Bellcore可靠性预计法Bellcore可靠性预计法XXXX市XXXXXXX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。
3 、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40℃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 ℃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 ℃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 ℃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III的器件。
对于表11－1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。
•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/器件进行过前期的老化），表12（3）方法II 的表格（见附表）5 、 方法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，不同之处在于运行环境和条件不同。
（2）方法III 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(f)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☐T 1和☐T 2 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SS 1 （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 1，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 1。
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SS 2 步骤5、计算修正值V ：步骤6、计算方法III 的故障率♒SS 3=2+f2SS 1+(V t 10-9)1.0 方法IIIaV= ☐T 2☐T 1方法IIIbSS 2 SS 1方法IIIc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：♒SS3 109 Ut V其中主要参数的含义和算法：SS1－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 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＝ S Si☐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。
♒S Si－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♒SS3－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，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)(f)合计总和=( SS)=☐E Nj G☐Q=()()=* 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40℃，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(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A b,u时间t b,u系统老化温度T b,s加速因子A b,s时间t b,s有效的老化时间t et e=A b,u t b,u+A b,s t b,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12 SS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(a)数量Nj(b)通用故障率Gj(c)质量因子☐Qj应力因(d)子☐Sj(e)温度因子☐Tj(f)器件数量×器件故障率(f)=(a)×(b)×(c)×(d)×(e)器件老化温度T b,d(g) 加速因子A b,d(h) 时间t b,d单元老化温度T b,u(i) 加速因子A b,u(j) 时间t b,u系统老化温度T b,s(k) 加速因子A b,s(m) 时间t b,s(n) 早期寿命温度因子A op(o) (o)=1000/[(d)×(e)](p) (p)=(g)×(h)＋(i)×(j)＋(k)×(m)(q) 有效老化时间:(p)/[(d)×(n)](1) 当(r) (q)(o)(r)=1(2)当(s)(q) (o)-8760 查表11-9中的(q)值(r)(r)=(s)/[(d)×(e)]0.75(3)否则，(t)查表11－9中的(p)值(r)(r)=[(t)-1]/[(d)×(e)]+1(u)(u)=(r)×(f)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(u)由表5：(u)之和由表5：(f)(f)之和环境因子☐E☐E (f) SS第一年累☐FY积值=(u)/(f)如果单元SS采用了方法II，由表12得：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日期第页共页单元生产厂家器件类型器件编号电路符号(a)试验时间T a实验室试验温度(b)加速因子A L(c)有效试验时间(c)＝(a)×(b)T l试验的(d)器件样本数N0(e)出现的故障数n(f)故障率Gj(g)质量因子☐Q(1)(c)☯10(h),000(h)=4 10-6 (c)0.25(2)(c)>10,000(h)=3 10-5+(c) 10-9(i)i=[2/(f)]+(d) (g) (h)基本故障率(j)(j)=[2+(e)]/(i)G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(a)试验时间T a实验室试验温度(b)加速因子A L工作温度(c)加速因子有效试(e)验时间(e)＝(a)×(b)T l(f)出现的故障数n(g)稳态故障率SS(h)环境因子☐E(i)故障率(i)=(g)/[(h)(c)]G(j)单元试验样本数N0(1)(e)<10,000(k)(k)=4 (10)-6 (e)0.25(2)(e)>10,000(k)=3 10-5+(e) 10-9(m)(m)=[2/(i)]+(j) (k)基本故(n)障率(p)=[2+(f)]/(m)G方法II的(p)稳态故障率(p)=(h)×(n)×(c)SS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日期第页共页单元生产厂家器件名称器件编号电路符号(a)故障率Gj(b)质量因子☐Q器件老化温度T b,d(c) 加速因子A b,d(d) 时间t b,d(e) 有效老化时间(c)×(d)t e实验室试验温度(f) 加速因子(g) 试验时间工作温度(g) 加速因子(h) 器件的试验样本数N0(i) 出现的故障数n(j) 有效试验时间(j)＝(f)×(g)T l(k) (k)=(e)+(j)重量因子W(1)(k)☯10,000(m)(m)=(k)0.25-(e)0.25(2)(k)>10,000且(e)☯10,000(m)=(k)/4000+7.5-(e)0.25(3)(e)>10,000(m)=(j)/4(n)=[(2/(a)]+4 10-6 (b)(h) (m)(n)方法II的稳态故(p)障率(p)=[2+(i)]/(n)Gj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A b,u时间t b,u器件老化T b,d(a) 有效老化时间(a)=A b,ut b,u+T b,dt e实验室试验温度(b) 加速因子A L(c) 试验时间T a有效试(d) 验时间(d)=(b)×(c)T l出现的(e)故障数n(f)稳态故障率SS(g)温度因子环境因(h)子☐E故障率(i)(i)=(f)/[(g)×(h)]G(j)单元试验的样本数N0(k)输入4 10－6(l)(i)=(a)+(d)(1)(i)<10,000(m)=(i)0.25-(a)0.25(2)(i)>10,(m)000且(a)☯10,000(m)=(i)/4000+7.5-(a)0.25 (3)(a)>10,000(m)=(d)/4(n)(n)=2/(i)+(j)×(k)×(m)基本故(o)障率(p)=[2+(e)]/(a)G方法II(p)的稳态故障率(q)=(h)×(p)×(g)SS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-Bit 2,300 晶体管数B级（8085）C级（8086）29,000 晶体管数D级（8088）16-Bit 29,000 晶体管数1级（80186）2级（80286）16-Bit 134,000 晶体管数3级（80386）32-Bit 275,000 晶体管数4级（80486）32-Bit 1.2 106晶体管数32-Bit 3.1 106晶体管数5级（Pentium）6级7级表11-1 器件故障率(2/16)器件类型双极型NMOS CMOS故障率温度应力(表11-7) 故障率温度应力(表11-7)故障率温度应力(表11-7)数字集成电路规模标称值1-20门1521-50 21622627829815815851-10080101-500400501-10008001001-200016002001-300025003001-500040005001-750065007501-10000900010001-15000 3000 15001-20000 8000 20001-30000 5000 30001-50000 40000 62963363964264765265666166567067768398458528588658738798868938100811088178188198208218228238248258268278微处理器规模标称值1-20门1521-504051-10080101-500400501-10008001001-200016002001-300025003001-500040005001-750065007501-10000900010001-15000 13000 106116116146166196216246266286316318338358508608758868100811781308147815815815817818819820821822823824820001-30000 25000 30001-50000 40000 636640681838213882682781. 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(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)器件类型故障率(表11-7)模拟集成电路规模标称值1-32 晶体管20晶体管33-907091-170150171-260200 19 9 33 9 46 9 52 9261-360 300 361-470 450 471-590 550 591-720 700 721-860 800629749819909959混合微电路见表11-2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)器件类型双极型NMOS CMOS故障率温度应力(表11-7)故障率温度应力(表11-7)故障率温度应力(表11-7)RAM规模标称值1-320比特256比特321-576512577-11201K1121-22402K2241-50004K5001-110008K11001-1700016K17001-3800032K38001-7400064K74001-150,000128K150,001-300,000 256K300,001-600,000 512K600,001-1,200,000 1024K1,200,001-2,400,000 2048K2,400,001-4,800,000 4096K 静态1972272773474365567169261196155620162616339644165736静态15917920924930937945957971888811081388172821582688静态139159179209249299359429509618738888106812881558规模标称值1-320比特256比特321-576 动态149149动态149149512577-11201K1121-22402K2241-50004K5001-110008K11001-1700016K17001-3800032K38001-7400064K74001-150,000128K150,001-300,000 256K300,001-600,000 512K600,001-1,200,000 1024K1,200,001-2,400,000 2048K2,400,001-4,800,000 4096K4,800,001-9,600,000 8192K9,600,001-19,200,000 16383K19,200,001-38,400,00 0 32768K 159169179199209229238258278308328348378408438478159169179199209229238258278308328348378408438478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(6/16)器件类型双极型NMOS CMOS故障率温度应力(表11-7) 故障率温度应力(表11-7)故障率温度应力(表11-7)ROMS,PROMS,EPROMS规模标称值1-320比特256比特321-576512577-11201K1121-22402K2241-50004K5001-110008K11001-1700016K17001-3800032K38001-7400064K74001-150,000 128K150,001-300,000 5666761061562464166961196207636066281091191291491691992392793210381045105312913914917919923927931937104310511060256K300,001-600,000 512K600,001-1,200,000 1024K1,200,001-2,400,000 2048K2,400,001-4,800,000 4096K 61096619126333861063107510891010711084109910表11- 1 器件故障率(7/16)器件类型模型数字IC双极型NMOS CMOS =7.45(G+100)0.221 =8.56(G+100)0.243 =8.96(G+100)0.105微处理器双极型NMOS CMOS =3.33(G+100)0.235 =6.32(G+100)0.332 =8.96(G+100)0.105静态RAM双极型NMOS CMOS =24.68(B+100)0.378 =18.58(B+100)0.321 =16.27(B+0.25)0.271动态RAMNMOS CMOS =14.79(B+0.25)0.111 =14.79(B+0.25)0.111ROM/PROM/EPROM双极型NMOS =4.16(B+1)0.804=11.35(B+0.25)0.248CMOS =13.75(B+0.25)0.237模拟IC =5.03(T)0.440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受控环境光纤指示灯模块非受控环境受控环境光纤检测模块非受控环境受控环境光纤联结器450045001100240140050077881010见下面的说明同上同上同上同上同上非受控环境受控环境WDM非受控环境受控环境光隔离器光过滤器其它光器件LED/LCD显示光感电晶体光电二极管单一隔离器光电二极管检测器光感电晶体检测器光敏电阻110018015005503004500360151015205555105101010101010同上同上同上同上同上同上说明:本标准中,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,LED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(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测器光电晶体管检测器光敏电阻2030402010101010数码管1位字符1位字符w/逻辑2位字符2位字符w/逻辑3位字符3位字符w/逻辑4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303040405045505055606570101010101010101010101010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NPN☯0.6W0.6-6W> 6WPNP ☯0.6W0.6-6W> 6W锗NPN ☯0.6W0.6-6W> 6WPNP ☯0.6W 461046106090150203055402017010070044444444444444444E,E cE,E cE,E cE,E cE,E cE,E cE,E cE,E cE,E cEEE0.6-6W> 6W场效应硅线性开关高频GaAs 低噪声(☯100mW)驱动器(☯100mW)单结微波脉冲放大连续波形18011002200477EEEEEEEE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:0.8×13=1.04。