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感测器於车用系统的认证设计
 

【作者: Jeff Viola】2018年01月15日 星期一

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在半导体产业中常常被利用的行销惯例之一是「车用认证」这样的描述。显而易见地,对於电子元件而言,汽车是一个特别严格的运作环境,同时对於寿命和可靠性的要求也极为严苛。因此,非常合理地,针对某些特定元件,汽车产业所使用的版本都较消费性、运算或工业产品所使用的版本更为优秀。


这种对於优越特性的要求,往往就总结於「车用认证」这个词语中。然而,事实上,这个短短的词语几??没有揭示产品的设计、效能或使用寿命。实际检视所谓「车用认证」的元件,可以发现一些有趣的事情。例如,我们可以找到两个型号不同的元件,但它们显然具有非常相似的工作特性,一个符合汽车使用的要求,另一个却不符合。


在一些这样的情况下,这两个元件实际上是相同的矽晶片它们之间的原子没有任何差异。有时,汽车和非汽车零件之间的唯一区别,在於汽车零件提供更宽的工作温度范围,唯有如此,才能与其姐妹产品有所区别。而在其他情况下,消费性元件的「车用认证」版本将不仅具有更强大的特性,且确实具有明显不同的特性,例如不同或附加的讯号介面。


所以,究竟汽车制造商为什麽要为「车用认证」的元件付出额外费用呢? 当半导体制造商将元件描述为「车用认证」时,他们所指的是同样的事情吗? 而在选择用於汽车设计中的元件时,系统设计师该追求哪些特性和功能?


「车用认证」零件的共同特性

关於「车用认证」这个复杂的领域,首先要了解的是,汽车零件之所以可能有所不同,矽只是其中的一个面向。 此外,根据地区和应用的不同,以及OEM业者主动放弃某些标准要求,则某些消费等级感测器也会被用於车辆中。 例如,可以使用磁性旋转或线性位置感测器来侦测安装在前座头枕背面的显示器是否位於观看位置。因为它无关安全,且作业环境并不恶劣,所以汽车OEM业者当然会想要考虑消费零组件是否适合这种应用。使用非「车用认证」的元件,通常能让系统的物料清单成本节省至少几美分。


然而,这种使用案例是特例;通常,汽车应用对於可靠性有超高要求,且可能暴露在极端的运作条件下。 这些如何反应在典型的叁数中,让感测器IC制造商能评估他们的零件?感测器IC被描述为「车用认证」的共同特性如下:


· 温度范围:在大部分应用中是摄氏-40度至125度或150度,不过车舱内的温度范围为-40度至85度。


· 符合汽车电子委员会制定的AEC-Q100标准规定。


· 符合生产性零组件核准程序 (Production Part Approval Process, PPAP)


· 指定由静电放电引起的较高电压的容限(ESD,见图1)。


· 符合EMC(电磁兼容性)相关要求。 EMC规定是指零件产生的电磁波,以及容忍外部干扰的能力。


· 根据ISO 26262功能性安全标准的规定所执行的ASIL(汽车安全完整性等级)评级。


· 支援故障模式效应和诊断分析 (Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis, FMEDA)。


· 支援汽车专用通讯协定和信令介面。


然而,这个列表既不全面,也非强制性的:并没有单一的产业标准或测试被用来决定感测器IC是否可以被描述为「车用认证」。例如,气候控制系统的「车用认证」车舱温度感测器可能没有功能安全上的顾虑,在这种情况下,它不会有ASIL等级,也可能没有FMEDA。



图1 :  在90nm制程制造的晶片中提供晶片上ESD保护,这需要大晶方(die)面积。 晶方面积越大,成本越高。
图1 : 在90nm制程制造的晶片中提供晶片上ESD保护,这需要大晶方(die)面积。 晶方面积越大,成本越高。

温度范围也并未普遍标准化。许多工业或消费性应用只指定摄氏-20度至60度 / 85度的温度范围,但汽车范围通常较宽:低温可到-40度。在车舱中,IC制造商被要求其装置需承受85度高温,但是针对某些应用,汽车制造商已开始要求能承受105度。 这似??很奇怪:在现实中,车舱内是否会热到足以烧开开水?不过,事实上,汽车设计师们只是希??能在预期的最高工作温度范围内拥有更大的保护。


对於安装在车辆底下和引擎盖下的设备,最高温度通常为摄氏125度或150度。 但是我要再次强调这不是一个标准要求。事实上,今日的某些应用需要能够在高达170度的温度下存活一定时数涡轮增压器中的排气泄压阀位置感测器就是一个例子。而如果半导体产业能为汽车市场提供更高的上限,汽车制造商也乐於接受:不幸的是,到目前为止,打线和环氧树脂封装的基本特性并无法实现这种可能。


那麽,也就是说在汽车零件和类似的消费性或电脑零件之间,存在的最高温度差异可能超过100。C。 这对矽晶片意味着什麽? 当超过其最高温度时,矽晶片就会面临许多潜在的故障模式。这里仅举出一个例子,电子的迁移率随着温度的升高而降低,这会削弱晶片的电流流入(current-sourcing)能力。如此一来,晶片制造商可能必须增加晶方面积,以便在极高的温度下保持元件所需的电流流入能力。 而晶片尺寸和成本之间存在明显的相关性:因此能够在高温下存活的零件将会变得更加昂贵。


基於这个成本理由,如果适合其应用的话,有时候汽车制造商也会选择非汽车级的感测器来取代「车用认证」版本的感测器。


从上述可以清楚得知,就感测器的「车用认证」意义而言,并没有单一的定义,也没有任何的标准解释是所有「车用认证」感测器一体适用的。


相对的,最好是将汽车零件的属性分为三大类来思考:


1.特殊功能和特性集


2.特殊检测制度


3.特殊验证和合格要求


汽车专用功能

一些汽车零件要求在消费性或工业产品中根本不需要的功能。 例如:用於重要安全系统(例如加速器或煞车踏板)的位置感测器就需要具备某些可靠特性,以符合功能安全性:包括诊断标示、校验,有时甚至要采用双晶片封装以做为备援。然而,不适用於这些重要安全应用的汽车位置感测器可能不包括这些功能,即使它符合下列的测试和合格标准。


用於传输感测器输出的一些通讯协定很少或从未用於汽车系统之外。虽然工业和汽车环境中的磁性位置感测器会共用PWM、SPI、I2C、ABI和UVW等介面,但奥地利微电子(ams)的汽车位置感测器也会提供PSI5、SENT和CAN介面(图二)。



图2 : 符合AEC-Q100标准的AS5170B--ams具有专用於汽车应用的SENT介面的磁性位置感测器。
图2 : 符合AEC-Q100标准的AS5170B--ams具有专用於汽车应用的SENT介面的磁性位置感测器。

更严格的测试制度

若车辆的某一元件故障,则召回和维修成本是非常庞大的,这就是为何汽车产业非常强调使用零件的品质和可靠性(图3)。汽车感测器的品质要求需进行100%的终端测试:ams所制造的每一个「车用认证」感测器在出货前会接受测试,以验证晶片的关键特性是否超过规格表中标示的上下限值。 这种测试要求会导致晶片留在工厂中的时间加长,势必会增加成本。



图3 : 严格检查和测试汽车应用中的晶方,以消除现场故障的风险。(图片来源:Steve Jurvetson於Creative Commons授权)
图3 : 严格检查和测试汽车应用中的晶方,以消除现场故障的风险。(图片来源:Steve Jurvetson於Creative Commons授权)

车用认证

汽车感测器的第三个主要特点是符合汽车品质标准。如果是用於汽车应用中的感测器,通常需符合AEC-Q100标准。符合标准,就表示该零件已进行压力测试,此零件对IC常见故障机制的敏感度能被量化。应该说明的是,如果此应用被认为已有所保证,则汽车制造商有时会选择使用没有AEC-Q100标准合格认证的感测器。


然而,透过进行额外的元件和封装等级的压力测试,所有汽车的


产品品质都会超出现今AEC-Q100的要求。这些附加测试可能包括,但不限於以下项目:


· 电力循环


· 液态 - 液态热冲击测试,以加速方式测试热循环和热冲击的耐受性


· 瞬间焊料冲击


· 100%氧化物压力测试


这些严格的测试验证了产品在量产之前的可靠性。


几??在所有情况下,汽车制造商还会要求供应商要在公司层次遵守ISO-TS16949等产业品质标准。符合此标准并不保证任何特定零件或制造单元的完整品质,但它确实能让客户相信IC制造商会遵循严格的品质流程,且将符合标准记录在案。同样的,遵守产业的生产零件核准程序(Production Part Approval Process, PPAP),也是要让客户相信生产零件的设计和制造程序都已确实执行且记录在案,且零件制造商会在整个生产过程一以贯之。


多元化的汽车品质

针对感测器IC,「车用认证」一词有两个不同层面:一是零件必须符合相关品质、可靠性和安全标准;其二是要满足应用的特定功能要求。对於任何特定类型的感测器,例如位置感测器或气体感测器而言,这两个层面要视其被使用於何种应用而定。这意谓着感测器制造商可能将其元件标示为「车用认证」,但这并不能保证其适用於每个汽车应用。


因此,针对被选来评估的元件,汽车设计师最好能仔细检视这些元件的规格、品质流程和测试结果,而不要仅凭着IC制造商宣称的「车用认证」,就认为此元件适合用於应用中。


总结

「车用认证」这个词语通常被用於描述感测器和其他半导体产品的属性 - 但它到底是什麽意思?


其实并没有一个具体的清单,让一家公司能正式宣称他们的产品是「车用认证」的。就算不能给予正式的定义,本文至少要提供一个正确的方向,指引设计工程师能针对其应用选择正确的元件。有时候,「车用认证」感测器可能对某应用而言是个理想选择,即使它不是被设计用来在车辆中运作。虽然很少见但确实存在,就是感测器可能非「车用认证」,但在某些情况下,这些元件仍可有效用於汽车电子系统中。


要如何知道是否需要「车用认证」元件?以及如何知道这些正确的标准、测试和品质认证是否适合该应用? 由於附加功能和额外测试会导致成本增加,本文可以协助设计师判断这个成本的增加是否划算,以及什麽样的「车用认证」认证适用於该应用程序。


(本文作者Jeff Viola为奥地利微电子 (ams)底特律/中西部地区的现场应用工程师


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