汽車制造商必須設計出能夠在廣泛的環(huán)境中茁壯成長的車輛，從白雪皚皚的苔原到炎熱的沙漠。大多數(shù)消費類應用的預期壽命可能長達數(shù)月，而汽車電子產品的預期壽命通常為 15 年或更長時間。在指定車輛組件時，原始設備制造商及其供應商通常會制定汽車任務配置文件，該配置文件本質上是組件在其使用壽命期間將面臨的所有預期環(huán)境和功能條件的摘要。

同時，用于車輛部件的集成電路 (IC) 通常根據汽車電子委員會的 AEC-Q100 標準進行認證。設計時考慮到這些規(guī)格的產品（例如 MPS 的 MPQ8875A-AEC1，這是一款 40W 數(shù)字降壓-升壓轉換器，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配置文件如何與各種電子可靠性測試相關聯(lián)，這些測試適用于每個汽車級組件在其認證期間。本文將探討幾個常見問題：

電子元件在其使用壽命期間可能會遇到哪些類型的應力？

誰負責確定給定設計中所選 IC 的可靠性能力？

我如何應用可靠性測試“加速模型”來確認給定的 IC 已經過測試，達到或超出我的任務配置？

在大多數(shù)行業(yè)中，通常會根據其目標壽命來估計應用的電子可靠性。換句話說，應用程序能否承受整個生命周期的壓力？為了做出合理的判斷，有必要了解應用程序在其現(xiàn)場使用期間會受到什么樣的壓力。隨后，必須將這種預期的現(xiàn)場壽命應力與應用中所有電子元件最初合格的應力進行比較。從那里，人們可以確定預期的現(xiàn)場壽命應力是否會使應用中的任何設備過載，從而可能導致過早失效。由于該行業(yè)采取了嚴格的安全措施，這對于汽車應用尤為重要。

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

目標是了解在應用程序的目標壽命結束時是否可以保證指定組件的性能。換句話說，應用的目標壽命是否會在典型半導體可靠性浴盆曲線的磨損期內達到？由于半導體的固有壽命，故障率會因磨損而迅速增加。隨著時間的推移，應力越大，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：浴缸曲線

半導體制造商必須在新產品投入生產和上市之前對其進行認證。在此資格認證過程中，IC 會接受多項壓力測試，以引發(fā)某些故障機制。在考慮上述應力時，有兩個特別有用的測試。

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引發(fā)與溫度和電壓相關的故障機制（見圖 2）。第二個是溫度循環(huán) (TC) 測試，它強調 IC 的機械故障機制，因為 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認證壓力。AEC-Q100 標準定義了汽車 IC 的整套鑒定測試，其中許多測試也在 JEDEC 標準中進行了規(guī)定。一些應用對電子設備的可靠性要求更高，例如卡車和堅固耐用的車輛系統(tǒng)，它們必須能夠處理雙倍的 HTOL 和 TC 測試的資格壓力，以滿足目標任務配置文件要求。MPS 的 MPQ4572-AEC1 是一款 65V 降壓轉換器，能夠在提供 2A 輸出的同時滿足如此嚴格的可靠性要求。

圖 2：MPS HTOL 腔室

了解加速因子

HTOL 測試由 JEDEC 標準 JESD22-A108 定義。一組 231 個單元在 125°C 下運行 1,000 小時。該測試使用 Arrhenius 模型來確定加速因子 (Af)，它提供所需的測試時間 (tt) 來模擬實際操作的等效時間。表 1 顯示了一個示例，其任務配置文件在87°C的平均結溫 (T J )下運行 12,000 小時。T J是硅的溫度，對于具有顯著功耗的 IC 應特別考慮，因為環(huán)境溫度 (T A ) 將遠低于 T J。

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

對于此示例，在 125°CT J下模擬 12,000 小時在 87°CT J下需要 1,393 小時。

HTOL 資格要求 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，這僅等于 125°CT J下的 8,615 小時?？紤]到這一點，任務概況將超過資格壓力約 40%。

任務剖面計算

表 2 顯示了一個任務概況，以及它通常是如何定義的。

表 2：典型任務概況

在此示例中，定義了主動和被動模式，并且所有溫度都定義為結溫。因此，主動和被動模式不需要區(qū)分。當 IC 工作時，肯定存在與電流密度相關的老化效應，但與溫度的老化效應相比，這些效應是微不足道的。

使用表 1 中的 Arrhenius 方程，在表 2 中輸入任務剖面的第一個數(shù)據點（-40°C）。 測試溫度為 125°C 時，可以使用方程（1）計算加速因子（Af） ：

使用表 1 中的第二個方程、加速因子和表 2 中任務剖面的第二個數(shù)據點 (45h)，可以使用方程 (2) 計算所需的測試時間 (tt)：

這意味著在 45 小時內由 -40°C 表示的實際壓力將等于 HTOL 測試在 125°C 下的一小部分時間（見表 2）。為了計算總的任務剖面應力，任務剖面的所有數(shù)據點必須類似地計算，并且相關的等效測試時間必須總計約5888h。這意味著在現(xiàn)實世界中，設備將承受比在測試條件下承受的壓力大 6 倍的壓力。

通過 1000 小時的 HTOL 測試意味著設備至少可以承受 1000 小時的壓力。但是，這并不能保證設備可以承受壓力超過 1000 小時的時間。鑒于等效應力是鑒定應力的 6 倍，因此肯定會出現(xiàn)過早失效的問題。

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

圖 3：HTOL 測試下的 MPS 設備在負載條件下運行

如果無法放松任務配置文件（例如，無法通過散熱措施降低結溫來減少相關應力），則應調整資格。

使用此示例，在150°C的增加的 T J下進行 HTOL 鑒定。在這種情況下，涵蓋任務概況壓力所需的測試時間減少到大約 1767 小時。請注意，更高的結溫是不可能的，因為 150°C 通常是硅可以承受而不會損壞的絕對最高溫度。話雖如此，這個例子的測試時間需要延長到大約。2,000 小時是非常安全的。然而，即使 1,500 小時的資格測試時間也可以提供相當程度的信心，并且可以是相對于測試成本和時間的合理權衡。

任務配置文件定義

最后，實際需要誰進行這些計算，由哪一方負責？對于汽車應用，AEC-Q100 標準提供了明確性。在修訂版 H 的附錄 7 中有一個流程圖，適用于評估現(xiàn)有和合格組件（見圖 4）。

圖 4：AEC-Q100 Rev. H 標準的流程圖 A7.2

首先，電子控制單元 (ECU) 的任務配置文件由第 1 層確定，必須將其轉換為組件將執(zhí)行的任務配置文件。如果組件存在并且已經合格，則組件制造商已經完成了基本計算。

圖 1 顯示了代表本文前面概述的基本任務概況的 HTOL 資格。通過這些數(shù)據和 Arrhenius 模型，第 1 層可以確定現(xiàn)實生活中的應用程序任務配置文件是否與測試條件相當。對于涉及溫度和電壓應力以外的參數(shù)的任務配置文件也是如此。

結論

應用程序的設計目的是在多種應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)應用需求驅動的。任務配置文件受到越來越多的關注，需要盡可能匹配目標應用程序的現(xiàn)實壓力源。然后，IC 制造商必須設計能夠在預期壽命壓力下保持其指定性能的設備，例如 MPS 的 MPQ8875A-AEC1 和 MPQ4572-AEC1。對于 1 級設計師和 IC 創(chuàng)造者來說，在流程的早期進行合作，并評估如何設計應用程序以最好地滿足與 ECU 可靠性相關的現(xiàn)實生活要求，同時最大限度地提高成本效益，這始終是一個好主意。

審核編輯 黃昊宇

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