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什么才是真正的“車規級”電子元件?

放大字體??縮小字體 發布日期:2018-03-16?
 汽車電子產品的價格普遍比較貴,其中的主要原因之一就是所使用了車規級的電子元件,但什么樣的電子元件才是車規級的器件呢? 我們先來看看電子元件件在汽車上的應用和一般的消費電子在應用有什么差異。

應用要求

環境要求

溫度 汽車電子對元件的工作溫度要求比較寬,根據不同的安裝位置等有不同的需求,但一般都要高于民用產品的要求(據說AEC Q100 在H版中刪除了0℃-70℃這檔溫度的要求,因為沒有哪個汽車產品要求可以這么低)舉例:

發動機周邊:-40℃-150℃;

乘客艙:-40℃-85℃;

民用產品:0℃-70℃;

其它環境要求 濕度,發霉,粉塵,水,EMC以及有害氣體侵蝕等等往往都高于消費電子產品要求。

振動,沖擊

汽車在運動的環境中工作,會相關很多產品來說,遭遇更多的振動和沖擊。這種要求可能會比擺放在家里使用的產品要高很多。

可靠性

為了說明汽車對可靠性的要求,我來換個其它方式來說明一下:

設計壽命 一般的汽車設計壽命都在15年20萬公里左右,遠大于消費電子產品壽命要求。

在相同的可靠性要求下,系統組成的部件和環節多越多,對組成的部件的可靠性要求就越高。目前車上的電子化程度已經非常高了,從動力總成到制動系統,都裝配了大量的電子裝置,每個裝置里面又由很多的電子元件組成。如果就簡單的把它們看成串聯關系,那么要保證整車達到相當的可靠性,對系統組成的每一個部分要求是非常高的,這也是為什么汽車零部件的要求經常是用PPM 來描述的(百萬分之一)。

一致性要求

現在的汽車已經進入到了一個大規模生產的階段的,一款車1年可以生產數十萬輛,所以這對產品的質量的一致性要求就非常高了。這在早些年這對于半導體材料來說,是挺有挑戰的。畢竟生產半導體中的擴散等工藝的一致性是很難控制的,生產出來的產品性能易離散,早期只能依靠老化和篩選來完成,現在隨著工藝的不斷提高,一致性得到極大提高。質量的一致性也是很多本地供應商和國際知名供應商的最大差異。對于組成復雜的汽車產品來說,一致性差的元件導致整車出現安全隱患是肯定不能接受的。

再來看幾點其它的需求。

制造工藝

汽車產品制造工藝的要求,雖然汽車的零件也在不斷的向小型化和輕量化發展,但相對消費產品來說,在體積和功耗上還相對可以放松,一般使用的封裝較大,以保證有足夠的機械強度并符合主要的汽車供應商的制造工藝。

產品生命周期

雖然近些年,汽車產品不斷的降價,但汽車還是一個耐用的大件商品,必須要保持相當長的時間的售后配件的供應能力。同時開發一個汽車零件需要投入大量的驗證工作,更換元件帶來的驗證工作也是巨大的,所以也整車制造企業和零部件供應商也需要維持較長時間的穩定供貨。

標準及驗證

這樣看來,滿足汽車產品要求的確復雜,而且以上的要求是針對汽車零件的(對于電子元件來說就是系統了),如何去轉換成電子元件的要求就變得很困難,為解決這個問題就自然有一些規范標準出現,比較得到公認的就是AEC 的標準:

AEC Q100 針對有源(Active Device)元件的要求

AEC Q200 針對無源(Possive Device)元件的要求

當然我猜想很多人還會說,還有許多的整車廠的企業標準。但這點我也想來說一下我的理解。在我以前工作過的整車廠確實是有相關的一般可靠性要求的標準,但它考核的是一個完整的汽車組件(由電子元件構成的系統),而非是直接針對組成這些組件的電子元件的要求(電阻,電容,三極管,芯片等),雖然它的要求是可以用來參考對下級元件的選型,但作為電子元件測試等來說還是非常的不合適的。當然我個人對其它的整車廠的可靠性標準了解也有限,不知道是否有車廠有直接的基本電子元件的標準,歡迎知道的朋友進行補充。

車規的驗證

在我以前的工作中,難免會使用到一些沒有AEC Q100/200 認證的電子元件,很多車廠的人員都會希望進行一些可靠性驗證,來驗證它是否滿足車規要求。

而我個人的看法是,這種方法并不太有效,因為這些測試都只能是必要不充分測試。只能用于否定該器件的可用性,而不能確定其可以使用。

原因很簡單,樣本數量太少測試的項目并不充分。對于半導體這種大批量制造的元件,通過少量的樣本的測試來確定其可靠性,個人認為是非常的不靠譜的,這里我們也可以來看看AEC Q100 進行的主要認證測試項目,也就可以看出差別。

哪個標準要求高?

車規和工規,誰的要求高。普遍的認為標準的高低順序是軍工>汽車>工業>消費電子。但個人卻不能完全接受這個順序。工業是個很寬的范圍,也遇到的環境和可靠性需要也是差異巨大的。可以想象得到比如一個大型工業設備的可靠性要求絕對不會比汽車要求低。(比如一個大型電廠的關鍵設備),而同時環境的苛刻度也可能會遠超汽車的要求,并不能簡單的說工規要求就比汽車低。

使用車規零件的壞處

任何選擇都不可能只有好處沒有壞處,使用車規電子元件有什么壞處呢?

首先就是貴,體系要求高,開發驗證花費大,產量低導致成本高出消費電子一大截。相對較高的門檻也使得存在較多的銷售溢價。

其次的壞處就是選型困難,玩電子的人都知道發展到今天,電子元件相當的豐富,做相同功能的產品可以有多種方案,復雜度可能差異巨大,但有時為達到車規的要求,不得不放棄一些集成度高的方案。

還有一個比較明顯的壞處就是某些產品技術落后,大量的驗證工作影響到了新產品的上市速度,同時,芯片廠家一般的投放策略也是希望在消費電子市場上成熟后,才將該產品應用在到汽車市場上。比如在2013年小編在開發的一款產品使用的ARM Cortex A9的處理器,當時在汽車市場已經基本上是最好的產品了,但消費市場上ARM Cortex A57的處理器并不稀奇。

使用非車規的電子元件在車上到底有多大的風險

這個問題真是比較復雜,得從多個方面來判斷:

僅僅是沒有得到相關的認證,但其實產品的性能和可靠性是滿足要求的,并且也得到過大量的應用驗證。如果屬于這種情況風險相對較小。這點是很重要的一點,就是元件和系統的關系。

系統的性能和可靠性是由下一級的電子元件來構成的,所以在同樣的設計下,使用非車規的元件產品肯定要差。但好的設計,可以降低元件的性能要求,一個保護措施設計完善并能做到元件失效對系統影響輕微設計,就有可能使用非車規元件做出更好的產品。

由于當前技術工藝限制的影響,不是每種需要用在汽車上的電子元件都可以達到所謂的車規要求。但為了實現汽車上的某些功能,就必須要用到這些元件。這種情況可以分為兩類:

該功能的安全要求高,不能接受偏差。例子: 緊急呼叫的E-CALL 功能,為保證該功能,需要給設備安裝上后備電池。而該功能是涉及到生命安全的,按照某些公司的ASILI(ISO26262)評級,要求達到B級。而我們知道電池要做到-40度時保持高性能是很困難的。所以有公司的解決方案就是在電池上包上加熱電阻絲,在低溫時加熱它來保證性能,此時用單個元件的標準來看不合格,但作為零件總成,就可以滿足車廠的標準要求。這也可以看出整車廠的企業標準和元器件標準之間的關系。

該功能一般不涉及安全,可以考慮接受偏差。如娛樂系統的液晶屏。在低溫時可能顯示的響應和光學性能都會下降。但這種情況會被打部分工程人員接受下來。

一些“膽大”心不細的人,出于某些想法,如降低成本,或者可以獲得更好的性能,并僅想通過小數量的樣本,在較短時間來進行驗證其性能和可靠性,這種情況我只能說以后的事情靠人品了,誰都不清楚會發生什么。

來源:機械人生2017

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