汽車制造商必須設(shè)計(jì)出能夠在廣泛的環(huán)境中茁壯成長(zhǎng)的車輛，從白雪皚皚的苔原到炎熱的沙漠。大多數(shù)消費(fèi)類應(yīng)用的預(yù)期壽命可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，而汽車電子產(chǎn)品的預(yù)期壽命通常為 15 年或更長(zhǎng)時(shí)間。在指定車輛組件時(shí)，原始設(shè)備制造商及其供應(yīng)商通常會(huì)制定汽車任務(wù)配置文件，該配置文件本質(zhì)上是組件在其使用壽命期間將面臨的所有預(yù)期環(huán)境和功能條件的摘要。

同時(shí)，用于車輛部件的集成電路 (IC) 通常根據(jù)汽車電子委員會(huì)的 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到這些規(guī)格的產(chǎn)品（例如 MPS 的 MPQ8875A-AEC1，這是一款 40W 數(shù)字降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，可在小型 4mmx5mm QFN 封裝中提供 30W 功率）是 ADAS 傳感器融合和數(shù)字駕駛艙系統(tǒng)的理想選擇。

本文將幫助讀者更好地了解他們的任務(wù)配置文件如何與各種電子可靠性測(cè)試相關(guān)聯(lián)，這些測(cè)試適用于每個(gè)汽車級(jí)組件在其認(rèn)證期間。本文將探討幾個(gè)常見問題：

電子元件在其使用壽命期間可能會(huì)遇到哪些類型的應(yīng)力？

誰(shuí)負(fù)責(zé)確定給定設(shè)計(jì)中所選 IC 的可靠性能力？

我如何應(yīng)用可靠性測(cè)試“加速模型”來(lái)確認(rèn)給定的 IC 已經(jīng)過測(cè)試，達(dá)到或超出我的任務(wù)配置？

在大多數(shù)行業(yè)中，通常會(huì)根據(jù)其目標(biāo)壽命來(lái)估計(jì)應(yīng)用的電子可靠性。換句話說(shuō)，應(yīng)用程序能否承受整個(gè)生命周期的壓力？為了做出合理的判斷，有必要了解應(yīng)用程序在其現(xiàn)場(chǎng)使用期間會(huì)受到什么樣的壓力。隨后，必須將這種預(yù)期的現(xiàn)場(chǎng)壽命應(yīng)力與應(yīng)用中所有電子元件最初合格的應(yīng)力進(jìn)行比較。從那里，人們可以確定預(yù)期的現(xiàn)場(chǎng)壽命應(yīng)力是否會(huì)使應(yīng)用中的任何設(shè)備過載，從而可能導(dǎo)致過早失效。由于該行業(yè)采取了嚴(yán)格的安全措施，這對(duì)于汽車應(yīng)用尤為重要。

任務(wù)配置文件旨在模擬特定類型的現(xiàn)場(chǎng)壓力及其相關(guān)的嚴(yán)重程度。最常提及的應(yīng)力與溫度/電壓和熱機(jī)械應(yīng)力有關(guān)。溫度/電壓應(yīng)力被理解為 IC 中使用的硅的主要老化效應(yīng)。這種老化效應(yīng)會(huì)影響材料特性，因此 IC 的性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。熱機(jī)械應(yīng)力是指零件因溫度變化而膨脹和收縮時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械力。

目標(biāo)是了解在應(yīng)用程序的目標(biāo)壽命結(jié)束時(shí)是否可以保證指定組件的性能。換句話說(shuō)，應(yīng)用的目標(biāo)壽命是否會(huì)在典型半導(dǎo)體可靠性浴盆曲線的磨損期內(nèi)達(dá)到？由于半導(dǎo)體的固有壽命，故障率會(huì)因磨損而迅速增加。隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力越大，達(dá)到固有壽命的時(shí)間就越早，磨損失效的可能性就越大（見圖 1）。

圖 1：浴缸曲線

半導(dǎo)體制造商必須在新產(chǎn)品投入生產(chǎn)和上市之前對(duì)其進(jìn)行認(rèn)證。在此資格認(rèn)證過程中，IC 會(huì)接受多項(xiàng)壓力測(cè)試，以引發(fā)某些故障機(jī)制。在考慮上述應(yīng)力時(shí)，有兩個(gè)特別有用的測(cè)試。

第一個(gè)是高溫工作壽命 (HTOL) 測(cè)試，它模擬工作條件以在測(cè)試室內(nèi)引發(fā)與溫度和電壓相關(guān)的故障機(jī)制（見圖 2）。第二個(gè)是溫度循環(huán) (TC) 測(cè)試，它強(qiáng)調(diào) IC 的機(jī)械故障機(jī)制，因?yàn)?IC 由不同材料制成，每種材料具有不同的溫度系數(shù)。

這些只是 IC 在發(fā)布之前必須通過的兩個(gè)認(rèn)證壓力。AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)定義了汽車 IC 的整套鑒定測(cè)試，其中許多測(cè)試也在 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了規(guī)定。一些應(yīng)用對(duì)電子設(shè)備的可靠性要求更高，例如卡車和堅(jiān)固耐用的車輛系統(tǒng)，它們必須能夠處理雙倍的 HTOL 和 TC 測(cè)試的資格壓力，以滿足目標(biāo)任務(wù)配置文件要求。MPS 的 MPQ4572-AEC1 是一款 65V 降壓轉(zhuǎn)換器，能夠在提供 2A 輸出的同時(shí)滿足如此嚴(yán)格的可靠性要求。

圖 2：MPS HTOL 腔室

了解加速因子

HTOL 測(cè)試由 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) JESD22-A108 定義。一組 231 個(gè)單元在 125°C 下運(yùn)行 1,000 小時(shí)。該測(cè)試使用 Arrhenius 模型來(lái)確定加速因子 (Af)，它提供所需的測(cè)試時(shí)間 (tt) 來(lái)模擬實(shí)際操作的等效時(shí)間。表 1 顯示了一個(gè)示例，其任務(wù)配置文件在87°C的平均結(jié)溫 (T J )下運(yùn)行 12,000 小時(shí)。T J是硅的溫度，對(duì)于具有顯著功耗的 IC 應(yīng)特別考慮，因?yàn)榄h(huán)境溫度 (T A ) 將遠(yuǎn)低于 T J。

表 1：AEC-Q100，修訂版 H；表 A7.1 – AEC-Q100 壓力測(cè)試條件和持續(xù)時(shí)間的基本計(jì)算

對(duì)于此示例，在 125°CT J下模擬 12,000 小時(shí)在 87°CT J下需要 1,393 小時(shí)。

HTOL 資格要求 1,000 小時(shí)。使用表 1 中的公式，計(jì)算出上述場(chǎng)景中的加速因子為 8,615，這僅等于 125°CT J下的 8,615 小時(shí)?？紤]到這一點(diǎn)，任務(wù)概況將超過資格壓力約 40%。

任務(wù)剖面計(jì)算

表 2 顯示了一個(gè)任務(wù)概況，以及它通常是如何定義的。

表 2：典型任務(wù)概況

在此示例中，定義了主動(dòng)和被動(dòng)模式，并且所有溫度都定義為結(jié)溫。因此，主動(dòng)和被動(dòng)模式不需要區(qū)分。當(dāng) IC 工作時(shí)，肯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)是微不足道的。

使用表 1 中的 Arrhenius 方程，在表 2 中輸入任務(wù)剖面的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（-40°C）。 測(cè)試溫度為 125°C 時(shí)，可以使用方程（1）計(jì)算加速因子（Af） ：

使用表 1 中的第二個(gè)方程、加速因子和表 2 中任務(wù)剖面的第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn) (45h)，可以使用方程 (2) 計(jì)算所需的測(cè)試時(shí)間 (tt)：

這意味著在 45 小時(shí)內(nèi)由 -40°C 表示的實(shí)際壓力將等于 HTOL 測(cè)試在 125°C 下的一小部分時(shí)間（見表 2）。為了計(jì)算總的任務(wù)剖面應(yīng)力，任務(wù)剖面的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)必須類似地計(jì)算，并且相關(guān)的等效測(cè)試時(shí)間必須總計(jì)約5888h。這意味著在現(xiàn)實(shí)世界中，設(shè)備將承受比在測(cè)試條件下承受的壓力大 6 倍的壓力。

通過 1000 小時(shí)的 HTOL 測(cè)試意味著設(shè)備至少可以承受 1000 小時(shí)的壓力。但是，這并不能保證設(shè)備可以承受壓力超過 1000 小時(shí)的時(shí)間。鑒于等效應(yīng)力是鑒定應(yīng)力的 6 倍，因此肯定會(huì)出現(xiàn)過早失效的問題。

這就是為什么汽車電子可靠性測(cè)試至關(guān)重要，并且設(shè)備必須能夠承受高水平的壓力。圖 3 顯示了正在進(jìn)行 HTOL 測(cè)試的單片電源系統(tǒng) (MPS) 設(shè)備。

圖 3：HTOL 測(cè)試下的 MPS 設(shè)備在負(fù)載條件下運(yùn)行

如果無(wú)法放松任務(wù)配置文件（例如，無(wú)法通過散熱措施降低結(jié)溫來(lái)減少相關(guān)應(yīng)力），則應(yīng)調(diào)整資格。

使用此示例，在150°C的增加的 T J下進(jìn)行 HTOL 鑒定。在這種情況下，涵蓋任務(wù)概況壓力所需的測(cè)試時(shí)間減少到大約 1767 小時(shí)。請(qǐng)注意，更高的結(jié)溫是不可能的，因?yàn)?150°C 通常是硅可以承受而不會(huì)損壞的絕對(duì)最高溫度。話雖如此，這個(gè)例子的測(cè)試時(shí)間需要延長(zhǎng)到大約。2,000 小時(shí)是非常安全的。然而，即使 1,500 小時(shí)的資格測(cè)試時(shí)間也可以提供相當(dāng)程度的信心，并且可以是相對(duì)于測(cè)試成本和時(shí)間的合理權(quán)衡。

任務(wù)配置文件定義

最后，實(shí)際需要誰(shuí)進(jìn)行這些計(jì)算，由哪一方負(fù)責(zé)？對(duì)于汽車應(yīng)用，AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)提供了明確性。在修訂版 H 的附錄 7 中有一個(gè)流程圖，適用于評(píng)估現(xiàn)有和合格組件（見圖 4）。

圖 4：AEC-Q100 Rev. H 標(biāo)準(zhǔn)的流程圖 A7.2

首先，電子控制單元 (ECU) 的任務(wù)配置文件由第 1 層確定，必須將其轉(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)合格，則組件制造商已經(jīng)完成了基本計(jì)算。

圖 1 顯示了代表本文前面概述的基本任務(wù)概況的 HTOL 資格。通過這些數(shù)據(jù)和 Arrhenius 模型，第 1 層可以確定現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用程序任務(wù)配置文件是否與測(cè)試條件相當(dāng)。對(duì)于涉及溫度和電壓應(yīng)力以外的參數(shù)的任務(wù)配置文件也是如此。

結(jié)論

應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)目的是在多種應(yīng)力條件下提高可靠性要求。這主要是由汽車行業(yè)和工業(yè)應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)的。任務(wù)配置文件受到越來(lái)越多的關(guān)注，需要盡可能匹配目標(biāo)應(yīng)用程序的現(xiàn)實(shí)壓力源。然后，IC 制造商必須設(shè)計(jì)能夠在預(yù)期壽命壓力下保持其指定性能的設(shè)備，例如 MPS 的 MPQ8875A-AEC1 和 MPQ4572-AEC1。對(duì)于 1 級(jí)設(shè)計(jì)師和 IC 創(chuàng)造者來(lái)說(shuō)，在流程的早期進(jìn)行合作，并評(píng)估如何設(shè)計(jì)應(yīng)用程序以最好地滿足與 ECU 可靠性相關(guān)的現(xiàn)實(shí)生活要求，同時(shí)最大限度地提高成本效益，這始終是一個(gè)好主意。

審核編輯 黃昊宇

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