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元器件的降额设计

汽车电子 | 发布时间:2018-01-04 | 人气: | #评论# | 本文关键字:鲁棒性,降额系数
摘要:1)鲁棒性设计 和很多汽车电子工程师朋友在聊起工作的时候,最困难的问题便是模块的可靠性。在 《Handbook for Robustness Validation of Automotive ElectricalElectronic Modules》这份材料里面,真的有很多的

1)鲁棒性设计

和很多汽车电子工程师朋友在聊起工作的时候,最困难的问题便是模块的可靠性。在 《Handbook for Robustness Validation of Automotive Electrical&Electronic Modules》这份材料里面,真的有很多的概念是值得我们学习的。这份材料是针对汽车电子模块而言的,相信对国内企业来说更有价值。

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1978年SAE就推出了SAEJ1211的第一版《RECOMMENDED ENVIRONMENTAL PRACTICES FOR ELECTRONIC EQUIPMENT DESIGN》,当时的背景是汽车电子处于当时的刚刚起步的时候,当时所考虑的主要是环境因素,比如极端的温度,因车辆运送和行驶道路引起的机械应力,撞 车事故引起的机械冲击,严重的电器暂态脉冲,静电和EMC环境,电源电压摆幅和反电压等,这些都在比如ISO16750等得到了延伸的扩展。此时的标准是 希望通过极端测试条件的构建,能够把模块的一些设计弱点暴露出来,从而得到改进,也就是早期的“test-to-pass”的概念。当时的条件,汽车的质 量都相对比较弱,一般汽车在12个月内甚至发生故障可以达到25%的情况。

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从80年开始,业界都延续着“测试通过”的思想,通过抽样测试的方法,希望可以做到90%~95%的可靠性区间,对应6~20f/10^6h的失效率,一 般采用6~24个样件测试的方法进行。当失效发生的时候,必须增加测试的样件,整个过程是通过“test-analysis-fix”的思想完成,事实 上,我和我的同事在以前的思想大部分也就是这样,在前期设计中固然会努力提高可靠性,但是最后还是通过测试来完成检验。

2000年以后,由于汽车的竞争关系,对于汽车质量的要求越来越高。外面表现出来的是,国际市场上warrenty的时间越来越长,从1年延长至3,4,5。不同公司有其策略,可以见博文汽车的保修政策, 汽车期望的使用时间也增加至10,15和20年。这对欧美的二手车市场起到了很大的推动作用,物尽其用。这是什么概念呢,整个汽车电子模块的可靠性进入了 PPM的时代。失效率被设计至0.5f/10^6h,可靠性需要从99.99%提高至99.999999%(是不是有点像买金子的纯度的感觉)。

为了满足要求,增加工程师团队,增加测试费用,已经无法实现了可靠性的增长。传统的模块级别的“test-to-pass”受到了严峻的挑战,整个开发过 程转入了系统化的考虑强壮性的时代(SAE分为三个层次,芯片,模块和系统,前两个已经推出了SAE1211和SAE1879,系统级的在起草之中)。

这本手册主要目的在是在于征求大部分汽车电子厂商(美国和德国)的基础上,建立一种提高可靠性的为多数人接受的实践方法,提出了健 壮性验证(Robustness Validation),并把它融入到产品开发的概念阶段,并在整个产品开发周期中执行。为了更好的能让人接受,采用健壮性余量(Robustness Margin)这个概念,以表示产品的性能与产品规范之间的安全距离,注意这是考虑大规模量产中的性能波动的基础上的。

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健壮性验证依靠基于知识的模型仿真(通过数据和经验建立的模型)和后续的分析方法,在完成以上两点以后得到初步的结果,再完成实物的测试。并且通过 test to fail或者是run to fail,或者是持续性的耐久性试验来确定健壮性余量。

2)元器件的降额设计

降额设计就是使元器件工作时承受的工作应力适当低于元器件规定的额定值,从而达到降低基本失效率并提高模块整体可靠性的目的。对元器件的某些参数适当降额 使用,就可以大幅度提高元器件的可靠性,通过整理可以发现模块的可靠性对其电应力和温度应力两个方面比较敏感,故而降额设计技术尤为重要。

对于各类电子元器件,都有其最佳的降额范围,在此范围内工作应力的变化对其失效率有明显的影响,在设计上也较容易实现,并且不会在产品体积、重量和成本方 面付出过大的代价。具体怎么操作呢,可以参考以下的军用标准的三级降额,上面的元器件的划分略有些老,不过对于汽车电子方面可以略微做一些调整。

我个人把它分为被动器件,分立器件和集成器件,这里吧被动器件的降额表贴出来。

1)被动元器件的降额系数

被动元器件的降额系数

1.1)实际的电阻的情况可能需要细分,在这个功率层级进行封装的细分

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1.2)按照功能的细分,也可以进行

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注意这个中国的军用标准有些老(中国的标准体系里面最为靠谱的还算是军用标准,这点我有深刻的感受),需要根据自己选择的器件进行一定的调整,我觉得可以在三级降额的基础上进行+/-10%的修正,当然每个企业需要根据这些数据调整测试后获取自己的最佳使用点。

2)集成类部件的降额系数

集成类部件的降额系数

3)其他

其他分立的部件,比如继电器类,我们需要根据其关键特性来进行降额处理来留出足够的鲁棒性

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责任编辑:网络

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