汽车电子可靠性测试以任务配置文件开始和结束

汽车制造商必须设计出能够在广泛的环境中茁壮成长的车辆，从白雪皑皑的苔原到炎热的沙漠。大多数消费类应用的预期寿命可能长达数月，而汽车电子产品的预期寿命通常为 15 年或更长时间。在指定车辆组件时，原始设备制造商及其供应商通常会制定汽车任务配置文件，该配置文件本质上是组件在其使用寿命期间将面临的所有预期环境和功能条件的摘要。

同时，用于车辆部件的集成电路 (IC) 通常根据汽车电子委员会的 AEC-Q100 标准进行认证。设计时考虑到这些规格的产品（例如 MPS 的 MPQ8875A-AEC1，这是一款 40W 数字降压-升压转换器，可在小型 4mmx5mm QFN 封装中提供 30W 功率）是 ADAS 传感器融合和数字驾驶舱系统的理想选择。

本文将帮助读者更好地了解他们的任务配置文件如何与各种电子可靠性测试相关联，这些测试适用于每个汽车级组件在其认证期间。本文将探讨几个常见问题：

电子元件在其使用寿命期间可能会遇到哪些类型的应力？

谁负责确定给定设计中所选 IC 的可靠性能力？

我如何应用可靠性测试“加速模型”来确认给定的 IC 已经过测试，达到或超出我的任务配置？

在大多数行业中，通常会根据其目标寿命来估计应用的电子可靠性。换句话说，应用程序能否承受整个生命周期的压力？为了做出合理的判断，有必要了解应用程序在其现场使用期间会受到什么样的压力。随后，必须将这种预期的现场寿命应力与应用中所有电子元件最初合格的应力进行比较。从那里，人们可以确定预期的现场寿命应力是否会使应用中的任何设备过载，从而可能导致过早失效。由于该行业采取了严格的安全措施，这对于汽车应用尤为重要。

任务配置文件旨在模拟特定类型的现场压力及其相关的严重程度。最常提及的应力与温度/电压和热机械应力有关。温度/电压应力被理解为 IC 中使用的硅的主要老化效应。这种老化效应会影响材料特性，因此 IC 的性能会随着时间的推移而下降。热机械应力是指零件因温度变化而膨胀和收缩时产生的机械力。

目标是了解在应用程序的目标寿命结束时是否可以保证指定组件的性能。换句话说，应用的目标寿命是否会在典型半导体可靠性浴盆曲线的磨损期内达到？由于半导体的固有寿命，故障率会因磨损而迅速增加。随着时间的推移，应力越大，达到固有寿命的时间就越早，磨损失效的可能性就越大（见图 1）。

图 1：浴缸曲线

半导体制造商必须在新产品投入生产和上市之前对其进行认证。在此资格认证过程中，IC 会接受多项压力测试，以引发某些故障机制。在考虑上述应力时，有两个特别有用的测试。

第一个是高温工作寿命 (HTOL) 测试，它模拟工作条件以在测试室内引发与温度和电压相关的故障机制（见图 2）。第二个是温度循环 (TC) 测试，它强调 IC 的机械故障机制，因为 IC 由不同材料制成，每种材料具有不同的温度系数。

这些只是 IC 在发布之前必须通过的两个认证压力。AEC-Q100 标准定义了汽车 IC 的整套鉴定测试，其中许多测试也在 JEDEC 标准中进行了规定。一些应用对电子设备的可靠性要求更高，例如卡车和坚固耐用的车辆系统，它们必须能够处理双倍的 HTOL 和 TC 测试的资格压力，以满足目标任务配置文件要求。MPS 的 MPQ4572-AEC1 是一款 65V 降压转换器，能够在提供 2A 输出的同时满足如此严格的可靠性要求。

图 2：MPS HTOL 腔室

了解加速因子

HTOL 测试由 JEDEC 标准 JESD22-A108 定义。一组 231 个单元在 125°C 下运行 1,000 小时。该测试使用 Arrhenius 模型来确定加速因子 (Af)，它提供所需的测试时间 (tt) 来模拟实际操作的等效时间。表 1 显示了一个示例，其任务配置文件在87°C的平均结温 (T J )下运行 12,000 小时。T J是硅的温度，对于具有显着功耗的 IC 应特别考虑，因为环境温度 (T A ) 将远低于 T J。

表 1：AEC-Q100，修订版 H；表 A7.1 – AEC-Q100 压力测试条件和持续时间的基本计算

对于此示例，在 125°CT J下模拟 12,000 小时在 87°CT J下需要 1,393 小时。

HTOL 资格要求 1,000 小时。使用表 1 中的公式，计算出上述场景中的加速因子为 8,615，这仅等于 125°CT J下的 8,615 小时。考虑到这一点，任务概况将超过资格压力约 40%。

任务剖面计算

表 2 显示了一个任务概况，以及它通常是如何定义的。

表 2：典型任务概况

在此示例中，定义了主动和被动模式，并且所有温度都定义为结温。因此，主动和被动模式不需要区分。当 IC 工作时，肯定存在与电流密度相关的老化效应，但与温度的老化效应相比，这些效应是微不足道的。

使用表 1 中的 Arrhenius 方程，在表 2 中输入任务剖面的第一个数据点（-40°C）。 测试温度为 125°C 时，可以使用方程（1）计算加速因子（Af） ：

使用表 1 中的第二个方程、加速因子和表 2 中任务剖面的第二个数据点 (45h)，可以使用方程 (2) 计算所需的测试时间 (tt)：

这意味着在 45 小时内由 -40°C 表示的实际压力将等于 HTOL 测试在 125°C 下的一小部分时间（见表 2）。为了计算总的任务剖面应力，任务剖面的所有数据点必须类似地计算，并且相关的等效测试时间必须总计约5888h。这意味着在现实世界中，设备将承受比在测试条件下承受的压力大 6 倍的压力。

通过 1000 小时的 HTOL 测试意味着设备至少可以承受 1000 小时的压力。但是，这并不能保证设备可以承受压力超过 1000 小时的时间。鉴于等效应力是鉴定应力的 6 倍，因此肯定会出现过早失效的问题。

这就是为什么汽车电子可靠性测试至关重要，并且设备必须能够承受高水平的压力。图 3 显示了正在进行 HTOL 测试的单片电源系统 (MPS) 设备。

图 3：HTOL 测试下的 MPS 设备在负载条件下运行

如果无法放松任务配置文件（例如，无法通过散热措施降低结温来减少相关应力），则应调整资格。

使用此示例，在150°C的增加的 T J下进行 HTOL 鉴定。在这种情况下，涵盖任务概况压力所需的测试时间减少到大约 1767 小时。请注意，更高的结温是不可能的，因为 150°C 通常是硅可以承受而不会损坏的绝对最高温度。话虽如此，这个例子的测试时间需要延长到大约。2,000 小时是非常安全的。然而，即使 1,500 小时的资格测试时间也可以提供相当程度的信心，并且可以是相对于测试成本和时间的合理权衡。

任务配置文件定义

最后，实际需要谁进行这些计算，由哪一方负责？对于汽车应用，AEC-Q100 标准提供了明确性。在修订版 H 的附录 7 中有一个流程图，适用于评估现有和合格组件（见图 4）。

图 4：AEC-Q100 Rev. H 标准的流程图 A7.2

首先，电子控制单元 (ECU) 的任务配置文件由第 1 层确定，必须将其转换为组件将执行的任务配置文件。如果组件存在并且已经合格，则组件制造商已经完成了基本计算。

图 1 显示了代表本文前面概述的基本任务概况的 HTOL 资格。通过这些数据和 Arrhenius 模型，第 1 层可以确定现实生活中的应用程序任务配置文件是否与测试条件相当。对于涉及温度和电压应力以外的参数的任务配置文件也是如此。

结论

应用程序的设计目的是在多种应力条件下提高可靠性要求。这主要是由汽车行业和工业应用需求驱动的。任务配置文件受到越来越多的关注，需要尽可能匹配目标应用程序的现实压力源。然后，IC 制造商必须设计能够在预期寿命压力下保持其指定性能的设备，例如 MPS 的 MPQ8875A-AEC1 和 MPQ4572-AEC1。对于 1 级设计师和 IC 创造者来说，在流程的早期进行合作，并评估如何设计应用程序以最好地满足与 ECU 可靠性相关的现实生活要求，同时最大限度地提高成本效益，这始终是一个好主意。

审核编辑 黄昊宇