.本應(yīng)用筆記介紹了SiTime MEMS時(shí)鐘晶體振蕩器的測(cè)試過程和MTBF的計(jì)算.
加速測(cè)試
MEMS Oscillator預(yù)測(cè)MTBF是每小時(shí)故障率(FIT)的倒數(shù).這是統(tǒng)計(jì)運(yùn)行10億小時(shí)后的預(yù)期故障數(shù).但是,測(cè)試設(shè)備10億小時(shí)是不切實(shí)際的.因此,在短時(shí)間內(nèi)在升高的溫度和電壓(老化)下進(jìn)行加速測(cè)試是常用的方法.
SiTime在設(shè)定為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)溫度(125°C)的腔室中進(jìn)行老化測(cè)試.然而,在壓力測(cè)試和操作期間,由于產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于部件通電時(shí)的功耗,因此結(jié)溫通常會(huì)增加5度.表1中的值考慮了這些因素.使用Arrhenius關(guān)系式和下面的等式1,基于標(biāo)準(zhǔn)操作貼片晶振溫度計(jì)算溫度加速因子AFT.
表1.由于溫度引起的加速因子的參數(shù)值
|
參數(shù) |
描述 |
值 |
|
Ea |
活化能 |
0.7eV |
|
K |
玻爾茲曼的常數(shù) |
8.63x10-5 |
|
To |
工作溫度 |
30°C或303K |
|
Ts |
壓力下的溫度 |
130°C或403K |
SiTime貼片晶振的標(biāo)稱工作電壓為3.3V.在壓力測(cè)試中,電源電壓(3.6V)比標(biāo)稱電壓高約10％.使用表2和等式2中指定的參數(shù)計(jì)算電壓加速因子AFV.
表2.由電壓引起的加速因子的參數(shù)值
|
參數(shù) |
描述 |
值 |
|
Y |
Gamma,柵極氧化物的電壓指數(shù)因子 |
3.88 |
|
Tox |
柵氧化層厚度 |
32? |
|
Vo |
工作電壓 |
3.3V |
|
Vs |
壓力下的電壓 |
3.6V |
SiTime振蕩器結(jié)果
SiTime的累計(jì)測(cè)試時(shí)間為3,307,000小時(shí).晶振經(jīng)過壓力測(cè)試,但沒有出現(xiàn)故障.接下來,通過使用如等式3所示的統(tǒng)計(jì)方法,可以預(yù)測(cè)與10億小時(shí)之后的缺陷數(shù)量相對(duì)應(yīng)的可靠性的度量.這是老化檢查的設(shè)備時(shí)間值.
作為計(jì)算的結(jié)果,對(duì)于缺陷0的90％置信水平,X2的值是4.6.將這些值代入等式3得到FIT0為696.3.這對(duì)于使用來自等式1和2的加速因子來校正加速度測(cè)試條件是必要的.然后,通過等式4獲得校正后的最終FIT.
使用表1和表2中的值計(jì)算加速因子和FIT0值,SiTime振蕩器的最終FIT值為:FIT=0.88
MTBF是FIT的倒數(shù),以數(shù)十億小時(shí)表示.根據(jù)上面計(jì)算的FIT,MTBF約為11.4億小時(shí)(130,000年).如圖1所示,可以看出MTBF比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的基于晶體的有源晶振高幾個(gè)數(shù)量級(jí).
圖1.SiTime基于MEMS和石英的振蕩器在MTBF方面的可靠性
可靠性測(cè)試表明SiTime振蕩器小于0.9FIT,相當(dāng)于11.4億小時(shí)或更多的MTBF.該結(jié)果比晶體MTFB好30倍,表明SiTime MEMS諧振器在定時(shí)器件市場(chǎng)中最可靠.SiT-AN10045硅MEMS貼片晶振的彈性和可靠性SiT-AN10032MEMS和石英振蕩器的沖擊和振動(dòng)比較SiT-AN10031MEMS和石英振蕩器的電磁敏感性比較.
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