14电子元器件的失效分布-1

天津大学微电子学院微电子可靠性原理第一章可靠性概述及其主要数量特征1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布1.电子元器件的一般失效规律2.威布尔分布3.指数分布4.正态分布5.对数正态分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布tλ(t)递增型递减型常数型1.电子元器件的一般失效规律失效类型问题：电子元器件什么情况下的失效属于递增、递减或常数型？天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布浴盆曲线(Bathtubcurve,失效率曲线)天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布tλ(t)递增型递减型常数型失效类型浴盆曲线(失效率曲线)是怎么得到的?天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布浴盆曲线(Bathtubcurve,失效率曲线)早期失效期（递减型）偶然失效期（常数型）损耗失效期（递增型）t(t)0允许失效率λ0使用寿命用户阶段用户阶段生产阶段天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布浴盆曲线(失效率曲线)反映产品失效规律的特点第一阶段，早期失效期又称老化期，λ(t)呈递减型t早期失效期（递减型）λ(t)天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布浴盆曲线(失效率曲线)反映产品失效规律的特点老化又称老炼老化板BIB老化测试驱动板天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布浴盆曲线(失效率曲线)反映产品失效规律的特点老化测试浴盆曲线ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory电可擦可编程只读存储器天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布浴盆曲线(Bathtubcurve,失效率曲线)早期失效期（递减型）tλ(t)0失效原因：产品先天缺陷造成的设计、制造中缺陷制造工艺质量欠佳质量检验不严格天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布浴盆曲线(Bathtubcurve,失效率曲线)早期失效期（递减型）tλ(t)0淘汰早期失效产品加强对原料和工艺检验可靠性筛选生产阶段天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布浴盆曲线(Bathtubcurve,失效率曲线)偶然失效期（常数型）tλ(t)0第二阶段，偶然失效期，又称最佳的工作阶段λ(t)低而稳定，接近某一常数产品可靠性指标所描述的就是这个时期持续时间较长失效的原因随机性的、偶然的因素造成的用户阶段电视塔遭雷击天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布随机、偶然因素—电子产品售后服务条款e.g.手机“三包”条例:三包服务只限于在正常使用情况下的有效保修期内，由于产品本身质量问题引起的非人为损坏的故障，…将享受下列三包服务…不小心-----进水、摔坏等天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布浴盆曲线(Bathtubcurve,失效率曲线)损耗失效期（递增型）tλ(t)0第三阶段，损耗失效期，λ(t)为递增型特点：后期失效迅速提高，大批产品失效报废失效原因产品长期工作疲劳造成的如老化、磨损、损耗材料长期化学、物理不可逆变化所造成，是产品寿命的“终了”。用户阶段天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布产品：偶然失效期→损耗失效期天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布浴盆曲线是对电子元器件失效规律的高度概括对于实际电子产品产不一定都出现上述三个阶段例工艺质量控制很好的金属膜电阻有时就不出现早期失效期早期失效期偶然失效期损耗失效期早期失效期偶然失效期损耗失效期t(t)0t(t)tt(t)0用户阶段用户阶段生产阶段用户阶段用户阶段用户阶段用户阶段生产阶段天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布个别产品→设计、生产工艺不合理→只有早期失效和耗损失效期e.g.,材料纯度达不到要求制造中混入杂质产生缺陷工艺控制不严格早期失效期偶然失效期损耗失效期早期失效期偶然失效期损耗失效期t(t)0t(t)tt(t)0用户阶段用户阶段生产阶段用户阶段用户阶段用户阶段用户阶段生产阶段天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理威布尔模型研究链的强度对材料进行疲劳寿命实验2.威布尔分布(Weibulldistribution)1.4电子元器件的失效分布特点：局部失效→整体机能失效串联模型“链式”模型t天津大学微电子学院微电子可靠性原理电子元器件失效的“链式”模型一个结构→n个小元件串联→结构由n个环构成的链→链强度(或寿命)→取决于最薄弱环的强度→求链强度的概率分布→求极小值分布问题→威布尔分布函数1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理10.28使用不当，测试差错3.83有机漆16.713氧化层电荷14.211氧化层缺陷33.326键合缺陷21.817铝膜缺陷百分比失效数失效机理某双极型电路失效模式模型1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布可靠性工程师Chayut关于集成电路芯片失效：不是人扼杀了芯片，复杂性才是真凶！IC芯片—制造工艺复杂—Weibull分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理系统失效—“链式”模型1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理威布尔分布优缺点优点：应用广泛寿命试验数据处理缺点：参数m、r、t0估计较复杂区间估计值过长实践中常采用概率纸估计法1.4电子元器件的失效分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布威布尔分布0()1()()0()mtrtetrFttr累积失效函数失效密度函数0()10()()()0()mtrtmmtretrftttr失效率10()()()()1()0()mmtrtrftttFttr威布尔分布F(t)是如何来的？天津大学微电子学院微电子可靠性原理2.4最佳线性无偏估计与简单线性无偏估计极值分布(ExtremeValueDistribution)极值理论对于评估高度少有的事件非常重要例如100年一遇的洪水概率分布函数(PDF)Probabilitydistributionfunction天津大学微电子学院微电子可靠性原理2.4最佳线性无偏估计与简单线性无偏估计-(x-location)/scale-(x-location)/scale-e()(1/scale)eefx极值分布的PDF函数(概率分布函数)：()/00()/01()trttrtefteet()xxefxee在标准情况下(scale=1,location=0)简化为()1xxxxeeexxFxeedxee天津大学微电子学院微电子可靠性原理()1xeFxe()/0()1mxrteFxe()/0()1xrteFxe???2.4最佳线性无偏估计与简单线性无偏估计0()1()()0()mtrtetrFttr天津大学微电子学院微电子可靠性原理'()()()RttRt()tRte指数分布（2）从指数分布推导0()()mtrtRte威布尔分布Weibull分布函数给出天津大学微电子学院微电子可靠性原理t：拉力T：表示环的强度t＜T：环不断裂t≥T：环断裂环断裂概率()()1()FtPTtPTt任一环断裂→链断裂（不能使用）链可以使用的概率[()][1()][1()]nnnPTtPTtFtWeibull分布函数给出天津大学微电子学院微电子可靠性原理t↑→环断裂可能性F(t)↑F(t)是介于0与1之间的增函数1-F(t)是介于0与1之间的减函数指数函数常具有这种性质设()1()tFte链可使用的概率()[()][1()]nnntPTtFteWeibull分布函数给出天津大学微电子学院微电子可靠性原理12()()ttee为使1-F(t)为介于0与1之间的减函数，必须(1)(2)是t的非减函数t1≤t2→→()0;t()t12()()tt链中环有一个最低强度rt＜r→环不断裂→1-F(t)=1Weibull分布函数给出()0;()0;trttrt应有如下性质：()t()1()tFte天津大学微电子学院微电子可靠性原理分布函数F(t)可表示为0()1()0mtrtetrFttrWeibull分布函数给出常数t0＞0，m＞0具有这种性质的最单纯（不一定最简单）形式为：()t0()()()0()mtrtrtttr天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布(1)形状参数m几何意义：m值的大小决定着分布曲线的形状物理意义：表示一批产品参数的分散程度m对f(t)的影响222021[(1)(1)]mtmm天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布(1)形状参数m(i)m＜1，曲线随时间迅速地单调下降；(ii)m=1，威布尔分布→指数分布；(iii)m＞1，曲线随时间增加出现峰值而后下降；一般地，当m=3.5时，曲线已接近正态分布;通常当m＞4就把它当作正态分布处理0()10()()()0()mtrtmmtretrftttr天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布一般地，当m=3.5时，曲线已接近正态分布;通常当m＞4就把它当作正态分布处理；如何由m变化理解产品失效规律？m=1→m＞1：指数分布→正态分布指数分布正态分布天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布m对λ(t)的影响失效率10()()()()1()0()mmtrtrftttFttr威布尔分布可以描述产品失效率的不同阶段天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布（2）位置参数r几何意义：决定曲线的位置物理意义：表示产品开始失效的那一时刻天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布（3）尺度参数t00()10()()()0()mtrtmmtretrftttr几何意义：决定了曲线的陡度；t0物理意义：t0的大小反映了寿命均值大小天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布0()10()()()0()mtrtmmtretrftttr()1()(0)()0(0)mtmmtetftt真尺参数η天津大学微电子学院微电子可靠性原理1.4电子元器件的失效分布()1()(0)()0(0)mtmmtetftt1(0)()0(01)mtmmtetftt''1(')('0)(')0(')10mtmttmtetftt天津大学