日益走近的“綠色”汽車(chē)IC

隨著(zhù)實(shí)施“綠色”無(wú)鉛電子封裝最終期限的臨近，汽車(chē)系統工程師必須考慮在他們的設計之中如何適應如此新標準的約束和規范。這在汽車(chē)電子設計中尤其重要，因為在那些地方實(shí)施的“綠色”無(wú)鉛封裝將對傳感器或其它電子系統的條件狀況產(chǎn)生直接影響。

在向無(wú)鉛封裝轉移的過(guò)程中，存在下列主要的設計約束：

有害物質(zhì)(RoHS)符合性封裝的限制；

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

維持可接受的系統電氣和EMC性能。

例如，持續變化的輻射發(fā)射級別可能對系統設計工程師造成破壞，并可能導致重大的意外設計及確認測試成本。

向RoHS轉變將引入的其它重大成本：

過(guò)多不符合RoHS的元件庫存量；

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

含鉛零件未被無(wú)鉛元件取代，造成重新設計的成本；

數據庫更新?lián)Q代并獲得關(guān)聯(lián)IT支持的成本。

對于大多電子供應商來(lái)說(shuō)，一定要符合RoHS的要求。因此，許多公司及其工程團隊將這次轉變視為一次作出積極變革的機會(huì )。

產(chǎn)品設計工程師可以從該轉變獲得的好處包括：

加強產(chǎn)品和組裝部件；

從BOM和元件數據庫中剔除錯誤及過(guò)時(shí)的數據；

去掉不必要或沒(méi)有用的零件、組裝部件和產(chǎn)品；

從產(chǎn)品設計中剔出零件和供應商；

達到綠色要求和AEC-Q100標準。

在汽車(chē)電子市場(chǎng)中，集成電路的質(zhì)量認證標準是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定義了正式批準的級別，其中第0級的測試最嚴格。

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

申請正式批準AEC-Q100第0級的主要測試障礙是：

2,000次熱循環(huán)測試；

在150C的1,000小時(shí)高溫度工作壽命測試；

在150C的2,000小時(shí)高溫儲存測試。

當變?yōu)樾滤苣３尚筒牧系臅r(shí)候，AEC-Q100推薦對表面安裝IC重復進(jìn)行下列測試：

溫度濕度偏移或高加速壓力測試(HAST);

高壓鍋或無(wú)偏HAST；

溫度周期變化；

高溫儲存；

高溫工作壽命；

早期壽命故障率；

可焊性；

物理尺寸；

電熱感應門(mén)泄漏。

AEC-Q100規范容許采用“資格相似性”或“一般”數據來(lái)證明一個(gè)元件類(lèi)似于一個(gè)過(guò)去經(jīng)過(guò)質(zhì)量認證的器件。

下面描述的基本原理針對這些關(guān)鍵測試的若干應用：

高溫工作壽命(HTOL)測試被用于確定偏移條件及溫度隨時(shí)間變化對固體器件的影響。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)量認證和可靠性監視。

該測試應該運行至少三個(gè)不連續批次以確保統計真實(shí)性，并要提出有代表性的關(guān)鍵工藝“角”的樣品。

對于過(guò)去在不同塑料封裝中的已測試器件，其質(zhì)量認證數據可能是令人鼓舞的，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)量認證的計劃之中，工程師將能夠確定“綠色”設計仍然可以滿(mǎn)足長(cháng)期可靠性目標，如MTBF(故障間平均時(shí)間)。因為HTOL是任何可靠性計劃的基礎，考慮其無(wú)鉛封裝的質(zhì)量認證是明智的。

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

可焊性測試是極為重要的，該測試評價(jià)在器件上的引腳對焊料變濕的易感性。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計。特別是對于RoHS轉變，因為設計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證是必要的。

對于可焊性測試，汽車(chē)行業(yè)依賴(lài)于測試方法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存了一定時(shí)間的典型器件淘汰掉，如在分銷(xiāo)商倉庫中的老器件。

進(jìn)行門(mén)泄漏測試可以確定器件對陷阱電荷(trapped charge)機制的易感性。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。該現象出現在高溫，當呈現強電場(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。該條件可被檢測為電源電流、輸入泄漏或參數漂移的增加。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)泄漏測試。

“綠色”信號調理

ZMD 31310信號調理傳感器接口IC為系統設計工程師集成諸如應變儀、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位模數轉換器、高溫EEPROM存儲器和串行數字校準，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還具有針對傳感器偏移、靈敏度、溫度漂移和非線(xiàn)性的補償功能。RBic Lite采用“綠色”無(wú)鉛封裝，滿(mǎn)足AEC-Q100第0級要求。

作為一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)的設計，RBic Lite具有三種可選擇的輸出模式(軌至軌比率、串行數字或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基本上是系統級芯片，能夠通過(guò)EEPROM方便和精確地校準電阻橋傳感器。當與電阻橋傳感器配對時(shí)，它將通過(guò)數字方式校準偏移和增益，并可選校準偏移量、增益系數和隨溫度變化的線(xiàn)性度?？梢允鼓芤粋€(gè)二階補償電路以補償增益的溫度系數、偏移量或電橋的線(xiàn)性度。

RBic Lite采用ZMD公司的ZACwire串行數字接口與主計算機通信，并被方便地在視窗環(huán)境中批量校準。校準之后，輸出信號引腳提供電橋數據的可選軌至軌比率、串行數字或0-1V比率輸出，并可選電橋和溫度數據。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)標準SO-8封裝，對于面臨RoHS轉變的系統設計工程師來(lái)說(shuō)，該器件可被用于因元件退化而被迫重新設計、或減少設計需要的元件數量的地方。RBic Lite不需要外部調整元件，從而減少了勞力成本并簡(jiǎn)化了信號調理電路的設計。

RBic Lite符合汽車(chē)應用的需要，因為它從100 KHZ到1.0 GHZ都幾乎不產(chǎn)生噪聲譜，最近測試證明達到SAE標準J1752的要求。

下圖顯示了典型的橫電磁波模(TEM單元)的測試設置。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室評價(jià)器件噪聲是否滿(mǎn)足SAE規范

被測器件(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在內部。PCB的設計完全滿(mǎn)足SAE規范的特殊要求，以緊密地近似在一個(gè)系統PCB上的噪聲性能。測試的主要目標是評定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RF敏感的電路，如位于車(chē)內的接收機。

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

對RBic Lite的進(jìn)一步測試顯示符合下列指標：

大電流注入(模塊級)；

抗死鎖(100mA)；

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

根據福特EMC規范ES-XW7T-1A278-AC選擇電壓瞬態(tài)測試；

電熱感應門(mén)泄漏。

此外，為了評價(jià)其魯棒性，對RBic Lite執行額外的1600萬(wàn)個(gè)電源周期的測試沒(méi)有發(fā)現故障。該測試的完成采用了不同數值的負載電容并采用了不同的電源“下降”時(shí)間(最慢50ms)。

本文小結

總而言之，在汽車(chē)環(huán)境中向“綠色”無(wú)鉛封裝的轉變的挑戰可能是令人萎縮的。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，系統設計工程師將能夠成功地減輕相關(guān)工程的風(fēng)險。