05微电子器件可靠性 可靠性设计
可靠性预计及其准确性_张增照
在进行可靠性预计时，是什么因素影响了预 计的准确性呢？我们认为有以下几点：
４．１ 预计手册本身的准确性
所用预计手册本身的准确性是影响预计准确 性的因素之一。如何保证预计手册的准确性，是 编制预计手册工作者的重要工作，它决定于数据 的收集、取舍、统计处理、验证等环节。例如： 在 ＧＪＢ２２９９ 的编制中，要从大量的现役设备中通 过收集设备元器件的工作环境、故障时间、工作 时间、故障原因、现象等数据，进而统计分析出 元器件的失效率，并不是简单地把所有的故障数 据都拿来计算就可；而且要依据统计数学，对代 表性的数据有严格的判别、取舍依据，并用现场 数据不断地修订手册的预计值。
业标准就是由 ＭＩＬ－ ＳＴＤ－ ２１７ 演变而 Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ ＳＲ－ ３３２
由商业级电子元器件的 Ｂｅｌｌｃｏｒｅ 标准演变而来。
来的（如表 １ 所示）。
３ 可靠性预计手册的数据 内涵
ＰＲＩＳＭ
ＣＮＥＴ ９３ ＲＤＦ－ ２０００
最初由可靠性分析中心（ＲＡＣ）制定，结合了工艺 等级因素。
由法国电信部门制定。
在美国国防部宣布不再对 Ｍ ２１７ 进行修订或
收稿日期：２００５－ ０６－ １０ 作者简介：张增照（１９６４－ ），男，山东青岛人，信息产业部电子第五研究所科技处副主任，高级工程师，硕士，参与了
ＧＪＢ／Ｚ ２９９Ｂ－ ９８《电子设备可靠性预计手册》的修订，主持 ＧＪＢ／Ｚ ２９９Ｃ 的修订，主要从事可靠性预计研究、电子 元器件选用研究。
靠性预计的权威性依据。 以恒定失效率为基础的可靠性预
表 １ 可靠性预计模型／标准
计方法，最初由 ＭＩＬ－ ＳＴＤ－ ２１７ 引入， 模型
说明
多年来被用于估计产品和系统的失效 ＭＩＬ－ ＨＤＢＫ－ ２１７ 率和平均无故障工作时间。有许多商
gjb548b-2005标准
GJB 548B-2005是微电子器件试验方法和程序的标准。
这个标准规定了军用微电子
器件的环境、机械、电气试验方法和试验程序，以及为保证微电子器件满足预定用途所要求的质量和可靠性而必须的控制和限制措施。
如果承制方标明或声称其半导
体集成电路符合本标准的规定，则必须满足方法5004、5005或5010（对复杂微电路）的要求，混合集成电路应满足GJB 2438的要求，同时应满足本标准的一般要求和所引用的其他试验方法的要求，而且产品规范应经标准化机构确认。
国外电子元器件可靠性试验情报跟踪
电子系统中模块化和小型化发展的迫切需求使 ＫＧＤ 技术在国外发展非常迅速，美国航空航天局 （ＮＡＳＡ）为了满足空间应用对 ＭＣＭ 的需求制定了 ＫＧＤ 保证计划，提出了 ＫＧＤ 的测试和可靠性是保 证空间用 ＭＣＭ 的关键技术之一，并制定了空间应 用 ＫＧＤ 保证技术导则。美国电子工业协会（ＥＩＡ） 在 １９９６ 年颁布了有关 ＫＧＤ 的 ＪＥＤＥＣ 标准，日本电 子工业协会（ＥＩＡＪ）在 １９９９ 年也颁 布 了 自 己 的 ＫＧＤ 标准，对 ＫＧＤ 质量和可靠保证提出了指导性 规范。北美的芯片产品协会（ＤＰＣ）是一个独立组
１ 引言
可靠性试验是评价和分析元器件可靠性的必要 手段。它不仅能衡量产品的质量和可靠性水平，了解 产品生产质量的稳定程度；还可以结合失效分析手段 来发现产品中存在的问题，了解产品在不同的环境和 应力条件下的失效模式，分析失效原因，找出薄弱的 环节，采取相应的措施，以达到提高电子元器件可靠 性水平的目的。本文对国外在电子元器件可靠性试验 领域的最新进展进行了跟踪研究，并对集成电路测 试 、 已 知 良 好 芯 片 （ＫＧＤ） 技 术 和 微 机 电 系 统 （ＭＥＭＳ）等方面的可靠性技术进行了概括。
收稿日期：２００５－ １０－ １４ 作者简介：蔡少英（１９６４－ ），女，广东揭西人，信息产业部电子第五研究所赛宝信息研究中心高级工程师，主要从事科技情报
研究工作。
ＤＩＡＮＺＩ ＣＨＡＮＰ ＩＮ ＫＥＫＡＯＸＩＮＧ ＹＵ ＨＵＡＮＪ ＩＮＧ Ｓ ＨＩＹＡＮ
１８９
庆祝信息产业部电子第五研究所建所 ５０ 周年
ｄ） 由于半导体器件的特征尺寸越来越小，要发 现器件的缺陷需要更高性能的检测手段。
３ 大规模集成电路测试技术
ＩＣ 测试技术是发展 ＩＣ 产业的三大支撑技术之 一，是保证其性能、质量的一个关键手段。因此， ＩＣ 测试作为一个测试门类受到很多国家的高度重 视。经过数十年的发展，ＩＣ 测试技术随着 ＩＣ 技术 的发展而迅速提高，市场规模也越来越大，１９９９ 年 ＩＣ 的自动测试设备（ＡＴＥ）销售额达到了 ３６ 亿美 元。按美国 ＶＬＳＩ Ｒｅｓｅａｒｃｈ 公司预测，未来几年 ＩＣ ＡＴＥ 销售额将以平均 ２５ ％的年增长率持续地提高。
士兰微电子 SD05M50DBE DBS 说明书
智能功率模块(IPM)，500V/5A 三相全桥驱动描述SD05M50DBE/DBS 是高度集成、高可靠性的三相无刷直流电机驱动电路，主要应用于风扇类的小功率电机驱动。
其内置了6个快恢复功率MOS 管和3个半桥高压栅极驱动电路。
SD05M50DBE/DBS 内部集成了欠压保护功能，提供了优异的保护和失效保护操作。
由于每一相都有一个独立的负直流端，其电流可以分别单独检测。
SD05M50DBE/DBS 采用了高绝缘、易导热和低电磁干扰的设计，提供了非常紧凑的封装体，使用非常方便，尤其适合内置于电机的应用和要求紧凑安装的场合。
主要特点♦ 内置6个500V/5A 的快恢复功率MOS 管 ♦ 内置高压栅极驱动电路(HVIC) ♦ 内置欠压保护♦ 内置自举二极管完全兼容3.3V 和5V 的MCU 的接口，高电平有效♦ 3个独立的负直流端用于变频器电流检测的应用 ♦优化并采用了低电磁干扰设计 ♦绝缘级别1500V rms /min应用♦ 室内/户外空调 ♦ 冰箱压缩机 ♦ 排气扇 ♦ 风扇 ♦ 空气净化器 ♦洗碗机水泵产品规格分类产品名称封装形式 打印名称 环保等级 包装 SD05M50DBE DIP-23E SD05M50DBE 无铅 料管 SD05M50DBSSOP-23HSD05M50DBS无铅料管内部框图极限参数参 数 符号 参 数 范 围 单位 加在P-N之间的电源电压V PN500 V单个功率MOS的漏极持续电流，I D25 3.0 A T C=25°C单个功率MOS的漏极持续电流，I D80 2.0 A T C=80°C单个功率MOS的漏极峰值电流I DP 5.0 A T C=25°C, 脉冲宽度<100μs最大功率耗散，T C=25°C P D14.7 W 控制电源电压V CC20 V 高侧控制电压V BS20 V 输入信号电压V IN-0.3~V CC+0.3 V 工作结温范围T J-40~150 °C 工作壳温范围, T J≤150°C（备注1）T C-40~125 °C 存储温度范围T STG-40~125 °C 结壳热阻RθJC8.5 °C/W绝缘电压，60Hz，正弦，交流1分钟，V ISO1500 V rms 引脚与散热片之间自举二极管正向电流，T C=25°C I F0.5 A自举二极管正向电流峰值，T C=25°C，I FP 1.5 A 脉宽1ms备注1：壳温测试点，请看图3所示。
微电子产品可靠性PPT优秀课件
Semiconductor Reliability & Reliability Physics
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集成电路可靠性与 可靠性物理
2,若接触物体理想地分离，即无任何电子在分离瞬 间越过接触面而复合，则在分开过程中
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集成电路可靠性与 可靠性物理
二 摩擦生电的电势
摩擦生电主要发生在绝缘体之间，由于绝缘体不 能把所产生的电荷迅速分布到物体整个表面，或迅 速传给它所接触的物体，所以能产生相当高的静电 势； 1,两种物体摩擦时，接触点增加，接触面积大，接 触和分离几乎同时进行，分离速度快，残存的电荷 量多，所以，产生的电势高。 2,两种不同组合的材料，摩擦后产生静电势的高低 是不同的，各种材料，按其相互摩擦后产生的电势 高低可以排成次序:
集成电路可靠性与 可靠性物理
二 两种不同工作条件下的再结构现象
1，高温少循环(例如：合金、烧结、热压等 工艺过程)再结构 ⑴ 再结构表面出现的小丘、晶须和空洞往往 覆盖了整个晶粒或分布在晶间三相点处; ⑵ 小丘和空洞产生的原因 — 压缩和膨胀应 力下，Al原子的扩散蠕变 ;
Semiconductor Reliability & Reliability Physics
Semiconductor Reliability & Reliability Physics
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集成电路可靠性与 可靠性物理
2 感应产生静电 当一个导体靠近带电体时，会受到该带电体形成的
静电场的作用，在靠近带电体的导体表面感应出异种 电荷，远离带电体的表面出现同种电荷。尽管这时导 体所带净电荷量仍为零，但出现了局部带电区域，这 一过程称为感应生电； ❖ 显然，非导体不能通过感应产生静电。 ❖ 静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓 度密切相关：在相对湿度高的场合静电势较低；在相 对湿度低的场合静电势就高。空气纯净的场所内，由 于离子浓度低，所以静电更易产生。
可靠性设计的一些内容
可靠性设计的一些内容一、可靠性评价分析技术的应用由于设计阶段对产品的可靠性将起到奠基作用，故在设计过程中，应不断对产品的可靠性进行定性和定量的评价分析）以便及时了解产品的可靠性指标是否有了保证，所采取的各种可靠性设计措施是否有效，有效程度如何，设计中是否还存在薄弱环节和潜在缺陷，产品在今后使用中可能会发生什么样的故障，以及故障一旦发生时，其影响和危害程度如何等等。
弄清以上问题将有助于及时发现缺陷，及时改进设计，防止“带病”投产，保证预定的可靠性指标得到满足。
下面介绍几种主要的评价分析技术的应用：1 ．可靠性预计与分配可靠性预计是在设计阶段，根据设计中所选用的电路程式、元器件、可靠性结构模型、工作环境、工作应力以及过去积累的统计数据，推测产品可能达到的可靠性水平。
预计的目的不是在于了解在什么时候将发生什么样的失效，而是在于从设计开始就采取措施以防止失效的发生，并用定量的方法评价可靠性设计的效果。
可靠性分配是将可靠性指标或预计所能达到的目标值加以分解，用科学的方法，合理分配给分系统、设备、部件直至各元器件和每一个连接点、焊接点，以保证可靠性既定目标得以实现。
通过分配，不仅可以层层落实设计指标，还可发现设计的薄弱环节和尚能挖掘的潜力。
可靠性预计的方法一般有相似设备法、相似电路法。
有源器件法、元器件计数法及元器件应力分析法等，它们分别适用于不同的设计阶段：当产品处于方论证阶段时，可用相似设备法、相似电路法、有源器件法等快速预计法进行可行性预计，以评价设计方案的可行性；当产品处于旱期的详细设计阶段时，可用元器件计数法进行初步设计预计，以了解元器件的初步选择是否恰当，并为可靠性分配打下预计的基础，而当产品处于详细设计阶段的中期和后期，可用元器件应力分析法进行详细的设计预计，以便及时发现设计的薄弱环节或潜在能力，及时改进设计，以期达到优化设计的目的。
下面就三种预计方法作一些简略的介绍：（1）有源器件法所谓有源器件法，即按设备为完成规定功能所需的串联有源器件的数目预计设备失效的方法。
微电子封装中的可靠性设计与优化研究
微电子封装中的可靠性设计与优化研究微电子封装是现代电子技术中重要的环节，可靠性是该领域研究的关键问题。
本文将从可靠性设计与优化的角度出发，探讨微电子封装中的可靠性问题，并提出相应的研究方向和优化策略。
一、微电子封装中的可靠性问题微电子封装是将微电子芯片、集成电路与外部介质进行物理连接和保护的过程。
在封装过程中，由于温度、湿度、机械应力等外部环境因素的影响，以及封装材料的特性限制，微电子封装可能存在以下可靠性问题：1. 焊接可靠性：封装过程中，焊接是连接芯片和外部引脚的重要方式。
焊点的质量直接影响到整个封装的可靠性。
焊点可能出现冷焊、开裂、疏松等问题，从而引起芯片与引脚的断裂，甚至导致器件失效。
2. 热传导问题：微电子封装中，芯片产生的大量热量需要通过封装材料传导和散热。
若散热不良，会导致芯片温度过高，降低器件的可靠性和寿命。
3. 封装材料的降解：封装材料因长期暴露在恶劣环境下，可能会出现老化、腐蚀、电学性能下降等问题，进而影响封装的可靠性和性能。
4. 微结构效应：微电子封装中，芯片和封装材料之间存在微结构效应，如针对封装材料的热膨胀系数不匹配，可能引起应力集中，导致微裂纹的产生和扩展，最终导致器件失效。
二、可靠性设计与优化的研究方向针对微电子封装中的可靠性问题，需要进行可靠性设计与优化的研究。
以下是几个研究方向的介绍：1. 封装材料的选择与设计：选择合适的封装材料对于提高微电子封装的可靠性至关重要。
研究人员需要综合考虑材料的热导率、机械强度、阻尼特性等因素，设计出能够满足封装要求并具备良好可靠性的材料。
2. 计算机辅助工程与模拟仿真：借助计算机辅助工程软件和模拟仿真技术，可以对微电子封装进行虚拟建模和仿真分析。
通过分析封装过程中的热传导、应力分布等问题，提前发现潜在的可靠性问题，并采取相应措施进行改进。
3. 焊接工艺的优化：焊接是微电子封装过程中容易产生可靠性问题的环节之一。
优化焊接工艺参数，控制熔化焊料的温度、时间、流动性等因素，能够降低焊接过程中的应力和热应变，提高焊接的可靠性。
电子产品可靠性设计分析方法
➢设计人员注重元器件旳功能与性能，不关心其“质量等级”；
➢元器件旳采购缺乏“质量等级”概念“，渠道不畅、不稳；
➢元器件旳使用：近二分之一旳元器件失效并非因为元器件本 身旳固有可靠性不高，而是因为使用者对元器件选择不当或使 用有误。航天部半导体器件失效分析中心旳统计数字：
年份
1989
比例（%） 61
使用失效的比例
ESS 旳应用 及效益
HEWLITT 台式计算机
现场维修次数 降低50%
电子燃料喷射系统
外场故障从23.5% 降到8%
A-A17惯导系统
内场故障 降低43%
元器件旳筛选
➢筛选旳原则与难点
–原则：既要剔除不合格旳产品、又不能将好旳产品弄坏 –难点：筛选时旳措施、应力大小和时间
➢筛选旳种类
–一次筛选（筛选）、二次筛选（目旳：筛选应力不够、针对性 差、检验） –器件筛选、电路板筛选设备级筛选
➢国内元器件旳质量等级
半导体集成电路质量系数等级
质量等级
质量要求说明
质量要求补充说明 πQ
执行 GJB597-88《微电路总规范》且经军 A1 用电子元器件质量认证合格的 S 级产品
执行 GJB597-88，且经军用电子元器件质
A2 量认证合格的 B 级产品
A
执行 GJB4589.1-84《半导体集成电路总
设计手册 ) ➢ 环境应力筛选(GJB1032-90，电子产品环境应力
筛选措施 )
电子元器件旳选择与使用
➢ 为何要控制选择与正确使用电子元器件
➢ 电子元器件旳质量等级
➢ 元器件旳选择控制 • 目旳 • 原则 • 管理
➢ 元器件旳正确使用
为何要控制电子元器件旳选 择与正确使用
半导体器件可靠性与失效分析微电子
半导体器件可靠性与失效分析微电子半导体器件可靠性与失效分析是微电子领域的重要课题。
半导体器件的可靠性是指在一定的使用环境和使用条件下，器件在规定时间内能够正常工作的概率。
而失效（Failure）是指器件不能在规定的时间内正常工作。
半导体器件的可靠性与失效分析旨在通过对器件的性能和可靠性进行评估和分析，找出器件失效的原因，并提出相应的改进措施，从而提高器件的可靠性。
1.可靠性评估：通过一系列实验和测试，评估器件在特定环境和使用条件下的可靠性。
常见的可靠性评估方法包括寿命测试、温度循环测试、湿度测试、可靠性建模等。
通过这些评估手段，可以得到器件的失效概率和失效的规律，进而为改进器件的设计和制造提供依据。
2.失效分析：失效分析是通过对失效的器件进行物理和电学特性分析，找出失效的原因和机制。
常见的失效分析方法包括显微镜观察、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱分析(EDX)、微动电压测量、故障注入方法等。
通过失效分析可以确定故障位置和失效原因，为改进器件的设计和制造提供指导。
3.失效模式与机制研究：失效模式与机制的研究是指通过理论和实验手段，研究器件失效的模式和机制。
通过对失效模式和机制的研究，可以了解器件失效的根本原因，并提出相应的改进措施。
例如，晶体管的漏电流增加、介质击穿等都是半导体器件失效的常见模式和机制。
4.退化机制分析：半导体器件的寿命会随着使用时间的增加而发生退化，导致器件性能下降甚至失效。
退化机制分析是指通过实验和测试，研究器件在使用过程中的退化机制。
常见的退化机制包括电子迁移、电子捕捉、热失效等。
通过退化机制分析可以确定退化的原因，为延长器件寿命提供参考。
半导体器件的可靠性与失效分析对于微电子行业具有重要的意义。
高可靠性的器件可以减少电子产品的故障率，提高产品的性能和稳定性。
同时，通过对失效原因和机制的研究，可以指导器件的设计和制造，提高器件的可靠性和寿命。
因此，半导体器件的可靠性与失效分析是微电子领域一个重要的研究方向，也是推动微电子技术发展的关键之一。
电子产品的可靠性设计分析
电子产品的可靠性设计分析摘要随着我国社会经济的不断发展，人们生活舒适度逐渐提高，电子产品逐渐成为人们日常生活中的重要产品。
电子产品种类逐渐增多，功能更加实用化，普通大众已经对电子产品具有一定的依赖性，电子产品使用率逐渐提升。
人们对电子产品的使用性能要求不断提高，这就要求电子产品可靠性必须要提升。
电子产品设计阶段，必须要严格按照相关要求开展电子产品可靠性设计，采用合理可靠性设计策略，提升电子产品综合质量。
关键词电子产品；要求；可靠性设计1 电子产品可靠性定义电子产品可靠性是指电子产品在规定的时间内和规定的条件下，是否能够完成要求功能的一种能力，是衡量电子产品的可靠性水平的定性数值。
主要根据电子产品的依靠可靠度、平均寿命、失败率等指标来衡量电子产品的可靠性。
在明确电子产品的设计的性能和功能要求前，必须要了解电子产品在整个寿命周期内所面临的换将状态，通过电子产品的定量和定性指标来验证产品的可靠性，进而提高电子产品的产品质量[1]。
2 电子产品可靠性设计技术电子产品的可靠性设计技术主要通过采用预计、分配、技术设计和评定等类型的设计策略，实现电子产品可靠性验证、试验，确保电子产品可靠性。
电子产品设计阶段，必须要尽量选择成熟化、插件化和简单化的设计结构，选用典型电路，要衡量电子产品的可靠性、经济性和产品实际性能，通过多个方面的设计提升产品整体品质。
一般情况下，电子产品的可靠性设计技术包括冗余设计、元器件的降额设计和热设计等技术[2]。
3 电子产品可靠性设计3.1 可靠性预计可靠性预计指的是在产品设计阶段，根据电路中选用的电路程式、可靠性结构模型、元器件、工作环境及以前积累的数据，推测产品的可靠性水平。
预计的目的是未来了解产品可能发生的故障，从而提前设计出相应的预防措施，并用定量的方法来评价产品可靠性设计的效果。
本文采用元器件应力分析法，该方法是电子产品可靠性设计过程中应用最佳的设计方法。
首先，要求出各元器件的工作故障效率λpi=λbπEπTπQ，式中：λpi为第i种元器件的工作故障率；λb为元件基本故障率；πE为环境系数；πT为温度系数；πQ为质量系数。
微电子器件的可靠性评估与寿命预测技术研究
微电子器件的可靠性评估与寿命预测技术研究随着微电子器件在各行各业的广泛应用，其可靠性评估与寿命预测成为了关键的研究内容。
微电子器件的可靠性评估主要是通过对器件的可靠性参数进行测试和分析，如可靠性试验、可靠性分析等方法，从而确定器件在特定条件下的可靠性。
首先，可靠性试验是评估微电子器件可靠性的重要手段之一、常用的可靠性试验方法有老化试验、温度循环试验、湿热试验等。
老化试验是将器件置于异常工作条件下，通过加速老化的手段观察器件的失效情况，以获取其可靠性信息。
温度循环试验则是将器件在不同温度条件下循环加热和冷却，目的是模拟器件在实际工作过程中受到的温度变化，从而评估器件的可靠性。
湿热试验是将器件置于高温高湿的环境中进行老化，以检测器件对湿度的敏感性和稳定性。
通过这些试验，可以获得器件在实际使用过程中的可靠性表现，并对器件的失效机制和失效率进行研究和分析。
其次，可靠性分析是评估器件可靠性的关键方法之一、可靠性分析主要是通过故障数据统计和分析来获得器件的可靠性指标。
常用的方法包括可靠性均匀度分析、可靠性指标的估计和预测等。
可靠性均匀度分析通过对器件的统计数据进行分析，得到器件的可靠性分布情况，从而评估其可靠性水平和稳定性。
可靠性指标的估计和预测则是通过建立可靠性模型，利用统计和数学方法对器件的失效率进行估计和预测。
这些方法可以为研发人员提供可靠性评估和预测的依据，从而有针对性地改进器件设计和制造工艺，提高器件的可靠性。
最后，寿命预测是评估器件可靠性的重要内容之一、通过对器件的负载和环境条件进行测量和分析，可以预测器件的寿命情况。
寿命预测方法包括物理性能寿命模型和可靠性寿命模型两种。
物理性能寿命模型是基于器件的物理机制和性能参数建立的寿命模型，通过对器件的物理过程进行建模和仿真，预测器件的寿命情况。
可靠性寿命模型则是基于可靠性参数建立的寿命模型，通过对器件的可靠性数据进行统计和分析，预测器件的寿命情况。
这些寿命预测模型为制造商和使用者提供了预测器件寿命的依据，能够在产品设计和选择上起到重要的指导作用。
微电子器件可靠性工艺可靠性
环境适应性挑战与解决方案
环境适应性挑战
微电子器件在复杂环境中使用时，会受到温度、湿度、气压 、辐射等多种因素的影响，导致性能不稳定甚至失效。
解决方案
加强封装和密封技术，提高器件的防潮、防尘能力；采用耐 高温、耐辐射的器件材料；优化器件结构和工艺，提高环境 适应性。
05
微电子器件可靠性未来发展趋势
自动化维修
自动化维修技术将应用于微电子器件的维修中，能够实现快速、准确的维修，提高设备的可靠性和稳 定性。
06
结论
微电子器件可靠性工艺可靠性的重要性
保证产品性能
微电子器件可靠性工艺可靠性是 保证产品性能的关键因素，可以 提高产品的稳定性和可靠性，减
少故障和失效的可能性。
提升生产效率
通过提高微电子器件可靠性工艺可 靠性，可以减少生产过程中的不良 品和废品，降低生产成本，提高生 产效率。
可靠性设计与分析技术的发展
可靠性建模
随着计算机技术的发展，可靠性建模技术将更加成熟，能够更准确地预测和评估微电子器件的寿命和可靠性。
失效分析
失效分析技术将不断进步，能够更快速、准确地定位和解决微电子器件的失效问题。
智能化与自动化在可靠性工程中的应用
智能化检测
通过智能化检测技术，能够实现微电子器件的快速、准确检测，提高生产效率和产品质量。
随着技术的发展，微电子器件的性能 不断提高，尺寸不断缩小，集成度不 断提高，对电子系统的性能和可靠性 起着至关重要的作用。
微电子器件可靠性的挑战
随着微电子器件尺寸的减小和集成度的提高，其可靠性面临着越来越多的挑战。
微电子器件的可靠性问题主要包括热可靠性、机械可靠性、电气可靠性等，这些问 题对微电子器件的性能和使用寿命产生重要影响。
单位代码10617联系部门研究生招生办公室
05电磁辐射与散射
杜惠平教授
赵为粮教授
李校林高工
06射频集成电路技术
潘武教授
袁晓君研究员*
07阵列天线与智能天线技术
杜惠平教授
蒋泽副教授
08无线接入技术
蒋泽副教授
专业代码、名称及研究方向
指导教师（职称）
招生人数
考试科目
备注
001通信信息工程学院
200
①101政治理论
②201英语
③301数学一
郑继明副教授
03工业控制网络与现场总线
王平教授、博导
吴界益教授*
胡向东副教授
仇国庆副教授
张 军高工*
黄从虎高工*
刘 进高工*
蒋工亮高工*
张晓春高工*
黄康高工*
04物流装备与自动化
王旭教授、博导*
陈 勇副教授
高月华副教授
05混沌控制与应用
杨晓松教授
周 平副教授
06无线通信与控制网络
王平教授、博导
胡向东副教授
陈前斌教授
杨济安教授
何丰副教授
陈善学副教授
04多媒体通信
郑建宏教授
毛期俭副教授
游敏惠副教授
王汝言副教授
05信号处理与传输
何方白教授
朱联祥副教授
周围副教授
06数字信号处理与应用
张德民教授
07移动通信中的信号处理
郑建宏教授
李小文教授
申敏教授
陈发堂副教授
08数据处理与仿真技术
余嘉顺教授*
09信息传输技术
王琳教授
计技术
张正璠高工*
李荣强高工*
谭开洲高工*
杨虹副教授
03模拟混合集成电路设计技
半导体器件可靠性与失效分析微电子
可靠性影响因素
制造工艺
制造过程中的缺陷、杂质和结构变化等会影 响器件的可靠性。
环境因素
温度、湿度、压力、电磁场等环境因素对器 件的可靠性产生影响。
物理特性
器件的物理特性如尺寸、材料、结构等对可 靠性有重要影响。
电源和信号条件
电源电压、电流、信号频率和幅度等对器件 的可靠性有一定影响。
02
失效分析
失效定义与类型
失效定义
在规定条件下，半导体器件不能维持其特性或功能，称为失 效。
失效类型
分为硬失效和软失效。硬失效是指器件物理损坏，如断路、 短路或芯片脱落等；软失效是指器件性能下降，如参数漂移 、噪声增大或信号丢失等。
失效分析方法
外观检查
电路测试
通过肉眼观察或使用显微镜来检查器件的 外观是否有异常，如机械损伤、腐蚀或金 属化迁移等。
半导体器件的失效案例 分析
热失效案例
01
02
03
失效描述
半导体器件在高温下运行 时，其性能会受到影响， 导致其参数漂移或功能失 效。
原因分析
热失效通常由于热量积聚 、散热不良或热膨胀等因 素导致。
解决方案
优化器件设计、改善散热 条件或采用耐高温材料等 。
机械失效案例
失效描述
半导体器件在机械应力或 振动条件下运行时，可能 会出现裂纹、断裂或脱落 等现象。
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扫描电子显微镜（SEM）分析
通过测试电路性能来检查器件是否正常工 作，如电压、电流和电阻等参数的测量。
能谱分析（EDS）
利用SEM观察器件表面的微观结构，以确 定是否存在缺陷或污染物。
通过EDS检测器件表面的化学成分，以确定 是否存在金属污染或氧化等化学问题。
微电子封装技术中的可靠性设计与分析
微电子封装技术中的可靠性设计与分析第一章：引言随着微电子技术的迅猛发展，封装技术作为微电子技术中至关重要的一环，对于保证芯片的可靠性和稳定性起着关键作用。
本文将对微电子封装技术中的可靠性设计与分析进行探讨和研究。
第二章：微电子封装技术概述微电子封装技术是将芯片与外部环境隔离，并提供保护和连接功能的一种技术。
该技术可以分为无源封装和有源封装两大类，其中无源封装主要用于电子元器件或被动元件，有源封装主要用于集成电路芯片等。
第三章：微电子封装技术中的可靠性设计在微电子封装技术中，可靠性是至关重要的设计指标。
可靠性设计需要从以下几个方面考虑：1. 热管理：合理设计散热结构，保证芯片工作温度的稳定和可控；采用热传导材料和散热装置，有效地降低芯片温度，提高其可靠性。
2. 电磁兼容性：合理设计封装结构，以减少电磁干扰对芯片性能的影响；采用电磁屏蔽措施，提高封装结构对电磁波的屏蔽能力。
3. 机械可靠性：针对不同的应用场景和环境，选择合适的封装材料和结构，以提高封装的机械强度和抗震性能。
4. 寿命预测：通过可靠性测试和模拟，对封装结构进行寿命预测和分析，以预测其在实际使用中的可靠性水平。
第四章：微电子封装技术中的可靠性分析方法对于微电子封装技术中的可靠性分析，可以采用以下几种方法：1. 应力分析：通过应力分析软件模拟封装结构在不同工作状态下的应力分布情况，以评估其结构的强度和稳定性。
2. 可靠性测试：采用加速寿命测试方法，对封装结构进行长时间高负荷的可靠性测试，以评估其在实际使用中的寿命和可靠性水平。
3. 故障分析：对实际使用中出现的封装结构失效进行系统的故障分析，找出导致失效的原因，并采取相应的改进措施。
第五章：案例研究通过对几个典型的微电子封装技术案例进行研究，分析其可靠性设计和分析方法的应用效果，以及相应的问题和改进措施。
第六章：总结与展望本文对微电子封装技术中的可靠性设计与分析进行了系统的探讨和研究。
通过合理的设计和分析方法，可以提高微电子封装技术的可靠性和稳定性，为微电子工程提供更可靠的基础。
微电子器件可靠性
3.3.5 改进措施与注意事项
①通过比较TDDB值及其失效分布可以评估集成电路氧 化、退火、抛光、清洗、刻蚀等工艺对栅氧化层质 量的影响，尤其是对超薄栅氧化层的可靠性评价。 工艺加工过程中采取各种有效的洁净措施，防止沾 污。热氧化时采用二步或三步氧化法生长SiO2层。 可以用CVD生长 SiO2或掺氮氧化以改进栅氧质量。 ②栅氧易采静电损伤，它的损伤是累积性的，使用中 必需采取防护措施。
2 3 4 5 6 7 8 9 10
3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
固定电荷Qf：分布在SiO2 一侧距SiSiO2界面小于2.5nm的氧化层内的电 荷，起源于硅材料在热氧化过程中 引入的缺陷。
1) 2) 3) 4)
固定电荷的面密度是固定的； 位于Si-SiO2界面的2.5nm范围以内； 面密度的值不明显地受氧化层厚度 或硅中杂质类型及浓度的影响； 与氧化和退火条件，以及硅晶体的 取向有很显著的关系。
3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
固定电荷Qf的测量：固定电荷可以近似地认为 分布在硅-二氧化硅界面处，故平带电压： Qf VFB = C 再加上金属和半导体功函数的影响，平带电压： Qf VFB = Vms C
O O
于是：
ε o ε rs (VFB + Vms) Qf = Nf = q q dox
MOS器件阈值电压的变化与 应力作用时间的关系
3.2.3 退化量的表征
漏极衬底电流比率模型：
τ H D I =
1n
m sub
I
m-1 D
W
H、m、n是模型系数，D是参数变化量，Isub是 衬底电流，ID是漏极电流，W是器件的宽度。 漏极电压加速模型：
τ = τ 0 exp(B VD，USE )
微电子器件的可靠性与失效分析
微电子器件的可靠性与失效分析微电子器件是当今电子产品中使用最广泛的一类器件，它们具有体积小、功耗低、性能稳定等优点，被广泛应用于计算机、通信、汽车、医疗等诸多领域。
然而，由于微电子器件的制造工艺往往采用精密加工技术，且器件本身也具有高度复杂性，因此其可靠性成为了一个重要的问题。
本文将介绍微电子器件的可靠性问题，并探究失效分析的方法。
一、微电子器件的可靠性问题所谓微电子器件的可靠性，指的是器件在正常使用条件下，能够持续地保持所要求的性能和功能的能力。
在实际中，微电子器件的可靠性常常受到以下几方面因素的影响。
1. 制造工艺的影响微电子器件的制造工艺往往采用高度精密的加工技术，涉及的制造流程十分繁复。
在制造过程中，如出现微小的工艺误差，可能就会导致器件的性能发生质的变化或失效。
2. 环境条件的影响微电子器件在使用过程中常常受到温度、湿度、振动、尘埃等环境因素的影响。
例如，当器件温度超出规定范围时，会导致器件性能发生变化，甚至失效。
3. 电子应力的影响微电子器件在工作中受到电子流及场强的影响，这些电子应力可能会导致器件内部的电路损坏或其他失效。
二、“失效分析”的意义与方法失效分析是一种通过对失效物体的系统分析，找出失效的原因、途径和机理的方法。
在微电子器件的可靠性问题中，失效分析有着重要的意义。
首先，失效分析能够帮助人们深入了解微电子器件的失效机理，从而避免去重复类似的失误。
其次，失效分析可帮助人们了解微电子器件的弱点，从而对其进行改进和优化。
最后，失效分析能够为微电子器件制造企业提供技术支持，提高产品的质量和性能。
在实际中，失效分析常常采用以下流程：1. 研究失效现象首先，需要对失效情况进行详细的研究，尤其要注意失效的具体表现、影响以及失效的范围和程度等。
同时，还要对失效可能与其它条件或因素有关的问题进行提出。
2. 收集失效物样品收集失效物的样品，并且对其进行清洗和处理，确保样品的原始状态与失效时的状态尽可能的一致。
微电子产品可靠性
05
微电子产品的可靠性挑 战与解决方案
技术挑战
微电子产品的尺寸和复杂性不断增长，导致可靠性问题更加突出。
微电子产品的制造过程中，由于材料、工艺和设备等因素，可能导致产品性能不稳 定。
微电子产品的可靠性受到多种因素的影响，如温度、湿度、压力、振动等，需要采 取有效的测试和验证方法来确保产品的可靠性。
将故障隔离在最小范围内，避免故障扩散导致整 个系统瘫痪。
故障恢复
在发现故障后，能够自动或手动恢复到正常状态， 保证系统的连续运行。
降额设计
降额使用
01
在微电子产品设计中，通过降低工作电压、电流或频率等参数，
减少对元器件的应力，提高其可靠性。
负载均衡
02
在多模块系统中，通过负载均衡技术，使各模块工作在相同的
为了提高微电子产品的环境适应性， 可以采用耐环境设计、电磁屏蔽、噪 声抑制等方法。
微电子产品可能受到电磁干扰、辐射 等因素的影响，导致性能不稳定或失 效。
06
微电子产品可靠性的未 来展望
新材料与新工艺的发展
总结词
随着新材料和先进工艺的不断发展，微电子产品的可靠性将 得到显著提升。
详细描述
新材料如碳纳米管、二维材料等具有优异的电学、热学和机 械性能，能够提高微电子器件的稳定性和寿命。新工艺如自 对准工艺、原子层沉积等，可以实现更为精确和可靠的微电 子制造，降低产品故障率。
系统级可靠性的提升
总结词
系统级可靠性是未来微电子产品可靠性研究的重要方向，通过多层次、多角度的 可靠性分析和设计，提升整个系统的可靠性。
详细描述
系统级可靠性研究涉及芯片、封装、板卡、系统等多个层次，通过协同优化各层 次之间的结构和功能，实现整个系统的可靠性和稳定性。此外，系统级可靠性还 关注多物理场耦合效应、热管理、电磁兼容性等问题。
GJB-548B-2005-微电子器件测试方法和程序
GJB-548B-2005-微电子器件测试方法和程序标准编号： GJB-548B-2005 GJB-548B-2005标准标题：微电子器件测试方法和程序微电子器件测试方法和程序简介本文档是关于微电子器件测试方法和程序的标准（GJB-548B-2005）的内容总结。
该标准规定了微电子器件测试的基本原理、测试方法和程序。
主要内容1. 概述：介绍了微电子器件测试的背景和重要性，并对测试方法的选择进行了说明。
概述：介绍了微电子器件测试的背景和重要性，并对测试方法的选择进行了说明。
2. 测试方法和原理：详细说明了常用的微电子器件测试方法，包括电气特性测试、参数测试、功能测试等。
测试方法和原理：详细说明了常用的微电子器件测试方法，包括电气特性测试、参数测试、功能测试等。
3. 测试设备和仪器：对适用于微电子器件测试的设备和仪器进行了介绍，包括测试仪表、探针台等。
测试设备和仪器：对适用于微电子器件测试的设备和仪器进行了介绍，包括测试仪表、探针台等。
4. 测试程序和流程：提供了一般的测试程序和流程，包括测试准备、测试参数设置和测试执行等环节。
测试程序和流程：提供了一般的测试程序和流程，包括测试准备、测试参数设置和测试执行等环节。
5. 测试数据处理和分析：说明了测试数据的处理和分析方法，包括数据采集、数据处理和结果判定等。
测试数据处理和分析：说明了测试数据的处理和分析方法，包括数据采集、数据处理和结果判定等。
适用范围本标准适用于微电子器件的测试工作，涵盖了常见的微电子器件类型和测试要求。
使用建议1. 在进行微电子器件测试时，应按照本标准提供的测试方法和程序进行操作，以保证测试结果的准确性和可靠性。
2. 在选择测试设备和仪器时，应考虑其适用性和准确性，并按照相关要求进行校准和验证。
3. 在测试数据处理和分析过程中，应按照本标准提供的方法进行，以确保数据的有效性和可信度。
结论本文档总结了标准GJB-548B-2005关于微电子器件测试方法和程序的主要内容。
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图5.3输出电压对电阻R1，R2的元件灵敏度分别为：
S(u0,R 1) u R 0 1(R 1 u iR R 22)21 1 6
S(u0,R2) R u0 2(R 1u iR R 12)213 6
u0
R2 R1 R2
ui
b.相对灵敏度SN：电路特性参数T对元器件值X相对变化的灵敏度。SN 图5.3所示分压电路
入，计算每段互连线中的电流I。
2. 目前可靠性模拟都是在电路级这一低层次上进行。
3. 目前进行的是针对单一失效模式的可靠性模拟
4.
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14
§5.3 可靠性模拟
5.3.1可靠性模拟 4. 电迁移模拟技术路线
a. 建立电迁移模型，并提取电迁移模型参数。 b. 调用电路模拟程序（如SPICE），计算各支路电流。 c. 对版图设计数据进行预处理，确定每一条互连线的类
13
§5.3 可靠性模拟
5.3.1可靠性模拟
3. 可靠性模拟的应用
4.
a. 预计可靠性水平，检查可靠性设计是否满足要
求。
5.
b. 发现设计中的可靠性薄弱环节，为设计指出明
确的方向。
6.
c. 协调处理可靠性与电参数之间的矛盾
7.
d. 可靠性模拟的现状和发展方向
8.
表5.1 国外可靠性模拟程序简表
1. 现有软件大多只能模拟中、小规模IC
4. 降额与失效率的关系 图5.2 晶体管失效与功率降 额的关系
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9
§5.2 常规可靠性设计技术
5.2.2 冗余设计
1. 定义：在构成电路或设备系统时，具有一套以上能完 成给定功能的单元，并使系统在工作过程中即使有一 单元出现失效，整个系统仍然能正常工作的设计。
2. 冗余系统分类 （贮备系统） 工作贮备：后备单元与通 常工作单元以某种方式相连，同时处于工作状态。按 连接方式：a.并联贮备b.表决贮备c.串并组合贮备。 非工作贮备：后备单元处于待命状态，一旦系统中的 检测装置探测到工作单元出现失效，立即控制切换开 关，使后备单元取代失效单元。保证系统正常工作。
3.
A.并联贮备：可靠Rs度1(1R)n
平均寿命 tM T T F s tM T T F (1 1 /2 ...1 /n )
4.
B. 冷贮备tMTT:Fs ntMTTF
5. 冗余设计特点：a. 超大规模电路中，重复单元如
SRAM的存储单元，一个失效影响整个SRAM。利用
布线技术，避开失效单元。b.系统变复杂，面积增加。
3.
可以看出，可靠性问题成了器件（芯片）TTM
的“瓶颈”。
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3
§5.1 可靠性设计的基本概念
针对2、3失效模式采取的主要方法： 通过对埋层杂质分布的优化，减小软误差率 采用LDD结构，减弱强电场。改善氧化工艺，提高
栅氧化层质量，降低缺陷。（降低热电子效应） 闩锁效应。N沟道器件下方加P+埋层， P沟道器件下
2. 最坏情况分析步骤：a.进行一次标称值分析。b.进行 一次灵敏度分析，确定元器件值变化时引起电路特性 变化的大小、方向。c.按照电路特性变坏方向，确定 每一个元器件值得变化方向。d.根据c分析结果，使 每个元器件均向最坏方向变化一定幅值，进行一次电 路分析，得到最坏情况分析并与标称值比较。
3. 作用：适应性强，成品率高，可靠性好，具有较高的 “鲁棒性”
图5.4为电迁移可靠性模拟
4.
进行可靠性模拟包括技术工作：a. 建立失效模型
提取表征该种失效的可靠性模型参数。b.进行版图数
据处理：实际连线的长、宽等几何尺寸。c. 调用电路
分析软件 计算引起失效的电应力 这里是和电迁移有
关的电流密度 d. 根据上述结果模拟计算电路可靠性。
失效时间、可靠性水平。
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使tTTF提高。
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§5.3 可靠性模拟
5.3.2电迁移模拟模型
2. 电迁移失效与互连线长度尺寸的关系
长互连线的失效取决于可靠性最弱的那一段
短互连线，其可靠性等效为多段短互连线的串联。
设长互连线长度是短互连线的x倍，在时刻t，短 互连线的累计百分失效为G(t)，长互连线的累计 百分失效为F(t)，则有 3. 电迁移失效与互连线宽度的关系 [1G(t)]X1F(t)
方加N+埋层 静电放电损伤 金属化层电迁移 钝化层完整性
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6
§5.1 可靠性设计的基本概念
5.1.4 微电路可靠性设计的特点
1. 整机与系统的可靠性设计 图5.1
2. 微电路可靠性设计的特点
3.
a.以失效模式为对象，围绕如何控制或消除这些
失效模式进行设计工作的。
4.
b.尚未形成比较全面、系统的理论体系。
c. 研制周期、费用、功耗。
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10
§5.2 常规可靠性设计技术
5.2.3 灵敏度分析 定义：器件参数值具有离散性，会引起电路特性的分散变化，而不同元
器件对电路特性变化的影响是不同的，灵敏度分析就是比较电路特性对 不同元器件的灵敏度。 定量表示 a.元件灵敏度S：电路特性参数T对元器件值X绝对变化的灵 敏度，即T对X的变化率。 S(T, X) T
2. 降额等级
3.
a.Ⅰ级降额：最大的降额，适用于设备故障会危
及安全，导致任务失败和造成严重经济损失情况的统
计，它是保证设备可靠性的最大降额。
4.
b.Ⅱ级降额：是中等降额，适用于设备故障将会
使工作任务降级和发生不合理的维修费用情况的设计。
c.Ⅲ级降额：是最小降额，适用于设备故障只对任务
完成有小的影响和可修复设备花费较少的情况。
对直流情况（1）式为
exp(
Ea kT
)
Ea为激活能
tT T F A 0 J m e x p (k E T a) C S Jm e x p (k E T a) （2）
S-铝条横截面积，J-电流密度，C-与金属条密度、电阻率； 晶粒大小、几何尺寸等有关的因子，m-一般约等于2
可以看出，提高激活能，增加金属条面积S，降低常数，均可
3. 电迁移模型参数的提取
4. 由式
tTTF A0Jmexp(kETa)
5. 由求得不同应力下的值A0、m 、Ea
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§5.3 可靠性模拟
5.3.4 微电路版图信息的提取 目的：对IC版图CIF文件进行分析，提取出描述电
路拓扑关系的文件(.CIR文件)，供电路模拟程序使用； 同时还要提取出每段金属互连线的几何尺寸及过绝缘 层台阶情况。针对不同的版图设计特点，分别采用三 种处理方式： 1. MOSIC版图自动提取。MOS工艺IC 工艺类型较统一， 版图结构规范，因此，版图提取工作的自动化比较容 易实现。如Extractor 程序 2. Bipolar IC Layout 信息自动提取 由于Bipolar IC 工艺 类型非常繁多，版图结构（特别是晶体管图形结构） 各异，因此目前在Bipolar IC Layout extract方面不很 成熟。 3. 手工处理方式
5.
c.尚未达到定量设计的程度。
6.
d.需进行定量分析计算的工作有两类：一是直
接引用整机系统中的设计技术（降额设计、灵敏度
分析等）；二是微电路的可靠性模拟，其作用对应
于电路模拟在电路设计中的作用，主要进行可靠性
的模拟验证。
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§5.2 常规可靠性设计技术
5.2.1 降额设计
1. 定义：降额设计就是使元器件或设备工作时承受的工 作应力适当低于元器件的额定值，从而达到降低故障 率，提高可靠性的原因。
XS(T, X 100
)
SN(u0,R 1)S(u1 0,0R 01)R 116 3 00
SN(u0,R 2)S(u0 1,0 R 02)R 216 3 00
可见一，样u0。对R1、R2的元件灵敏度绝对值不相同，但相对灵敏度SN的绝对值则
注：电路设计中，某些器件可能承受电应力最强，其特性最容易发生变化，但 电路对其灵敏度可能很低；而另一些器件，虽然承受的电应力较小，但 电路可能对其更灵敏，因而电路设计时要二者兼而考虑。
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§5.2 常规可靠性设计技术
5.2.4最坏情况分析
1. 电路对不同器件的灵敏度不同，而且变化的方向也可 能不同，当多个元器件同时变化时，它们对电路特性 参数的影响可能会“抵消”。最坏情况分析是按电路 特性向同一的方向变化的要求，确定每个元器件的变 化方向，然后再使这些元器件同时变化并进行电路分 析。
当金属互连线的宽度w与金属晶粒可比时，随
着w增加，tTTF增加；当小。图5.5
可用下式表示
tT T F (W )A W (W W B )2D W W WB tT T F (W )C W (W W B )2D W W WB
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§5.3 可靠性模拟
5.3.1可靠性模拟
1. 什么是可靠性模拟？是指在为微电路设计阶段，针对 初步确定的线路设计和版图设计方案，以及以后加工
该电路的工艺线的实际水平，用计算机模拟分析由主 要失效模式决定的微电路可靠性水平。
2. 可靠性模拟中的技术问题（以电迁移为例）
3.
17
§5.3 可靠性模拟
5.3.2电迁移模拟模型
4. 微电路电迁移失效与各互连线失效的关系
可直接采用串联模型计算：即任一时刻电路的
电迁移可靠度等于各条互连线电迁移可靠度的乘
积。
n
F(t) 1(1Fi (t))