車輛設(shè)計(jì)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(fèi)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(zhǎng)達(dá)15年甚至更久。OEM及其供應(yīng)商通常會(huì)制定一個(gè)汽車任務(wù)配置文件來(lái)說(shuō)明一個(gè)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(shí)，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(huì)的 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jì)時(shí)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(gè)汽車級(jí)組件的各種電子元器件可靠性認(rèn)證測(cè)試之間的關(guān)聯(lián)。我們將探討幾個(gè)常見問(wèn)題：

電子元器件在其使用壽命期間可能會(huì)面對(duì)哪些類型的應(yīng)力？

誰(shuí)負(fù)責(zé)評(píng)定 IC 的可靠性能力？

如何應(yīng)用可靠性“加速模型”來(lái)評(píng)估IC可靠性測(cè)試滿足壽命評(píng)估需求?

行業(yè)通常會(huì)根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用的預(yù)期壽命來(lái)評(píng)估其可靠性。換句話說(shuō)，即看一個(gè)應(yīng)用是否能夠承受整個(gè)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(chǎng)使用期間會(huì)面臨怎樣的應(yīng)力。然后，將這種預(yù)期的現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行比較。這樣，就可以確定預(yù)期的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力是否會(huì)使應(yīng)用中的器件應(yīng)力過(guò)度，從而導(dǎo)致過(guò)早失效。對(duì)于安全措施非常嚴(yán)格的汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤為重要。

任務(wù)配置文件用于模擬特定類型的現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(huì)影響材料特性，IC的性能也會(huì)隨時(shí)間退化。熱機(jī)械應(yīng)力是指器件因溫度變化而膨脹和收縮時(shí)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(shuō)，應(yīng)用的目標(biāo)壽命是否能達(dá)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(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(chǎng)之前對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證過(guò)程中，IC會(huì)進(jìn)行一系列應(yīng)力測(cè)試，以觸發(fā)并評(píng)估某些失效機(jī)制。在測(cè)試上述應(yīng)力時(shí)，通常采用兩種非常有用的測(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)的失效機(jī)制（見圖 2）。第二個(gè)是溫度循環(huán) (TC) 測(cè)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(guò)TC測(cè)試給IC施加應(yīng)力以引發(fā)機(jī)械失效機(jī)制。

這只是IC在量產(chǎn)之前必須通過(guò)的兩種驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)定義了汽車 IC 的整套認(rèn)證測(cè)試體系，其中許多測(cè)試在JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)中也進(jìn)行了規(guī)定。部分應(yīng)用對(duì)電子器件的可靠性要求還要更高，例如卡車和加強(qiáng)型車輛系統(tǒng)，它們必須能夠承受雙倍的HTOL和TC測(cè)試等級(jí)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(shí)滿足如此嚴(yán)格的可靠性要求。

圖2: MPS HTOL測(cè)試室

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)單元需要在125°C下運(yùn)行1,000小時(shí)。該測(cè)試使用 Arrhenius 模型來(lái)確定溫度加速因子(Af)，它提供所需的測(cè)試時(shí)間 (tt) 以模擬實(shí)際使用的等效時(shí)間。表1給出了一個(gè)任務(wù)配置文件的范例，該范例用來(lái)模擬平均結(jié)溫87℃條件下，運(yùn)行12000小時(shí)。Tj是硅器件的結(jié)溫，對(duì)于有較大功耗的功率IC而言，結(jié)溫需要被特別考慮，因?yàn)榄h(huán)境溫度Ta往往遠(yuǎn)低于結(jié)溫Tj。

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

在此示例中，125°C TJ下需要 1,393 小時(shí)來(lái)對(duì)應(yīng) 87°C TJ 下的12,000 小時(shí)。 HTOL認(rèn)證要求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，等同于125°C TJ下的 8,615 小時(shí)。可見，任務(wù)配置文件將超過(guò)認(rèn)證應(yīng)力約40%。

任務(wù)配置文件計(jì)算

表 2 顯示了一個(gè)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(dòng)和被動(dòng)兩種模式，并且所有溫度都為結(jié)溫。主動(dòng)和被動(dòng)模式不需要區(qū)分。當(dāng)IC工作時(shí)，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(jì)。

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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn) （-40°C）。當(dāng)測(cè)試溫度為125°C 時(shí)，加速因子 (Af) 可以通過(guò)方程 (1) 計(jì)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(gè)方程、加速因子以及表2任務(wù)配置文件中的第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn) (45h)，使用方程 (2) 計(jì)算出所需的測(cè)試時(shí)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(shí)內(nèi)-40°C所代表的實(shí)際應(yīng)力將等于在125°C下進(jìn)行不到一小時(shí)的HTOL測(cè)試（見表 2）。 為了計(jì)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(diǎn)都必須進(jìn)行類似的計(jì)算，并且相關(guān)的等效測(cè)試時(shí)間總和為大約5888h。這意味著，器件實(shí)際上承受的應(yīng)力將比測(cè)試條件下承受的大 6 倍。

通過(guò)1000小時(shí)的HTOL測(cè)試意味著該器件可以承受至少1000 小時(shí)的應(yīng)力。但是，這并不能確定超過(guò)1000小時(shí)之后器件可以承受多長(zhǎng)時(shí)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(huì)出現(xiàn)過(guò)早失效的問(wèn)題。

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

圖 3：在一定負(fù)載條件下進(jìn)行HTOL 測(cè)試的MPS器件

如果無(wú)法放寬任務(wù)配置文件（例如，無(wú)法通過(guò)散熱措施降低結(jié)溫來(lái)減少相關(guān)應(yīng)力），則應(yīng)調(diào)整認(rèn)證級(jí)別。

采用此示例，將結(jié)溫增加至150°C進(jìn)行HTOL測(cè)試認(rèn)證。此時(shí)，涵蓋此任務(wù)配置文件應(yīng)力所需的測(cè)試時(shí)間被減少到大約1767小時(shí)。請(qǐng)注意毋采用更高的結(jié)溫，因?yàn)?50°C通常是硅器件可以承受而不會(huì)損壞的最高絕對(duì)溫度。當(dāng)然，將該示例的測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)到大約2,000小時(shí)會(huì)更加安全。不過(guò)，即使是 1,500 小時(shí)的認(rèn)證測(cè)試時(shí)間也可以提供相當(dāng)程度的信任度，對(duì)測(cè)試成本和時(shí)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(jì)算實(shí)際上由誰(shuí)進(jìn)行，誰(shuí)來(lái)負(fù)責(zé)？對(duì)汽車應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(gè)流程圖，適用于評(píng)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(jí)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(guò)認(rèn)證，則組件制造商已經(jīng)完成了基本計(jì)算。

圖1顯示了代表本文上述基本任務(wù)配置文件的HTOL認(rèn)證。通過(guò)這些數(shù)據(jù)和 Arrhenius 模型，一級(jí)供應(yīng)商可以確定實(shí)際應(yīng)用的任務(wù)配置文件是否與測(cè)試條件相當(dāng)。對(duì)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(dòng)之下，應(yīng)用設(shè)計(jì)需要面對(duì)不斷提高的可靠性要求，以應(yīng)對(duì)多種應(yīng)力條件。任務(wù)配置文件越來(lái)越受到關(guān)注，并被要求盡可能匹配目標(biāo)應(yīng)用的實(shí)際應(yīng)力源。而IC制造商設(shè)計(jì)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(duì)于一級(jí)供應(yīng)商設(shè)計(jì)師和IC設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，在流程早期進(jìn)行合作，評(píng)估如何設(shè)計(jì)應(yīng)用以最好地滿足與 ECU 可靠性相關(guān)的實(shí)際需求，同時(shí)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