汽車制造商必須設計車輛，使其在從雪原苔原到炎熱的沙漠的各種環境中蓬勃發展。與大多數消費類應用不同，在預期使用壽命可能長達數月的情況下，汽車電子產品通常可以使用15年或更長時間。指定車輛零部件時，OEM及其供應商通常會制定汽車任務概況，該概況本質上是該零部件在使用壽命期間將要面臨的所有預期環境和功能條件的摘要。

同時，用于汽車部件的集成電路（IC）通常根據汽車電子理事會的AEC-Q100標準進行認證。設計符合這些規范的產品，例如MPS的MPQ8875A-AEC1，一種40W數字降壓-升壓轉換器，可以在4mmx5mm QFN小型封裝中提供30W功率，是ADAS傳感器融合和數字座艙系統的理想選擇。

本文將幫助讀者更好地了解他們的任務配置文件如何與各種電子可靠性測試相聯系，這些測試在每個汽車級組件的鑒定過程中都得到了應用。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？

誰負責確定給定設計中所選IC的可靠性能力？

我如何應用可靠性測試“加速模型”來確認給定的IC已在我的任務配置文件之外進行了測試？

在大多數行業中，通常會估算應用程序的電子可靠性與其目標壽命。換句話說，應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，有必要了解應用程序在其現場使用期間將承受何種壓力。隨后，必須將這種預期的現場壽命應力與應用中所有電子元件最初合格的應力進行比較。從那里，可以確定預期的現場壽命壓力是否會使應用中的任何設備承受壓力，從而可能導致過早的故障。由于行業嚴格的安全措施，這對于汽車應用尤為重要。

任務配置文件旨在模擬特定類型的場應力及其相關的嚴重性。最常引用的應力與溫度/電壓和熱機械應力有關。溫度/電壓應力被理解為IC中使用的硅的主要老化效應。這種老化效應會影響材料性能，從而使IC的性能隨時間下降。熱機械應力是指零件因溫度變化而膨脹和收縮時發生的機械力。

目的是了解是否可以在應用程序的預期壽命結束時保證指定組件的性能。換句話說，是否會在典型的半導體可靠性浴盆曲線的磨損期內達到應用的目標壽命？由于半導體的固有壽命，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

半導體制造商必須在新產品投入生產和投放市場之前對新產品進行資格鑒定。在此鑒定過程中，IC經受了許多壓力測試，以激發某些失效機制。考慮上述壓力時，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測試室內的溫度和電壓相關的故障機制（請參見圖2）。第二個是溫度循環（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。

這些只是IC發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標準定義，并且許多此類測試在JEDEC標準中也有規定。某些應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，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Mission Profile的要求。MPS的MPQ4572-AEC1是一款65V降壓轉換器，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

了解加速度系數

HTOL測試由JEDEC標準JESD22-A108定義。一套231臺設備在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，其任務配置文件是在平均結點溫度（TJ）為87°C時運行12,000小時。??是硅的溫度，并且應該與具有顯著功耗集成電路，隨著環境溫度（T被認為尤其一個）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。考慮到這一點，任務概況將超出資格壓力約40％。

任務概況計算

表2顯示了任務配置文件及其通常的定義方式。

表2：典型任務簡介

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溫。因此，主動和被動模式不需要區分。當IC工作時，肯定存在與電流密度有關的老化效應，但是與溫度的老化效應相比，這些效應很小。

使用表1中的Arrhenius公式，在表2中輸入任務配置文件的第一個數據點（-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，加速度因數和表2中任務配置文件的第二個數據點（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表示的實際應力將與HTOL測試在125°C下僅一小時的分數相等（請參見表2）。為了計算總的任務輪廓應力，必須以相似的方式計算任務輪廓的所有數據點，并且相關的等效測試時間必須總計約為5888h。這意味著在現實世界中，該設備所承受的應力是其在測試條件下承受的應力的6倍。

通過HTOL 1000h測試意味著該設備可以承受至少1000小時的壓力。但是，這不能保證該設備可以承受1000小時以上的壓力。考慮到等效應力是額定應力的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重要且設備必須能夠承受較高壓力的原因。圖3顯示了經過HTOL測試的單片電源系統（MPS）器件。

圖3：經過HTOL測試的MPS設備在負載條件下運行

萬一任務曲線無法放松（例如，通過散熱措施無法降低結點溫度，從而無法減輕相關壓力），則應調整合格條件。

使用該示例，在150°C的較高TJ下進行HTOL鑒定。在這種情況下，解決任務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行合理的權衡。

任務配置文件定義

最后，實際上需要誰進行這些計算，以及由哪一方負責？對于汽車應用，AEC-Q100標準提供了清晰度。在修訂版H的附錄7中，有一個流程圖，適用于評估現有和合格組件（參見圖4）。

圖4：AEC-Q100版本H標準的流程圖A7.2

首先，電子控制單元（ECU）的任務配置文件由第1層確定，必須將其轉換為組件將要經受的任務配置文件。如果組件存在并且已經合格，則組件制造商已經完成了基本計算。

圖1顯示了HTOL資格，該資格代表本文前面概述的基本任務配置文件。借助此數據和Arrhenius模型，方法1可以確定現實生活中的應用任務配置文件是否與測試條件相當。對于引用溫度和電壓應力以外的參數的任務配置文件也是如此。

結論

正在設計應用程序，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和工業應用需求驅動的。任務配置文件受到越來越多的關注，并且需要盡可能與目標應用程序的實際壓力匹配。然后，IC制造商必須設計能夠在預期的使用壽命壓力下保持其指定性能的設備，例如MPS的MPQ8875A-AEC1和MPQ4572-AEC1。對于一級設計人員和IC創造者來說，在流程的早期階段進行合作，并評估如何設計應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