3-可靠性设计--容差分析

－－容差分析
内容提要
1。

概述
参数、强度和应力离散性概念
案例：参数设计不当导致故障
6σ设计概念
2。

容差设计途径与措施
工作状态设计
容差补偿设计
容差灵敏度分析
1概述
电子元器件的参数有一定的离散性，会随着环境条件以及电源电压的变化发生漂移，还会随着储存和使用时间发生不可逆
的分散与退化。

1概述参数分布随着储存
和使用时间推移
发生不可逆的
分散与漂移。

即便应力分布
不发生变化，
强度与应力势必
发生更多交叠。

意味着。

1
概述
辅助供电电压随着主路输出电流下降而降低，低到跟芯片的正常工作导致芯片工作异常。

还有温漂啊。

42台产品之XXXX供电与门槛电压数据
12.2
12.412.612.81313.213.413.613.8141
3
5
7
911131517192123252729313335373941
V1（V）
V1
V1门槛
1
概述
随着储存和使用时间推移发生不可逆的
分散与退化。

即便应力分布不发生变化，
发生交叠。

意味着。

XXXX芯片不同温度下门槛电压V1随时间变化
12.612.6512.712.7512.812.85
12.9
12.951313.0513.10天
3天
6天
9天
11天12天15天17天20天23天25天
常温23度零下10度零下15度零下20度正50度
1
概述
12
12.5
1313.5
0123
4
f x ()
g x ()
x
12
12.5
1313.5
01
2
3
4
f x ()g1x ()
x
室温下，芯片门槛电压分布与电源辅助供电电压分布存在部分交叠，发生部分不良。

低温下，门槛电压中心值右移，门槛电压分布与与辅助电压分布交叠部分变大，不良率增加。

6σ设计的概念
80年代末，Motorola公司在微电路产品开发、设计中,首先提出了6σ设计要求。

即要求参数规范范围为±6σ，其中σ为相应参数实际分布的标准偏差。

设计要求：6σ设计要求综合表征了设计水平和工艺水平。

要达到这一目标，一方面要从优化设计入手，使允许的参数规范范围尽量宽。

另一方面要采用先进设备和新技术，改进工艺质量，减小参数分散性，使σ尽量小。

通过两方面努力，使参数规范范围能对应±6σ，实现6σ设计的要求。

工序能力的定量表征
(1) 工序能力
通常工艺参数服从正态分布N(μ,σ2)。

正态分布标准偏差σ的大小反映了参数的分散程度。

绝大部分参数值集中在μ±3σ范围内，其比例为99.73%。

通常将6σ
称为工序能力。

6σ范围越小，表示该工序的固有能力越强，
也就是生产出成品率高、可靠性好的产品的能力越强。

工序能力的定量表征
(2)潜在工序能力指数C P
为了综合表示工艺水平满足工艺参数规范要求的程度，工业生产中广泛采用下式定义的工序能力指数：
C P=(T U-T L)/ 6σ=T/ 6σ
可得工序能力指数与成品率之间的关系：
工艺成品率不合格品率
规范范围C
P
±3σ199.73% 2700PPM
±4σ 2 99.9937% 63PPM
±6σ 2 99.9999998% 0.002PPM 结论：工序能力指数越高，成品率也越高。

工序能力的定量表征
工序能力的定量表征
(4)单侧规范值情况的工序能力指数C PL和C PU：
如果要求参数大于某一下限值T L，无上限要求，工序能力指数应按下式计算：
C PL＝(μ－T L)/3σ
若μ＜T L，则取C PL为零，说明该工序完全没有工序能力。

如果参数规范只规定了上限值T U，无下限要求，则工序能力指数应按下式计算：
C PU＝(T U－μ)/3σ
若μ＞T U，则取C PU为零，说明该工序完全没有
工序能力。

案例：某机型输出限流点过程能力评定
NO 测定 D A T A
1 3.30 3.4
2 3.51 3.30 3.482 3.45 3.44 3.54 3.27 3.44
3 3.40 3.5
4 3.41 3.54 3.444 3.53 3.50 3.53 3.4
5 3.565 3.47 3.4
6 3.43 3.56 3.286 3.45 3.51 3.41 3.41 3.467
3.54 3.55 3.36 3.38 3.68
12345678910
样品数(n)35下限规格 (SL) 1.80最大(Max) 3.683上限规格(SU) 4.40最小(Min) 3.272规格中心(μ)
3.10平均(X-bar) 3.457Cp
4.83标准偏差(σ)0.090Cpk 3.50
上限不良PPM 0.0Tonypeng
下限不良PPM
0.0
0PPM
2 容差设计途径与措施
2.1.工作状态设计
在进行工作状态设计时，应进行环境应力与电应力分析及元器件和机械结构件在这两种应力作用下的变化对电路和设备可靠性影响的灵敏度分析，以下是一些要考虑的因素：
1）环境应力极限条件下及容差情况；
2）最大电源电压变化及电源瞬变（如通断）；
3）最大最小信号变化；
4）最大元器件参数变化；
2 容差设计途径与措施
2.1.工作状态设计
5）最高技术性能要求；
6）无冗余措施；
7）丧失安全措施；
8）无环境防护措施；
9）电磁干扰等。

在作上述分析后，将工作点选在可靠的工作区内。

2 容差设计途径与措施
BZX84C2V4LT1系列稳压管，离散性加上温度漂移，稳压值变化范围可达名义值的20%。

名义值越大变化范围越大。

2 容差设计途径与措施
2.2.容差补偿设计
温度变化对电子元器件特性参数影响最为严重。

电子元器件所采用的材料特点和结构方式不同，温度变化对其性能影响也不同，有的呈正温度系数，有的呈负温度系数。

如电感线圈用的磁介材料，羰基铁及钼铍莫合金为正温度系数，而铝硅铁为负温度系数。

电解电容器低温使用时电容量会明显减少。

电感器可以采用铝硅铁一类的负温度系数的磁芯来补偿线圈的正温度系数。

2 容差设计途径与措施
2.2.容差补偿设计
具有正温对于半导体稳压二极管，在5V以上的雪崩击穿区，v
z
(硅管为0.7V左右）具有负温度系数。

度系数，而二极管的正向压降v
r
将两个稳压器一正一反串联可得到高稳定度的电压。

双向限幅稳压二极管
2 容差设计途径与措施
2.2.
容差补偿设计
由电感器和电容器所组成的振荡回路，为了减少温度变化对频率的影响，可以选取负温度系数的电容器来抵消正温度系数电感器随温度的变化量。

由电阻器和电容器所组成R-C 电路，选取相反的温度系数以保持时间常数(τ=RC)不随温度变化而变化。

有些高精度电路要求可以选取两个温度两个系数相反的电容器并联（C=C 1+C 2）来保证总容量的稳定。

如选取聚苯乙稀（具有负温度数）与云母电容器（具有正温度系数）并联。

)
2/(1(LC f f π=
2 容差设计途径与措施
2.3
容差灵敏度分析
试对一个电感器（50mH ±10%）和一个电容器（30pF ±5%）组成的简单调诣电路进行敏感度分析和采取措施。

该电路许可的频率偏离⊿fmax=200kHz LC
f π21=
2
/2//0
00C C L L f f Δ−
Δ−=Δ根据元件离散值计算的
最大频率偏移：
%
5.72
%
52%10|/|0=+=Δf f 超出了允许的频率偏移：
%
9.4/0max =Δf f 结束。