经得起推敲的可靠性
作者：Dr. FAE
发布日期：2010-09-13
你也许会觉得我这个智商高达181的帅哥是个不识情趣的人，但其实并非如此。我喜欢在晚上读点轻松的东西，例如Kreck 与 Lück合著的《诺维科夫猜想》，或者是卡沃·米德 (Carver Mead)的《集合电动力学》等。
这些巨著非常引人入胜，我相信你一定也深有同感。
这让我对半导体的可靠性有了一点小小的联想。不过我得在此声明，我刚刚喝了点葡萄酒，所以我的想法可能会受到酒精的影响啊。
前面提到过的卡沃·米德 ，他的成就众多，其中之一就是在1960年代，当戈登·摩尔(Gordon Moore)尚任职于飞兆半导体公司时，对摩尔定律 (即集成电路上的晶体管密度约每两年便会翻一番) 所作出的贡献。
1965年，戈登·摩尔刚刚开始进行他的数据绘制工作，按年份把芯片上晶体管的数目以对数的形式绘制出来。它们都是一些不起眼的手绘图。现在我还保留了一些。
有一天，我们谈到这些手绘图。
他说：“你正在研究当物体极为微型化时发生的电子隧道效应，对吗？”
“是的。”
“那不是会限制晶体管尺寸进一步缩小吗？”
“的确是。”
“那么，可以达到多小？”
戈登追问这些非常简单问题的方式，让你确实觉得你应该知道所有答案，然而我并不知道。我说：“好的，我得去想一想”。从那天以后，我就一直在思考这个问题。
- 摘自Carver Mead在2006年 Telecosm 大会上的演讲
摩尔定律的推动力在于，在我们制造出更小晶体管的同时，它们的制造成本也越来越低，而且工作性能也越来越高。这不是很了不起吗？那么，工作性能更高意味着什么呢？ 这意味着这些晶体管的功耗会更低，开关速度也更快。正是这个小小的奇迹，推动了数字化革命的惊人进步。
在创业50多年之后，飞兆半导体今天已是功率管理和便携式技术的领导厂商，而我们的工厂仍继续以最先进的晶体管光刻技术提供各种领先的产品。
像我们这样能够为客户不断改进产品、同时又逐年降低价格的企业并不多。一般来说，如果你在大卖场购买廉价品牌的货品，你对商品的质量、功能、可靠性的期望值就会降低。倘若你低价买了一辆汽车，你就会有心理准备，它不会像高档品牌那么舒服，也不会那么安全可靠。但是，半导体企业的运作方式却不是这样。无论你花费多少来购买我们的产品，你都可以期待高可靠性、稳健坚固的部件。
年复一年，我们不断改进，尽力生产出故障率超低的部件。举个例子，飞兆的N –沟道FET NDT3055的FIT (Failure in Time, 1G元件小时的故障数量) 额定值为3.65，也就是说工作3127年才会出现一次故障。
让我们仔细看看这意味着什么。我们当然无法创建大量的部件并进行长达3,127年的测试。当然我们很乐意这样做，只是这并不可行。这个FIT 额定值是基于部件样品的加速寿命测试，再将结果插入公式法而推算出来的。
其基本概念是，利用高湿度与过压应力对样品器件进行老化试验，这样便无需等待几千年就可以估算出故障率。
如我上文所述，我们尽力为客户创建出稳健可靠的器件。客户可以参与到其中吗？当然可以。
在建立我们的可靠性估计时，我们使用一个根据Arrhenius方程得出的温度应力系数如下：
其中：
Ea = 半导体激活能量
k = 玻尔兹曼常数
Tu = 使用温度(K)，或设计中的芯片温度
Ts = 加速寿命测试中使用的应力温度(K)。
所以，比如说你想提高一个系统的可靠性。利用本文末尾附带的免费平均故障间隔时间(MTBF)工具，我们可以预测把工作温度从100摄氏度降至90摄氏度后的效果。
我们对应力温度进行控制，这些基于半导体工艺，一般为150摄氏度(423K)或175摄氏度(448K)。只是使用温度是由你来控制，工作温度越低，则可靠性更高。这就是你那部分的工作。
所以，比如说你想提高一个系统的可靠性。利用本文末尾附带的免费平均故障间隔时间(MTBF)工具，我们可以预测把工作温度从100摄氏度降至90摄氏度后的效果。
100度时，计算所得FIT为1009。
90度时，计算所得FIT为860。
这个改进够了吗？这得看你的需要了。
请注意，我并不是在谈论这些数字的基本现实意义。说实在的，它们只是一些数字罢了。不过在实际设计中，其实也存在着相当数量的假设和未曾考虑的因素。
时间不早了，瓶子里也只剩下约半杯的酒。我还在想要不要把余下的酒留待下次再喝……
参考信息
Free MTBF Tool (免费平均故障间隔时间工具), Advanced Logistics Developments
《集合电动力学》(Collective Electrodynamics), Carver A. Mead, The MIT Press
《诺维科夫猜想》(The Novikov Conjecture), Matthias Kreck and Wolfgang Lück, Birkhauser Verlag