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美國SiTime Oscillator可靠性計算

來源：金洛鑫瀏覽：- 發布日期：2019-09-09 10:41:42【大中小】

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眾所周知,SiTime Corp.公司是美國規模最大的MEMS可編程振蕩器的生產廠家之一,2005年的時候SiTime晶振創新了低成本MEMS的先河,使MEMS振蕩器在十幾年里得到飛躍般的發展.SiTime Oscillator產品系列均符合國際上所有電子元件認證標準,在生產過程中嚴格管控污染源,在無鉛無害的環境下制造振蕩器.目前SiTime Oscillator在市場上的流通性算是比較大的,預計半導體元件將在產品的整個使用壽命期間可靠地運行.選擇具有最高可靠性等級的設備將有助于防止由于設備原因導致的市場中的產品故障.截至2019年1月,SiTime已提供超過4.5億個振蕩器,其目標是在MEMS貼片晶振中實現零市場缺陷.

市場缺陷0非常令人印象深刻,但工程師要求零件在足夠的時間線上可靠.評估半導體元件可靠性的一個重要措施是從故障到故障的平均時間(平均故障間隔時間(以下簡稱MTBF)).因此,MTBF越大,設備越可靠,使用壽命越長.本應用筆記介紹了SiTime MEMS時鐘晶體振蕩器的測試過程和MTBF的計算.

加速測試

MEMS Oscillator預測MTBF是每小時故障率(FIT)的倒數.這是統計運行10億小時后的預期故障數.但是,測試設備10億小時是不切實際的.因此,在短時間內在升高的溫度和電壓(老化)下進行加速測試是常用的方法.

SiTime在設定為工業標準溫度(125°C)的腔室中進行老化測試.然而,在壓力測試和操作期間,由于產生的熱量相當于部件通電時的功耗,因此結溫通常會增加5度.表1中的值考慮了這些因素.使用Arrhenius關系式和下面的等式1,基于標準操作貼片晶振溫度計算溫度加速因子AFT.

表1.由于溫度引起的加速因子的參數值

參數	描述	值
Ea	活化能	0.7eV
K	玻爾茲曼的常數	8.63x10-5
To	工作溫度	30°C或303K
Ts	壓力下的溫度	130°C或403K

SiTime貼片晶振的標稱工作電壓為3.3V.在壓力測試中,電源電壓(3.6V)比標稱電壓高約10％.使用表2和等式2中指定的參數計算電壓加速因子AFV.

美國SiTime Oscillator可靠性計算

表2.由電壓引起的加速因子的參數值

參數	描述	值
Y	Gamma,柵極氧化物的電壓指數因子	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振蕩器結果

SiTime的累計測試時間為3,307,000小時.晶振經過壓力測試,但沒有出現故障.接下來,通過使用如等式3所示的統計方法,可以預測與10億小時之后的缺陷數量相對應的可靠性的度量.這是老化檢查的設備時間值.

作為計算的結果,對于缺陷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.這對于使用來自等式1和2的加速因子來校正加速度測試條件是必要的.然后,通過等式4獲得校正后的最終FIT.

美國SiTime Oscillator可靠性計算

使用表1和表2中的值計算加速因子和FIT0值,SiTime振蕩器的最終FIT值為:FIT=0.88

MTBF是FIT的倒數,以數十億小時表示.根據上面計算的FIT,MTBF約為11.4億小時(130,000年).如圖1所示,可以看出MTBF比競爭對手的基于晶體的有源晶振高幾個數量級.

圖1.SiTime基于MEMS和石英的振蕩器在MTBF方面的可靠性

可靠性測試表明SiTime振蕩器小于0.9FIT,相當于11.4億小時或更多的MTBF.該結果比晶體MTFB好30倍,表明SiTime MEMS諧振器在定時器件市場中最可靠.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比較SiT-AN10031MEMS和石英振蕩器的電磁敏感性比較.

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