車輛設(shè)計必須考慮各種環(huán)境應(yīng)用，從白雪覆蓋的凍原到酷熱的沙漠。大多數(shù)消費類應(yīng)用的預(yù)期使用壽命可能為數(shù)月，但汽車電子產(chǎn)品的使用壽命通常要長達15年甚至更久。OEM及其供應(yīng)商通常會制定一個汽車任務(wù)配置文件來說明一個汽車組件，這份文件本質(zhì)上即為組件在其使用壽命期間將面臨的所有預(yù)期環(huán)境和功能條件的總結(jié)。

與此同時，用于汽車組件的集成電路 (IC) 通常需要根據(jù)汽車電子委員會的 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)進行認(rèn)證。適用于ADAS 傳感器融合和數(shù)字駕艙系統(tǒng)的理想組件必須在設(shè)計時就將這些規(guī)格考慮在內(nèi)。例如MPS 的 MPQ8875A-AEC1即為一款符合AEC-Q100認(rèn)證的40W 數(shù)字升降壓（Buck-Boost）變換器，它以小尺寸4mmx5mm QFN封裝提供30W功率。

本文將幫助讀者更好地理解任務(wù)配置文件與應(yīng)用于每個汽車級組件的各種電子元器件可靠性認(rèn)證測試之間的關(guān)聯(lián)。我們將探討幾個常見問題：

電子元器件在其使用壽命期間可能會面對哪些類型的應(yīng)力？

誰負(fù)責(zé)評定 IC 的可靠性能力？

如何應(yīng)用可靠性“加速模型”來評估IC可靠性測試滿足壽命評估需求?

行業(yè)通常會根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用的預(yù)期壽命來評估其可靠性。換句話說，即看一個應(yīng)用是否能夠承受整個產(chǎn)品壽命周期的應(yīng)力。為做出合理判斷，我們有必要了解應(yīng)用在其現(xiàn)場使用期間會面臨怎樣的應(yīng)力。然后，將這種預(yù)期的現(xiàn)場應(yīng)力與最初認(rèn)證的應(yīng)用中所有電子元器件的應(yīng)力進行比較。這樣，就可以確定預(yù)期的現(xiàn)場應(yīng)力是否會使應(yīng)用中的器件應(yīng)力過度，從而導(dǎo)致過早失效。對于安全措施非常嚴(yán)格的汽車行業(yè)來說，這一點尤為重要。

任務(wù)配置文件用于模擬特定類型的現(xiàn)場應(yīng)力及其相關(guān)嚴(yán)重程度。最常參考的應(yīng)力與溫度/電壓和熱機械應(yīng)力相關(guān)。溫度/電壓應(yīng)力通常理解為IC中硅器件的主要老化效應(yīng)。這種老化效應(yīng)會影響材料特性，IC的性能也會隨時間退化。熱機械應(yīng)力是指器件因溫度變化而膨脹和收縮時產(chǎn)生的應(yīng)力。

我們的目標(biāo)是了解應(yīng)用在目標(biāo)壽命前，特定組件是否可以保證其性能。換句話說，應(yīng)用的目標(biāo)壽命是否能達到典型半導(dǎo)體可靠性浴缸曲線的損耗階段？由于半導(dǎo)體壽命有限，其故障率在損耗階段會因磨損而迅速增加。隨著時間的推移，應(yīng)力越大，達到固有壽命的時間就越早，磨損失效的可能性就越大（見圖 1）。

圖1: 浴盆曲線

半導(dǎo)體制造商必須在新產(chǎn)品投入生產(chǎn)和投放市場之前對其進行驗證。在驗證過程中，IC會進行一系列應(yīng)力測試，以觸發(fā)并評估某些失效機制。在測試上述應(yīng)力時，通常采用兩種非常有用的測試。

第一個是高溫工作壽命 (HTOL) 測試，它模擬工作條件以在測試室內(nèi)引發(fā)與溫度和電壓相關(guān)的失效機制（見圖 2）。第二個是溫度循環(huán) (TC) 測試，由于IC 由不同材料制成，而每種材料都具有不同的溫度系數(shù)，通過TC測試給IC施加應(yīng)力以引發(fā)機械失效機制。

這只是IC在量產(chǎn)之前必須通過的兩種驗證實驗。AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)定義了汽車 IC 的整套認(rèn)證測試體系，其中許多測試在JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)中也進行了規(guī)定。部分應(yīng)用對電子器件的可靠性要求還要更高，例如卡車和加強型車輛系統(tǒng)，它們必須能夠承受雙倍的HTOL和TC測試等級應(yīng)力，才能滿足目標(biāo)任務(wù)配置文件要求。MPS的65V 降壓變換器MP4572-AEC1即能夠在提供 2A 輸出的同時滿足如此嚴(yán)格的可靠性要求。

圖2: MPS HTOL測試室

了解加速因子

HTOL測試由JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22-A108 定義。一組231個單元需要在125°C下運行1,000小時。該測試使用 Arrhenius 模型來確定溫度加速因子(Af)，它提供所需的測試時間 (tt) 以模擬實際使用的等效時間。表1給出了一個任務(wù)配置文件的范例，該范例用來模擬平均結(jié)溫87℃條件下，運行12000小時。Tj是硅器件的結(jié)溫，對于有較大功耗的功率IC而言，結(jié)溫需要被特別考慮，因為環(huán)境溫度Ta往往遠低于結(jié)溫Tj。

表 1：AEC-Q100修訂版H； 表 A7.1 – AEC-Q100 應(yīng)力測試條件和持續(xù)時間的基本計算

在此示例中，125°C TJ下需要 1,393 小時來對應(yīng) 87°C TJ 下的12,000 小時。 HTOL認(rèn)證要求1,000 小時。使用表 1 中的公式，計算出上述場景中的加速因子為 8,615，等同于125°C TJ下的 8,615 小時?？梢?，任務(wù)配置文件將超過認(rèn)證應(yīng)力約40%。

任務(wù)配置文件計算

表 2 顯示了一個任務(wù)配置文件，以及它通常是如何定義的。

表2: 典型任務(wù)配置文件

此示例定義了主動和被動兩種模式，并且所有溫度都為結(jié)溫。主動和被動模式不需要區(qū)分。當(dāng)IC工作時，一定存在與電流密度相關(guān)的老化效應(yīng)，但與溫度的老化效應(yīng)相比，這些效應(yīng)可忽略不計。

使用表1中的Arrhenius方程，輸入表 2 任務(wù)配置文件中的第一個數(shù)據(jù)點 （-40°C）。當(dāng)測試溫度為125°C 時，加速因子 (Af) 可以通過方程 (1) 計算得出：

$$Af=exp?Biggl[left(frac{Ea}{kb}right)timesleft(frac{1}{273K-40K}-frac{1}{273K+125K}right)Biggl]$$ $$Af=4184927.76$$

使用表1中的第二個方程、加速因子以及表2任務(wù)配置文件中的第二個數(shù)據(jù)點 (45h)，使用方程 (2) 計算出所需的測試時間：

$$Af=frac{tu}{tt}$$ $$tt=frac{tu}{Af}$$ $$tt=frac{45h}{4184927.76}$$ $$tt=0.000107h$$

可以得出，在 45 小時內(nèi)-40°C所代表的實際應(yīng)力將等于在125°C下進行不到一小時的HTOL測試（見表 2）。 為了計算出總的任務(wù)配置文件應(yīng)力，任務(wù)配置文件的所有數(shù)據(jù)點都必須進行類似的計算，并且相關(guān)的等效測試時間總和為大約5888h。這意味著，器件實際上承受的應(yīng)力將比測試條件下承受的大 6 倍。

通過1000小時的HTOL測試意味著該器件可以承受至少1000 小時的應(yīng)力。但是，這并不能確定超過1000小時之后器件可以承受多長時間的應(yīng)力。鑒于等效應(yīng)力是認(rèn)證應(yīng)力的 6 倍，因此很大可能會出現(xiàn)過早失效的問題。

由此可見，汽車電子元器件的可靠性測試至關(guān)重要，器件必須能夠承受高強度的應(yīng)力。圖 3 顯示了正在進行 HTOL 測試的MPS器件。

圖 3：在一定負(fù)載條件下進行HTOL 測試的MPS器件

如果無法放寬任務(wù)配置文件（例如，無法通過散熱措施降低結(jié)溫來減少相關(guān)應(yīng)力），則應(yīng)調(diào)整認(rèn)證級別。

采用此示例，將結(jié)溫增加至150°C進行HTOL測試認(rèn)證。此時，涵蓋此任務(wù)配置文件應(yīng)力所需的測試時間被減少到大約1767小時。請注意毋采用更高的結(jié)溫，因為150°C通常是硅器件可以承受而不會損壞的最高絕對溫度。當(dāng)然，將該示例的測試時間延長到大約2,000小時會更加安全。不過，即使是 1,500 小時的認(rèn)證測試時間也可以提供相當(dāng)程度的信任度，對測試成本和時間而言，也是較合理的選擇。

任務(wù)配置文件定義

最后，這些計算實際上由誰進行，誰來負(fù)責(zé)？對汽車應(yīng)用來說，AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)有明確規(guī)定。AEC-Q100修訂版H的附錄7中有一個流程圖，適用于評估現(xiàn)有的合格組件（見圖 4）。

圖4: AEC-Q100修訂版H A7.2中的流程圖

首先，電子控制單元 (ECU) 的任務(wù)配置文件由一級供應(yīng)商確定，需要將其轉(zhuǎn)換為組件將執(zhí)行的任務(wù)配置文件。如果組件存在并且已經(jīng)過認(rèn)證，則組件制造商已經(jīng)完成了基本計算。

圖1顯示了代表本文上述基本任務(wù)配置文件的HTOL認(rèn)證。通過這些數(shù)據(jù)和 Arrhenius 模型，一級供應(yīng)商可以確定實際應(yīng)用的任務(wù)配置文件是否與測試條件相當(dāng)。對于溫度和電壓應(yīng)力以外的參數(shù)任務(wù)配置文件也是如此。

結(jié)論

在汽車行業(yè)和工業(yè)應(yīng)用需求的主要推動之下，應(yīng)用設(shè)計需要面對不斷提高的可靠性要求，以應(yīng)對多種應(yīng)力條件。任務(wù)配置文件越來越受到關(guān)注，并被要求盡可能匹配目標(biāo)應(yīng)用的實際應(yīng)力源。而IC制造商設(shè)計的器件必須能夠在預(yù)期壽命應(yīng)力下保持其特定的性能，例如MPS的MPQ8875A-AEC1和 MP4572-AEC1。對于一級供應(yīng)商設(shè)計師和IC設(shè)計者來說，在流程早期進行合作，評估如何設(shè)計應(yīng)用以最好地滿足與 ECU 可靠性相關(guān)的實際需求，同時最大限度地提高成本效益，這才是最有效的方法。

審核編輯：彭菁