在持續高溫的炎熱氣候條件下，汽車晶片的老化速度明顯快於預期，這引發了人們對電氣化汽車長期可靠性以及先進節點晶片是否是安全關鍵型應用的正確選擇的擔憂。

目前，汽車中使用的許多最先進的電子設備都符合ASIL D 標準，預計在125°C 的溫度下正常運作。 在亞利桑那州鳳凰城進行的最新研究證明了這一點，該地區有64 天白天氣溫超過110 華氏度（43.3 攝氏度），有5 天最高氣溫超過115 華氏度（46.1 攝氏度）。 在這樣的溫度下，深色內裝的深色汽車車廂內的溫度可接近華氏200 度（攝氏93 度），這與水的沸點相差無幾。

IEEE 功能安全標準委員會發布的一份新白皮書指出，由於數據有限、系統中的非線性和動態相互作用以及預測技術不足，很難準確預測複雜系統在這些條件下的行為。白皮書指出：”溫度、濕度、振動、海拔或輻射等環境因素會對系統的退化和故障產生重大影響。將這些因素納入RUL（剩餘使用壽命）預測模型可能具有挑戰性，而且測量這些因素對系統的動態影響也可能受到限制”。

圖：銅互連中電遷移導致故障的SEM 影像。 鈍化已被去除。

Synopsys行銷和業務開發副總裁Steve Pateras 表示：「我們有許多OEM 客戶，幾年前他們告訴我們他們沒有任何問題，也不擔心他們的矽片，因為他們通常使用的是10 年前的技術。現在情況不再是這樣了。許多原始設備製造商來說，RUL正成為一個真正的大問題。變化。

Pateras說，對於一個設計壽命為30年的晶片來說，環境溫度過高會使其壽命每年多減少10%，因此一年後壽命就會下降到26年。

晶片製造商非常清楚這些因氣候變遷而加劇的趨勢。 極端溫度的出現更加頻繁，有時可能持續數週而不是數天。 所有這些都需要納入晶片架構，這可能需要不同的材料、額外的餘裕和某種主動冷卻方式。

英飛凌科技美洲汽車行銷副總裁 Bill Stewart 表示：”有兩個方面需要考慮。其一是設備的品質。我們的汽車晶片故障率為十億分之六十。 因此，對於在高溫下使用的零件，我們在設計上留有餘裕。不管是我們的晶片還是別人的晶片，你如何診斷並提醒操作員，這樣你就可以一瘸一拐地回家，重新設置，或者打開’檢查發動機’指示燈，去找經銷商。

在複雜系統中，最重要的是車輛中的各種部件和系統如何與其他部件和系統相互作用。 在這種複雜程度下，看似無關緊要的組件可能會導致整個系統癱瘓。 此外，根據ISO 26262 的要求，故障切換到其他系統可能會導致意想不到的互動。 故障切換電路需要按照與故障元件相同的ASIL 等級進行設計，即使在相同的條件下，也需要按照預期運作。

Synaptics智慧感測部門高級副總裁兼總經理Satish Ganesan 表示：”我們還沒有遇到過鳳凰城一輛汽車上的顯示器出現故障的情況。但也有其他組件因發熱而失效。即使其他組件出現故障，我們的觸控組件和螢幕仍有可能正常運作。

出問題的原因

所有這些都是以正常工作負荷為前提的。 隨著車輛中自主系統的不斷增加，處理元件的使用率可能會大幅提高。 與任何電子產品一樣，更高的使用率會使電路溫度升高，導致加速老化。

英飛凌科技汽車車身和資訊娛樂部門高級總監Ray Notarantonio 說：”當我們對一個部件進行鑑定時，我們會制定一個任務剖面圖。該任務概況包括溫度、電壓和其他一切。當然，汽車在其壽命的50%時間都不會處於最高溫度下。我們認識到這一點，而且我們從資質的角度做了很多工作，以超越這些任務簡介。

其他人對此表示贊同。Ansys高級應用工程師Josh Akman 說：”如果你擁有一輛具有自動駕駛功能的組合電動車，那麼它的佔空比可能是100% 。它可能會連續行駛，這與通勤車的使用量完全不同。現在，汽車引擎蓋下基本上就是一台電腦。奈米，那麼這些東西就必須履行許多相互競爭的職責–不僅要保證熱完整性，還要保證電氣和機械完整性。平衡。

“考慮包裝層面的相互作用，可以在某種程度上區分老化效應和磨損效應，”Akman 說。 “如果持續高溫，一個常見的問題是焊點會變得更脆。 當第一次回流焊時，你得到的是散裝焊料，在封裝和印刷電路板的接口處，你得到的是所謂的金屬間化合物，這是焊料和印刷電路板上的東西的混合物。效應會產生新的潛在失效模式。同樣，如果溫度出現波動，就會產生大量的熱膨脹係數（CTE）不匹配問題。在焊點上，甚至是在C4 凸點、倒裝晶片凸點或微凸點上。 然後，你可能會在晶片級出現電遷移和介電擊穿，以及許多其他與溫度相關的問題。

未來的變化

解決所有這些問題沒有單一的最佳實踐。Siemens EDA混合和虛擬系統副總裁David Fritz 說：”有一種蠻幹的方法。我們在設備中實際安裝了分析儀，它們會檢測到’哦，兩年前，這只需要兩毫秒就能完成。現在則需要10 毫秒。 。​。我的頻率沒有達到最大值。 我可能想把這輛車的頻率再提高10 兆赫，這樣就能延長使用壽命。壽命。

這與蘋果在其iPhone 上採用的方法類似，但正好相反。 蘋果降低了其應用處理器的時脈速度，以防止其因電池老化充電減少而關機。 在這種情況下，與車輛馬達所需的能量相比，對電池的消耗相對較小。

然而，這種彈性很難管理，尤其是在複雜的系統中。 由於熱梯度會導致電遷移，減少電子在導線中的流動，因此並非所有晶片都會均勻老化。 在炎熱的氣候條件下，這種情況變得更加難以控制。 雖然可以使用冗餘電路來規避電磁幹擾，但在5 奈米和3 奈米製程中這並不可行，因為增加電路會影響整體性能。 更糟的是，在這些先進的節點上，互連元件非常薄，這加劇了熱室中的熱效應。 更薄的絕緣薄膜也是如此，會隨著時間的推移而分解（隨時間變化的介質擊穿，或TDDB）。

那麼接下來會發生什麼事呢？ “最能說明問題的是下一版ISO 26262 標準，”Synopsys 的Pateras 說。 “一直致力於預測性維護的工作小組正在將其納入標準的第三版，該工作組真正談論的是監控和恢復能力。 它能夠獲取矽數據，對其進行監控，並以此來預測故障。業界正朝著這一方向發展，在這一過程中需要主動監控矽片，而不僅僅是透過其他方式建立固有的彈性。管理這種彈性的關鍵工具。

安全問題

加速老化和高環境溫度的影響遠不止單一電路。 在汽車領域，安全性和安全性可能會以獨特的方式重疊。

Rambus矽IP 產品管理高級技術總監Scott Best 說：”幾年前，在GOMACTech（政府微電路應用與關鍵技術會議）上有一篇論文，他們將PUF 放入FPGA 的可編程結構中，然後對FPGA 進行超電壓、超溫度供電。 然後，他們將PUF 放回織物中，由於地段織物老化，無法恢復原始關鍵材料。 “

過去阻擋網路攻擊最常用的方法之一是混淆，混淆的本質是在設備中添加噪音，讓人更難確定晶片是如何運作的。 問題是，人工智慧演算法可以辨識出人類無法辨識的噪音，這就很容易被阻斷。

“我曾在一次會議上向一位客戶介紹電源分析側通道對策，”貝斯特說。 “他們製作了一個雜訊電路，向電源發出大量雜訊。 因此，如果你測量電源，就會被這些隨機雜訊淹沒，就看不到加密操作的特徵了。我們的回答是，如果你進行兩次測量並將它們相減，隨機訊號就會消失。有噪音，順便說一下，這是關鍵值'”。

結論

目前還不清楚電路中的熱量增加是否會使電介質分解時的訊號更加明顯，但這肯定是未來要討論的主題。 總之，熱是所有電路都會遇到的問題，但如果再加上比預期更高的環境溫度，與熱有關的老化速度就會加快。 這引發了許多汽車製造商始料未及的一系列挑戰，他們更需要提高汽車晶片的最高持續工作溫度，或找出更好的方法來監控汽車電子設備，以確定何時應該更換以及如何冷卻。

隨著自動駕駛汽車使用率的提高，以及汽車製造商使用更先進的節點晶片和晶片組，基板、導線和電介質越來越薄，這些挑戰只會更加嚴峻。 在汽車應用中，安全和安保與電路老化相結合，需要實現微妙的平衡。 但是，隨著亞利桑那州鳳凰城等地採用5 奈米和3 奈米晶片運行高級演算法，這種平衡變得更加難以實現。

參考文獻

1. Weather Underground 2024 年的最高日氣溫取自菲尼克斯天港國際機場的每日報告。
2. Patrick-Emil Zörner，CC BY-SA 3.0，來自維基共享資源。