Расчет количественных показателей надежности цифровых БИС с использованием справочника MIL-HDBK‑217F и программы MTBF Calculator фирмы ALD

№ 1’2015
PDF версия
Цель данной статьи — получение навыков расчета количественных показателей надежности цифровых ИС с использованием справочника MIL-HDBK 217 и калькулятора MTBF Calculator фирмы ALD (Израиль).

Теоретические сведения

Интенсивность отказов λi(t) — это количество отказавших изделий в единицу времени, отнесенное к числу изделий, непрерывно работающих к началу рассматриваемого промежутка времени, то есть:

Формула

где Δni — число изделий, отказавших за промежуток времени Δti; ni — число изделий, отказавших к началу промежутка времени Δti; N — общее число изделий.

Интенсивность отказов λ имеет размерность 1/ч. Для измерения интенсивности отказов зарубежные изготовители обычно подсчитывают относительное число приборов, которые могут отказать в течение каждых 105 ч работы (то есть процент на 1000 ч). Более предпочтительной единицей измерения является количество отказов на 109 ч (так называемый ФИТ), поскольку она позволяет более удобно и наглядно отразить сверхмалые интенсивности отказов БИС. Таким образом, 1 ФИТ =  10–4%/1000 ч = 10–9 1/ч.

Бесплатный инструмент прогнозирования надежности — MTBF Calculator, поддерживающий 26 международных стандартов прогнозирования надежности, в том числе MIL-HDBK‑217F2, FIDES, Telcordia Issue 2, HRD5 Telecom, Bellcore, NSWC и другие.

MTBF Calculator рассчитывает среднее время наработки между отказами (MTBF) и интенсивность отказов (FR) для электронных и механических компонентов. Пользователь выбирает тип компонента, температуру, условия эксплуатации, метод прогнозирования, вводит параметры надежности и получает среднее время наработки между отказами и интенсивность отказов.

В американском военном справочнике по предсказанию надежности электронного оборудования MIL-HDBK‑217 используются две модели для оценки λ: модель нагрузок (stress-model) и оценка элемента (parts count).

В общем случае интенсивность отказов может быть вычислена по следующей модели:

Формула

λB — базовая интенсивность отказов, полученная по результатам тестовых испытаний; pT, pV — поправочные коэффициенты: pT — коэффициент, зависящий от температуры; pV — коэффициент, зависящий от нагрузки по напряжению. В справочнике MIL-HDBK‑217 при расчетах надежности количественное значение уровня ранних отказов моделируется с помощью коэффициента pQ, а прогнозирование интенсивности отказов в зависимости от изменения температуры осуществляется варьированием коэффициента pT, базирующегося на уравнении Аррениуса (модель нагрузки).

Интенсивность отказов биполярных и МОП цифровых ИС малого и среднего уровня интеграции, вентильных/логических матриц (LA), программируемых логических матриц (ПЛМ, PLA), программируемой матричной логики (ПМЛ, PAL), микропроцессоров оценивается следующей моделью:

Формула

где pQ — коэффициент, зависящий от подготовки и качества процесса производства; C1 и C2 — коэффициенты сложности элемента, фактически их можно рассматривать как интенсивности отказов, связанных с кристаллом и корпусом ИС (табл. 1, 2); pT — коэффициент, зависящий от температуры кристалла и технологии; pE — коэффициент жесткости условий эксплуатации (табл. 3, в справочнике MIL-HDBK‑217F различается 14 факторов окружающей среды); pL — коэффициент, зависящий от отработанности технологического процесса.

Таблица 1. Значения коэффициента C1 (вентильные/логические матрицы (LA), программируемые логические матрицы (ПЛМ, PLA), программируемая матричная логика (ПМЛ, PAL))

Цифровые

Линейные

ПЛМ, ПМЛ

Число вентилей

C1

Число транзисторов

C1

Число вентилей

C1

Цифровые биполярные ИС малого и среднего уровня интеграции

1–100

0,0025

1–100

0,01

до 200

0,01

101–1000

0,005

101–300

0,02

201–1000

0,021

1001–3000

0,01

301–1000

0,04

1001–5000

0,042

3001–10 000

0,02

1001–10 000

0,06

10 001–30 000

0,04

 

 

30 000–60 000

0,08

 

 

 

 

МОП цифровые ИС малого и среднего уровня интеграции

1–100

0,01

1–100

0,01

до 500

0,00085

101–1000

0,02

101–300

0,02

501–1000

0,0017

1001–3000

0,04

301–1000

0,04

2001–5000

0,0034

3001–10 000

0,08

1001–10 000

0,06

5001–20 000

0,0068

10 001–30 000

0,16

 

 

 

 

30 000–60 000

0,29

 

 

 

 

Таблица 2. Значения коэффициента C1 (микропроцессоры)

Разрядность микропроцессора, бит

Биполярные

МОП

C1

C1

До 8

0,06

0,14

До 16

0,012

0,28

До 32

0,024

0,56

Таблица 3. Условия эксплуатации pE и их условное обозначение для различных групп аппаратуры

Группа (вид) аппаратуры

Условное обозначение

Наземная в идеальных условиях

GB

Наземная стационарная

GF

Наземная, подвижная и переносная

GM

Военно-морская, защищенная

NS

Военно-морская, незащищенная

NU

Бортовая, в условиях обитаемого отсека истребителя

AIF

Бортовая, в условиях обитаемого отсека транспортного самолета

AIC

Бортовая, в условиях необитаемого отсека транспортного самолета

AUT, AUC

Бортовая, в условиях необитаемого отсека истребителя

AUF

В условиях космического полета

SF

В условиях запуска ракет или космических кораблей (спутников)

ML

Для цифровых ИС число вентилей определяется их подсчетом исходя из функциональной схемы, представленной на уровне вентилей, а при отсутствии — посредством деления (табл. 4) числа транзисторов на три или четыре, в соответствии с технологией их изготовления.

Таблица 4. Подсчет вентилей в схеме

Технология

Число вентилей в схеме

Биполярная

Число транзисторов/3

КМОП

Число транзисторов/4

МОП, включая КМОП

Число транзисторов/3

Таблица 5. Значения коэффициента C1 для всех типов ИС памяти

Емкость
ИС памяти (B),
байт

МОП

Биполярные

ПЗУ

ППЗУ, СППЗУ,
ЭСППЗУ

ДОЗУ

СОЗУ
(МОП и БиМОП)

ПЗУ,
ППЗУ

СОЗУ

До 16K

0,00065

0,00085

0,0013

0,0078

0,0094

0,0052

16K < B < 64K

0,0013

0,0017

0,0025

0,016

0,019

0,011

64K < B < 256K

0,0026

0,0034

0,0050

0,031

0,038

0,021

256K < B < 1M

0,0052

0,0068

0,01

0,062

0,075

0,042

Примечание. 1K = 1024 бит.

Интенсивность отказов постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), перепрограммируемых пользователем ПЗУ (ППЗУ), перепрограммируемых (стираемые) ультрафиолетовым светом (СППЗУ), электрически перепрограммируемых ЭСППЗУ, статических ОЗУ (СОЗУ), динамических ОЗУ (ДОЗУ) оценивается следующей моделью:

Формула

Для всех типов ИС памяти интенсивность отказов, связанная с числом циклов перепрограммирования, — λcyc = 0, кроме ИС ЭСППЗУ. Значения коэффициента C1 для всех типов ИС памяти приведено в таб-лице 5. Значения коэффициентов A1 и A2 для вычисления интенсивности отказов λcyc, связанной с числом циклов перепрограммирования ЭСППЗУ, приведено в таблицах 6 и 7. Формула для вычисления интенсивности отказов λcyc с учетом наличия в кристалле ИС памяти типа ЭСПЗУ встроенной системы коррекции ошибок и без нее показана в таблице 8.

Таблица 6. Значения коэффициента A1 для вычисления интенсивности отказов λcyc, связанной с числом циклов перепрограммирования ЭСППЗУ

Число циклов перепрограммирования (С)

Технология

С плавающим затвором (Flotox), A1 = 6,812×10–6×С

Textured-Poly, нет формулы

До 100

0,0007

0,0097

100 < C ≤ 200

0,0014

0,014

200 < C ≤ 500

0,0034

0,023

500 < C ≤ 1K

0,0068

0,033

1K < C ≤ 3K

0,02

0,061

3K < C ≤ 7K

0,049

0,14

7K < C ≤ 15K

0,1

0,3

15K < C ≤ 20K

0,14

0,3

20K < C ≤ 30K

0,2

0,3

30K < C ≤ 100K

0,68

0,3

100K < C ≤ 200K

1,3

0,3

200K < C ≤ 400K

2,7

0,3

400K < C ≤ 500K

3,4

0,3

Примечания. Flotox — плавающий затвор с туннелированием в окисле;
Textured-Poly — текстурированный поликремний.

Таблица 7. Значения коэффициента A2 для вычисления интенсивности отказов λcyc, связанной с числом циклов перепрограммирования ЭСППЗУ

Число циклов перепрограммирования (С)

Textured-Poly (A2)

До 300K

0

300K < C ≤ 400K

1,1

400K < C ≤ 500K

2,3

Таблица 8. Вычисление интенсивности отказов λcyc, связанной с числом циклов перепрограммирования ЭСППЗУ (не менее 10 000 циклов записи/чтения)

Все типы памяти

λcyc = 0

Flotox и Textured-Poly

Формула

Flotox: A2 = 0 и B2 = 0

Без системы коррекции ошибок pECC = 1 (не встроена в кристалл)

С коррекцией по коду Хэмминга pECC = 0,72 (встроена в кристалл)

С резервированием pECC = 0,68 (избыточно, 2 в 1)

Коэффициенты B1 и B2 вычисляются по следующим формулам (B — количество бит):

  • Flotox:

Формула

  • Textured-Poly:

Формула

  • Textured-Poly:

Формула

Значения коэффициентов B1 и B2, вычисленных по формулам для TJ +25, +50, +80 °C, показаны в таблице 9.

Таблица 9. Коэффициенты B1 и B2 для вычисления λcyc

TJ, °C

Flotox (B1, формула (4))

Textured-Poly (B1, формула (5))

Textured-Poly (B2, формула (6))

Емкость памяти, бит

16K

64K

256K

1M

4K

16K

64K

256K

1M

4K

16K

64K

256K

1M

+25

0,27

0,55

1,1

2,2

4,3

0,47

0,66

0,94

1,3

1,9

0,54

0,76

1,1

1,5

2,1

+50

0,43

0,86

1,7

3,4

6,8

0,67

0,95

1,3

1,9

2,7

0,4

0,56

0,8

1,1

1,6

+80

0,68

1,4

2,7

5,4

11

0,96

1,4

1,9

2,7

3,8

0,29

0,41

0,59

0,83

1,2

Для всех типов кремниевых ИС коэффициент pT, учитывающий влияние температуры, может быть определен по формуле:

Формула

где Ea — эффективная энергия активации, эВ; TJ — величина температуры перехода кремниевого прибора (ИС), определяемая как TJ = TC+θJCP, где TC — температура корпуса (окружающей среды), °C; θJC — тепловое сопротивление переход-корпус, °C/Вт; P — рассеиваемая мощность в рабочем режиме, Вт, определяется по справочным данным производителей ИС или может быть оценена по формуле P = ICCVCC. В таблице 10 представлены значения температурного фактора pT для всех типов ИС.

Таблица 10. Температурный фактор pT для всех типов ИС

TJ, °C

Энергия активации

TTL, STTL, ASTTL, CML, HTTL, FTTL, DTL, ECL

BICMOS, LSTTL, LTTL, ALSTTL

IIL, ISL

Цифровые МОП, VHSIC КМОП

Линейные* ИС

ИС памяти

0,4

0,5

0,6

0,35

0,65

0,6

+25

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

+45

0,27

0,34

0,43

0,24

0,49

0,43

+50

0,33

0,45

0,61

0,29

0,71

0,61

+65

0,63

1

1,6

0,5

2

0,6

+80

1,1

2,1

3,8

0,84

5,2

3,8

+85

1,5

2,6

5

0,98

7

5

+100

2,3

5

11

1,5

16

11

+150

10

32

100

5,6

180

100

Примечание. * Биполярные и МОП; VHSIC — высокоскоростные.

Если температура корпуса неизвестна, то в качестве TC следует выбрать максимальную температуру с учетом работы ИС в составе РЭА (табл. 11). Если неизвестно значение θJC, то необходимо воспользоваться данными равноценных ИС. Зависимость теплового сопротивления переход-корпус θJC от типа используемого корпуса (для ИС в керамических корпусах) показана в таблице 12.

Таблица 11. Определение температуры корпуса TC ИС с учетом условий эксплуатации аппаратуры

Условия эксплуатации аппаратуры

GB

GF

GM

NS

NU

AIF

AUC

AUF

SF

ML

TC, °C

35

45

50

45

50

60

75

75

35

60

Таблица 12. Зависимость теплового сопротивления переход-корпус θJC от типа используемого корпуса (для ИС в керамических корпусах)

Тип корпуса ИС

Площадь кристалла

>9,29 мм2

Площадь кристалла

9,29 мм2

θJC, °C/Вт

θJC, °C/Вт

С двухрядным расположением выводов (DIP)

11

28

Плоский корпус с горизонтальным расположением выводов (FP)

10

22

Стандартный восьмивыводный корпус типа DIP

10

20

Корпус с матричным расположением штырьковых выводов (PGA)

10

20

Если TJ неизвестна, то нужно пользоваться следующими приближениями для всех типов ИС, кроме маломощных ТТЛ ИС и МОП ИС: TJ = TC+10 °C, если количество вентилей 30 или если число транзисторов в линейных ИС 120; TJ = TC+20 °C, если количество вентилей >30 или если число транзисторов в линейных ИС >120, а также для всех ЗУ.

Для маломощных ТТЛ ИС, МОП ИС и ИИЛ ИС, если TJ неизвестна, требуется применить следующие приближения: TJ = TC+5 °C, если количество вентилей 30 или если число транзисторов в линейных ИС 120; TJ = TC+13 °C, если количество вентилей >30 или если число транзисторов в линейных ИС >120, а также для всех ЗУ.

Ниже приводятся формулы для вычисления коэффициента С2, зависящего от типа корпуса и числа выводов Np:

  • Для герметичных корпусов ИС поверхностного монтажа DIP (герметизация сваркой, пайкой) и PGA — C2 = 2,8×10–4(Np)1,08.
  • Для керамических DIP-корпусов с герметизацией стеклом — C2 = 9×10–5(Np)1,51.
  • Для плоских корпусов с аксиальными выводами (FP) — C2 = 3×10–5(Np)1,82.
  • Для негерметичных корпусов DIP и PGA поверхностного монтажа — C2 = 3,6×10–4(Np)1,08.

Для поверхностного монтажа используются корпуса типа Small Outline (SO, SOIC, SOP, SOJ, WSOP, SSOP, TSOP, TSSOP и др.); FP: QFP, TQFP и др.

Коэффициенты жесткости условий эксплуатации pE и коэффициенты отработанности технологического процесса изготовления ИС pL показаны в таблицах 13 и 14. Коэффициенты уровня качества pQ и коэффициенты уровня качества pQ для ИС, прошедших индивидуальные программы отбраковки в соответствии со стандартом MIL-STD‑883 представлены в таблицах 15 и 16.

Таблица 13. Коэффициенты жесткости pE условий эксплуатации

Условия эксплуатации аппаратуры

GB

GF

GM

NS

NU

AIC

AIF

AUC

AUF

SF

ML

pE

0,5

2

4

4

6

4

5

5

8

0,5

12

Таблица 14. Коэффициенты отработанности технологического процесса изготовления ИС pL

Годы производства (Y)

pL

≤0,1

2

0,5

1,8

1

1,5

1,5

1,2

≥2

1

Таблица 15. Коэффициенты уровня качества pQ

Уровень качества

Класс отбраковки

pQ

S

Приобретенные в полном соответствии с классом S стандарта MIL-M-38510

0,25

MIL-I-38535 и приложение B (класс U)

B

Приобретенные в полном соответствии с классом B стандарта MIL-M-38510

1

MIL-I-38535 и приложение B (класс Q)

B-1

Соответствуют требованиям раздела 1.2.1 MIL-STD-883

2

Для коммерческих ИС и неизвестных программ отбраковочных испытаний

10

Таблица 16. Коэффициенты уровня качества pQ для ИС, прошедших отбраковочные испытания (индивидуальные программы отбраковки) в соответствии со стандартом MIL-STD‑883

Группа испытаний

Набор методов отбраковки

Точечная оценка (PV)

1

1010, 2001, 5004, 1014, 2009

50

2

1010, 2001, 5004, 1014, 2009

37

3

1015, 5004

30 (уровень B)

36 (уровень S)

4

2020 (PIND, обнаружение шума
воздействия частиц)

11

5

5004

11

6

2010/17

7

7

1014

7

8

2012

7

9

2009

7

Примечания. 1010 — термоциклирование; 1015 — электротермотренировка (статическая или динамическая); 5004 — устанавливает процент дефектных изделий в партии.

Коэффициент, зависящий от отработанности (настроенности) технологического процесса изготовления ИС, может быть определен по следующей модели:

Формула

где Y — продолжительность в годах промышленного выпуска ИС данного типа.

Коэффициент уровня качества для известных программ тестирования принимается равным:

Формула

Для всех остальных коммерческих ИС или если программа тестирования неизвестна, то pQ = 10.

Рассмотрим примеры расчета интенсивности отказов с использованием справочника MIL-HDBK-217F и калькулятора MTBF Calculator фирмы ALD.

Пример 1

Осуществим расчет по справочнику MIL-HDBK‑217F2 (данный пример заимствован из справочника). ИС серии 4046 выпускаются по КМОП-технологии, эксплуатируются в бортовой РЭА в условиях обитаемого отсека транспортного самолета AIC, при температуре TC = +48 °C. Рассеиваемая мощность ИС — 75 мВт. ИС в партии прошли отбраковочные испытания согласно стандарту MIL-STD‑883 по группам 1 и 3 (табл. 16).

По функциональному назначению представляют ИС фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с генератором, управляемым напряжением (ГУН). На основе ГУН и схем ФАПЧ строят синтезаторы частоты, которые позволяют получить сетку стабильных частот.

В примере, приведенном в справочнике MIL-HDBK‑217F, не сообщается о фирме-изготовителе ИС ФАПЧ. Исторически первой массовой цифровой ИС ФАПЧ была ИС CD4046, разработанная компанией RCA в 1970‑х годах. Фирмы NXP, Intersil и Texas Instruments маркируют ИС как 74/54HC/HCT4046A; минское НПО «Интеграл» — IN74/54HC4046A. Отечественный аналог ИС выпускается в сериях 564/К561/К1561 и обозначается хххГГ1.

Первая группа испытаний осуществлялась с использованием следующих методов: 1010 (термоциклирование –65…+150 °C/5 мин, 1000 циклов воздух-воздух), 2001 (центрифугирование), 5004 (дополнительные температурные и электрические испытания), 1014 (испытания устойчивость к нагреву в процессе пайки при монтаже на печатную плату), 2009 (визуальный осмотр). Третья группа испытаний соответствовала уровню B (термотренировка с последующим контролем электрических параметров, методы 1015 и 5004). Кристаллы ИС упакованы в 24‑выводные керамические DIP-корпуса. ИС выпускаются в течение нескольких лет. ИС содержит 1000 транзисторов.

Коэффициент сложности С1 = 0,02; 1000 транзисторов/4=250 вентилей (табл. 1 и 4).

При площади кристалла 9,29 мм2 тепловое сопротивление переход-корпус составит θJC = 28 °C/Вт (табл. 12), рассеиваемая мощность в рабочем режиме P = 75 мВт. Определим величину температуры перехода ИС:

TJ = TC+θJCP = 48+28×0,075 = 50 °C.

По таблице 10 определим температурный фактор pT = 0,29.

Число выводов керамического DIP-корпуса с изоляцией стеклом Np = 24. Коэффициент сложности рассчитывается по формуле: C2 = 9×10–5(24)1,51 = 0,011.

Коэффициент жесткости pE = 4 (табл. 13) в условиях эксплуатации обитаемого отсека транспортного самолета (коэффициент AIC).

Коэффициент уровня качества pQ = 3,1 определяется по таблице 16. Группа 1 дает точечную оценку PV = 50, а группа 3 уровень B — PV = 30.

ИС выпускаются более двух лет, поэтому коэффициент отработанности технологического процесса изготовления ИС примем равным единице pL = 1 (табл. 14).

Интенсивность отказов определяется по формуле (2) и составит λ = 0,15×10–6 1/ч.

Пример 2

На рис. 1 показано главное окно программы MTBF Calculator фирмы ALD. На первом шаге выбираем тип компонента — ИС, цифровые, относящиеся к семейству электронных изделий. На втором шаге выбираем метод предсказания надежностных характеристик этого изделия. Проведем оценку надежности по MIL-HDBK‑217F‑2 (редакция 2) модель нагрузки (Part Stress).

Главное окно программы MTBF Calculator фирмы ALD

Рис. 1. Главное окно программы MTBF Calculator фирмы ALD

Предполагается, что ИС будет использоваться в РЭА в условиях эксплуатации обитаемого отсека транспортного самолета (коэффициент AIC) при температуре +48 °C. Далее нажимаем на кнопку «Расчет» (Calculate), и открывается окно кнопка (рис. 2 и 3) для редактирования справочных данных. В поле Generic name вводим интересующую нас серию 4046 и нажимаем на кнопку (рис. 3) для автоматического поиска по справочникам, содержащимся в программе MTBF Calculator. Выберем ИС типа CD74HC4046APWR фирмы Texas Instruments. ИС выпускаются в 16‑выводном корпусе типа TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package, уменьшенный малогабаритный корпус). Обозначение SOP (Small-Outline Package) имеет такой же смысл, как и SOIC (Small-Outline Integrated Circuit), — корпус, предназначенный для поверхностного монтажа, имеет форму прямоугольника с двумя рядами выводов по длинным сторонам, но отличается шириной. Серия 74HC4046A выпускается также в корпусах PDIP, SOIC, SOP. На рис. 3 показаны справочные данные ИС типа CD74HC4046APWR. Автоматически (из справочника программы MTBF Calculator) предлагается негерметичный 16‑выводный DIP-корпус, значение теплового сопротивления переход-корпус θJC = 35 °C/Вт, рассеиваемая мощность (динамическая) 275 мВт, 36 вентилей.

Выбор ИС из справочника

Рис. 2. Выбор ИС из справочника

Справочные данные ИС типа CD74HC4046APWR

Рис. 3. Справочные данные ИС типа CD74HC4046APWR

В документации на ИС типа CD74HC4046APWR фирмы Texas Instruments указаны иные значения. Тепловое сопротивление переход-корпус θJC составит для ИС типа CD74HC4046A в зависимости от типа корпуса:

  • для PDIP — 67 °C/Вт;
  • для SOIC — 73 °C/Вт;
  • для SOP — 64 °C/Вт;
  • для TSSOP — 108 °C/Вт.

Рассеиваемая (статическая) мощность для ИС типа CD74HC4046A не указана, однако может быть оценена из справочных данных по формуле P = ICCVCC. При максимальном напряжении питания VCC = 6 В для серии 74HC ток потребления составляет:

  • ICCmax = 8 мА при температуре +25 °C;
  • ICCmax = 80 мА в диапазоне –40…+125 °C;
  • ICCmax = 160 мА в диапазоне –65…+150 °C.

Таким образом, рассеиваемая мощность в рабочем режиме составляет P = 75 мВт, указанная для ИС типа 74HC4046 в справочнике MIL-HDBK‑217F‑2 относится к статической мощности и может быть признана адекватной для температуры +48 °C.

Для оценки рассеиваемой мощности воспользуемся документами фирм — производителей ИС Fairchild Semiconductor и Philips Semiconductor. ФАПЧ фирмы Fairchild Semi-conductor ММ74HC4046 имеет динамическую рассеиваемую мощность Ptot = 600 мВт для DIP-корпуса и 500 мВт для SO-корпуса. Число транзисторов не указано, поэтому затруднительно определить число вентилей. ФАПЧ фирмы Philips Semiconductor для пластмассового DIP-корпуса имеет рассеиваемую мощность 500 мВт, а для пластмассового SO-корпуса 500 мВт для температурного диапазона –40…+125 °C. Число транзисторов в схеме тоже не указано.

Проведем корректировку справочных данных согласно примеру, представленному в справочнике MIL-HDBK‑217F‑2 (рис. 4). Результаты расчетов показаны на рис. 5. Интенсивность отказов составляет 152 ФИТ, что хорошо согласуется с расчетом по формуле (2).

Редактирование справочных данных ИС типа CD74HC4046APWR

Рис. 4. Редактирование справочных данных ИС типа CD74HC4046APWR

Результаты расчетов надежностных характеристик ИС типа CD74HC4046APWR (MTBF и FR)

Рис. 5. Результаты расчетов надежностных характеристик ИС типа CD74HC4046APWR (MTBF и FR)

Пример 3

ЭСППЗУ емкостью 128K (131 072 бита) эксплуатируются при температуре перехода TJ = +80 °C, число циклов перепрограммирования более 10 000 (C = 10K), условия эксплуатации AUC (+75 °C). Температура корпуса TC не задана. ИС памяти не содержат систему коррекции ошибок. Упакованы в 28‑выводные керамические DIP-корпуса с изоляцией стеклом. Фирма-производитель и технология изготовления неизвестны. ИС выпускаются в условиях непрерывного производства в полном соответствии с параграфом 1.2.1 MIL-STD‑883, класс B‑1, в течение более двух лет. Пример также заимствован из справочника. Последовательность расчета приведена в таблице 17. Расчет проводится по формуле (3).

Таблица 17. Последовательность расчета для примера 3

Параметр

Величина

Комментарии

С1

0,0034

64K < B < 256K, табл. 5

A1

0,1

7K < B < 15K, табл. 6

В1

3,8

табл. 8

λcyc

0,38

pECC

1

pT

3,8

табл. 10

C2

0,014

pE

5

AUC, табл. 13

pL

1

табл. 14

pQ

2

класс B-1, табл. 15

λ = 0,93×10–6 1/ч

Пример 4

Для оценки интенсивности отказов с помощью программы MTBF Calculator предполагаем, что в серийном производстве используется КМОП-технология. Поскольку задана только температура перехода TJ = +80 °C и условия эксплуатации (табл. 11) AUC (+75 °C), то за температуру корпуса примем TC = +75 °C. Градиент температуры переход-корпус dTJC = TJTC составит + 5 °C. Результаты расчетов показаны на рис. 6 и 7. Интенсивность отказов оценивается величиной 689 ФИТ. Таким образом, расхождение между ручным расчетом по справочнику и автоматизированным составило 241 ФИТ.

Редактирование справочных данных ИС ЭСППЗУ емкостью 128K

Рис. 6. Редактирование справочных данных ИС ЭСППЗУ емкостью 128K

Результаты расчетов надежностных характеристик ИС ЭСППЗУ емкостью 128K (MTBF и FR)

Рис. 7. Результаты расчетов надежностных характеристик ИС ЭСППЗУ емкостью 128K (MTBF и FR)

Данная методика расчета надежностных характеристик может быть распространена и на ПЛИС типа ППВМ. Расчет проводится по формуле (2), если число вентилей менее 60 000. Если число вентилей более 60 000, следует обратиться к другой формуле, приведенной в справочнике MIL-HDBK‑217F‑2 (в данной статье эта формула не рассматривается).

Пример 5

Рассчитаем надежностные характеристики ПЛИС (табл. 18) для коммерческого использования (код C) серии FLEX10KA (напряжение питания 3,3 В) типа EPF10K10AQC208, упакованные в 208‑выводные корпуса типа PQFP (код Q), при эксплуатации в РЭА в условиях GF при температуре корпуса TC = +50 °C. Для ПЛИС коммерческого использования (код С) серии FLEX10K температура перехода TJ = +85 °C. Из справочных данных определяем число вентилей (10 000) и число системных вентилей (31 000). Предполагаем, что ПЛИС выпускается по КМОП-технологии с проектными нормами 0,35 мкм более трех лет.

Таблица 18. Последовательность расчета для примера 5

Параметр

Величина

Комментарии

С1

0,16

число вентилей 10 000, табл. 1

pT

0,98

табл. 10, цифровые МОП

TJ = +85 °C

С2

0,497

208-выводный корпус типа PQFP

pE

2

GF, табл. 13

pL

1

табл. 14

pQ

10

табл. 15

l = 11,508×10–6 1/ч или 11508 ФИТ

Пример 6

Для расчета по программе MTBF Calculator недостающие сведения о тепловом сопротивлении переход-корпус θJC можно отыскать в технической документации на ПЛИС. Например, θJC для ПЛИС EPF10K10A с числом выводов 144 в корпусе TQFP составит 7 °C/Вт, а для такой же ПЛИС в корпусе PQFP с числом выводом 208 — 5 °C/Вт. Максимальную рассеиваемую мощность можно определить по формуле:

Формула

Для ПЛИС серии FLEX10K индустриального исполнения TJ = +100 °C. Поэтому максимальная рассеиваемая мощность для ПЛИС в корпусе PQFP с числом выводов 208 при +100 °C — Pmax = 10 Вт.

По умолчанию в справочных данных на ПЛИС EPF10K10AQC208 задается число системных вентилей (31 000) и TJ = +100 °C для индустриального исполнения для определения максимальной рассеиваемой мощности. Число системных вентилей необходимо откорректировать на требуемый диапазон. В противном случае расчет не будет произведен (рис. 8 и 9). Температуру перехода оставляем без изменений. Результаты расчетов показаны на рис. 10. Таким образом, расчет по справочнику MIL-HDBK‑217F2 в ручном режиме дает заниженную оценку интенсивности отказов в 1,2 раза.

Справочные данные ПЛИС EPF10K10AQC208.

Рис. 8. Справочные данные ПЛИС EPF10K10AQC208.
По умолчанию задается число системных вентилей (31 000) и TJ = +100 °C для индустриального исполнения для определения максимальной рассеиваемой мощности

Редактирование справочных данных ПЛИС EPF10K10AQC208

Рис. 9. Редактирование справочных данных ПЛИС EPF10K10AQC208

Результаты расчетов надежностных характеристик ПЛИС EPF10K10AQC208 (MTBF и FR)

Рис. 10. Результаты расчетов надежностных характеристик ПЛИС EPF10K10AQC208 (MTBF и FR)

Если же обратиться к определению экспериментальной интенсивности отказов ПЛИС фирмы Altera, которая оценивается по результатам электротермотренировки по формуле:

Формула

где χ2 — распределение (табулированная величина, зависящая от доверительной вероятности и числа отказов, использование этой формулы предполагает рассмотрение величины U как случайной величины, распределенной по закону χ2); P* — доверительная вероятность, связанная с уровнем значимости CL соотношением: P* = 1–(CL/100); m = (2n+2) — число степеней свободы (где n — количество отказавших ИС); N — общее число испытуемых ИС; Ку — обобщенный коэффициент ускорения; Δt — время испытаний; NΔtКу — приведенное полное время испытаний или эквивалентные приборо-часы (в зарубежной литературе принята аббревиатура EDH Equivalent Device Hours), то увидим совершенно иные оценки (рис. 11). Интенсивность отказов для ПЛИС серии EPF10K10A, оцененная у изготовителя ПЛИС, составляет 53,7 ФИТ (температура окружающей среды Ta = +55 °C).

Результаты испытаний ПЛИС фирмы Altera (методика HTOL, MIL-STD 883)

Рис. 11. Результаты испытаний ПЛИС фирмы Altera (методика HTOL, MIL-STD 883)

 

Выводы

Проверка программы MTBF Calculator фирмы ALD на оценку надежности ИС по примерам, приведенным в справочнике MIL-HDBK‑217F‑2 (редакция 2), в случае если известны все конструктивно-технологические данные, показывает хорошее совпадение результатов расчетов. Основными погрешностями в расчетах являются неполные сведения о конструктивно-технологических данных.

Расчет интенсивности отказов по справочнику MIL-HDBK‑217F‑2 на примере ПЛИС типа ППВМ серии EPF10K10A по сравнению с экспериментальной интенсивностью отказов, полученной у изготовителя с применением статистики хи-квадрат по результатам отбраковочных испытаний, дает в 19 раз заниженную оценку.

Программу MTBF Calculator фирмы ALD можно рекомендовать для оценки интенсивности отказов у потребителей, так как она содержит достоверные сведения по конструктивно-технологическим данным ИС различных производителей.

Литература
  1. MIL-HDBK‑217F, Notice, 2 december 1991. MILITARY HANDBOOK. RELIABILITY PREDICTION OF ELECTRONIC EQUIPMENT.
  2. Texas Instruments. CD54HC4046A, CD74HC4046A, CD54HCT4046A, CD74HCT4046A. High-Speed CMOS Logic Phase-Locked Loop with VCO. February 1998 — Revised December 2003.
  3. Никитин Ю. Элементная база фазовой автоподстройки: системный подход // Современная электроника. 2008. № 6.
  4. MM74HC4046 CMOS Phase Lock Loop. February 1984. Revised February 1999 // www.fairchildsemi.com
  5. Philips Semiconductor. Product specification 74HC/HCT4046A Phase-locked-loop with VCO. 1997. Nov 25. // www.datasheetcatalog.com
  6. dsf10k.pdf. FLEX 10K. Embedded Programmable Logic Device Family. March 2001, ver. 4.1. // www.altera.com
  7. Data Sheet. Altera Device Package Information. April 2002, ver. 10.2 // www.altera.com
  8. rr.pdf. RELIABILITY REPORT 57. 1H 2014 // www.altera.com
  9. Строгонов А. В. Оценка долговечности БИС по результатам ускоренных испытаний // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 3.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *