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感測器於車用系統的認證設計
 

【作者: Jeff Viola】   2018年01月15日 星期一

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在半導體產業中常常被利用的行銷慣例之一是「車用認證」這樣的描述。顯而易見地,對於電子元件而言,汽車是一個特別嚴格的運作環境,同時對於壽命和可靠性的要求也極為嚴苛。因此,非常合理地,針對某些特定元件,汽車產業所使用的版本都較消費性、運算或工業產品所使用的版本更為優秀。


這種對於優越特性的要求,往往就總結於「車用認證」這個詞語中。然而,事實上,這個短短的詞語幾乎沒有揭示產品的設計、效能或使用壽命。實際檢視所謂「車用認證」的元件,可以發現一些有趣的事情。例如,我們可以找到兩個型號不同的元件,但它們顯然具有非常相似的工作特性,一個符合汽車使用的要求,另一個卻不符合。


在一些這樣的情況下,這兩個元件實際上是相同的矽晶片—它們之間的原子沒有任何差異。有時,汽車和非汽車零件之間的唯一區別,在於汽車零件提供更寬的工作溫度範圍,唯有如此,才能與其姐妹產品有所區別。而在其他情況下,消費性元件的「車用認證」版本將不僅具有更強大的特性,且確實具有明顯不同的特性,例如不同或附加的訊號介面。


所以,究竟汽車製造商為什麼要為「車用認證」的元件付出額外費用呢? 當半導體製造商將元件描述為「車用認證」時,他們所指的是同樣的事情嗎? 而在選擇用於汽車設計中的元件時,系統設計師該追求哪些特性和功能?


「車用認證」零件的共同特性

關於「車用認證」這個複雜的領域,首先要了解的是,汽車零件之所以可能有所不同,矽只是其中的一個面向。 此外,根據地區和應用的不同,以及OEM業者主動放棄某些標準要求,則某些消費等級感測器也會被用於車輛中。 例如,可以使用磁性旋轉或線性位置感測器來偵測安裝在前座頭枕背面的顯示器是否位於觀看位置。因為它無關安全,且作業環境並不惡劣,所以汽車OEM業者當然會想要考慮消費零組件是否適合這種應用。使用非「車用認證」的元件,通常能讓系統的物料清單成本節省至少幾美分。


然而,這種使用案例是特例;通常,汽車應用對於可靠性有超高要求,且可能暴露在極端的運作條件下。 這些如何反應在典型的參數中,讓感測器IC製造商能評估他們的零件?感測器IC被描述為「車用認證」的共同特性如下:


‧ 溫度範圍:在大部分應用中是攝氏-40度至125度或150度,不過車艙內的溫度範圍為-40度至85度。


‧ 符合汽車電子委員會制定的AEC-Q100標準規定。


‧ 符合生產性零組件核准程序 (Production Part Approval Process, PPAP)


‧ 指定由靜電放電引起的較高電壓的容限(ESD,見圖1)。


‧ 符合EMC(電磁兼容性)相關要求。 EMC規定是指零件產生的電磁波,以及容忍外部干擾的能力。


‧ 根據ISO 26262功能性安全標準的規定所執行的ASIL(汽車安全完整性等級)評級。


‧ 支援故障模式效應和診斷分析 (Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis, FMEDA)。


‧ 支援汽車專用通訊協定和信令介面。


然而,這個列表既不全面,也非強制性的:並沒有單一的產業標準或測試被用來決定感測器IC是否可以被描述為「車用認證」。例如,氣候控制系統的「車用認證」車艙溫度感測器可能沒有功能安全上的顧慮,在這種情況下,它不會有ASIL等級,也可能沒有FMEDA。



圖1 :  在90nm製程製造的晶片中提供晶片上ESD保護,這需要大晶方(die)面積。 晶方面積越大,成本越高。
圖1 : 在90nm製程製造的晶片中提供晶片上ESD保護,這需要大晶方(die)面積。 晶方面積越大,成本越高。

溫度範圍也並未普遍標準化。許多工業或消費性應用只指定攝氏-20度至60度 / 85度的溫度範圍,但汽車範圍通常較寬:低溫可到-40度。在車艙中,IC製造商被要求其裝置需承受85度高溫,但是針對某些應用,汽車製造商已開始要求能承受105度。 這似乎很奇怪:在現實中,車艙內是否會熱到足以燒開開水?不過,事實上,汽車設計師們只是希望能在預期的最高工作溫度範圍內擁有更大的保護。


對於安裝在車輛底下和引擎蓋下的設備,最高溫度通常為攝氏125度或150度。 但是我要再次強調這不是一個標準要求。事實上,今日的某些應用需要能夠在高達170度的溫度下存活一定時數—渦輪增壓器中的排氣洩壓閥位置感測器就是一個例子。而如果半導體產業能為汽車市場提供更高的上限,汽車製造商也樂於接受:不幸的是,到目前為止,打線和環氧樹脂封裝的基本特性並無法實現這種可能。


那麼,也就是說在汽車零件和類似的消費性或電腦零件之間,存在的最高溫度差異可能超過100°C。 這對矽晶片意味著什麼? 當超過其最高溫度時,矽晶片就會面臨許多潛在的故障模式。這裡僅舉出一個例子,電子的遷移率隨著溫度的升高而降低,這會削弱晶片的電流流入(current-sourcing)能力。如此一來,晶片製造商可能必須增加晶方面積,以便在極高的溫度下保持元件所需的電流流入能力。 而晶片尺寸和成本之間存在明顯的相關性:因此能夠在高溫下存活的零件將會變得更加昂貴。


基於這個成本理由,如果適合其應用的話,有時候汽車製造商也會選擇非汽車級的感測器來取代「車用認證」版本的感測器。


從上述可以清楚得知,就感測器的「車用認證」意義而言,並沒有單一的定義,也沒有任何的標準解釋是所有「車用認證」感測器一體適用的。


相對的,最好是將汽車零件的屬性分為三大類來思考:


1.特殊功能和特性集


2.特殊檢測制度


3.特殊驗證和合格要求


汽車專用功能

一些汽車零件要求在消費性或工業產品中根本不需要的功能。 例如:用於重要安全系統(例如加速器或煞車踏板)的位置感測器就需要具備某些可靠特性,以符合功能安全性:包括診斷標示、校驗,有時甚至要採用雙晶片封裝以做為備援。然而,不適用於這些重要安全應用的汽車位置感測器可能不包括這些功能,即使它符合下列的測試和合格標準。


用於傳輸感測器輸出的一些通訊協定很少或從未用於汽車系統之外。雖然工業和汽車環境中的磁性位置感測器會共用PWM、SPI、I2C、ABI和UVW等介面,但奧地利微電子(ams)的汽車位置感測器也會提供PSI5、SENT和CAN介面(圖二)。



圖2 : 符合AEC-Q100標準的AS5170B--ams具有專用於汽車應用的SENT介面的磁性位置感測器。
圖2 : 符合AEC-Q100標準的AS5170B--ams具有專用於汽車應用的SENT介面的磁性位置感測器。

更嚴格的測試制度

若車輛的某一元件故障,則召回和維修成本是非常龐大的,這就是為何汽車產業非常強調使用零件的品質和可靠性(圖3)。汽車感測器的品質要求需進行100%的終端測試:ams所製造的每一個「車用認證」感測器在出貨前會接受測試,以驗證晶片的關鍵特性是否超過規格表中標示的上下限值。 這種測試要求會導致晶片留在工廠中的時間加長,勢必會增加成本。



圖3 : 嚴格檢查和測試汽車應用中的晶方,以消除現場故障的風險。(圖片來源:Steve Jurvetson於Creative Commons授權)
圖3 : 嚴格檢查和測試汽車應用中的晶方,以消除現場故障的風險。(圖片來源:Steve Jurvetson於Creative Commons授權)

車用認證

汽車感測器的第三個主要特點是符合汽車品質標準。如果是用於汽車應用中的感測器,通常需符合AEC-Q100標準。符合標準,就表示該零件已進行壓力測試,此零件對IC常見故障機制的敏感度能被量化。應該說明的是,如果此應用被認為已有所保證,則汽車製造商有時會選擇使用沒有AEC-Q100標準合格認證的感測器。


然而,透過進行額外的元件和封裝等級的壓力測試,所有汽車的


產品品質都會超出現今AEC-Q100的要求。這些附加測試可能包括,但不限於以下項目:


‧ 電力循環


‧ 液態 - 液態熱衝擊測試,以加速方式測試熱循環和熱衝擊的耐受性


‧ 瞬間焊料衝擊


‧ 100%氧化物壓力測試


這些嚴格的測試驗證了產品在量產之前的可靠性。


幾乎在所有情況下,汽車製造商還會要求供應商要在公司層次遵守ISO-TS16949等產業品質標準。符合此標準並不保證任何特定零件或製造單元的完整品質,但它確實能讓客戶相信IC製造商會遵循嚴格的品質流程,且將符合標準記錄在案。同樣的,遵守產業的生產零件核准程序(Production Part Approval Process, PPAP),也是要讓客戶相信生產零件的設計和製造程序都已確實執行且記錄在案,且零件製造商會在整個生產過程一以貫之。


多元化的汽車品質

針對感測器IC,「車用認證」一詞有兩個不同層面:一是零件必須符合相關品質、可靠性和安全標準;其二是要滿足應用的特定功能要求。對於任何特定類型的感測器,例如位置感測器或氣體感測器而言,這兩個層面要視其被使用於何種應用而定。這意謂著感測器製造商可能將其元件標示為「車用認證」,但這並不能保證其適用於每個汽車應用。


因此,針對被選來評估的元件,汽車設計師最好能仔細檢視這些元件的規格、品質流程和測試結果,而不要僅憑著IC製造商宣稱的「車用認證」,就認為此元件適合用於應用中。


總結

「車用認證」這個詞語通常被用於描述感測器和其他半導體產品的屬性 - 但它到底是什麼意思?


其實並沒有一個具體的清單,讓一家公司能正式宣稱他們的產品是「車用認證」的。就算不能給予正式的定義,本文至少要提供一個正確的方向,指引設計工程師能針對其應用選擇正確的元件。有時候,「車用認證」感測器可能對某應用而言是個理想選擇,即使它不是被設計用來在車輛中運作。雖然很少見但確實存在,就是感測器可能非「車用認證」,但在某些情況下,這些元件仍可有效用於汽車電子系統中。


要如何知道是否需要「車用認證」元件?以及如何知道這些正確的標準、測試和品質認證是否適合該應用? 由於附加功能和額外測試會導致成本增加,本文可以協助設計師判斷這個成本的增加是否划算,以及什麼樣的「車用認證」認證適用於該應用程序。


(本文作者Jeff Viola為奧地利微電子 (ams)底特律/中西部地區的現場應用工程師


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