汽車制造商必須設(shè)計(jì)車輛，使其在從雪原苔原到炎熱的沙漠的各種環(huán)境中蓬勃發(fā)展。與大多數(shù)消費(fèi)類應(yīng)用不同，在預(yù)期使用壽命可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的情況下，汽車電子產(chǎn)品通?？梢允褂?5年或更長(zhǎng)時(shí)間。指定車輛零部件時(shí)，OEM及其供應(yīng)商通常會(huì)制定汽車任務(wù)概況，該概況本質(zhì)上是該零部件在使用壽命期間將要面臨的所有預(yù)期環(huán)境和功能條件的摘要。

同時(shí)，用于汽車部件的集成電路（IC）通常根據(jù)汽車電子理事會(huì)的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證。設(shè)計(jì)符合這些規(guī)范的產(chǎn)品，例如MPS的MPQ8875A-AEC1，一種40W數(shù)字降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，可以在4mmx5mm QFN小型封裝中提供30W功率，是ADAS傳感器融合和數(shù)字座艙系統(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)試相聯(lián)系，這些測(cè)試在每個(gè)汽車級(jí)組件的鑒定過程中都得到了應(yīng)用。本文將探討幾個(gè)常見問題：

電子組件在其使用壽命期間可能會(huì)遇到哪些類型的壓力？

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”來確認(rèn)給定的IC已在我的任務(wù)配置文件之外進(jìn)行了測(cè)試？

在大多數(shù)行業(yè)中，通常會(huì)估算應(yīng)用程序的電子可靠性與其目標(biāo)壽命。換句話說，應(yīng)用程序是否能夠承受整個(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)使用期間將承受何種壓力。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，可以確定預(yù)期的現(xiàn)場(chǎng)壽命壓力是否會(huì)使應(yīng)用中的任何設(shè)備承受壓力，從而可能導(dǎo)致過早的故障。由于行業(yè)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場(chǎng)應(yīng)力及其相關(guān)的嚴(yán)重性。最常引用的應(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)影響材料性能，從而使IC的性能隨時(shí)間下降。熱機(jī)械應(yīng)力是指零件因溫度變化而膨脹和收縮時(shí)發(fā)生的機(jī)械力。

目的是了解是否可以在應(yīng)用程序的預(yù)期壽命結(jié)束時(shí)保證指定組件的性能。換句話說，是否會(huì)在典型的半導(dǎo)體可靠性浴盆曲線的磨損期內(nèi)達(dá)到應(yīng)用的目標(biāo)壽命？由于半導(dǎo)體的固有壽命，故障率由于磨損而開始迅速增加。隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力越強(qiáng)，固有壽命就越早，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)和投放市場(chǎng)之前對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行資格鑒定。在此鑒定過程中，IC經(jīng)受了許多壓力測(cè)試，以激發(fā)某些失效機(jī)制。考慮上述壓力時(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，該測(cè)試模擬操作條件以激發(fā)測(cè)試室內(nèi)的溫度和電壓相關(guān)的故障機(jī)制（請(qǐng)參見圖2）。第二個(gè)是溫度循環(huán)（TC）測(cè)試，該測(cè)試對(duì)IC施加機(jī)械失效機(jī)制的壓力，因?yàn)镮C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發(fā)行前必須通過的資格鑒定中的兩個(gè)。汽車IC的整個(gè)資格測(cè)試集由AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)定義，并且許多此類測(cè)試在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)中也有規(guī)定。某些應(yīng)用具有更高的電子可靠性要求，例如卡車和堅(jiān)固的車輛系統(tǒng)，它們必須能夠承受HTOL和TC測(cè)試兩倍的鑒定壓力，才能滿足目標(biāo)Mission Profile的要求。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

了解加速度系數(shù)

HTOL測(cè)試由JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22-A108定義。一套231臺(tái)設(shè)備在125°C下需要運(yùn)行1000小時(shí)。該測(cè)試使用Arrhenius模型確定加速因子（Af），該加速因子提供了所需的測(cè)試時(shí)間（tt）以模擬實(shí)際運(yùn)行中的等效時(shí)間。表1顯示了一個(gè)示例，其任務(wù)配置文件是在平均結(jié)點(diǎn)溫度（TJ）為87°C時(shí)運(yùn)行12,000小時(shí)。??是硅的溫度，并且應(yīng)該與具有顯著功耗集成電路，隨著環(huán)境溫度（T被認(rèn)為尤其一個(gè)）將小于T低得多?。

表1：AEC-Q100，Rev 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°CTJ下需要花費(fèi)1,393個(gè)小時(shí)才能在87°CTJ下模擬12,000小時(shí)。

HTOL資格要求1000個(gè)小時(shí)。使用表1中的公式，上述情況下的加速因子被計(jì)算為8,615，在125°CJ時(shí)僅等于8,615小時(shí)?？紤]到這一點(diǎn)，任務(wù)概況將超出資格壓力約40％。

任務(wù)概況計(jì)算

表2顯示了任務(wù)配置文件及其通常的定義方式。

表2：典型任務(wù)簡(jiǎn)介

在此示例中，定義了主動(dòng)模式和被動(dòng)模式，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有關(guān)的老化效應(yīng)，但是與溫度的老化效應(yīng)相比，這些效應(yīng)很小。

使用表1中的Arrhenius公式，在表2中輸入任務(wù)配置文件的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（-40°C）。在125°C的測(cè)試溫度下，可以使用公式（1）計(jì)算加速因子（Af）。 ：

使用表1中的第二個(gè)等式，加速度因數(shù)和表2中任務(wù)配置文件的第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（45h），可以使用等式（2）計(jì)算所需的測(cè)試時(shí)間（tt）：

這意味著以-40°C歷時(shí)45h表示的實(shí)際應(yīng)力將與HTOL測(cè)試在125°C下僅一小時(shí)的分?jǐn)?shù)相等（請(qǐng)參見表2）。為了計(jì)算總的任務(wù)輪廓應(yīng)力，必須以相似的方式計(jì)算任務(wù)輪廓的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，并且相關(guān)的等效測(cè)試時(shí)間必須總計(jì)約為5888h。這意味著在現(xiàn)實(shí)世界中，該設(shè)備所承受的應(yīng)力是其在測(cè)試條件下承受的應(yīng)力的6倍。

通過HTOL 1000h測(cè)試意味著該設(shè)備可以承受至少1000小時(shí)的壓力。但是，這不能保證該設(shè)備可以承受1000小時(shí)以上的壓力?？紤]到等效應(yīng)力是額定應(yīng)力的6倍，因此肯定會(huì)引起過早的故障。

這就是為什么汽車電子可靠性測(cè)試至關(guān)重要且設(shè)備必須能夠承受較高壓力的原因。圖3顯示了經(jīng)過HTOL測(cè)試的單片電源系統(tǒng)（MPS）器件。

圖3：經(jīng)過HTOL測(cè)試的MPS設(shè)備在負(fù)載條件下運(yùn)行

萬(wàn)一任務(wù)曲線無(wú)法放松（例如，通過散熱措施無(wú)法降低結(jié)點(diǎn)溫度，從而無(wú)法減輕相關(guān)壓力），則應(yīng)調(diào)整合格條件。

使用該示例，在150°C的較高TJ下進(jìn)行HTOL鑒定。在這種情況下，解決任務(wù)輪廓壓力所需的測(cè)試時(shí)間減少到大約1767h。請(qǐng)注意，甚至更高的結(jié)溫也是不可能的，因?yàn)?50°C通常是硅在不受損的情況下可以承受的絕對(duì)最高溫度。話雖如此，該示例的測(cè)試時(shí)間將需要延長(zhǎng)到大約。2,000小時(shí)是非常安全的一面。但是，即使是1,500小時(shí)的資格測(cè)試時(shí)間也可以提供一定程度的信心，并且可以相對(duì)于測(cè)試成本和時(shí)間進(jìn)行合理的權(quán)衡。

任務(wù)配置文件定義

最后，實(shí)際上需要誰(shuí)進(jìn)行這些計(jì)算，以及由哪一方負(fù)責(zé)？對(duì)于汽車應(yīng)用，AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)提供了清晰度。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（參見圖4）。

圖4：AEC-Q100版本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)換為組件將要經(jīng)受的任務(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HTOL資格，該資格代表本文前面概述的基本任務(wù)配置文件。借助此數(shù)據(jù)和Arrhenius模型，方法1可以確定現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用任務(wù)配置文件是否與測(cè)試條件相當(dāng)。對(duì)于引用溫度和電壓應(yīng)力以外的參數(shù)的任務(wù)配置文件也是如此。

結(jié)論

正在設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，以提高在多種壓力條件下的可靠性要求。這主要是由汽車工業(yè)和工業(yè)應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)的。任務(wù)配置文件受到越來越多的關(guān)注，并且需要盡可能與目標(biāo)應(yīng)用程序的實(shí)際壓力匹配。然后，IC制造商必須設(shè)計(jì)能夠在預(yù)期的使用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)于一級(jí)設(shè)計(jì)人員和IC創(chuàng)造者來說，在流程的早期階段進(jìn)行合作，并評(píng)估如何設(shè)計(jì)應(yīng)用程序以最佳地滿足相對(duì)于ECU可靠性的實(shí)際需求，同時(shí)最大程度地提高成本效益，始終是一個(gè)好主意。

編輯：hfy