車用數(shù)字芯片能夠應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境嗎？

隨著應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展，“汽車級(jí)”半導(dǎo)體產(chǎn)品的定義也在不斷變化。超過(guò) AEC-Q100 等級(jí) 0（AEC-Q100 是汽車集成電路應(yīng)力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，等級(jí) 0 為最高等級(jí)，對(duì)應(yīng)的溫度范圍是 -40℃至 150℃）溫度要求，仍須滿足可靠性、使用期限與安全性要求的半導(dǎo)體產(chǎn)品也應(yīng)運(yùn)而生。這種超等級(jí)要求對(duì)于復(fù)雜數(shù)字芯片設(shè)計(jì)意味著什么？復(fù)雜數(shù)字芯片怎么才能滿足車用環(huán)境的更嚴(yán)苛要求呢？

功率或者線性模擬器件的晶體管可以做得比較大，所以這類產(chǎn)品做到滿足更高的溫度要求并不是什么新鮮事，但是邏輯產(chǎn)品的晶體管尺寸越來(lái)越小，數(shù)字芯片要做到滿足超等級(jí)環(huán)境溫度要求還是非常有挑戰(zhàn)的。絕大多數(shù)工業(yè)級(jí)元器件要通過(guò) 125℃的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，許多汽車級(jí)元器件則要通過(guò) 150℃測(cè)試。

通過(guò)對(duì)德?tīng)柛！?a class="article-link" target="_blank" href="/manufacturer/1000000/">豐田、戴姆勒克萊斯勒等公司的研究，2004 年 Wayne Johnson 與 John Evans 在題為《改變中的汽車電子環(huán)境》論文中表示，為追求“連接到發(fā)動(dòng)機(jī)”的目標(biāo)，汽車行業(yè)將汽車電子的耐受環(huán)境溫度從等級(jí) 0 提到更高，從 150℃提到 175℃，戴姆勒甚至要求接近 200℃。

汽車電子各系統(tǒng)環(huán)境溫度

“把 ECU 放在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱附近成為設(shè)計(jì)潮流，這將使 ECU 需要耐受 125℃以上的環(huán)境溫度。成本的壓力、可靠性要求的提高（10 年 /241350 公里）與現(xiàn)場(chǎng)故障的高昂成本（召回、法律責(zé)任以及客戶忠誠(chéng)度）將使元器件須承受更高環(huán)境溫度的需求越來(lái)越多?！?/p>

上面從系統(tǒng)級(jí)來(lái)考慮需求。但當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò) 150℃時(shí)，芯片本身會(huì)遇到不少嚴(yán)重問(wèn)題。Johnson 等很多人提出的一個(gè)問(wèn)題就是“芯片在使用過(guò)程中有多少時(shí)間處于最高環(huán)境溫度”當(dāng)然這與器件的安裝位置、安裝方法、有無(wú)風(fēng)冷等冷卻措施以及環(huán)境溫度變化趨勢(shì)有關(guān)。

很明顯，在汽車行業(yè)沒(méi)有廠商愿意承諾十年質(zhì)保。那么對(duì)于數(shù)字電路來(lái)說(shuō)，在最高環(huán)境溫度下，數(shù)據(jù)能保存十年嗎？整個(gè)行業(yè)花了十年多的時(shí)間把汽車級(jí)數(shù)字電路的耐受溫度提高到 150℃，汽車廠商現(xiàn)在希望盡快將該指標(biāo)提高到 175℃甚至 190℃。

當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到 175℃時(shí)，浮動(dòng)?xùn)判?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/522796.html">閃存中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)很快失效。在這種溫度環(huán)境下，單晶體管一次性編程存儲(chǔ)器（One Transistor One Time Programmable Memory，簡(jiǎn)稱 1T-OTP）可作為浮動(dòng)?xùn)判烷W存的替代品，這種存儲(chǔ)器容量足夠大，可滿足嚴(yán)苛環(huán)境儲(chǔ)存控制代碼與數(shù)據(jù)的要求。

Sidense 私下透露其正在與一家晶圓代工廠商驗(yàn)證滿足 175℃環(huán)境的 1T-OTP IP。1T-OTP 存儲(chǔ)芯片要在汽車?yán)锩嬷С?175℃環(huán)境溫度并不容易，不但要通過(guò)各種工藝角測(cè)試，還要通過(guò) AEC 的相關(guān)測(cè)試：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壽命（Data Retention Storage Life， 簡(jiǎn)稱 DRSL）、高溫運(yùn)行壽命（High Temperature Operating Life，簡(jiǎn)稱 HTOL）、高溫存儲(chǔ)（High Temperature Storage，簡(jiǎn)稱 HTS）與經(jīng)時(shí)絕緣擊穿（Time-Dependent Dielectric Breakdown，簡(jiǎn)稱 TDDB）等。

看起來(lái)，數(shù)字芯片要在超高溫度環(huán)境工作，需要面對(duì)的挑戰(zhàn)還有不少。