任务配置文件与各种电子可靠性测试方案

汽车制造商必须设计车辆，使其在从雪原苔原到炎热的沙漠的各种环境中蓬勃发展。与大多数消费类应用不同，在预期使用寿命可能长达数月的情况下，汽车电子产品通常可以使用15年或更长时间。指定车辆零部件时，OEM及其供应商通常会制定汽车任务概况，该概况本质上是该零部件在使用寿命期间将要面临的所有预期环境和功能条件的摘要。

同时，用于汽车部件的集成电路（IC）通常根据汽车电子理事会的AEC-Q100标准进行认证。设计符合这些规范的产品，例如MPS的MPQ8875A-AEC1，一种40W数字降压-升压转换器，可以在4mmx5mm QFN小型封装中提供30W功率，是ADAS传感器融合和数字座舱系统的理想选择。

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联系，这些测试在每个汽车级组件的鉴定过程中都得到了应用。本文将探讨几个常见问题：

电子组件在其使用寿命期间可能会遇到哪些类型的压力？

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已在我的任务配置文件之外进行了测试？

在大多数行业中，通常会估算应用程序的电子可靠性与其目标寿命。换句话说，应用程序是否能够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将承受何种压力。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，可以确定预期的现场寿命压力是否会使应用中的任何设备承受压力，从而可能导致过早的故障。由于行业严格的安全措施，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场应力及其相关的严重性。最常引用的应力与温度/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性能，从而使IC的性能随时间下降。热机械应力是指零件因温度变化而膨胀和收缩时发生的机械力。

目的是了解是否可以在应用程序的预期寿命结束时保证指定组件的性能。换句话说，是否会在典型的半导体可靠性浴盆曲线的磨损期内达到应用的目标寿命？由于半导体的固有寿命，故障率由于磨损而开始迅速增加。随着时间的推移，应力越强，固有寿命就越早，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投放市场之前对新产品进行资格鉴定。在此鉴定过程中，IC经受了许多压力测试，以激发某些失效机制。考虑上述压力时，有两个特别有用的测试。

第一个是高温工作寿命（HTOL）测试，该测试模拟操作条件以激发测试室内的温度和电压相关的故障机制（请参见图2）。第二个是温度循环（TC）测试，该测试对IC施加机械失效机制的压力，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发行前必须通过的资格鉴定中的两个。汽车IC的整个资格测试集由AEC-Q100标准定义，并且许多此类测试在JEDEC标准中也有规定。某些应用具有更高的电子可靠性要求，例如卡车和坚固的车辆系统，它们必须能够承受HTOL和TC测试两倍的鉴定压力，才能满足目标Mission Profile的要求。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

了解加速度系数

HTOL测试由JEDEC标准JESD22-A108定义。一套231台设备在125°C下需要运行1000小时。该测试使用Arrhenius模型确定加速因子（Af），该加速因子提供了所需的测试时间（tt）以模拟实际运行中的等效时间。表1显示了一个示例，其任务配置文件是在平均结点温度（TJ）为87°C时运行12,000小时。ŤĴ是硅的温度，并且应该与具有显著功耗集成电路，随着环境温度（T被认为尤其一个）将小于T低得多Ĵ。

表1：AEC-Q100，Rev 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°CTJ下需要花费1,393个小时才能在87°CTJ下模拟12,000小时。

HTOL资格要求1000个小时。使用表1中的公式，上述情况下的加速因子被计算为8,615，在125°CJ时仅等于8,615小时。考虑到这一点，任务概况将超出资格压力约40％。

任务概况计算

表2显示了任务配置文件及其通常的定义方式。

表2：典型任务简介

在此示例中，定义了主动模式和被动模式，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有关的老化效应，但是与温度的老化效应相比，这些效应很小。

使用表1中的Arrhenius公式，在表2中输入任务配置文件的第一个数据点（-40°C）。在125°C的测试温度下，可以使用公式（1）计算加速因子（Af）。 ：

使用表1中的第二个等式，加速度因数和表2中任务配置文件的第二个数据点（45h），可以使用等式（2）计算所需的测试时间（tt）：

这意味着以-40°C历时45h表示的实际应力将与HTOL测试在125°C下仅一小时的分数相等（请参见表2）。为了计算总的任务轮廓应力，必须以相似的方式计算任务轮廓的所有数据点，并且相关的等效测试时间必须总计约为5888h。这意味着在现实世界中，该设备所承受的应力是其在测试条件下承受的应力的6倍。

通过HTOL 1000h测试意味着该设备可以承受至少1000小时的压力。但是，这不能保证该设备可以承受1000小时以上的压力。考虑到等效应力是额定应力的6倍，因此肯定会引起过早的故障。

这就是为什么汽车电子可靠性测试至关重要且设备必须能够承受较高压力的原因。图3显示了经过HTOL测试的单片电源系统（MPS）器件。

图3：经过HTOL测试的MPS设备在负载条件下运行

万一任务曲线无法放松（例如，通过散热措施无法降低结点温度，从而无法减轻相关压力），则应调整合格条件。

使用该示例，在150°C的较高TJ下进行HTOL鉴定。在这种情况下，解决任务轮廓压力所需的测试时间减少到大约1767h。请注意，甚至更高的结温也是不可能的，因为150°C通常是硅在不受损的情况下可以承受的绝对最高温度。话虽如此，该示例的测试时间将需要延长到大约。2,000小时是非常安全的一面。但是，即使是1,500小时的资格测试时间也可以提供一定程度的信心，并且可以相对于测试成本和时间进行合理的权衡。

任务配置文件定义

最后，实际上需要谁进行这些计算，以及由哪一方负责？对于汽车应用，AEC-Q100标准提供了清晰度。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（参见图4）。

图4：AEC-Q100版本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要经受的任务配置文件。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HTOL资格，该资格代表本文前面概述的基本任务配置文件。借助此数据和Arrhenius模型，方法1可以确定现实生活中的应用任务配置文件是否与测试条件相当。对于引用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

正在设计应用程序，以提高在多种压力条件下的可靠性要求。这主要是由汽车工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，并且需要尽可能与目标应用程序的实际压力匹配。然后，IC制造商必须设计能够在预期的使用寿命压力下保持其指定性能的设备，例如MPS的MPQ8875A-AEC1和MPQ4572-AEC1。对于一级设计人员和IC创造者来说，在流程的早期阶段进行合作，并评估如何设计应用程序以最佳地满足相对于ECU可靠性的实际需求，同时最大程度地提高成本效益，始终是一个好主意。