汽車制造商必須設(shè)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(yīng)用的預(yù)期壽命可能長達數(shù)月，而汽車電子產(chǎn)品的預(yù)期壽命通常為 15 年或更長時間。在指定車輛組件時，原始設(shè)備制造商及其供應(yīng)商通常會制定汽車任務(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，用于車輛部件的集成電路 (IC) 通常根據(jù)汽車電子委員會的 AEC-Q100 標準進行認證。設(shè)計時考慮到這些規(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試相關(guān)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(yīng)力？

誰負責確定給定設(shè)計中所選 IC 的可靠性能力？

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

在大多數(shù)行業(yè)中，通常會根據(jù)其目標壽命來估計應(yīng)用的電子可靠性。換句話說，應(yīng)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(yīng)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(yù)期的現(xiàn)場壽命應(yīng)力與應(yīng)用中所有電子元件最初合格的應(yīng)力進行比較。從那里，人們可以確定預(yù)期的現(xiàn)場壽命應(yīng)力是否會使應(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)采取了嚴格的安全措施，這對于汽車應(yīng)用尤為重要。

任務(wù)配置文件旨在模擬特定類型的現(xiàn)場壓力及其相關(guān)的嚴重程度。最常提及的應(yīng)力與溫度/電壓和熱機械應(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(yīng)力是指零件因溫度變化而膨脹和收縮時產(chǎn)生的機械力。

目標是了解在應(yīng)用程序的目標壽命結(jié)束時是否可以保證指定組件的性能。換句話說，應(yīng)用的目標壽命是否會在典型半導(dǎo)體可靠性浴盆曲線的磨損期內(nèi)達到？由于半導(dǎo)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(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(yīng)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(nèi)引發(fā)與溫度和電壓相關(guān)的故障機制（見圖 2）。第二個是溫度循環(huán) (TC) 測試，它強調(diào) 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(yīng)用對電子設(shè)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(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(wù)配置文件在87°C的平均結(jié)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(yīng)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(wù)概況將超過資格壓力約 40%。

任務(wù)剖面計算

表 2 顯示了一個任務(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，定義了主動和被動模式，并且所有溫度都定義為結(jié)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(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)剖面的第一個數(shù)據(jù)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(wù)剖面的第二個數(shù)據(jù)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(nèi)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(wù)剖面應(yīng)力，任務(wù)剖面的所有數(shù)據(jù)點必須類似地計算，并且相關(guān)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(shè)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(shè)備至少可以承受 1000 小時的壓力。但是，這并不能保證設(shè)備可以承受壓力超過 1000 小時的時間。鑒于等效應(yīng)力是鑒定應(yīng)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(guān)重要，并且設(shè)備必須能夠承受高水平的壓力。圖 3 顯示了正在進行 HTOL 測試的單片電源系統(tǒng) (MPS) 設(shè)備。

圖 3：HTOL 測試下的 MPS 設(shè)備在負載條件下運行

如果無法放松任務(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(wù)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(jié)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(quán)衡。

任務(wù)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(yīng)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(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)實生活中的應(yīng)用程序任務(wù)配置文件是否與測試條件相當。對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)動的。任務(wù)配置文件受到越來越多的關(guān)注，需要盡可能匹配目標應(yīng)用程序的現(xiàn)實壓力源。然后，IC 制造商必須設(shè)計能夠在預(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。對于 1 級設(shè)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(shè)計應(yīng)用程序以最好地滿足與 ECU 可靠性相關(guān)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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