在不那麼可靠的世界中設計可靠的類比電路

類比與一切產品相關。若不是因為供應商在過去幾十年中開發出眾多類比和混合訊號元件，讓眾多產業領域突飛猛進的數位「革命」就無法付諸實現。

若沒有同樣致力於可靠度的付出就無法出現這些進步，可靠度是指系統或系統元素在所述條件之指定時間內未出現故障的情況下執行其預期功能的可能性。

半導體產業別無它途可循，只能提高其設計和製造的可靠度，尤其是在與安全攸關的市場。例如，考量一些汽車製造商現在要求晶片能夠在汽車和卡車中零缺陷使用 18 年，這代表了部分最嚴苛的應用條件。在某些工業應用中，更換感測器極為困難，且必須去除零件級維修，晶片需要使用 20 年或更長時間。

可靠性設計

Figure 1: The 'bathtub curve' (blue, upper solid line) is a combination of a decreasing chance of early failure (red dotted line) and an increasing chance of wear-out failure (yellow dotted line), plus a random failure constant (green, lower solid line). (Source: Wikipedia, public domain).

可靠度問題的主要原因包括設計複雜性、容易出錯的流程以及評估穩定性的有限驗證，涉及的機制可能是物理、化學、電氣、熱或其他導致故障的流程。

問題根源是，CMOS 技術的進階元件縮小，需要在更少功率的更小型更快速晶片中增加功能。元件縮小雖然有助於高度整合混合訊號系統的設計，但也帶來可靠度的挑戰：縮小不適用於與數位 IC 佈線方式相同的類比電路；一般而言，極先進節點不會對設計類比部分中的電晶體產生重大影響。

在本文中，我們將從類比設計和保護控制IC的角度檢視可靠度。類比需要採用不同方法，讓設計者必須在沒有大量設計工具協助的情況下解決問題。類比設計中相對缺乏自動化，這讓仰賴個別設計者和設計團隊經驗來實現品質和性能的方法困難重重。

必須將可靠度納入整個開發週期已成為公認的慣例。這就是稱之為可靠的設計 (DFR)，通常在概念設計初期會採用，一直到產品廢棄為止，以確保在產品整個生命週期中都能完全滿足客戶期望。DFR 可以依據發現問題的測試和用於可靠度預測的統計分析方法，在生產推行之前設計或緩解潛在的故障模式。

此階段的可靠度工程透過例如備援，內建測試和進階診斷等措施尋求提高系統穩定性。離散分離的類比元件參數往往會隨時間漂移，環境影響（腐蝕、振動和溫度）也會產生問題。可靠度測試可以在整個產品或系統生命週期中的元件、子系統和系統層級進行。

系統保護

由於設備故障或外部干擾，電力網路內部發生故障。但是，憑藉在系統中採取適當的電路保護，可以透過在網路內部開啟電路隔離電氣故障的方式來預防災難，這些保護系統能感測由於電氣故障引起的電壓和電流。

類比輸出電路保護涵蓋多種情況。瞭解環境和應用程式能幫助工程師決定應採取什麼措施以及採取多少措施來保護類比輸出。

為了防護常見電路故障（例如正向／反向電壓／電流保護），MAX17608/09/10 可調超壓和過電流保護裝置等裝置極適合保護系統免受正負輸入電壓故障的影響。可調輸入超壓保護範圍為 5.5V 至 60V，可調輸入低電壓保護範圍為 4.5V 至 59V。使用外部電阻設定輸入超壓防止功能 (OVLO) 和低電壓防止功能 (UVLO) 閾值。

這些裝置具有高達 1A 可程式設計的限流保護功能，因此可在啟動時控制湧浪電流，同時在輸出端為高電容充電。

MAX17608 和 MAX17610 可阻止電流從 OUT 向 IN 流動，而 MAX17609 則允許電流反向流動。這些裝置都具有過熱關機保護功能，可防止過度功率消耗。它們有小型 12 針腳（3 公釐 x 3 公釐）TDFN-EP 封裝可供選擇。

Figure 2: The MAX17608/09 typical operating circuit. (Source: Maxim)

可靠度監控

為確保將故障率維持在最低程度，應在加速條件下監控從關鍵晶圓廠和組裝過程中出貨的代表產品裝置可靠度。樣品尺寸可能會有所不同，但每個系列（或更多）通常有幾百個裝置，依各種環境壓力區分，結果稍後將於定期發佈的報告中更新。

用於保護和互連 IC 的封裝也必須是可靠度保證鏈的一部分。封裝通常是用導電合金導線架製成，能固定一個或多個 IC 裸晶並提供將其連接到導線架的某種機制（例如覆晶技術、裸晶技術或金屬線），導線架配件使用不同材料（例如環氧樹脂或陶瓷）封裝以保護 IC 導線架配件並提供機械穩定性。

包裝完整性測試可驗證產品的進入品質是否符合目前合格的規定，例如，超聲波測試是一種敏感的非破壞性技術，可以描述出包裝氣洞和內部界面的分離和龜裂，可以使用諸如 JEDEC J-STD-020 等標準來確定非密封固態表面黏著裝置 (SMD) 的濕敏分類等級，此程序可以防止焊接操作過程中由於濕氣引起之壓力造成的可能損壞。

其他預處理壓力用於模擬在高溫和最大工作電壓下的典型裝置性能，所有故障的故障原因應進行分析，此分析結果可用於建立改正措施，消除發現的故障機制。

在不同讀取點對裝置進行電氣測試，以確定裝置在加速條件下最初以及長期使用期間的性能；裝置應該需要在整個電壓和溫度範圍符合足所有資料表的規格。

Maxim 監控從生產中交貨之代表裝置的可靠度，如要了解關於公司可靠度監控程式 (RMP) 的更多資訊，請前往： https://www.maximintegrated.com/en/support/qa-reliability/reliability/reliability-monitor-program.html