Bellcore可靠性预计法资料

1、Bellcore可靠性预计法XXX）市XXXXXX有限公司1、适用范围这一方法得到的器件和单元的故障率预计值适用于商用电子产品，其设计、生产、安 装和可靠性保障体制满足相应的贝尔（或等同的）术语规范和产品特殊要求。这一方法无法直接用于预计一个非串联系统。然而，使用此方法得到的单元可靠性预 计结果可以输入到系统可靠性模型中，以预计系统级的硬件可靠性指标。2、方法简介Bellcore预计法包括三种常用的预计产品可靠性的方法，分别称为方法I、II、山。方法I :基于计数法的可靠性预计。这一方法可以用于独立器件或单元。方法II :综合了方法I和从实验室得到的数据进行单元或器件级的可靠性预计。方法III

2、 :在进行现场数据收集的基础上，进行在线服务的可靠性统计预计。3、方法I:兀器件计数法（1）方法 I 的三种情况方法 I 包括三种情况的温度和电应力情况:情况1:单元/系统老化时间<=1小时，且无器件级老化的黑盒预计。器件假设工作在40C 的温度和 50%的电应力下。情况2:单元/系统老化时间 >1小时，但没有器件级的老化的黑盒预计。器件假设工作在40 C的温度和50%的电应力下。情况3:一般情况所有其它的环境条件。 这种情况用于供应商想要采用器件级老化的 情况。这种情况也可用于当供应商或用户希望得到在除 40 C和50%的电应力条件以外的情况下 的可靠性预计结果时。以下称这些预计

3、为“有限应力”预计。（2）情况选择这种方法用于第一年累积值和稳态可靠性预计计算中最简单的情况，即无老化、温度 和电应力水平假设为40 C和50%。这样，上面所列的各种情况中情况1最简单。供应商之所以 选择情况 2的原因是情况 2允许系统或单元通过老化减少早期阶段的故障率。情况3（一般情况）允许使用各种型式的老化来减少早期阶段的故障率。 有限应力的情况， 只能在情况 3下处理， 可 以生成工作温度和电应力不等于 40度和50%情况下更准确的预计结果。一些供应商对成熟产品设计中的老化结果提出疑意，贝尔实验室通过一项研究，调研了成熟产品设计中相关的老化情况，其中包括三种类型的老化和无老化的情况。这一

4、研究对生 产周期的加快和如果消除老化，其它故障所带来的维护费用之间的权衡提供了参考。这一研究 得出如下结论:对于一个成熟产品的设计，无需进行老化，而不进行老化在时间和材料上的节 省将减少成熟产品的费用。由于普遍认为进行有限应力预计和验证它的结果要花费更多的时间，所以当一个产品中只包含 10个或更少的单元时，或当对可靠性预计的结果的准确度要求非常高时，更倾向于认 为情况 3是唯一的预计方法。（3）方法 I 的预计表格 （见附表）4、方法 II（1）一般要求供应商必须提供所有的支持信息和元件计数法预计结果（见方法I）除非表111中没有给出器件的一般故障率，方法II只能用于质量等级为II和III的器

5、 件。对于表111中没有列出的质量等级为 I 的器件，用户可以选择使用其它来源的故障率数据。进行实验室试验的器件的质量等级必须是要进行预计的器件的典型的质量等级。 本章给出了确定需要多少器件和单元进行试验，器件和单元的试验时间，如何对器件 进行试验等方法。在下面的原则中，实际时间是耗费的时钟时间，有效时间是实际时间乘以一 个加速因子。其原则如下：器件或单元的实际试验时间至少为 500小时，这样可以确保在一个合理的时间周期内观测到 每一个项目甚至对于高加速试验器件或单元有效试验时间至少为 3000小时。选取合适的器件或单元数量，以便至少可以产生两个故障。另外，至少需要500个器件或 50个单元。

6、器件试验时需模拟实际现场工作环境，如湿度和压力等。 应从大量产品中选取有代表性的样本进行试验，以确保试验结果的典型性。用方法II进行的器件统计预计法可以推广到以下的其它器件：相同的类型 /技术相同的封装（如密封的） 同等的或更低的复杂度 在结构和设计上具有材料和技术的相似（2）方法II预计法的几种情况当采用方法 II ，用试验室数据进行可靠性预计时，通常有四种情况：情况L1 器件进行试验室试验（器件未进行前期的老化）-表格 9情况L2-单元经过试验室试验（单元/器件未进行前期的老化）-表10情况L3-器件试验室试验（器件进行了前期的老化）-表 11情况L4-单元试验室试验（单元/器件进行过前期

7、的老化），表123）方法 II 的表格（见附表）5、方法川（1）方法III简介Bellcore预计方法III主要是根据现场收集的可靠性数据对系统的故障率进行预计。根据所收集的数据类型的不同，它又包括三种不同的方法：方法IIIa、方法IIIb和方法IIIc。方法IIIa :通过收集所要预计的产品（称为目标产品）的现场数据，直接对其故障率进行预计。方法IIIb :通过收集相似产品（称为跟踪产品）的现场数据，对目标产品的器件、单元和子系统 进行预计。方法IIIc :通过收集跟踪目标产品的现场数据，对产品的单元和子系统进行预计（不包含器件） 跟踪产品与目标产品在设计、结构上应该是相似的，不同之处在于运

8、行环境和条件不 同。（2）方法川的步骤步骤1、确定跟踪系统中的单元和器件的现场故障数和全部工作时间（t）步骤2、如果采用方法IIIb或IIIc，则要确定工作温度因子T1和T2步骤3、如果表11- 1给出了利用方法I预计单元可靠性所需的一般故障率数据，则按以下步骤计算SS1（1）对于方法IIIa和IIIb :可以采用方法I中的情况1或情况3来计算SS1，除非用户有特殊要求。（2）对于方法IIIc :采用方法I中的情况3来计算SS1步骤4、当跟踪单元同目标单元不同时，并且表 11- 1给出了方法I所需的一般故障率数据，则 计算SS2步骤6计算方法III的故障率步骤5、计算修正值V :SS3 二 2

9、 vSS1t 10-91.0方法IIIaV=T2T1方法IIIbSS2SS1方法IIIc2 f如果无法获得SS1，方法IIIa和方法IIIb的故障率预计值可以按下式计算：109 USS3 t V其中主要参数的含义和算法：551- 对于一个主单元，是指方法|的稳态故障率预计值。对于一个主器件，是指方法I的稳态故障率预计值乘以环境因子E。对于主系统：SS1 = SS对于一个主单元SS1 = SSi E 对于一个主器件552- 对于一个被跟踪单元（当其与主单元不同时），是指采用方法I ,情况3预计的稳态故障率：SS2 = SS其中SS是采用方法I,情况3预计的被跟踪单元的稳态故障率。SSi 采用方法

10、III得到的第i个器件的故障率预计值SS采用方法III得到的单元故障率预计值553- 采用方法III得到的单元或器件级故障率预计值。T1， T2 表11 7中的温度系数。对于器件，米用表11 1中的温度应力曲线；对于单兀，米用温度应力曲线7。（可差表获得）U-观测到f个故障的情况下，置信度在95%以上的泊松分布变量。（可查表获得）（注：以下表格下面的序号中，前面的序号为在本文中的编号，后面的序号是对应原文的编号。）器件可靠性预计表情况1或2-黑盒预计(50%应力,温度为40,无器件老化试验)E =日期第页共页单元生产厂家器件 类型*器件编号电路符号数量(Nj)故障*率(Gj)质量因子(Qj)整

11、个器件 的故障率(Nj Gj Qj)合计总和=SS = E Nj G Q1i:*相似器件有着相同的故障率，基础器件数和质量因子可以综合并加入到一行中。器件描述应 充分，以证实故障率的分配的正确性。*故障率来自于表111。如果器件预计采用了方法II，就可以替代表9 ( Gj)中的故障率。1表1方法I 器件可靠性预计，情况1或2 (表2)单元可靠性预计表情况1黑盒预计（50%应力，温度为40C,单元係统的老化时间1小时，无器件级老化）日期第页共页产品Rev:生产厂家单元名 称单兀数量维修级别稳态故 障率（见 表2）（FITs）如单元 采用方 法II（见表10）第一年 累积值工厂级维修现场级 维修其

12、它44444444444444444444表2方法I-单元可靠性预计，情况1（表3）单元可靠性预计表情况2-黑盒预计（50%应力，温度为40,无器件级老化，单元/系统级老化时间1h）日期第页共页产品Rev:生产厂家单元名称1单兀数量维修级别工厂级维修现场级维修其/、它单元老化温度T b,u加速因子 Ab,u时间t b,u系统老化温度T b,s加速因子Ab,s时间t b,s有效的老化时间tete =Ab,utb,u +Ab,stb,s第一年累积 值（表11 9）FYSS （表 2）SS当单元采用 方法II时，由表 12SS注释表3方法I 单元可靠性预计，情况2 （表4）器件可靠性预计表（一般情况

13、3包括有限应力）日期第页共页单元生产厂家器件类 型器件数量电路符号数量Nj(a)通用故障率Gj(b)质量因 子Qj(c)应力因 子Sj(d)温度因 子Tj(e)器件数 量X器 件故障 率(f)=(a) X (b) X (c) x (d)x(e)器件老化 温度T b,d加速因(g)子 Ab,d时间t b,d(h)单兀老化 温度Tb,u加速因子 Ab,u(i)时间tb,u(j)z系老 化 温度T b,s加速因子 Ab,s(k)时间t b,s(m)早期寿 命温度 因子Aop(n)(o)=1000 /(d) x (e)(o)(p)=(g) x(h) + (i) x (j) +(k) x (m)(P)有

14、效老 化时间:(P)/(d)x (n)(q)(1)当(q)(o)(r)=1(r)(2)当(s)(q) (o)-8760查 表11-9中 的(q)值(r)=(s)/( d)x/ 1°.75(e)(r)否则，查表119中的(P)值(t)(r)=(t)-1 /(d) x (e)+1(r)(u)=(r) x f)(u)故障率由表11 9得到。当采用方法II时，采用表11的(p)表4方法I器件可靠性预计一般情况单元可靠性预计表(一般情况-包括有限应力)日期第页共页产品Rev生产厂家单元名称单兀数量维修级别工厂级维修现场级维 修其它由表5: (u)之和(u)由表5: (f)之和f)环境因子ESS

15、第一年累 积值=(u)/(f)FY如果单元采用了方法II，由表12得:SS注释表5方法I -单元可靠性预计，一般情况(表6)器件可靠性预计实验室数据表 情况L-1器件实验室试验(无前期老化)日期第页共页单元生产厂家器件类 型器件编号电路符号试验时 间Ta(a)实验室试验温度加速因 子Al(b)有效试 验时间(C戸(a)x (b)(c)Ti试验的 器件样 本数No(d)出现的 故障数n(e)故障率Gjf)质量因 子Q(g)(1)(c) 10,000(h)(h)=410-6<c严5 ©>10,000(h)=310出+(c) 10i = 2/f J十汕（g (h)基本故障率(j

16、)=2+(e )/(i)G(j)备注表6方法II 器件可靠性预计，情况L-1（表9）单元可靠性预计实验室数据表情况L - 2单元实验室试验，无前期单元/器件老化日期第页共页单元生产厂家器件类 型器件编 号维修级 别工厂级维修现场级维修其它试验时 间Ta(a)实验室试验温度加速因 子Al(b)工作温度加速因子(c)有效试 验时间(e戶(a)x (b)Ti(e)出现的 故障数n稳态故障率SS(g)环境因 子E(h)故障率(i)=(g)/( h)(c)G(i)单元试 验样本 数No(j)(1)(e)<10,000(k) = 4(1(e)>10 ,000(k) = 310(k)0 严(e

17、)0.25'+(e) 104fm12/(歸(k基本故障率(P)=2+(fJJ/fm)(n)G方法II的 稳态故 障率(p)=(h) x (n) x (c)SS(p)备注表7方法II单元可靠性预计，情况L-2（表10）器件可靠性预计实验室数据表情况L-3器件实验室试验（器件已经过老化）日期第页共页单元生产厂家器件名 称器件编 号电路符号故障率Gj(a)质量因 子Q(b)器件老化温度T b,d加速因(c)子Ab,d时间t b,d(d)有效老 化时间(c) X (d) te(e)实验室试验温度加速因子试验时 间(g)工作温度加速因 子(g)器件的 试验样 本数No(h)出现的 故障数n(i)

18、有效试验时间(j)二 X(g)Ti(j)(k)=(e)+( i)(k)重量因子W(1)(k) 10,000(m)仰尸(席2(k)>10 ,000且(e) 10,00(m )= (k 丫4( (e)>10 ,000(m)=(j)/45 (e 严0)00 +7.5 -(e严5(na(a ) + 4 1( h(n) (m)卢(b)方法ii的稳态故 障率(P)=2+(i )/(n)Gj(P)备注表8方法II 器件可靠性预计，情况L-3(表11)单元可靠性预计实验室数据表情况L-4器件实验室试验(器件已经过老化)日期第页共页单元生产厂家器件名 称器件编 号维修级别：工厂级 维修现场级维修其它

19、单兀老化 温度T b,u加速因 子Ab,u时间t b,u器件老化T b,d有效老 化时间(a)=Ab,ut b,u +T b,dte(a)实验室试验温度加速因 子Al(b)试验时 间Ta(c)有效试验时间(d)=(b) x(c)Ti(d)出现的 故障数n(e)稳态故障率SSf)温度因子(g)环境因(h)子E故障率(i)=(f)/(g )X (h)G(i)单元试 验的样 本数No(j)输入410 - 6(k)(i)=(a)+( d)(l)(1)(i)<10,000(m)=(i)0.25(2)(i)>10, 000且(a) 10,00-(a严(m)0(m )= (i Jf40 (a)&

20、gt;10 ,00000+7.5 -(<i严(m)=(d)/4(n )=2/(i) +(j) X (k) X (m)(n)基本故障率(P)=2+(e )/(a)G(o)方法II的稳态 故障率(q)=(h) X(P) X (g)SS(P)备注表9方法II -器件可靠性预计，情况L-4（表12）BELLCORE预计法附表表11- 1器件故障率（1/16）微处理器的等级和相应复杂度微处理器内部总线位宽复杂度A级（4004）4-Bit2,300晶体管数B级（8085）C级P（ 8086）29,000晶体管数D级1 （ 8088）16-Bit29,0001晶体管数1级P（ 80186）2级（802

21、86）16-Bit134,000晶体管数3级（80386）32-Bit275,000晶体管数4级P（ 80486）32-Bit1.2 106晶体管数5级（Pen tium）32-Bit3.1106晶体管数6级7级表11-1 器件故障率（2/16）器件类型双极型NMOSCMOS故障率 力温度应故障率 力温度应故障率 力温度应（表 11-7）（表 11-7）（表 11-7）数字集成电路规模标称值2127151-20 门6881522291521-506884023301551-10068880293917101-500688400334518501-10006888003952191001-200

22、068816004258202001-300068825004765213001-500068840005273225001-750068865005679237501-10000688900061862410001-15000300068815001-20000800065932520001-30000500068830001-500004000070100266887711027688微处理器 规模标称值1031151-20 门6881511331521-506884011351551-10068880145017101-500688400166018501-100068880019751

23、91001-200068816002186202001-3000688250024100213001-5000688400026117225001-7500688650028130237501-100006889000311472410001-150001300068815001-2000018000331642520001-300002500068830001-5000040000361832668840213276881. 表11-1中所有的集成电路的故障率是在质量等级为II级下的值,为区分密封和非密封两种情 况，应采用不同的质量因子（见表11-4）.表11-1中给出的基本故障率适用于传统

24、（过孔）和表面贴技 术（见6.6章）2. 故障率单位为109小时.3. 门数为器件电路图中的逻辑门数4. 微处理器包括与其相关的外围电路表11-1器件故障率（3/16）器件类型11-7)故障率（表模拟集成电路规模标称值191-32晶体管20晶体管933-903370991-170461509171-260522009261-360623009361-470744509471-590815509591-720907009721-860958009混合微电路|见表11-21. 表11-1中的故障率都是在质量等级II级（见11-4）下的值.表11-1中给出的基本故障率适用于传 统的（过孔）和表面贴工

25、艺（见6.6章）2. 故障率单位为109小时.表11-1 器件故障率（4/16）器件类型双极型NMOSCMOS故障率11-7）温度应力（表故障率11-7）温度应力俵故障率11-7）温度应力（表RAM静态静态静态规模标称值1915131-320比特799256比特221715321-576799512272017577-11207991K3424201121-22407992K4330242241-50006994K5537295001-110006998K71453511001-1700069916K92574217001-3800069932K119715038001-7400068964K

26、155886174001-150,000688128K20111073150,001-300,000688256K26113888300,001-600,000688512K339172106600,001-1,200,0006881024K4412151281,200,001-2,400,0006882048K5732681552,400,001-4,800,0004096K688规模动态动态标称值14141-320比特99256比 特1414321-576995121515577-1120991K16161121-2240992K17172241-5000994K19195001-1100

27、0998K202011001-170009916K222217001-380009932K232338001-740008864K252574001-150,000128K150,001-300,000256K300,001-600,000512K600,001-1,200,0001024K1,200,001-2,400,0002048K2,400,001-4,800,0004096K4,800,001-9,600,000 8192K9,600,001-19,200,000 16383K19,200,001-38,400,00032768K827830832834837840843847882

28、78308328348378408438478注:1. 表11-1中所有的集成电路的故障率是在质量等级为II级情况下的值对于密封的和非 密封的其质量因子应取不同的值（见表11-4）2.故障率的单位为109小时表11-1器件故障率（5/16）门阵列，可编程逻辑阵列（PAL）1. 确定电路的数字部分所用的门数2. 确定电路的模拟部分所用的晶体管数3. 根据前两步确定的门数和晶体管数查数字IC和线性器件的故障率4. 将第三步中确定的故障率求和温度应力曲线：一个数字IC的温度曲线是根据在第一步中确定的门数定的表11-1器件故障率（10/16）器件类型双极型NMOSCMOS故障率温度应力故障率温度应力故

29、障率温度应力(表 11-7)俵俵11-7)11-7)ROMS,PROMS,EPROMS规模51012标称值6991-320比特61113256比特699321-57671214512699577-11201014171K6991121-22401516192K6992241-50002419234K6995001-110004123278K69911001-1700069273116K69917001-38000119323732K6101038001-74000207384364K6101074001-150,0003604551128K61010150,001-300,0006285360

30、256K61010300,001-600,00010966371512K61010600,001-1,200,000191275841024K610101,200,001-2,400,000333889992048K610102,400,001-4,800,0004096K器件类型模型数字IC双极型= 7.45(G + 100)°.221NMOS= 8.56(G + 100)°.243CMOS= 8.96(G + 100 严5微处理器双极型= 3.33(G + 100 )0.235NMOS= 6.32(G + 100 )0.332CMOS= 8.96(G + 100)0.1

31、°5静态RAM双极型= 24.68(B + 100)°378NMOS= 18.58(B + 100)°321CMOS=16.27(B +0.25 )0.271动态RAMNMOS=14.79(B +0.25 )0.111CMOS=14.79(B +0.25 )0.111ROM/PROM/EPROM双极型= 4.16(B + 1)0.804NMOS=11.35(B +0.25 )0.248CMOS=13.75(B +0.25 )0.237模拟IC=5.03(T f440其中：-故障率G-门数B-千比特数T-晶体管数一个微控制器的故障率是通过微处理器及其包含的 RAM的

32、故障率的累加来得到的.器件类型故障率温度应力（表11-7）备注光电器件 光纤激光模块非受控环境45007见下面的说明受控环境45007同上光纤指示灯模块非受控环境11008同上受控环境2408同上光纤检测模块非受控环境140010同上受控环境50010同上光纤联结器非受控环境11005同上受控环境1805同上WDM非受控环境15005同上受控环境5505同上光隔离器30010同上光过滤器45005同上其它光器件LED/LCD 显示310光感电晶体6010光电二极管1510单一隔离器光电二极管检测1010器1510光感电晶体检测 器光敏电阻2010说明:本标准中，模块的定义为：一个包括光二极管/

33、LED检测器和简易的电连接和光联结的小的电 路单元.只有质量等级为III的光电器件才能用于主要的网络中只有密封的光纤器件才能用于主 要网络产品中的激光模块 丄ED模块和检测器模块质量等级III的影响已经包含在这里的故障率 中.非受控环境的环境因子应取e=2.0.非密封的和低质量的器件比采用表11-4中的器件质量因子预计的器件具有更高的故障率.如果模块包含有其它电子器件或混合器件（如激光模块中的激 光驱动和检测器模块中的放大器件），在此可以采用其它来源的故障率数据.另外，不同的供应商, 其器件的故障率会显著不同.贝尔简易预计这些器件的可靠性时，采用现场和试验室数据作为补 充.表11-1器件故障率

34、（9/16）器件类型故障率温度应力（表11-7）备注双重隔离器光电二极管检2010测器3010光电晶体管检 测器4010光敏电阻2010数码管301030101位字符40101位字符w/4010逻辑50102位字符45102位字符w/5010逻辑50103位字符55103位字符w/6010逻辑65104位字符5位字符6位字符70107位字符8位字符9位字符10位字符表11-1 器件故障率（10/16）器件类型故障率温度应力（表11-7）电应力（表11-6）备注晶体管硅NPN0.6W0.6-6W>6WPNP0.6W0.6-6W>6W锗NPN0.6W0.6-6W>6WPNP0.6

35、W0.6-6W>6W场效应硅线性开关咼频GaAs低噪声46104610609015020305540201701007001801100220044444444444444444477EFeFEFEFEFEFEFEFEFEEEEEEEEEEE（100mW）驱动器（100mW）单结微波脉冲放大连续波形第一个曲线为工作功率/额定功率，第二个曲线为工作电压/额定电压.当同时采用这两个应力曲线 时,也要相应考虑两个应力因子例如，如果一个硅晶体管（NPN,0.6-6.0W）工作时功率P=40%,电压 V=60%,电应力则为:0.8X 13=1.04。表11-1器件故障率（11/16）器件类型故障率温度应力（表11-7）电应力（表11-6）备注二极管硅一般功 能<1AMP1-20AMP>20AMP微波检 测微波混频锗一般功能<13691001501230120270500344433888883F,KcF,"F,KCFFf,kcF,KCAMP6933F,Kc1-20 AMPF124F>20AMP254微波检203E测103E微波混103E频电压整流F0.5WF0.6-1.5WH>1.5WC晶闸