重磅新书 | 如何设计车规级芯片？
重磅新书 | 如何设计车规级芯片？
随着新能源汽车和智能汽车的快速发展，车规级芯片和电子元器件的需求日益增长。《广义车规级电子可靠性设计及开发实践》一书从车载环境对汽车电子产品的可靠性的要求出发，涵盖了从车规芯片到电子模块，从产品的设计开发、测试、生产，到产品全生命周期的可靠性管理。
汽车行业是一个拥有百年历史的传统行业，但车载电子零部件的快速增长却发生在最近20年。据公安部交通管理局2024年1月发布的数据，我国新能源车的保有量已超过2000万辆，新注册登记占比已超过30%，车辆的电动化已进入了一个快速增长的阶段，车辆的科技感已逐渐超越了传统的机械属性，成为消费者关注的焦点。上百个电子模块在给驾驶员及乘员带来更舒适、更智能体验的同时，车内电子电气系统所面对的电气及电磁环境也变得更为复杂，车辆的安全性和可靠性也在经受着前所未有的巨大挑战。车辆制造商和消费者都认识到了这一点，于是“车规级”这个词便频繁地出现在了大众的视野。2021年被称为激光雷达量产元年，众多车企纷纷宣布了搭载车规级激光雷达车型的量产时间，车企主动对外宣传其采用的电子零部件是“车规级”的，这在以前从未有过。
那么，“车规级”应该如何定义，如该如何开发？事实上，什么样的电子零部件能够满足“车规级”标准，在业内并没有定论。
在这样的大背景下，我们找到了在汽车电子领域有多年开发经验的资深专家左成钢先生，撰写了这一本《广义车规级电子可靠性设计及开发实践》。
本书提出了广义车规级的概念，基于汽车电子委员会（AEC）标准对车规级电子元器件全生命周期可靠性管理理念，提出了一种对电子零部件进行全生命周期可靠性管理的工程实践方法。
对汽车电子电气系统来讲，其可靠性主要取决于电子模块，不同于刮水器、轮胎等易损件和发动机、制动系统等可维护系统，电子模块本质上在整车生命周期内是不可维护的。要实现这个目标，前提条件就是汽车电子模块的平均失效间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）达到或超过车辆的生命周期。对于一辆车来讲，车辆的生命周期通常需要达到15年；而对于一个车型来讲，车型的生命周期通常会长达5~8年，在这期间，电子模块会因为各种原因发生众多变更，这个电子模块就像是一艘忒修斯之船，如何解决变更带来的一致性及可靠性的挑战？答案就是全生命周期的可靠性管理。
本书从汽车行业及汽车电子产业链视角出发，首先介绍了汽车电子的可靠性理论，进而分析了汽车电子系统本质上在整车生命周期内是不可维护的原因。另外，汽车电子零部件要实现车载应用，必须要面对严苛的外部环境条件及复杂的车内电气及电磁环境条件，同时还必须面对量产后一系列变更所带来的可靠性及一致性的挑战。本书详细介绍了电子零部件车载应用所需要面对的严苛的外部环境、复杂的电气及电磁环境；同时，为了帮助读者理解车规级电子元器件的高可靠性是如何对电子零部件的高可靠性提供了强有力的支撑，以及车规级电子元器件全生命周期的可靠性管理理念，本书还详细介绍了 AEC 标准对各种器件的设计、测试、变更的相关规定，同时还展望了我国汽车电子行业的发展趋势，以及国产车规级芯片及电子零部件所面临的问题及挑战。
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前言
第1章 汽车电子及其可靠性概述 1
1.1 汽车工业及汽车电子 1
1.1.1 汽车行业的特点 ..2
1.1.2 汽车电子电气系统 ..6
1.1.3 电气化的趋势 ..7
1.1.4 汽车电子技术的发展 ..8
1.2 汽车电子产业链 9
1.2.1 汽车电子零部件 ..10
1.2.2 汽车电子元器件 ..15
1.3 车规级芯片及元器件 21
1.3.1 车规级的定义 ..22
1.3.2 车规级的特点 ..25
1.4 汽车电子可靠性概论 26
1.4.1 可靠性理论 ..26
1.4.2 汽车的可靠性 ..29
1.4.3 汽车电子的可靠性 ..32
1.4.4 系统可靠性理念 ..34
1.4.5 广义车规级 ..37
1.5 小结 43
第2章 电子模块的车载应用 45
2.1 什么是ECU 46
2.2 如何设计一个ECU 47
2.2.1 设计要求 ..48
2.2.2 设计流程 ..48
2.3 电子模块的车载应用及生产要求 53
2.3.1 严苛的车辆内外部环境..54
2.3.2 极其复杂的电气及电磁环境 ..55
2.3.3 高可靠性及安全性要求..56
2.3.4 长寿命要求 ..59
2.3.5 低成本要求 ..61
2.3.6 生产制造可行性要求..61
2.3.7 批量一致性要求 ..62
2.4 电子模块车载应用条件 63
2.4.1 满足车载应用的条件..63
2.4.2 相关的标准体系及流程..63
2.4.3 设计的重要性 ..64
2.5 小结 66
第3章 汽车电子模块的外部环境 68
3.1 电子模块的高低温环境 69
3.2 防护相关的环境 71
3.2.1 湿度及盐雾环境 ..71
3.2.2 防护等级 ..72
3.2.3 对电子模块设计的要求..74
3.3 振动及机械冲击 75
3.4 小结 77
第4章 汽车电子模块的电气及电磁环境 78
4.1 车辆的供电方式 79
4.1.1 单线制供电 ..80
4.1.2 负极搭铁设计 ..81
4.1.3 负极搭铁带来的问题：地漂移 ..83
4.2 蓄电池、发电机及DC/DC 85
4.2.1 蓄电池 ...86
4.2.2 发电机及调压器 ..90
4.2.3 DC/DC 变换器 ..93
4.3 欠电压、过电压及反向电压 94
4.3.1 低蓄电池电压 ..95
4.3.2 高蓄电池电压 ..97
4.3.3 反向电压 ..100
4.3.4 电气系统电压状态总结 ..101
4.4 车辆负载及其应用 102
4.4.1 负载类型 ..102
4.4.2 线束 ..111
4.4.3 长导线负载对地短路..113
4.4.4 负载供电及控制方式..114
4.4.5 负载电压瞬降 ..116
4.5 车辆的电气系统 117
4.5.1 电源分配及电路保护..118
4.5.2 低功耗考虑 ..119
4.5.3 可靠性及安全性考虑..122
4.6 电磁环境 126
4.6.1 干扰与抗干扰 ..126
4.6.2 辐射与传导 ..127
4.7 静电放电 133
4.8 小结 135
第5章 汽车电子模块的车规级试**验136
5.1 试验标准 136
5.1.1 强制性国家标准 ..136
5.1.2 标准之间的关系 ..137
5.1.3 OEM 相关标准 ..138
5.2 电子零部件相关标准 139
5.2.1 环境相关试验标准 ..140
5.2.2 EMC 相关标准 ..141
5.3 试验条件及样品 146
5.3.1 试验条件及功能状态分级 ..146
5.3.2 样品数量及测试流程图 ..147
5.3.3 前期检查 ..150
5.4 电气相关试验项目 151
5.5 气候及机械相关试验项目 158
5.5.1 温湿度类试验 ..158
5.5.2 防护类试验 ..162
5.5.3 机械类试验 ..162
5.6 EMC 相关试验项目 163
5.7 寿命试验 168
5.8 DV/PV 试验 168
5.9 EOL 测试 169
5.10 小结 170
第6章 AEC标准 172
6.1 AEC 组织及标准简介 172
6.1.1 AEC 的历史 ..172
6.1.2 AEC 的会员 ..173
6.1.3 AEC 年度研讨会 ..174
6.1.4 AEC 委员会与IATF16949 标准 ..175
6.1.5 AEC 会员及入会 ..176
6.1.6 OEM 与会员费 ..178
6.1.7 AEC 标准及相关文件..179
6.1.8 AEC 认证与证书 ..180
6.2 AEC-Q100 标准：芯片 180
6.2.1 标准的范围 ..181
6.2.2 芯片的温度范围 ..182
6.2.3 认证家族与通用数据..182
6.2.4 测试样品 ..183
6.2.5 测试流程图 ..183
6.2.6 测试项目 ..186
6.2.7 器件变更的重新认证..186
6.3 AEC-Q101 标准：分立半导体 187
6.4 AEC-Q200 标准：被动器件 188
6.5 AEC-Q102 标准：光电半导体 191
6.6 AEC-Q103 标准：MEMS 传感器 192
6.7 AEC-Q104 标准：多芯片模块 193
6.8 小结 196
第7章 车规级电子元器件 197
7.1 车规级电子元器件概述 197
7.2 电子元器件的可靠性 203
7.2.1 浴盆曲线 ..204
7.2.2 早期失效问题 ..206
7.2.3 正常生命期失效问题..208
7.2.4 老化失效问题 ..211
7.3 AEC-Q004 汽车零缺陷框架 211
7.4 长期供货问题 219
7.4.1 器件的生命周期 ..220
7.4.2 器件的变更 ..223
7.4.3 器件的停产 ..225
7.5 车规级认证与功能安全认证 226
7.5.1 ISO 26262 的基本概念 ..227
7.5.2 功能安全流程认证与产品认证 ...229
7.5.3 功能安全认证周期及费用 ..232
7.5.4 电子元器件的功能安全 ..233
7.5.5 车规级认证与功能安全认证 ...235
7.5.6 功能安全认证产品的范围 ..237
7.6 车规级认证相关问题 239
7.7 车规级认证测试与电子零部件测试 249
7.7.1 汽车电子模块的测试标准 ..249
7.7.2 电气及气候负荷相关试验 ..250
7.7.3 机械及结构材料相关试验 ..253
7.7.4 EMC 相关试验 ..256
7.7.5 车规级器件与零部件的车规级测试 ...257
7.7.6 本节总结 ..261
7.8 小结 262
第8章 电子模块的设计开发 263
8.1 开发阶段 263
8.1.1 报价阶段 ..264
8.1.2 需求阶段 ..269
8.1.3 设计分析 ..272
8.1.4 单元测试 ..274
8.1.5 集成测试 ..277
8.1.6 文档释放 ..280
8.1.7 产品量产 ..283
8.2 开发流程 284
8.2.1 V 模型介绍 ..286
8.2.2 硬件的V 模型 ..287
8.2.3 软件的V 模型 ..288
8.2.4 文档要求 ..289
8.3 基于电气负荷标准的设计 292
8.4 基于EMC 标准的设计 307
8.4.1 静电放电 ..308
8.4.2 EMC 相关 ..313
8.5 基于可靠性的设计 318
8.5.1 环境温度的变化 ..318
8.5.2 供电电压的变化 ..321
8.5.3 器件参数的离散性 ..323
8.5.4 器件的老化 ..325
8.6 设计分析方法 326
8.6.1 仿真分析 ..327
8.6.2 潜通路分析 ..330
8.6.3 最差情况电路分析 ..340
8.6.4 FMEA 及FTA ..353
8.7 设计开发文档 359
8.7.1 文件存档 ..359
8.7.2 文档受控 ..362
8.8 物料编码/ 描述及文档命名规则 364
8.8.1 总成物料号编码及描述规则 ...365
8.8.2 子总成物料号编码及描述规则 ...367
8.8.3 元器件/ 原材料物料号编码及描述规则 ...368
8.8.4 物料编码申请规则 ..370
8.9 受控文档 371
8.9.1 文档目录索引文件 ..372
8.9.2 合格供应商清单 ..377
8.9.3 文档历史记录 ..379
8.10 文档变更 381
8.10.1 变更流程 ..382
8.10.2 编码升级规则 ..387
8.11 小结 393
第9章 汽车电子的可靠性 394
9.1 长生命周期带来的挑战 394
9.2 决定可靠性的因素 396
9.3 可靠性的工程实践 397
附录 常用缩写词 400
参考文献 406
《广义车规级电子可靠性设计及开发实践》结合我多年的工作经验，从车载环境对汽车电子产品的可靠性的要求出发，涵盖了从车规芯片到电子模块，从产品的设计开发、测试、生产，到产品全生命周期的可靠性管理。同时我还将收集到的最新标准、法规、论文、应用文档和设计参考的要点融合在了书中，本书适合对车规级芯片及汽车电子可靠性感兴趣的读者，无论是乘用车行业还是商用车行业，无论是芯片行业从业人员还是汽车电子产业链相关人员，亦或是准备踏入汽车行业的大学生、新人们，本书均可作为汽车电子行业的入门参考书籍或手头工具书来使用。
——左成钢