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两颗料,管窥车规元器件设计中的实力和匠心!


【导读】随着汽车电气化和智能化的发展,汽车电子在整车中的“份量”越来越重。根据盖世汽车研究院的数据,如今在纯电动车型中汽车电子的成本占比已经高达65%,而这个数据在2000年内燃机车型中仅为19%。


汽车电子市场的持续走强,直接拉动了汽车电子相关元器件的发展。不论是动力总成、底盘控制、车身控制等经典的应用场景,还是ADAS和自动驾驶、BMS、车联网等新赛道,都为元器件提供了巨大的发展市场空间。


不过,汽车应用的特殊性决定了能够“上车”的元器件必须要满足更严苛的要求,必须是所谓的“车规级”产品。与普通消费级的产品相比,车规级元器件的差异主要体现在以下几个方面:


环境耐受性


车规级元器件需要能够应对更为恶劣的使用环境的挑战,比如在工作温度方面,发动机周边的元器件需要能够耐受150℃的高温。此外,在湿度、防水防尘、抵御有害气体侵蚀以及EMC电磁兼容方面,车规级产品也都需要满足特殊的要求。


防振动和冲击


作为持续高速运动的交通工具,汽车难免要经受振动和冲击,这也就要求元器件在机械和结构设计上增加稳固性,能够化解这些外力的影响。


可靠性


车规元器件通常需要从两个层面来进行可靠性的考量:一是元器件自身需要具有更长的使用寿命,并确保在使用周期内性能稳定地工作;二是也要考虑到系统级设计的要求,要有助于保证整车高可靠性的实现。


一致性


作为一个规模效应显著的产品,汽车对于批量生产中的产品质量一致性要求更为严格,这种要求自然会传导给上游的电子元器件产品,要求元器件厂商通过工艺技术的提升确保品质的一致性。这一点也往往成为考察车规元器件厂商实力的重要标识。


打造车规级元器件


为了对能够“上车”的元器件特性有一个更清晰的定量描述,由知名整车厂商和元器件供应商发起成立的国际汽车电子协会(AEC)推出了一套通用的零件资质和质量系统标准及认证体系,即AEC-Q车规验证标准。AEC-Q虽然不是强制性的认证制度,但目前已成为业界公认的车规元器件的通用测试标准,换言之,这就是决定元器件是否能够“上车”使用的“车票”。


随着汽车电子的发展,AEC-Q标准也在不断进化。初始制定的AEC-Q100、AEC-Q101和AEC-Q200三个标准分别对应集成电路、半导体分立器件和被动元件三大产品门类;后续随着汽车智能化的转型,又逐步增加了面向光电半导体应力测试的AEC-Q102标准、面向MEMS压力传感器应力测试的AEC-Q103标准,以及面向汽车应用的多芯片模块(MCM)应力测试的AEC-Q104标准。


产品是否能够符合上述这些车规测试标准,是对元器件厂商综合实力的一次全面考察。一方面,元器件厂商需要建立起一套完整的质量管理体系,满足IATF16949等供应链质量管理标准的要求,达到零缺陷(Zero Defect)的目标;另一方面,厂商也要通过不断的技术创新,凭借在设计、工艺、材料等多维度的优化,打造出更具差异化竞争优势的产品。


想要获得这样的实力,通常需要元器件供应商既要在相应的元器件领域具有深厚的技术积淀,又要对汽车行业的实际应用需求有更深入的理解,这样才能在丰富的通用型元器件的基础上不断升华出车规级的产品,在汽车电子市场中扩张自己的版图。


下面我们就通过Murata的两款产品,管窥一下实力元器件厂商在打造车规级元器件方面的匠心。


车规级MLCC方案


在电容器领域,多层陶瓷电容(MLCC)凭借其容量范围大、体积小、ESR低、额定电压高、高频特性好等特点,具有非常广阔的应用范围。而在将MLCC引入到汽车应用中时,则需要考量诸多车规级的设计要求,比如需要提供20年以上的使用寿命、更高的可靠性和质量一致性等。


为了满足车规品质的要求,Murata对于MLCC的制造工艺进行了优化,可以在实现大容量化和高耐压的浆料片材的成型、层叠、烧制工序等过程中,确保品质的均衡一致;此外在避免陶瓷片烧结后发生收缩断裂等痛点问题上,Murata也给出了理想的解决方案。


KCA55系列MLCC,就是Murata车规级MLCC产品中的代表作。该系列MF型MLCC通过了安全标准认证,符合汽车电子设备AEC-Q200标准的要求,具有-55°C至+125°C很宽的工作温度范围,可提供的容值范围为100pF至10nF,额定电压高达1,000VDC,是车载安规电容的理想选择。


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图1:KCA55系列汽车级MLCC(图源:Murata)


特别值得一提的是,KCA55系列MLCC在外部电极设计上采用了金属端子结构,即将金属端子粘结到堆叠式 MLCC芯片作为外部电极,金属端子的弹性作用可以有效缓解施加在贴片上的应力,与普通的贴片式单体MLCC相比,大大降低由于PCB基板受外力扭曲形变或者焊接时产生裂纹的几率,进而提高整体的可靠性——根据Murata提供的测试数据,即使在基板偏转量达6mm的情况下,或者是热应力循环2,000次的考验下,都不会出现裂纹。



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图2:接合金属端子的KCA55系列MLCC可提供更高的可靠性(图源:Murata)


总之,作为一款车规级的MLCC,KCA55系列宽范围的可选容值、较高的耐压能力以及特别优化的可靠性设计,使其在OBC、逆变器、DC-DC转换器这些汽车功率电子应用中都可以轻松胜任。


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图3:KCA55汽车级MLCC在DC-DC转换器中的典型应用(图源:Murata)


高精度、高稳定的NTC


NTC是一种阻值随着温度的变化而变化,具有负温度系数特性的非线性电阻器,通常由单晶、多晶半导体材料制成。基于NTC对于温度变化的敏感性,其通常被用于三种场景:


● 温度检测和温度补偿:基于电阻值随温度逐渐变化的特性,进行温度感测。

● 过热温度检测:由于NTC的电阻值在一定温度以上会急剧上升,可以对过温做出快速响应。

● 过流保护和电路保护:NTC在过电流的情况下电阻急剧上升,可借此来发挥抑制电流的作用,作为可恢复性的电流保险丝使用。


针对温度检测和温度补偿方面,Murata开发出了多个系列的产品,满足不同应用的需求,比如通用型的NCP系列、软引线型的NXF系列、导电胶兼容型的NCG系列,以及今天我们要着重介绍的专为适应恶劣环境应用而打造的NCU系列NTC。


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图4:NCU系列NTC(图源:Murata)


为了满足车载应用的要求,Murata特别推出了车规级的NCU系列产品。与通用型的NTC相比,车规级的NCU系列具有很高的精度和B常数,以及优异的可焊性和高稳定性,还具有出色的抗老化稳定性。这意味着其不仅能够在生产过程中兼容流体焊接、回流焊接等装配工艺,而且在长期的使用过程中也可以保证性能的稳定性,这都是汽车电子所需的关键性能,有助于实现宽温度范围的温度检测和温度补偿功能。


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图5:NCU系列NTC(图中S1)在OBC车载充电器中的应用(图源:Murata)


本文小结


汽车电子市场的持续发展,拉动了对于车规级元器件的旺盛需求。而打造车规级的产品,不是在通用型产品基础上的一次简单技术迭代升级,而是牵涉到一个完整的质量体系的建立,以及持续的创新力,当然还需要对汽车行业需求的准确把握。


通过本文介绍的Murata两款车规级元器件,我们不难看出在这个过程中所需的实力和匠心。也只有基于这样的实力和匠心打造的产品,才能够让你的汽车电子设计顺利“上车”,驶向未来。



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