Bellcore可靠性预计法

1、Bellcore可靠性预计法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 、 III 。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

2、数据进行单元或器件级的可靠性预计。方法III :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。方法I:元器件计数法(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: 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

3、预计为“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。这一研究对生产周期

4、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11 1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和山的器件。对于表11 1中没有列出的质量

5、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。器件试验时需模拟实际现场工作环境，如湿度和压力

6、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/器件进行过前期的老化），表12（3）方法II的表格（见附表）5、方法

7、III(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IIIa、方法IIIb和方法IIIc。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 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，不同之处在于运行环境和条件不 同。(2)方法III的步骤步骤1、确

8、定跟踪系统中的单元和器件的现场故障数 (f)和全部工作时间步骤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SS，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SS。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5、计算修正值V :1.0方法IIIaV=T2T1方法IIIbSS2SS1方法IIIc步骤6计算方法III的故障

9、率2 fSS3V t 10 9SS1如果无法获得SS，方法Iiia和方法Illb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:的稳态SS对于一个主单元，是指方法I的稳态故障率预计值。对于一个主器件，是指方法I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SS= SSi E 对于一个主器件SS2-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T1

10、，SS3-采用方法III得到的单元或器件级故障率预计值。T2 表11 7中的温度系数。对于器件，采用表11 1中的温度应力曲线；对于单元，采用温度应力曲线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)整个器件 的故障率(Nj Gj Qj)合计总和=SS E Nj G Q*相似器件有着相同

11、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11 1。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/系统的老化时间1小时，无器件级老化）日期第页共页产品11 Rev生产厂家单元名 称单元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它44444444444444444444'表2方法I-单元可靠性预计，情况1（

12、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生产厂家单元名称单元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tb,u系统老化温度T b,s加速因子 Ab,s时间tb,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

13、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Tb,d加速因子 Ab,d(g)时间tb,d(h)单元老化 温度T b,u加速因子 Ab,u(i)时间tb,u(j)系统老化 温度T b,s加速因子 Ab,s(k)时间tb,s(m)早期寿 命温度 因子A op(n)(0)=1000 /(d) X (e)l(o)(p)=(g) X (h) + (i) X (j) + (k) X (m)(P)有效老 化时间：(P)/( d) X (n)(q)(1)当(q) (o)(r)(r)=1

14、当（q）（0）-8760查 表11-9中 的（q）值(s)(r)=(s)/( d) X0.75(e)(r)否则，查表11-9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元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)之和环境因子EE fSS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 -

15、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(b)Al有效试 验时间(c)二(a)X (b)Ti(c)试验的 器件样 本数No(d)出现的 故障数n(e)故障率Gj质量因 子Q(g)(1)(c) 10,000(h)=4 10 6(c)>10,000(h)=3 10 5(h)c。25c 10 9i 2/f(i)d gh基本故障率(j)=2+(e )/(i)G(j)备注表6方法II 一器件可靠性预计，情况L-1（表9）单元可靠性预计实验室数据表情

16、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(a)Ta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nf)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 ,000k 41(e)>10 ,000k 3 1(k)0 6 e o.255 e 109m2/(m) j k基本故障率(P )=2+(f)/(m)G(n)方法II的 稳态故 障率(P)=(

17、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L3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Tb,d加速因 子Ab,d(c)时间tb,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)有效试 验时间(j) = (f) X (g) Ti(j)(k)=(e)+( i)(k)表8方法II 器件可靠性预计，情况L-3（表11）单元可

18、靠性预计实验室数据表情况L4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单元老化 温度T b,u加速因 子Ab,u时间tb,u器件老化T b,d有效老 化时间(a)=Ab,utb,u+Tb,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(e)故障数n稳态故障率SS温度因子(g)环境因 子E(h)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,

19、000m i o.2(2) (i)>10, 000且a 10,0(m i /4( (a)>10 ,000(m)=(d)/45 a。25(m)0)00 7.5<严(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（8086）2

20、9,000晶体管数D级（8088）16-Bit29,000晶体管数1级（80186）2级（80286）16-Bit134,000晶体管数3级（80386）32-Bit275,000晶体管数4级（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故障率温度应故障率温度应故障率温度应力力力（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

21、-500688400334518501-10006888003952191001-200068816004258202001-300068825004765213001-500068840005273225001-750068865005679237501-10000688900061862410001-15000300068815001-20000800065932520001-30000500068830001-50000 4000070100266887711027688微处理器规模标称值1031151-20 门6881511331521-506884011351551-10068880

22、145017101-500688400166018501-10006888001975191001-200068816002186202001-3000688250024100213001-5000688400026117225001-7500688650028130237501-100006889000311472410001-15000 1300068815001-20000 1800020001-30000 2500030001-50000 400003363664061648183821382582682781. 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

23、和非密封两种 情况，应米用不同的质量因子（见表11-4）.表11-1中给出的基本故障率适用于传统（过孔）和表面 贴技术（见6.6章）2.故障率单位为109小时.3.4.门数为器件电路图中的逻辑门数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933-903370991-170461509171-260522009261-360300361-470450 471-590550 591-720700 721-860800混合微电路629749819909959见表11-21. 表11-1中的故障率都是在质

24、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）故障率 温度应力故障率 温度应力故障率 温度应力俵11-7)俵11-7)俵11-7)RAM静态静态静态规模 标称值1915131-320比特799256比特221715321-576799512272017577-11207991K3424201121-22407992K4330242241-50006994K5537295001-110006998K71453511001-1700069916K92574217001-3

25、800069932K119715038001-7400068964K155886174001-150,000688128K20111073150,001-300,000688256K26113888300,001-600,000688512K339172106600,001-1,200,0006881024K4412151281,200,001-2,400,0006882048K5732681552,400,001-4,800,0004096K688规模动态动态标称值14141-320比特99256比 特1414321-57699双极型NMOSCMOS器件类型5121515577-112099

26、1K16161121-2240992K17172241-5000994K19195001-11000998K202011001-170009916K222217001-380009932K232338001-740008864K252574001-150,00088128K2727150,001-300,00088256K3030300,001-600,00088512K3232600,001-1,200,000881024K34341,200,001-2,400,000882048K37372,400,001-4,800,000884096K40404,800,001-9,600,00088

27、8192K43439,600,001-19,200,0008816383K474719,200,001-38,400,0088032768K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)1.2.3.4.确定电路的数字部分所用的门数确定电路的模拟部分所用的晶体管数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 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

28、11-1器件故障率(6/16)故障率温度应力俵 11-7)故障率温度应力故障率11-7)温度应力俵11-7)俵ROMS, PROMS,E P ROMS规模51012标称值6991-320比特61113256比特699321-57671214512699577-11201014171K6991121-22401516192K6992241-50002419234K6995001-110004123278K69911001-1700069273116K69917001-38000119323732K6101038001-74000207384364K6101074001-150,000360455

29、1128K61010150,001-300,0006285360双极型NMOSCMOS器件类型256K61010300,001-600,00010966371512K61010600,001-1,200,000191275841024K610101,200,001-2,400,000333889992048K610102,400,001-4,800,0004096K表11-1器件故障率（7/16）器件类型模型数字IC双极型7.45 G 100 0'221NMOS8.56 G 100 0-243CMOS8.96 G 100 0.105微处理器双极型3.33 G 100 0'235

30、NMOS6.32 G 100 0.332CMOS8.96 G 100 0.105静态RAM双极型24.68 B 100 0.378NMOS18.58 B 100 0.321CMOS16.27 B 0.25 0.271动态RAMNMOS14.79 B 0.25 0.111CMOS14.79 B 0.25 0.111ROM/P ROM/E PROM双极型4.16 B 1 0.804NMOS11.35 B 0.25 0.248CMOS模拟IC _其中：-故障率G-门数B-千比特数T-晶体管数13.75 B 0.25 0.2375.03 T 0.440一个微控制器的故障率是通过微处理器及其包含的 RA

31、M的故障率的累加来得到的.表11-1器件故障率（8/16）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2010器光敏电阻说明：本标

32、准中，模块的定义为：一个包括光二极管/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

33、作为补充.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4010测器光敏电阻2010表11-1器件故障率（9/16）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7位字符8位字符9位字符10位字符7010表11-1器件故障率（10/16）0.6-6W1804>E6W11007E场效应22007E硅E线性EE开关E咼频EGaAs低噪声（100m邓驱动器（100m邓单结微波脉冲放大连续波形第一个曲线为工

34、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34F,Kc<164AMP94F,Kc1-201003AMP1503F,Kc>20AMPF微波检128F测308微波混频12027088F,Kc锗5008F,KC一般功能<133F,KcAMP6393F1-20 AMP124F>20A

35、 MP254E微波检203E测103E微波混103频F电压整流F0.5WH0.6-1.5WC>1.5WC晶闸管1AMP>1A MP变容,阶跃， 隧道变容，硅桥 变容,金属氧化物第一个曲线为工作电流/额定电流，第二个曲线为工作电压/额定电压.当采用两个曲线时，也要相 应考虑两个应力因子.器件类型电热调节器（热 敏电阻器）Bead-垫 片式Disk-圆盘 式Rod-棒式Po lymetricPo sitiveTem p.C oefficie nt( PPTC )Device-多正极温度系 数器件固定电阻器（包括 SMT）合成电阻器：1兆欧>1兆欧薄膜电阻器 （碳,氧化物，金 属）故障率41015100.5316411010表11-1 器件故障率（12