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车用数字芯片能够应对高温环境吗?

2016/04/20
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随着应用场景的扩展,“汽车级”半导体产品的定义也在不断变化。超过 AEC-Q100 等级 0(AEC-Q100 是汽车集成电路应力测试标准,等级 0 为最高等级,对应的温度范围是 -40℃至 150℃)温度要求,仍须满足可靠性、使用期限与安全性要求的半导体产品也应运而生。这种超等级要求对于复杂数字芯片设计意味着什么?复杂数字芯片怎么才能满足车用环境的更严苛要求呢?

功率或者线性模拟器件的晶体管可以做得比较大,所以这类产品做到满足更高的温度要求并不是什么新鲜事,但是逻辑产品的晶体管尺寸越来越小,数字芯片要做到满足超等级环境温度要求还是非常有挑战的。绝大多数工业级元器件要通过 125℃的测试标准,许多汽车级元器件则要通过 150℃测试。

通过对德尔福、丰田、戴姆勒克莱斯勒等公司的研究,2004 年 Wayne Johnson 与 John Evans 在题为《改变中的汽车电子环境》论文中表示,为追求“连接到发动机”的目标,汽车行业将汽车电子的耐受环境温度从等级 0 提到更高,从 150℃提到 175℃,戴姆勒甚至要求接近 200℃。

汽车电子各系统环境温度

“把 ECU 放在发动机与变速箱附近成为设计潮流,这将使 ECU 需要耐受 125℃以上的环境温度。成本的压力、可靠性要求的提高(10 年 /241350 公里)与现场故障的高昂成本(召回、法律责任以及客户忠诚度)将使元器件须承受更高环境温度的需求越来越多。“

上面从系统级来考虑需求。但当环境温度超过 150℃时,芯片本身会遇到不少严重问题。Johnson 等很多人提出的一个问题就是“芯片在使用过程中有多少时间处于最高环境温度”当然这与器件的安装位置、安装方法、有无风冷等冷却措施以及环境温度变化趋势有关。

很明显,在汽车行业没有厂商愿意承诺十年质保。那么对于数字电路来说,在最高环境温度下,数据能保存十年吗?整个行业花了十年多的时间把汽车级数字电路的耐受温度提高到 150℃,汽车厂商现在希望尽快将该指标提高到 175℃甚至 190℃。

当环境温度达到 175℃时,浮动栅型闪存中存储的数据会很快失效。在这种温度环境下,单晶体管一次性编程存储器(One Transistor One Time Programmable Memory,简称 1T-OTP)可作为浮动栅型闪存的替代品,这种存储器容量足够大,可满足严苛环境储存控制代码与数据的要求。

Sidense 私下透露其正在与一家晶圆代工厂商验证满足 175℃环境的 1T-OTP IP。1T-OTP 存储芯片要在汽车里面支持 175℃环境温度并不容易,不但要通过各种工艺角测试,还要通过 AEC 的相关测试:数据存储寿命(Data Retention Storage Life, 简称 DRSL)、高温运行寿命(High Temperature Operating Life,简称 HTOL)、高温存储(High Temperature Storage,简称 HTS)与经时绝缘击穿(Time-Dependent Dielectric Breakdown,简称 TDDB)等。

看起来,数字芯片要在超高温度环境工作,需要面对的挑战还有不少。

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