实现车联网应用的IC可靠性.pdf

實現車聯網應用的 IC 可靠性 作者：Richard Lee ，Mentor Graphics Taiwan 技術處長 物聯網 (IoT) 的應用在未來十年的發展空間很大，特別是非同執異性的設計與整 合 。據市場調研公司 Yole Development 所稱，IoT 集硬體、雲端和資料處理為 一體，適用于廣泛的應用。IoT 應用範圍涵蓋了工業控制、可穿戴式電子設備、 智慧家居系統和汽車應用（有時被稱為“車聯網”(IoV) ）等領域（圖 1 1-2 ）。 圖 1. IoT 應用範圍涵蓋了工業控制、可穿戴式電子設備、智慧家居系統和汽車 應用（有時被稱為“車聯網”(IoV) ）等領域。 汽車 IoV 應用程式有很多獨特的要求。通常，不同的技術會集成到單顆的 IC 元 件中。例如，輪胎壓力傳感模組不僅僅需要 MEMS 感測器設備，還需要射頻設 備將資料傳輸到安全控制系統。通過各種 IoV 應用程式的處理經驗，我們歸納 出一些似乎一致的基本設計要求： 1. 微處理器/ 中央處理器 CPU/MCU 2. 嵌入式及快閃記憶體 3. 無線射頻協定支援 (RF Connectivity) 4. 低功耗電源管理 5. 高效率、低開銷的感測器介面 圖1-2. 汽車互聯網 (IoV) 應用包含了許多獨立的功能，這些功能既相互關聯又遵 循嚴格的安全優先順序。 換句話說，IoV 模組通常集感測器、執行器、超低功耗處理器、無線閘道和電源 管理單元於一身，從而讓設備更加智慧化，能夠執行感應、捕獲和分析，並在必 要時採取措施。這種設備可能需要保持“始終開機”(always on) 狀態。為了省 電，也可以先關閉，然後在需要時自動喚醒(Auto wake up circuit) 。 除了需要擁有很多功能之外，IoV 的另一大關鍵要求就是安全性和可靠性。IC 可 靠性挑戰包括靜電放電 (ESD) 保護、電應力超載 (EOS) 後的恢復能力、溫度和 電壓變化容差，以及防止通過設備入侵系統的增強式安全性。為確保在 IC 設計期間解決這些問題，國際標準組織 (ISO) 制定了汽車應用功能安全標準 ISO 26262 。 ISO 26262 汽車電子設計可靠性標準 ISO 26262 從 2005 年左右開始制定，並已於 2011 年年底正式發佈。該標準基 於已有標準的規定，例如電子設備標準 IEC 61508 。ISO 26262及 AEC-Q100 明 確規定了汽車特定的安全性和可靠性生命週期。為符合 ISO 26262 的規定，設 計師必須將功能安全特性視為每個汽車子系統開發流程必不可少的一部分，包括 功能規格、設計、實施、整合、驗證、確認及產品發佈，如圖 2 所示。 圖 2. ISO 26262 的 V 形開發模型。 該標準中的要求可視為 V 形的生命週期模型。V 形右側表示十二個實施步驟。 特定技術包括故障模式與影響分析 (FMEA) 方法，該方法定義了多個安全級別， 其中 ASIL （汽車安全完整性級別）A 為最低安全級別，ASIL D 為最高安全級 別。 較高的 ASIL 安全級別意味著極為嚴苛的故障率要求。例如，ASIL B 級要求故 障率小於 100 FIT （即故障率，是可靠性的測量單位）。1 FIT 表示被測物件在 十億個小時的運行過程中僅能出現一次故障，100 FIT 則表示在每十億個小時的 執行時間內出現故障的次數限制為 100 次。另外，故障率還取決於所採用的晶 圓製造工藝、晶片面積和工作溫度範圍。在汽車應用中，溫度可能會發生劇烈變 化，引起時序問題和運行故障，例如電路閂鎖效應。 尤其 ，AEC-Q100 包含了溫度等級標準。例如，位於排氣管附近、發動機艙、後 備箱或者汽車面板中的設備會暴露在不同的極端溫度下，因此需對應