日益走近的“綠色”汽車(chē)IC

隨著實(shí)施“綠色”無(wú)鉛電子封裝最終期限的臨近，汽車(chē)系統(tǒng)工程師必須考慮在他們的設(shè)計(jì)之中如何適應(yīng)如此新標(biāo)準(zhǔn)的約束和規(guī)范。這在汽車(chē)電子設(shè)計(jì)中尤其重要，因?yàn)樵谀切┑胤綄?shí)施的“綠色”無(wú)鉛封裝將對(duì)傳感器或其它電子系統(tǒng)的條件狀況產(chǎn)生直接影響。

在向無(wú)鉛封裝轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，存在下列主要的設(shè)計(jì)約束：

有害物質(zhì)(RoHS)符合性封裝的限制；

重新審定IC的資格，使之達(dá)到汽車(chē)電子委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q100；

維持可接受的系統(tǒng)電氣和EMC性能。

例如，持續(xù)變化的輻射發(fā)射級(jí)別可能對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師造成破壞，并可能導(dǎo)致重大的意外設(shè)計(jì)及確認(rèn)測(cè)試成本。

向RoHS轉(zhuǎn)變將引入的其它重大成本：

過(guò)多不符合RoHS的元件庫(kù)存量；

對(duì)新元件、PCB和產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)布、質(zhì)量認(rèn)證和檢查的成本；

含鉛零件未被無(wú)鉛元件取代，造成重新設(shè)計(jì)的成本；

數(shù)據(jù)庫(kù)更新?lián)Q代并獲得關(guān)聯(lián)IT支持的成本。

對(duì)于大多電子供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，一定要符合RoHS的要求。因此，許多公司及其工程團(tuán)隊(duì)將這次轉(zhuǎn)變視為一次作出積極變革的機(jī)會(huì)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師可以從該轉(zhuǎn)變獲得的好處包括：

加強(qiáng)產(chǎn)品和組裝部件；

從BOM和元件數(shù)據(jù)庫(kù)中剔除錯(cuò)誤及過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)；

去掉不必要或沒(méi)有用的零件、組裝部件和產(chǎn)品；

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)中剔出零件和供應(yīng)商；

達(dá)到綠色要求和AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。

在汽車(chē)電子市場(chǎng)中，集成電路的質(zhì)量認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)是AEC-Q100，它最初由通用汽車(chē)、福特汽車(chē)和DaimlerChrysler汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)出來(lái)。AEC-Q100定義了正式批準(zhǔn)的級(jí)別，其中第0級(jí)的測(cè)試最嚴(yán)格。

采用先進(jìn)的塑模成型材料可以幫助向“綠色”無(wú)鉛封裝的轉(zhuǎn)移。對(duì)于IC可能有利條件很多，例如，從第1級(jí)(工作溫度范圍-40-125℃)向第0級(jí)(-40-150℃)升級(jí)，實(shí)際上利用“綠色”和無(wú)鉛封裝就可以提高IC的級(jí)別。這種改善的原因之一是這些新型的成型材料經(jīng)過(guò)更為嚴(yán)格的測(cè)試并經(jīng)較好的設(shè)計(jì)，能夠滿(mǎn)足它們期望的應(yīng)用的全部工作范圍，謝天謝地，汽車(chē)也包含在內(nèi)。

申請(qǐng)正式批準(zhǔn)AEC-Q100第0級(jí)的主要測(cè)試障礙是：

2,000次熱循環(huán)測(cè)試；

在150C的1,000小時(shí)高溫度工作壽命測(cè)試；

在150C的2,000小時(shí)高溫儲(chǔ)存測(cè)試。

當(dāng)變?yōu)樾滤苣３尚筒牧系臅r(shí)候，AEC-Q100推薦對(duì)表面安裝IC重復(fù)進(jìn)行下列測(cè)試：

溫度濕度偏移或高加速壓力測(cè)試(HAST);

高壓鍋或無(wú)偏HAST；

溫度周期變化；

高溫儲(chǔ)存；

高溫工作壽命；

早期壽命故障率；

可焊性；

物理尺寸；

電熱感應(yīng)門(mén)泄漏。

AEC-Q100規(guī)范容許采用“資格相似性”或“一般”數(shù)據(jù)來(lái)證明一個(gè)元件類(lèi)似于一個(gè)過(guò)去經(jīng)過(guò)質(zhì)量認(rèn)證的器件。

下面描述的基本原理針對(duì)這些關(guān)鍵測(cè)試的若干應(yīng)用：

高溫工作壽命(HTOL)測(cè)試被用于確定偏移條件及溫度隨時(shí)間變化對(duì)固體器件的影響。它以加速的方式模擬器件的工作條件并被主要用于器件的質(zhì)量認(rèn)證和可靠性監(jiān)視。

該測(cè)試應(yīng)該運(yùn)行至少三個(gè)不連續(xù)批次以確保統(tǒng)計(jì)真實(shí)性，并要提出有代表性的關(guān)鍵工藝“角”的樣品。

對(duì)于過(guò)去在不同塑料封裝中的已測(cè)試器件，其質(zhì)量認(rèn)證數(shù)據(jù)可能是令人鼓舞的，但是，并不最后證明一種新的“綠色”無(wú)鉛封裝??如24引腳引線(xiàn)框，與新塑模成型材料完全兼容。通過(guò)將HTOL加入到重新進(jìn)行質(zhì)量認(rèn)證的計(jì)劃之中，工程師將能夠確定“綠色”設(shè)計(jì)仍然可以滿(mǎn)足長(zhǎng)期可靠性目標(biāo)，如MTBF(故障間平均時(shí)間)。因?yàn)镠TOL是任何可靠性計(jì)劃的基礎(chǔ)，考慮其無(wú)鉛封裝的質(zhì)量認(rèn)證是明智的。

早期壽命故障率(ELFR)測(cè)試基本上是半導(dǎo)體器件的加電老化測(cè)試。該測(cè)試的完成能確保發(fā)現(xiàn)和徹底掌握在器件的生命早期中出現(xiàn)的所有故障模式。運(yùn)行ELFR有助于建立對(duì)已交易器件的無(wú)潛在故障模式的可信度。

可焊性測(cè)試是極為重要的，該測(cè)試評(píng)價(jià)在器件上的引腳對(duì)焊料變濕的易感性。一種金屬表面的可濕性取決于防腐蝕涂層的完整性、無(wú)公害表面、焊料溫度、有關(guān)材料的特定熱度以及互連設(shè)計(jì)。特別是對(duì)于RoHS轉(zhuǎn)變，因?yàn)樵O(shè)計(jì)工程師可能改變焊料類(lèi)型、被覆金屬、材料成分和回流焊的溫度曲線(xiàn)，所以足夠的焊料變濕的驗(yàn)證是必要的。

對(duì)于可焊性測(cè)試，汽車(chē)行業(yè)依賴(lài)于測(cè)試方法EIA/JESD22-B102-C。該技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它包含：“蒸汽老化”的要求，借助于它可以加速將儲(chǔ)存了一定時(shí)間的典型器件淘汰掉，如在分銷(xiāo)商倉(cāng)庫(kù)中的老器件。

進(jìn)行門(mén)泄漏測(cè)試可以確定器件對(duì)陷阱電荷(trapped charge)機(jī)制的易感性。這樣的泄漏主要是被塑模成型材料和后模加工處理熱曲線(xiàn)的變化擠壓引起的。該現(xiàn)象出現(xiàn)在高溫，當(dāng)呈現(xiàn)強(qiáng)電場(chǎng)的時(shí)候。

門(mén)泄漏故障模式會(huì)造成在高溫處理過(guò)程中的成品率損失，特別是那些采用加熱氣流的處理，如在烤箱加熱和IR回流焊操作中。該條件可被檢測(cè)為電源電流、輸入泄漏或參數(shù)漂移的增加。無(wú)論何時(shí)發(fā)生塑模成型材料的變化，都需要考慮門(mén)泄漏測(cè)試。

“綠色”信號(hào)調(diào)理

ZMD 31310信號(hào)調(diào)理傳感器接口IC為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師集成諸如應(yīng)變儀、壓阻、磁阻橋之類(lèi)的傳感器提供了一種解決方案。該器件也稱(chēng)為RBic Lite，包含一個(gè)14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、高溫EEPROM存儲(chǔ)器和串行數(shù)字校準(zhǔn)，精度為±0.1% FSO(滿(mǎn)量程輸出)/工作溫度范圍-25C到85C，及±0.25% FSO/工作溫度范圍-40到125℃。傳感器接口IC還具有針對(duì)傳感器偏移、靈敏度、溫度漂移和非線(xiàn)性的補(bǔ)償功能。RBic Lite采用“綠色”無(wú)鉛封裝，滿(mǎn)足AEC-Q100第0級(jí)要求。

作為一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)的設(shè)計(jì)，RBic Lite具有三種可選擇的輸出模式(軌至軌比率、串行數(shù)字或0-1V比率)。另一個(gè)好處是電源電流消耗低，取決于采樣率，與250μ一樣低(電源電流消耗低到250μ)。RBic Lite基本上是系統(tǒng)級(jí)芯片，能夠通過(guò)EEPROM方便和精確地校準(zhǔn)電阻橋傳感器。當(dāng)與電阻橋傳感器配對(duì)時(shí)，它將通過(guò)數(shù)字方式校準(zhǔn)偏移和增益，并可選校準(zhǔn)偏移量、增益系數(shù)和隨溫度變化的線(xiàn)性度。可以使能一個(gè)二階補(bǔ)償電路以補(bǔ)償增益的溫度系數(shù)、偏移量或電橋的線(xiàn)性度。

RBic Lite采用ZMD公司的ZACwire串行數(shù)字接口與主計(jì)算機(jī)通信，并被方便地在視窗環(huán)境中批量校準(zhǔn)。校準(zhǔn)之后，輸出信號(hào)引腳提供電橋數(shù)據(jù)的可選軌至軌比率、串行數(shù)字或0-1V比率輸出，并可選電橋和溫度數(shù)據(jù)。上圖顯示了RBic Lite的方塊圖，可選的外部JFET用于高電源電壓操作(從5V到30V)。JFET對(duì)于在2.7V到5.5V之間的電源電壓不需要。

RBic Lite采用符合RoHS的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SO-8封裝，對(duì)于面臨RoHS轉(zhuǎn)變的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，該器件可被用于因元件退化而被迫重新設(shè)計(jì)、或減少設(shè)計(jì)需要的元件數(shù)量的地方。RBic Lite不需要外部調(diào)整元件，從而減少了勞力成本并簡(jiǎn)化了信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。

RBic Lite符合汽車(chē)應(yīng)用的需要，因?yàn)樗鼜?00 KHZ到1.0 GHZ都幾乎不產(chǎn)生噪聲譜，最近測(cè)試證明達(dá)到SAE標(biāo)準(zhǔn)J1752的要求。

下圖顯示了典型的橫電磁波模(TEM單元)的測(cè)試設(shè)置。TEM單元可以被用于提取集成電路的EMI行為特征，人們感興趣的地方是器件的發(fā)射或抗EMI能力(免疫性)。

TEM室評(píng)價(jià)器件噪聲是否滿(mǎn)足SAE規(guī)范

被測(cè)器件(DUT)被焊接到一個(gè)大約4×4英寸的定制PCB，支持元件位于PCB的外部而DUT在內(nèi)部。PCB的設(shè)計(jì)完全滿(mǎn)足SAE規(guī)范的特殊要求，以緊密地近似在一個(gè)系統(tǒng)PCB上的噪聲性能。測(cè)試的主要目標(biāo)是評(píng)定DUT本身是否發(fā)射從150kHZ到1.0GHZ頻段的RF噪聲，這些噪聲可能干擾其它對(duì)RF敏感的電路，如位于車(chē)內(nèi)的接收機(jī)。

AEC-Q100要求在測(cè)試范圍內(nèi)的所有頻率，IC發(fā)射量小于40 dB(μV)。因此，在SAE規(guī)范中描述的發(fā)射級(jí)圖解不適用。下圖的打印結(jié)果顯示數(shù)字核的機(jī)能正好在SAE J1752輻射發(fā)射測(cè)試(規(guī)范所)定義的極限之下。實(shí)際上，RBic Lite并沒(méi)有發(fā)射遠(yuǎn)大于環(huán)境噪聲水平的輻射能量。

對(duì)RBic Lite的進(jìn)一步測(cè)試顯示符合下列指標(biāo)：

大電流注入(模塊級(jí))；

抗死鎖(100mA)；

對(duì)人體模型(HBM)和帶電器件模型(CDM)方法，分別抗4,000V和500V ESD；

根據(jù)福特EMC規(guī)范ES-XW7T-1A278-AC選擇電壓瞬態(tài)測(cè)試；

電熱感應(yīng)門(mén)泄漏。

此外，為了評(píng)價(jià)其魯棒性，對(duì)RBic Lite執(zhí)行額外的1600萬(wàn)個(gè)電源周期的測(cè)試沒(méi)有發(fā)現(xiàn)故障。該測(cè)試的完成采用了不同數(shù)值的負(fù)載電容并采用了不同的電源“下降”時(shí)間(最慢50ms)。

本文小結(jié)

總而言之，在汽車(chē)環(huán)境中向“綠色”無(wú)鉛封裝的轉(zhuǎn)變的挑戰(zhàn)可能是令人萎縮的。然而，通過(guò)考察RBic Lite這樣的器件滿(mǎn)足和超過(guò)要求的情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師將能夠成功地減輕相關(guān)工程的風(fēng)險(xiǎn)。