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美国SiTime Oscillator可靠性计算

来源：金洛鑫浏览：- 发布日期：2019-09-09 10:41:42【大中小】

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众所周知,SiTime Corp.公司是美国规模最大的MEMS可编程振荡器的生产厂家之一,2005年的时候SiTime晶振创新了低成本MEMS的先河,使MEMS振荡器在十几年里得到飞跃般的发展.SiTime Oscillator产品系列均符合国际上所有电子元件认证标准,在生产过程中严格管控污染源,在无铅无害的环境下制造振荡器.目前SiTime Oscillator在市场上的流通性算是比较大的,预计半导体元件将在产品的整个使用寿命期间可靠地运行.选择具有最高可靠性等级的设备将有助于防止由于设备原因导致的市场中的产品故障.截至2019年1月,SiTime已提供超过4.5亿个振荡器,其目标是在MEMS贴片晶振中实现零市场缺陷.

市场缺陷0非常令人印象深刻,但工程师要求零件在足够的时间线上可靠.评估半导体元件可靠性的一个重要措施是从故障到故障的平均时间(平均故障间隔时间(以下简称MTBF)).因此,MTBF越大,设备越可靠,使用寿命越长.本应用笔记介绍了SiTime MEMS时钟晶体振荡器的测试过程和MTBF的计算.

加速测试

MEMS Oscillator预测MTBF是每小时故障率(FIT)的倒数.这是统计运行10亿小时后的预期故障数.但是,测试设备10亿小时是不切实际的.因此,在短时间内在升高的温度和电压(老化)下进行加速测试是常用的方法.

SiTime在设定为工业标准温度(125°C)的腔室中进行老化测试.然而,在压力测试和操作期间,由于产生的热量相当于部件通电时的功耗,因此结温通常会增加5度.表1中的值考虑了这些因素.使用Arrhenius关系式和下面的等式1,基于标准操作贴片晶振温度计算温度加速因子AFT.

表1.由于温度引起的加速因子的参数值

参数	描述	值
Ea	活化能	0.7eV
K	玻尔兹曼的常数	8.63x10-5
To	工作温度	30°C或303K
Ts	压力下的温度	130°C或403K

SiTime贴片晶振的标称工作电压为3.3V.在压力测试中,电源电压(3.6V)比标称电压高约10％.使用表2和等式2中指定的参数计算电压加速因子AFV.

美国SiTime Oscillator可靠性计算

表2.由电压引起的加速因子的参数值

参数	描述	值
Y	Gamma,栅极氧化物的电压指数因子	3.88
Tox	栅氧化层厚度	32?
Vo	工作电压	3.3V
Vs	压力下的电压	3.6V

SiTime振荡器结果

SiTime的累计测试时间为3,307,000小时.晶振经过压力测试,但没有出现故障.接下来,通过使用如等式3所示的统计方法,可以预测与10亿小时之后的缺陷数量相对应的可靠性的度量.这是老化检查的设备时间值.

作为计算的结果,对于缺陷0的90％置信水平,X2的值是4.6.将这些值代入等式3得到FIT0为696.3.这对于使用来自等式1和2的加速因子来校正加速度测试条件是必要的.然后,通过等式4获得校正后的最终FIT.

美国SiTime Oscillator可靠性计算

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

MTBF是FIT的倒数,以数十亿小时表示.根据上面计算的FIT,MTBF约为11.4亿小时(130,000年).如图1所示,可以看出MTBF比竞争对手的基于晶体的有源晶振高几个数量级.

图1.SiTime基于MEMS和石英的振荡器在MTBF方面的可靠性

可靠性测试表明SiTime振荡器小于0.9FIT,相当于11.4亿小时或更多的MTBF.该结果比晶体MTFB好30倍,表明SiTime MEMS谐振器在定时器件市场中最可靠.SiT-AN10045硅MEMS贴片晶振的弹性和可靠性SiT-AN10032MEMS和石英振荡器的冲击和振动比较SiT-AN10031MEMS和石英振荡器的电磁敏感性比较.

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