任務(wù)配置文件與各種電子可靠性測試方案

汽車制造商必須設(shè)計車輛，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)消費類應(yīng)用不同，在預(yù)期使用壽命可能長達(dá)數(shù)月的情況下，汽車電子產(chǎn)品通常可以使用15年或更長時間。指定車輛零部件時，OEM及其供應(yīng)商通常會制定汽車任務(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，用于汽車部件的集成電路（IC）通常根據(jù)汽車電子理事會的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證。設(shè)計符合這些規(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試相聯(lián)系，這些測試在每個汽車級組件的鑒定過程中都得到了應(yīng)用。本文將探討幾個常見問題：

電子組件在其使用壽命期間可能會遇到哪些類型的壓力？

誰負(fù)責(zé)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(rèn)給定的IC已在我的任務(wù)配置文件之外進(jìn)行了測試？

在大多數(shù)行業(yè)中，通常會估算應(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)場使用期間將承受何種壓力。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(jìn)行比較。從那里，可以確定預(yù)期的現(xiàn)場壽命壓力是否會使應(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)會影響材料性能，從而使IC的性能隨時間下降。熱機械應(yīng)力是指零件因溫度變化而膨脹和收縮時發(fā)生的機械力。

目的是了解是否可以在應(yīng)用程序的預(yù)期壽命結(jié)束時保證指定組件的性能。換句話說，是否會在典型的半導(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。隨著時間的推移，應(yīng)力越強，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)和投放市場之前對新產(chǎn)品進(jìn)行資格鑒定。在此鑒定過程中，IC經(jīng)受了許多壓力測試，以激發(fā)某些失效機制?？紤]上述壓力時，有兩個特別有用的測試。

第一個是高溫工作壽命（HTOL）測試，該測試模擬操作條件以激發(fā)測試室內(nèi)的溫度和電壓相關(guān)的故障機制（請參見圖2）。第二個是溫度循環(huán)（TC）測試，該測試對IC施加機械失效機制的壓力，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發(fā)行前必須通過的資格鑒定中的兩個。汽車IC的整個資格測試集由AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)定義，并且許多此類測試在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，例如卡車和堅固的車輛系統(tǒng)，它們必須能夠承受HTOL和TC測試兩倍的鑒定壓力，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測試由JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22-A108定義。一套231臺設(shè)備在125°C下需要運行1000小時。該測試使用Arrhenius模型確定加速因子（Af），該加速因子提供了所需的測試時間（tt）以模擬實際運行中的等效時間。表1顯示了一個示例，其任務(wù)配置文件是在平均結(jié)點溫度（TJ）為87°C時運行12,000小時。??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）將小于T低得多?。

表1：AEC-Q100，Rev 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°CTJ下需要花費1,393個小時才能在87°CTJ下模擬12,000小時。

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

任務(wù)概況計算

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)簡介

在此示例中，定義了主動模式和被動模式，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(dāng)IC工作時，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)配置文件的第一個數(shù)據(jù)點（-40°C）。在125°C的測試溫度下，可以使用公式（1）計算加速因子（Af）。 ：

使用表1中的第二個等式，加速度因數(shù)和表2中任務(wù)配置文件的第二個數(shù)據(jù)點（45h），可以使用等式（2）計算所需的測試時間（tt）：

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

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

這就是為什么汽車電子可靠性測試至關(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測試的單片電源系統(tǒng)（MPS）器件。

圖3：經(jīng)過HTOL測試的MPS設(shè)備在負(fù)載條件下運行

萬一任務(wù)曲線無法放松（例如，通過散熱措施無法降低結(jié)點溫度，從而無法減輕相關(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)輪廓壓力所需的測試時間減少到大約1767h。請注意，甚至更高的結(jié)溫也是不可能的，因為150°C通常是硅在不受損的情況下可以承受的絕對最高溫度。話雖如此，該示例的測試時間將需要延長到大約。2,000小時是非常安全的一面。但是，即使是1,500小時的資格測試時間也可以提供一定程度的信心，并且可以相對于測試成本和時間進(jìn)行合理的權(quán)衡。

任務(wù)配置文件定義

最后，實際上需要誰進(jìn)行這些計算，以及由哪一方負(fù)責(zé)？對于汽車應(yīng)用，AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)提供了清晰度。在修訂版H的附錄7中，有一個流程圖，適用于評估現(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)實生活中的應(yīng)用任務(wù)配置文件是否與測試條件相當(dāng)。對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)用程序的實際壓力匹配。然后，IC制造商必須設(shè)計能夠在預(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。對于一級設(shè)計人員和IC創(chuàng)造者來說，在流程的早期階段進(jìn)行合作，并評估如何設(shè)計應(yīng)用程序以最佳地滿足相對于ECU可靠性的實際需求，同時最大程度地提高成本效益，始終是一個好主意。

編輯：hfy