2009年12月13日

IC可以活多久?—為晶片算命

作者/郝中蓬(任職IC設計公司品保部)

話說就讀高一的安安在NOVA廣場購買了一個電腦微處理器(CPU)IC,心血來潮地問說:「這個CPU可以用多久?」,對方不假思索地回答說:「大概十年吧。」,安安聽完就半信半疑地回家了。

相信很多人都跟安安有同樣的疑問,如果不計人為因素,到底買來的IC 多久後會壞呢?製造商與銷售人員是怎麼知道的?雖然科學還不能夠預測人類的壽命,卻已經有理論方法可以估計IC 的壽命,那就瞧瞧我們如何為IC「算命」吧!

什麼是IC?

IC就是積體電路,是二十世紀中期最重要的發明之一,它的出現,使得微電子工業在近四十餘年內快速地發展,徹底地改變了人類的生活型態,你我每天用到的電子產品,如電腦、手機、液晶電視等的內部,都看得到IC的蹤影。IC是將許多的電晶體、二極體、電阻、電容(有時加上電感),一起製造在同一塊半導體材料內(例如矽),構成IC晶片(chip)。這些電子零件組成可以執行特定功能的電子電路,像是電腦裡面的微處理器IC,負責邏輯和算術運算、資料處理; 記憶體IC則可以儲存資料,提供微處理器的讀寫。製造完成的IC 晶片,經封裝過程用絕緣材質的外殼包裝起來,就變成我們常見的IC成品。

壽命是個期望值

IC從開始使用,到損壞並失去原有的功能,稱作「故障」或「失效」(failure)。這段使用時間即IC壽命,可用統計學觀念來解釋:

考慮同時使用N個相同的IC,則每一個IC到達故障的時間可能不同也可能相同,記為t1、t2、t3…tN,這些數值整體呈現一種統計分布,且有個平均值,稱做「平均故障時間」(mean time to failure, MTTF),如式[1]。MTTF =(t1+t2+…+ tN)/N[1]

MTTF 的另一個涵義是「期望壽命」(expected life),表示機率上對這些IC 壽命的期望值。

故障的分類

再來談談IC為何會故障,原因可分成三類:

一、磨損(wear out)或疲勞(fatigue)

如同人類器官老化而走向死亡, IC也有同樣的情形。在長時間使用後, IC內部零件或材料逼近使用極限而逐漸磨損或疲勞,最後無法再執行原有的功能。這就是IC固有壽命,而一般製造商依據IC 的功能與操作環境,通常將這段時間設定為數年至十年左右。

二、早夭(infant mortality)

不良的電路設計,或製造過程的缺陷(defects),如微塵、微粒、雜質等因子,會造成IC在還沒有老化磨損前就提早故障。這情形像是先天體質異常或抵抗力弱的嬰兒,較容易夭折死亡一樣。

三、隨機故障(random failure)

如果沒有發生早夭,並且也未到達磨損階段,則IC 的故障率較低,隨時間遞減或接近定值,屬於「隨機故障」形式,這時IC處於成熟的「可用期」。

習慣上稱作「浴缸曲線」(bathtub curve)的關係圖,描述以上三種故障方式發生的時期與IC 故障率的關係。

在進入磨損期之前的這一段總使用時間,正是我們想要知道的IC壽命。以下就談談找出MTTF的估算方法,並且先要了解故障與加速故障的概念。【更詳細的內容,請參閱第480期科學月刊】

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