車輛設計必須考慮各種環境應用，從白雪覆蓋的凍原到酷熱的沙漠。大多數消費類應用的預期使用壽命可能為數月，但汽車電子產品的使用壽命通常要長達15年甚至更久。OEM及其供應商通常會制定一個汽車任務配置文件來說明一個汽車組件，這份文件本質上即為組件在其使用壽命期間將面臨的所有預期環境和功能條件的總結。

與此同時，用于汽車組件的集成電路 (IC) 通常需要根據汽車電子委員會的 AEC-Q100 標準進行認證。適用于ADAS 傳感器融合和數字駕艙系統的理想組件必須在設計時就將這些規格考慮在內。例如MPS 的 MPQ8875A-AEC1即為一款符合AEC-Q100認證的40W 數字升降壓（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配置文件與應用于每個汽車級組件的各種電子元器件可靠性認證測試之間的關聯。我們將探討幾個常見問題：

電子元器件在其使用壽命期間可能會面對哪些類型的應力？

誰負責評定 IC 的可靠性能力？

如何應用可靠性“加速模型”來評估IC可靠性測試滿足壽命評估需求?

行業通常會根據產品應用的預期壽命來評估其可靠性。換句話說，即看一個應用是否能夠承受整個產品壽命周期的應力。為做出合理判斷，我們有必要了解應用在其現場使用期間會面臨怎樣的應力。然后，將這種預期的現場應力與最初認證的應用中所有電子元器件的應力進行比較。這樣，就可以確定預期的現場應力是否會使應用中的器件應力過度，從而導致過早失效。對于安全措施非常嚴格的汽車行業來說，這一點尤為重要。

任務配置文件用于模擬特定類型的現場應力及其相關嚴重程度。最常參考的應力與溫度/電壓和熱機械應力相關。溫度/電壓應力通常理解為IC中硅器件的主要老化效應。這種老化效應會影響材料特性，IC的性能也會隨時間退化。熱機械應力是指器件因溫度變化而膨脹和收縮時產生的應力。

我們的目標是了解應用在目標壽命前，特定組件是否可以保證其性能。換句話說，應用的目標壽命是否能達到典型半導體可靠性浴缸曲線的損耗階段？由于半導體壽命有限，其故障率在損耗階段會因磨損而迅速增加。隨著時間的推移，應力越大，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: 浴盆曲線

半導體制造商必須在新產品投入生產和投放市場之前對其進行驗證。在驗證過程中，IC會進行一系列應力測試，以觸發并評估某些失效機制。在測試上述應力時，通常采用兩種非常有用的測試。

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引發與溫度和電壓相關的失效機制（見圖 2）。第二個是溫度循環 (TC) 測試，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，通過TC測試給IC施加應力以引發機械失效機制。

這只是IC在量產之前必須通過的兩種驗證實驗。AEC-Q100 標準定義了汽車 IC 的整套認證測試體系，其中許多測試在JEDEC 標準中也進行了規定。部分應用對電子器件的可靠性要求還要更高，例如卡車和加強型車輛系統，它們必須能夠承受雙倍的HTOL和TC測試等級應力，才能滿足目標任務配置文件要求。MPS的65V 降壓變換器MP4572-AEC1即能夠在提供 2A 輸出的同時滿足如此嚴格的可靠性要求。

圖2: MPS HTOL測試室

了解加速因子

HTOL測試由JEDEC標準JESD22-A108 定義。一組231個單元需要在125°C下運行1,000小時。該測試使用 Arrhenius 模型來確定溫度加速因子(Af)，它提供所需的測試時間 (tt) 以模擬實際使用的等效時間。表1給出了一個任務配置文件的范例，該范例用來模擬平均結溫87℃條件下，運行12000小時。Tj是硅器件的結溫，對于有較大功耗的功率IC而言，結溫需要被特別考慮，因為環境溫度Ta往往遠低于結溫Tj。

表 1：AEC-Q100修訂版H； 表 A7.1 – AEC-Q100 應力測試條件和持續時間的基本計算

在此示例中，125°C TJ下需要 1,393 小時來對應 87°C TJ 下的12,000 小時。 HTOL認證要求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，等同于125°C TJ下的 8,615 小時?？梢?，任務配置文件將超過認證應力約40%。

任務配置文件計算

表 2 顯示了一個任務配置文件，以及它通常是如何定義的。

表2: 典型任務配置文件

此示例定義了主動和被動兩種模式，并且所有溫度都為結溫。主動和被動模式不需要區分。當IC工作時，一定存在與電流密度相關的老化效應，但與溫度的老化效應相比，這些效應可忽略不計。

使用表1中的Arrhenius方程，輸入表 2 任務配置文件中的第一個數據點 （-40°C）。當測試溫度為125°C 時，加速因子 (Af) 可以通過方程 (1) 計算得出：

$$Af=exp?Biggl[left(frac{Ea}{kb}right)timesleft(frac{1}{273K-40K}-frac{1}{273K+125K}right)Biggl]$$ $$Af=4184927.76$$

使用表1中的第二個方程、加速因子以及表2任務配置文件中的第二個數據點 (45h)，使用方程 (2) 計算出所需的測試時間：

$$Af=frac{tu}{tt}$$ $$tt=frac{tu}{Af}$$ $$tt=frac{45h}{4184927.76}$$ $$tt=0.000107h$$

可以得出，在 45 小時內-40°C所代表的實際應力將等于在125°C下進行不到一小時的HTOL測試（見表 2）。 為了計算出總的任務配置文件應力，任務配置文件的所有數據點都必須進行類似的計算，并且相關的等效測試時間總和為大約5888h。這意味著，器件實際上承受的應力將比測試條件下承受的大 6 倍。

通過1000小時的HTOL測試意味著該器件可以承受至少1000 小時的應力。但是，這并不能確定超過1000小時之后器件可以承受多長時間的應力。鑒于等效應力是認證應力的 6 倍，因此很大可能會出現過早失效的問題。

由此可見，汽車電子元器件的可靠性測試至關重要，器件必須能夠承受高強度的應力。圖 3 顯示了正在進行 HTOL 測試的MPS器件。

圖 3：在一定負載條件下進行HTOL 測試的MPS器件

如果無法放寬任務配置文件（例如，無法通過散熱措施降低結溫來減少相關應力），則應調整認證級別。

采用此示例，將結溫增加至150°C進行HTOL測試認證。此時，涵蓋此任務配置文件應力所需的測試時間被減少到大約1767小時。請注意毋采用更高的結溫，因為150°C通常是硅器件可以承受而不會損壞的最高絕對溫度。當然，將該示例的測試時間延長到大約2,000小時會更加安全。不過，即使是 1,500 小時的認證測試時間也可以提供相當程度的信任度，對測試成本和時間而言，也是較合理的選擇。

任務配置文件定義

最后，這些計算實際上由誰進行，誰來負責？對汽車應用來說，AEC-Q100 標準有明確規定。AEC-Q100修訂版H的附錄7中有一個流程圖，適用于評估現有的合格組件（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) 的任務配置文件由一級供應商確定，需要將其轉換為組件將執行的任務配置文件。如果組件存在并且已經過認證，則組件制造商已經完成了基本計算。

圖1顯示了代表本文上述基本任務配置文件的HTOL認證。通過這些數據和 Arrhenius 模型，一級供應商可以確定實際應用的任務配置文件是否與測試條件相當。對于溫度和電壓應力以外的參數任務配置文件也是如此。

結論

在汽車行業和工業應用需求的主要推動之下，應用設計需要面對不斷提高的可靠性要求，以應對多種應力條件。任務配置文件越來越受到關注，并被要求盡可能匹配目標應用的實際應力源。而IC制造商設計的器件必須能夠在預期壽命應力下保持其特定的性能，例如MPS的MPQ8875A-AEC1和 MP4572-AEC1。對于一級供應商設計師和IC設計者來說，在流程早期進行合作，評估如何設計應用以最好地滿足與 ECU 可靠性相關的實際需求，同時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