描述
开 本: 16开纸 张: 纯质纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787111752950
随着汽车行业向电驱化、智能化迈进，电子电力系统在整车所占的成本比例和重要性日益突出。对于汽车而言，做好电子系统设计，本质来说就是做好可靠性设计。在这样的背景下，我们邀请了汽车电子行业内资深一线工程师左成钢撰写了这一本《广义车规级电子元器件可靠性设计与开发实践》。
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。
本书共分为9 章。第1 章介绍了汽车行业的基本特点及汽车电子可靠性理论；第2~4 章介绍了电子模块的车载应用要求及所面对的内外部环境；第5 章主要阐述了汽车行业测试标准及测试方法；第6 章主要介绍了AEC标准及其对汽车电子行业的意义；第7 章主要介绍了车规级电子元器件的相关知识、车规级与功能安全标准的关系及区别，以及车规级认证的相关问题，同时还对车规级电子元器件的国产化进行了展望；第8 章主要阐述了汽车电子模块的设计开发，如开发阶段、流程、设计分析、测试方法、文档受控与设计变更流程等；第9 章为本书的终章，对本书的核心思想进行了归纳及总结，阐述了广义车规级思想是如何对汽车电子进行全生命周期可靠性管理的。
本书适合从事车规级芯片及汽车电子可靠性相关工作的读者，无论是芯片的设计人员，还是汽车电子产品的开发及测试人员，都能从本书中获取新知。本书还可以作为汽车电子产业链相关人员的参考用书，从芯片、零部件到整车厂，无论是专业技术人员，还是投资、运营、管理、质量及服务人员，都能通过本书了解到车规级芯片及车规级电子零部件是如何保障车辆的运行安全，以及整车长达15 年的高可靠性。
本书以车规级芯片及汽车电子零部件的可靠性为背景，提出了广义车规级的概念。本书具体介绍了汽车电子可靠性理论、电子元器件的车规级认证、车规级与功能安全标准的关系及区别、电子模块的车规级标准及测试方法、电子模块车载应用的特殊要求，以及汽车电子模块如何通过严谨的设计、严苛的测试、高要求的项目维护来满足整车15年全生命周期内的高可靠性要求。在此基础上，本书进一步详细介绍了汽车电子委员会（Automotive Electronics Council，AEC）标准如何对车规级电子元器件进行全生命周期可靠性管理，同时给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，包括产品的设计开发、测试、生产及全生命周期的项目维护。本书还介绍了一些设计分析方法、测试流程、变更评估流程以及相关案例，以帮助读者进行工程实践。本书还展望了中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。
本书将作者多年积累的工作成果以图表和案例的方式穿插在不同章节中，方便读者参照使用，并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其中，方便读者理解和查阅。
本书适合从事车规级芯片及汽车电子可靠性相关工作的读者，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品的开发、测试、生产运营等相关人员，都能从本书中获取新知。本书还可以作为汽车电子产业链相关人员的参考用书，以及准备踏入汽车行业的新手们的入门级参考书，同时也可以作为行业相关技术人员的手头工具书来使用。
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IATF 16949 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
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。
在这个大背景下，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。
本书共分为9 章。第1 章介绍了汽车行业的基本特点及汽车电子可靠性理论；第2~4 章介绍了电子模块的车载应用要求及所面对的内外部环境；第5 章主要阐述了汽车行业测试标准及测试方法；第6 章主要介绍了AEC标准及其对汽车电子行业的意义；第7 章主要介绍了车规级电子元器件的相关知识、车规级与功能安全标准的关系及区别，以及车规级认证的相关问题，同时还对车规级电子元器件的国产化进行了展望；第8 章主要阐述了汽车电子模块的设计开发，如开发阶段、流程、设计分析、测试方法、文档受控与设计变更流程等；第9 章为本书的终章，对本书的核心思想进行了归纳及总结，阐述了广义车规级思想是如何对汽车电子进行全生命周期可靠性管理的。
本书适合从事车规级芯片及汽车电子可靠性相关工作的读者，无论是芯片的设计人员，还是汽车电子产品的开发及测试人员，都能从本书中获取新知。本书还可以作为汽车电子产业链相关人员的参考用书，从芯片、零部件到整车厂，无论是专业技术人员，还是投资、运营、管理、质量及服务人员，都能通过本书了解到车规级芯片及车规级电子零部件是如何保障车辆的运行安全，以及整车长达15 年的高可靠性。
本书能够出版需要特别感谢我的妻子衡雪丽女士，本书的编写前后耗时近一年时间，工作量巨大，她在为我分担了大部分家庭责任的同时，还会在每个章节的初稿完成后，帮我进行详细的审阅。我很荣幸，衡雪丽女士也是汽车行业从业人员，拥有近20 年汽车电子可靠性及功能安全方面的经验，基于她的专业知识，她为本书提供了很多宝贵的修改建议，对此表示衷心的感谢。
由于本书涉及众多的专业内容，且多数参考资料是英文资料，翻译工作量巨大；同时书中的图表众多，所有的插图也全都由我亲手绘制，整体工作量巨大。为了完成本书，在这一年中，我陪伴两个孩子的时间很少，在此我向他们表示歉意。我要把这本书送给我两个可爱的儿子，今年8 岁的宗晞和5 岁的宗林，祝他们健康成长，长大后可以自由选择他们喜爱的生活。
本书涉及知识点较多，错漏在所难免，恳请读者对书中存在的错误及不当之处提出批评和修改建议，以便本书再版修订时参考。如有疑问，欢迎通过电子邮件与我联系：[email protected]。
左成钢
2023年6月12日
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