Part 1

　　汽車芯片在高溫環(huán)境下加速老化的機(jī)理

　　芯片老化是一個(gè)涉及多方面物理和化學(xué)過(guò)程的復(fù)雜現(xiàn)象。在微觀層面，主要包括電遷移、熱應(yīng)力以及介質(zhì)擊穿等關(guān)鍵因素。

　　● 芯片老化主要源于材料特性在運(yùn)行中的逐步退化。這種退化包括但不限于：

　　◎ 電遷移：高溫環(huán)境會(huì)加速金屬互連中的電子遷移，導(dǎo)致線路中形成空洞或金屬堆積，從而引發(fā)開(kāi)路或短路問(wèn)題。

　　◎ 熱膨脹不匹配：芯片封裝內(nèi)不同材料(如硅、銅、焊點(diǎn)等)因熱膨脹系數(shù)不同，在高溫反復(fù)作用下會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂或封裝層開(kāi)裂。

　　◎ 電介質(zhì)擊穿(TDDB)：高溫加速電介質(zhì)層的退化，使其更容易發(fā)生電擊穿，導(dǎo)致芯片失效。

　　◎ 金屬間化合物脆化：焊點(diǎn)中的金屬間化合物層在高溫環(huán)境下逐漸增厚并變得脆弱，從而降低封裝可靠性。

　　在炎熱氣候下，環(huán)境溫度顯著升高。根據(jù)阿倫尼烏斯方程，材料的降解速度與溫度呈指數(shù)關(guān)系。對(duì)于汽車芯片而言，高溫環(huán)境使得芯片內(nèi)部的各種物理化學(xué)過(guò)程加速進(jìn)行。

　　以電遷移為例，高溫會(huì)增加金屬原子的熱運(yùn)動(dòng)能量，使其更容易在電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移，從而加快電遷移導(dǎo)致的故障產(chǎn)生速度。在長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境的汽車芯片中，原本可能需要較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)的電遷移問(wèn)題，會(huì)因?yàn)楦邷囟崆鞍l(fā)生，大大縮短了芯片的使用壽命。

　　炎熱氣候下不僅存在高溫，還經(jīng)常伴有溫度波動(dòng)。溫度波動(dòng)會(huì)加劇熱應(yīng)力問(wèn)題。

　　當(dāng)芯片在不同溫度之間快速切換時(shí)，由于不同材料的熱膨脹和收縮不一致，會(huì)產(chǎn)生更大的機(jī)械應(yīng)力。例如，芯片中的封裝材料與芯片核心部分的熱膨脹系數(shù)存在差異，溫度波動(dòng)時(shí)，兩者之間的連接部位就會(huì)承受反復(fù)的拉伸和擠壓應(yīng)力，容易導(dǎo)致焊點(diǎn)等連接部位變得脆弱甚至斷裂，形成新的潛在故障模式。

　　智能駕駛導(dǎo)致的算力提升，MCU元件的利用率顯著提高。在炎熱氣候下，汽車芯片本身因環(huán)境溫度升高而溫度上升，同時(shí)高利用率又進(jìn)一步增加了芯片的熱量產(chǎn)生。

　　自動(dòng)駕駛功能的汽車可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于運(yùn)行狀態(tài)，其芯片的工作負(fù)載持續(xù)處于較高水平，這使得芯片溫度居高不下。

　　這種高溫與高利用率的協(xié)同作用，加速了芯片的老化過(guò)程。與正常工作條件下相比，在炎熱氣候且高利用率的情況下，芯片的老化速度可能會(huì)成倍增加。

　　● 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，高溫作用下：

　　◎ 芯片的電遷移速率以指數(shù)形式增加，互連線失效時(shí)間大幅縮短。

　　◎ 高溫誘發(fā)的機(jī)械應(yīng)力在不同封裝材料間累計(jì)，導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂風(fēng)險(xiǎn)大幅提高。

　　◎ 先進(jìn)制程芯片(如5nm、3nm)因互連線更細(xì)、更薄，對(duì)熱量和電流的耐受性顯著降低，在高溫下表現(xiàn)尤為脆弱。

　　◎ 自動(dòng)駕駛和AI功能進(jìn)一步提高了芯片占空比(運(yùn)行時(shí)間比例)，持續(xù)高溫運(yùn)行使老化速度大幅增加。

　　目前行業(yè)普遍使用阿倫尼烏斯方程來(lái)預(yù)測(cè)芯片的老化過(guò)程，高溫、高濕、多振動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境中的非線性動(dòng)態(tài)相互作用，使預(yù)測(cè)精度面臨挑戰(zhàn)。這不僅影響芯片的可靠性評(píng)估，還增加了實(shí)際設(shè)計(jì)中的安全隱患。

　　Part 2

　　應(yīng)對(duì)芯片老化的解決方案

　　為了應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境，芯片制造商可以在設(shè)計(jì)階段選用更耐高溫的材料。例如，對(duì)于互連材料，可以研究開(kāi)發(fā)新型的高溫穩(wěn)定金屬或合金，其具有更高的熔點(diǎn)和更好的抗電遷移性能，能夠在高溫下長(zhǎng)時(shí)間保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

　　在絕緣介質(zhì)方面，尋找具有更高擊穿電壓和熱穩(wěn)定性的材料，以減少介質(zhì)擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。在芯片設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留足夠的裕度，以應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境下可能出現(xiàn)的性能變化。這包括對(duì)芯片的電氣參數(shù)、工作頻率等進(jìn)行合理調(diào)整。例如，適當(dāng)降低芯片的工作頻率，可以減少電流密度，從而降低電遷移的風(fēng)險(xiǎn)。

　　同時(shí)，增加芯片內(nèi)部電路的冗余設(shè)計(jì)，但需要注意在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)(如 5nm 和 3nm)時(shí)，由于電路密度極高，過(guò)多的冗余電路可能會(huì)影響整體性能，因此需要在冗余和性能之間進(jìn)行精細(xì)平衡。

　　改善芯片的熱管理結(jié)構(gòu)，提高散熱效率?？梢圆捎酶咝У纳岵牧?，如新型的熱導(dǎo)率高的散熱片或散熱膏，將芯片產(chǎn)生的熱量快速散發(fā)出去。

　　同時(shí)，優(yōu)化芯片內(nèi)部的熱傳導(dǎo)路徑，例如設(shè)計(jì)合理的熱通孔布局，使熱量能夠更均勻地分布并快速傳導(dǎo)到散熱部位。

　　● 芯片制造商已開(kāi)始在設(shè)計(jì)中預(yù)留更多裕度，應(yīng)對(duì)極端環(huán)境的挑戰(zhàn)：

　　◎ 材料改進(jìn)：開(kāi)發(fā)更耐高溫的封裝材料和電介質(zhì)層，例如使用碳化硅(SiC)代替硅基材料。

　　◎ 增強(qiáng)互連抗性：通過(guò)優(yōu)化互連材料和幾何結(jié)構(gòu)，減緩電遷移對(duì)可靠性的影響。

　　◎ 主動(dòng)散熱設(shè)計(jì)：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入熱管理模塊，如引入微型冷卻裝置或高效導(dǎo)熱材料。

　　利用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，如在芯片中集成傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片的溫度、電流、電壓等關(guān)鍵參數(shù)。

　　通過(guò)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)芯片的性能變化和潛在故障風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到芯片溫度過(guò)高或電流出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，可以判斷芯片可能存在老化或故障隱患。

　　對(duì)芯片的工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。一種方式是采用類似中國(guó)供應(yīng)商將人工智能融入芯片的技術(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)芯片性能下降時(shí)，通過(guò)智能算法調(diào)整芯片的工作頻率、電壓等參數(shù)，以延長(zhǎng)芯片的使用壽命。例如，如果監(jiān)測(cè)到芯片溫度上升導(dǎo)致性能下降，可以適當(dāng)降低工作頻率，減少功耗和熱量產(chǎn)生，同時(shí)保持芯片的基本功能運(yùn)行。

　　建立完善的故障預(yù)警和處理機(jī)制。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷芯片可能即將出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)向車輛控制系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，車輛可以采取相應(yīng)的措施，如降低車速、切換到安全模式或者提醒駕駛員前往維修站。

　　同時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮故障轉(zhuǎn)移電路的優(yōu)化，確保在部分芯片出現(xiàn)故障時(shí)，能夠按照要求將功能安全地轉(zhuǎn)移到其他系統(tǒng)，并且故障轉(zhuǎn)移電路本身也要具備高可靠性和抗高溫性能。

　　● 主動(dòng)監(jiān)控技術(shù)：通過(guò)在芯片內(nèi)集成傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、電流、電壓等關(guān)鍵參數(shù)，預(yù)測(cè)芯片退化趨勢(shì)。

　　● 預(yù)測(cè)性維護(hù)：基于AI算法分析芯片運(yùn)行數(shù)據(jù)，主動(dòng)調(diào)整頻率、電壓或負(fù)載分配，延緩芯片老化。

　　● 冗余設(shè)計(jì)：為關(guān)鍵部件引入備用通道或電路，以在某一組件失效時(shí)快速切換，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

　　● 任務(wù)配置文件升級(jí)：重新評(píng)估自動(dòng)駕駛、AI功能對(duì)芯片使用壽命的影響，并據(jù)此優(yōu)化任務(wù)配置文件的參數(shù)。

　　● 整車熱管理系統(tǒng)：開(kāi)發(fā)更高效的車內(nèi)溫控方案，減緩車內(nèi)環(huán)境對(duì)電子元器件的影響，例如在電動(dòng)車中優(yōu)化電池冷卻和芯片散熱的協(xié)同效率。

　　隨著汽車芯片老化問(wèn)題的凸顯，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步完善。如 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的下一版本將預(yù)測(cè)性維護(hù)納入其中，強(qiáng)調(diào)對(duì)硅片數(shù)據(jù)的監(jiān)控和彈性管理。

　　整個(gè)行業(yè)應(yīng)積極遵循并推動(dòng)此類標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，使得汽車芯片的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用都有更明確的規(guī)范和要求，促進(jìn)汽車芯片技術(shù)在應(yīng)對(duì)炎熱氣候老化問(wèn)題上的整體進(jìn)步。

　　汽車芯片涉及到芯片制造商、汽車制造商、零部件供應(yīng)商等多個(gè)環(huán)節(jié)，需要加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作。

　　◎ 芯片制造商與汽車制造商應(yīng)密切合作，根據(jù)汽車的實(shí)際使用環(huán)境和需求，共同研發(fā)適合的芯片產(chǎn)品。

　　◎ 與材料供應(yīng)商合作，開(kāi)發(fā)新型的耐高溫材料;

　　◎ 與軟件開(kāi)發(fā)商合作，優(yōu)化芯片的監(jiān)測(cè)和調(diào)控軟件算法。

　　通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同合作，整合各方資源，共同攻克汽車芯片在炎熱氣候下老化的難題。

　　小結(jié)

　　全球氣溫的上升和極端氣候的頻發(fā)，對(duì)汽車芯片的可靠性提出了前所未有的挑戰(zhàn)。隨著自動(dòng)駕駛、電氣化和智能化技術(shù)的發(fā)展，芯片在車載系統(tǒng)中的作用愈發(fā)關(guān)鍵，炎熱氣候加速芯片老化這一現(xiàn)象表明，現(xiàn)有技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)在極端環(huán)境下仍存在顯著不足。

　　芯片設(shè)計(jì)和制造技術(shù)需在性能與可靠性間尋求更好的平衡。從材料創(chuàng)新到預(yù)測(cè)性維護(hù)的應(yīng)用，再到整車層面的協(xié)同優(yōu)化，行業(yè)正在探索多層次的應(yīng)對(duì)策略。