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型、被覆金屬、材料成分和回流焊的溫度曲線，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、磁阻橋之類的傳感器提供了一種解決方案。該器件也稱為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、溫度漂移和非線性的補(bǔ)償功能。RBic Lite采用“綠色”無(wú)鉛封裝，滿足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)和隨溫度變化的線性度?？梢允鼓芤粋€(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)。