電子發燒友App
本文依據IEC TR 62380中集成電路的可靠性預測數學模型，對ISO 26262-11:2018中的案例進行推算，方便讀者對這一預測模型的了解；本文為IEC TR 62380介紹的上半部分，著重介紹IC Die失效率的三種計算方法，希望為功能安全硬件開發人員提供一定的幫助。
IEC TR 62380《電子組件、PCBs和設備的可靠性預計通用模型》是涵蓋電路、半導體分立器件、光電組件、電阻器、電容器、壓電組件、顯示器、開關等等電子元器件的可靠性預計模型，模型中包含了環境系數以及材料、工藝和結構等因素相關的系數。并將mission profile 溫度變化的影響放入模型中予以考慮。
ISO 26262-11:2018在進行失效率分析也推薦使用這一標準，本文將通過ISO 26262中的例子來介紹這一預測模型。
1.IEC TR?62380中可靠性預測的計算
?
?
圖1?IEC TR 62380的可靠性預測數學模型
圖2 參數介紹
表1 參數介紹
以上為IEC TR 62380里的內容介紹，感興趣的同學可以去讀一下標準第七章：‘Integrated circuits’，標準里有一個例子，可以推算一下，驗證一下預測模型。
觀察IEC TR 62380的可靠性預測數學模型可以發現：整個數學模型由如下3部分組成：
λdie組件失效率
λpackage封裝失效率
λoverstress電過應力失效率
下面將對組件Die失效率計算的三種方法予以介紹。
2.ISO 26262中的λdie計算
IEC TR 62380中的計算例子針對的是單一類型電路的計算，對芯片來說是遠遠不夠的，如何考慮包含2種及以上的電路類型的情況呢？
λ1表示的每個晶體管的失效率，只有電路類型有關；而λ2的值不受晶體管數量的影響，是使用的工藝相關的參數，一般在較大規模的芯片芯片產品可靠性計算時，λ2只參與一次計算，每種電路都有專門的λ2，在計算包含多種類型電路的芯片λ2,base時面臨如何正確處理λ2的問題；因此在ISO 26262-11中基于IEC TR 62380提出了3個包含多種電路類型的情況的λdie計算方法。
加權平均法
加權平均法：指的是根據每種電路的等效晶體管數量，通過加權平均的方式來計算對應的base失效率，計算模型參考ISO 26262-11:Equation (1)：主要分成2部分，公式的左邊是不同的電路類型的基礎失效，后邊為集成電路在任務剖面（Mission profile）下的影響系數（受工作溫度及對應的時間占比影響）。
圖3 加權平均法的計算模型
已知一個CMOS的MCU、冷卻方式為自然對流、溫度剖面為“motor control”、結溫溫升26.27 C、PQFP 144引腳封裝、包含50k CPU和16kB SRAM；參考ISO 26262-11及相關內容描述。
λ1和λ2的選取
根據輸入的CPU、SRAM電路類型，查詢ISO 26262-11:Figure 10；即下圖，相應的參數選擇已標注：
圖4?λ1/2的參數選擇
表2?λ1/2的選值和晶體管的數量
λbase失效率的計算
λbase的數學模型如下：
圖5?λbase的數學模型
代入CPUSARM的的選值和晶體管的數量，得：
表3
溫度De-rating系數的計算
溫度De-rating系數用來評估工作環境溫度對組件Die失效率的影響大小，在這里由于篇幅問題，就不做詳細計算，直接引用Per calendar hour計算結果0.17，計算過程見之后的文章：《Mission profile的使用》。
λdie的計算
將基礎失效率和溫度De-rating系數代入：
表4
保守法
保守法：指的是選取電路類型中最大的值以及最大溫度De-rating系數計算λ2對應的base失效率，計算模型參考ISO 26262-11:Equation?(2)：
圖6 保守法的計算模型
例1
參考ISO 26262-11:Table 3，這個例子沒有進行詳細的分步計算，表格中已經列出了各個階段的結果值，供讀者理解保守法的計算模型：
圖7 ISO 26262 Part11:Table 3
計算過程如下：
經過上面的計算我們知道Base失效率要乘以溫度De-rating系數才能得到最終的實際有效結果，在例1中選取了最大的λ2和溫度De-rating系數0.17進行計算；但是如果電路的溫度De-rating系數不相同呢？ISO 26262-11：Table 4及計算過程給出了答案。 ? ?
例2
參考ISO 26262-11：Table 4；輸入條件如下：
Mission profile仍然是“Motor Control”；
生產年份是2018年，因此 α 的值為20；
Step 1:?λ1和λ2的選取
ISO 26262-11：Table 4中直接列出了3種element對應的和，因此不需要查表。
圖8 ISO 26262 Part11:Table 4
Step 2：溫度De-rating系數的計算
羅列計算溫度De-rating系數所需的參數，Mission profile:“Motor Control”
表5
這里需要注意的是：由于element 3是的類型是linear circuits HV，包含2種技術結構，所以這個例子使用的πt計算模型有2個。
圖9 πt的計算模型選擇
將上表中的參數、計算模型代入溫度De-rating系數的計算公式中去，得：
?
表6
Step 3：失效率的計算
將step 1、2中的參數代入到下面的計算公式中，得：
?
表7
一體法
一體法是將芯片作為一個整體去考慮、不在區分內部電路類型，不用根據電路類型選取參數、也不用考慮不同電路晶體管數量和使用的技術的影響；由于只有一種類型電路，計算模型可以直接參考IEC TR 62380介紹的標準模型。
圖10 一體的計算模型
輸入參數（參考ISO 26262-11:Table 5）
圖11 參考ISO 26262-11:Table?5
輸入參數和參數的選擇與加權平均法的例子基本保持一致，后續的計算過程也不在進行詳細介紹；其中主要區別在于將CPU和SRAM當作整體考慮時電路類型選擇的是”Micros”，相應的λ1和λ2的選取如下：
圖12
據說Infineon的TC系列MCU所使用就是將MCU作為一個整體來選取參數，希望有專家能提供一下一些參數，可以嘗試推算一下其FMEDA里的參數。
3.三種方法的結果對比
ISO 26262-11: 4.6.2.1.1.1介紹了三種方法來計算包含2種以上電路類型時的集成電路裸片失效，這三種方法計算的結果會有多大差異？
以（50k gate CPU、16kB SRAM）為例來對比，加權平均法和一體法都使用了這一例子，直接代入計算結果，計算過程可以見2.2.1和2.2.3章節；針對保守法計算結果如下：
表8
將3種方法的結果列入表中進行對比：
表9
λdie三種計算方法的總結：
在晶體管數量較小的情況下，λ2的值對最終結果影響較大；
一體法是最樂觀的，可以理解為：選擇了較小的λ2；但是λ1的值會使λ1的base失效率有所偏大（存儲相關的λ1時DSP的1/20，粗略計算一下存儲比DSP等效晶體管數量多728萬個時，λ1的base失效率的影響將超過λ2）。
加權平均法處于保守法與一體法之間，即考慮了不同電路類型的技術、又兼顧到不同電路所包含的晶體管數量的占比問題；個人推薦。
來源?|?sasetech
參考文章：
[1]?ISO 26262:2018, Road vehicles — Functional safety —Part 11:Guidelines on application of ISO 26262 to semiconductors
[2] IEC/TR 62380:2004, Reliability data handbook — Universal model for reliability prediction of electronics components, PCBs and equipment
編輯：黃飛
?
工商網監
評論