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車用轉換器的環境驗證

因為科技的進步,使得人類可以更加有效率的探索世界的各個角落,例如駕駛車輛至高海拔地區以及極低溫的環境。因此,針對汽車電子產品比消費性電子產品的可靠度驗證要求更加嚴苛,例如要承受更加極端的溫度範圍。然而,汽車電子在安全性方面是最受重視的一個環節,因此汽車電子相關規範應運而生。

圖1為車用電子法規簡介,針對品質系統的部分,應要依照ISO16949 : 2016所定義的規範。ISO 26262為道路車輛功能安全標準,主要著重在系統面的驗證,並不適用離散式零件。ISO 16750則適用於汽車大型部件或設備,不適合直接應用於設備上的集成電路或分立元件、印刷電路板、儀表、顯示器、控制器等。而AEC-Q則是針對汽車業的小型零元件所建立,因此AEC-Q為適合電源轉換器可靠度驗證。

針對各種法規的定義如下

  • IATF 16949:2016為國際汽車產業最高品質標準,結合ISO 9001,敘述汽車相關產品設計、開發、生產、安裝和服務的品質管理系統的要求。且必須有製造產線,即適用於汽車製造廠家、生産與汽車相關的材料、汽車組裝零件的相關組織等等。

 

 

  • ISO 26262 大多由歐洲車廠開始採用,著重在風險評估,建構一個全面性的安全設計流程。包含功能安全管理、汽車產品設計開發的安全生命週期以及汽車安全完整性等級。
  • ISO 16750規定了車用產品的環境可靠度標準,描述電力負載、機械負載、氣候負載及化學負載測試。適用於直接安裝在車輛上或車輛上的電子設備及大型部件。
  • AEC(Automotive Electronics Council)規範了車用電子的產品品質與可靠度,用來預防各種潛在的故障狀況。主要是針對汽車業的零元件部分,包含

AEC-Q100(晶片)

AEC-Q101(離散元件)

AEC-Q102(離散光電元件)

AEC-Q104(多晶片模組)

AEC-Q200(被動元件)

其中AEC-Q200適用的被動元件有電容、電阻、電感、震盪器、變壓器及保險絲等,依照各零件使用的位置在引擎區、乘客區或非車用區,以環境溫度的嚴苛程度,分為五個等級,如表1所示。

表1 應用位置與測試溫度對照表
Grade Temperature Range

Passive Component Type

Maximum capability unless otherwise specified and qualified

Typical/Example Application
Minimum Maximum
0 -50°C +150°C Flat chip ceramic resistors, X8R ceramic capacitors All automotive
1 -40°C +125°C Capacitor Networks, Resistors, Resonators, Crystals and Varistors, all other ceramic and tantalum capacitors Most underhood
2 -40°C +105°C Aluminum Electrolytic capacitors Passenger compartment hot spots
3 -40°C +85°C Film capacitors, Ferrites, P/R-C Networks and Trimmer capacitors Most passenger compartment
4 0°C +70°C   Non-automotive

在AEC-Q200的table 5中有提到適用於電感與變壓器的測試項目,如表2所示。另外,在系列資格定義的附錄1中有提到變壓器的部分,並點出轉換器屬於該系列,因此table 5可成為轉換器的驗證標準。

表2 AEC-Q200 Table5測試項目
No. Stress Sample Size
1 External Visual All qualification parts submitted for testing
2 Pre- and Post-Stress Electrical Test All qualification parts sub,itted for testing
3 Electrical Characterization 30
4 Physical Dimension 30
5 High Temperature Exposure (Storage) 77
6 Temperature Cycling 77
7 High Temperature and High Humidity 77
8 Operational Life 77
9 Resistance to Soldering Heat 30
10 Solderability 15
11 Mechanical Shock 30
12 Vibration 30
13 Board Flex 30
14 Terminal Strength (SMD) 30
15 Terminal Strenghth (Leaded) 30
16 ESD 15
17 Flammability Present certificate of compliance
18 Resistance to Solvents 5

 

表3 AEC-Q200 附錄1定義

1 Capacitor Technology Aluminum Electrolytic
Tantalum
Ceramic
Film
Networks
Trimmers
2 Resistor Technology Thin Film
Thick Film
Networks
Trimmers
Wirewounds
Molded Metal Strip
3 Inductors Fixed (Axial/Radial/SMD)
Ferrite Cores
Wirewound
Multilayer
Variable
4 Transdoemers Pulse Transformers
SMD (for dc to dc converter)
Switch Mode Power Transformers
SMD (for Pulse Applications)
5 Varistors Ring Varistors (Barium-Titanium Oxide)
Disc Varistors (Zinc Oxide)
Muitilayer Surface Mounted Varistors
6 Thermistors For Motor Starting
For Overcurrent Limiting
For Temperature Compensation
7 Crystals Metal AT CUT
Metal AT STRIP
Molded Surface Mounted

 

應用概況

轉換器在測試不同的AEC-Q200的測試項目時,每批產品必須先測試一些基礎測試項目,如外觀檢驗、外觀尺寸量測與前後電性測試。電性測試必須符合規格,以及外觀無損壞的情況下,才能判定為良品,若有特殊規定則不在此限。其中須執行1000小時的試驗,應在每250小時對產品進行檢驗,以判斷產品的狀態是否仍然良好。其他轉換器適用的測試驗證項目歸納如下。

 

       1. High Temperature Exposure

高溫測試是將產品放置於極限溫度,如125℃、105℃或85℃,不施加電壓,只單純確認溫度造成的影響,執行1000小時。

高溫可加速材料的耐熱老化,並可能造成外殼龜裂、軟化等。且材料有不同的熱膨脹係數,若製作工藝不良或有設計缺陷,高溫條件將造成產品變形或損壞,即可篩選出有潛在缺陷的產品,將早期失效問題暴露出來,並加以剃除。

       2. Temperature Cycling

溫度循環測試是將產品放置於溫度變換的環境中,兩極限溫度為-40℃與125℃各持續30分鐘,且兩溫度轉換的時間必須小於一分鐘,直到執行完成1000次循環。溫度與時間的關係圖如圖2。

藉由急速的溫度變化,加速產品的老化。並篩選出有潛在性缺陷的產品,以確保產品有正確的設計與製造。

溫度變化最主要的影響是,材料的膨脹和收縮。由於不同材料的熱膨脹係數不同,若材料間的結合性不佳,經過嚴苛的熱應力作用下,可能會造成外觀或結構上的損壞,甚至影響到內部零件,造成電氣特性故障。

       3. High Temperature and High Humidity

高溫與高濕度測試是將產品放置於85℃/85%RH的環境,不施加電壓,但增加了環境濕度,執行1000小時。

溫度與濕度為自然環境不可缺少的條件之一,因此以高溫高濕測試來評估產品的材料,是否能承受濕氣腐蝕的抵抗能力。

高濕度的環境下,產品表面會產生水氣凝結,可能會滲透進產品內部。而高溫會加速化學反應造成材料腐蝕。藉此評估材料的強度以及封裝的工藝,是否符合車用的要求。

       4. Operational Life

依據產品操作時的極限溫度,放置於高溫環境125℃、105℃或85℃,給予額定電壓,並根據產品的Derating curve給予最高的負載,執行1000小時。

這個實驗主要是模擬實際的使用條件,再利用溫度與電壓做為加速因子,再根據失效時間與應力的關係,推斷出產品在正常使用條件下的使用壽命。

       5. Resistance to Soldering Heat

耐錫熱測試條件請參考表4。焊料溫度為260 ℃,各產品只進行一次浸漬,浸漬時間持續10秒。完成後應在10倍放大倍率下目視檢查該產品的外觀及零件是否偏移或損壞,並進行電性測試確認產品是否良好。

由於組裝產品須使用焊錫將零件腳與電路板接合,此時熱會由引腳傳導至產品內部,並可能導致焊料回流,影響元件的電性特性,以及造成材料和機械損壞。因此必須要選用可承受錫熱影響的材料。

表4 熱評估測試條件
Test Condition Solder Temperature (°C) Time(s) Temperature ramp /immersion and emersion rate Number of heat cycles
B 260±5 10±1 26mm/s ± 6mm/s 1

      6. Solderability

表5為AEC-Q200規定的測試條件,針對引線式與表面安裝式產品分為兩大類,定義不同的蒸汽老化條件與焊料溫度,如表6所示。此測試不需電性測試,但完成時應在50倍放大倍率下目視檢查該產品。通過的標準為所有引腳上無缺陷且連續的焊料表層至少覆蓋95%。評估產品在組裝時,引腳焊接到基板的能力,以及金屬的溶解抗性,在整個焊接過程中須保持完整。

表5 確認焊接能力的測試條件
  J-STD-002C Method Steam category Solder Temp.
Leaded Method A category 3 235°C
SMD a) Method B 4hrs @ 155°C dry heat 235°C
b) Method B category 3 215°C
c) Method D category 3 260°C

 

表6 蒸汽老化條件

Category 1 Category 2 Category 3
No Steam Conditioning Requirements 1 Hour ± 5 min.  Steam Conditioning 8 hours ± 15 min Steam Conditioning

       7. Mechanical Shock

機械衝擊是透過瞬間的半正弦衝擊波,以加速度100g’s模擬產品受到環境衝擊。針對產品的六個面分別做3次半正弦脈衝,總共18次的衝擊。測試條件請見表7。

目的是要測試產品與其元件,在搬運跌落、運輸碰撞或軍事方面的使用上,外殼、電路板及零件受到強烈的衝擊,甚至引起彎曲時,各方面接合的部分是否能夠承受。並能透過產品的表現結果分析其結構上的弱點,加以改善。

表7 機械衝擊測試條件表
Test Condition Peak Value (g's) Normal duration (ms) Waveform Velocity change (ft/sec)
C 100 6 Half-sine 12.3

       8. Vibration

震動測試的整個頻率範圍為10至2000 Hz,並以正弦波的形式,執行20分鐘,一個循環應在三個相互垂直的方向,每一個方向上進行12次,總共36次。

產品在運輸途中或在受震動的環境中,因振動頻率相近,可視為受到重複應力。重複應力會產生疲勞,可能造成板階錫球斷裂。因此可篩選出固定方式及結構設計不穩固的產品。

       9. Board Flex (SMD)

用板彎測試來評估表面安裝(SMD)產品在組裝過程中,產品的引腳與基板的連接能力以及封裝,是否能夠承受印刷電路板上發生的彎曲、彈力和拉力。

測試方式為圖3,樣品須焊在規定的PCB板上,並使用規定的reflow條件。將樣品面朝下,設備施加力使產品產生大於2 mm 的位移(D),力的持續時間為60秒,只執行一次。過程中應使用測試監測器來檢測樣品是否出現裂縫或發生接端故障。失效認定標準為零件破裂或監控參數發生變化。

              10. Terminal Strength (SMD)

在製造和處理成品印刷電路板組件期間,產品會受到軸向應力。此測試用來評估引腳與基板間的焊接強度。測試方式如圖4,將樣品安裝在PCB上,施加17.7 N (1.8 Kg) 的力於待測物側面,持續60秒。完成後須使用放大倍率20倍或以上的儀器來檢查結構的完整性,並在測試前、後進行電性檢測。

       11. Terminal Strength (Leaded)

針對Dip type產品的引腳進行施力,確認端點的設計以及引線的連接方法是否牢固,能承受產品在安裝及拆卸時的機械應力。

拉力測試是針對直線以及不可彎曲引腳,先以夾具將產品固定,施力910g,方向為引腳軸心的方向,並持續5~10秒,如圖5所示。

       12. ESD

產品在生產、組裝、搬運的過程中皆會產生靜電,而靜電也會附著在人體、儀器設備上。因此當累積了過多的電荷時,人體與產品接觸,會產生放電的路徑,使產品瞬間受到極高的電壓,對產品產生損害。

根據AEC-Q200所規範的是人體靜電放電,類別可以分為下列兩種

1.接觸放電測試。模擬人員直接或間接,透過手、工具接觸電子產品時發生放電的情況。

2. 空氣放電測試。模擬人的手指在靠近電子產品時,發生靜電放電的情況。

表8為AEC-Q200-002 REV B對ESD電壓等級的分類,從500V(DC)至25000V(AD)可分為10個等級。供應商須對產品的靜電放電耐壓等級進行定義。

表8 AEC-Q200-002 REV B對ESD電壓等級分類
Component Classfication Maximum Withstand Voltage
1A <500 V (DC)
1B 500 V (DC) to <1000 V (DC)
1C 1000 V (DC) to <2000 V (DC)
2 2000 V (DC) to <4000 V (DC)
3 4000 V (DC) to <6000 V (DC)
4 6000 V (DC) to <8000 V (DC)
5A 8000 V (DC) to <12,000 V (AD)
5B 12,000 V (AD) to <16,000 V (AD)
5C 16,000 V (AD) to <25,000 V (AD)
6 ≥25,000 V (AD)

測試流程如圖6,若該電壓層級測試通過的樣品,可允許至下一層級使用,直到產品失效或是完成最高層級,以此來判斷產品對靜電放電的耐壓等級。所有樣品在執行ESD測試之前,須通過完整的電性測試。

結論

    汽車產業中,安全才是使用者最關心的事情。為了達到安全的要求,在車用的驗證條件中,不管是試驗的樣品數還是測試時間,都相較於一般工業用更加嚴格。但目前的國際規範中,並沒有電源轉換器專屬的驗證項目。為追求更高的產品品質,從現有的國際規範中,歸納出適合電源轉換器的可靠度驗證項目,為產品做嚴格的把關。

 

 

 

頻譜電子為專業的高階電源模組(交流轉直流電源轉換器, 直流轉直流電源轉換器)提供設計製造及技術服務,服務範圍遍及全球。我們的核心能力為領先的技術、具競爭力的成本效益、極具彈性的交貨時間, 全球性的技術服務以及高品質製造(台灣製造)。

頻譜電子是業界中唯一擁有ISO9001, IATF16949, ISO22163(IRIS)以及ESD20.20。我們可以從專案的最初開始,完整地確認產品、流程及服務都是符合品質管理系統的要求。從設計、製造到技術服務等每個細節都在最高標準的要求下進行。