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。
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