DE102019104246A1

DE102019104246A1 - System und Verfahren zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102019104246A1
Application number: DE102019104246.1A
Authority: DE
Inventors: Urban Stadler; Holger VOELKEL
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2020-08-20

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs. Das System umfasst wenigstens ein Halbleiter-Bauteil; wenigstens eine Sensoreinheit, die auf dem wenigstens einen Halbleiter-Bauteil angeordnet oder darin integriert ist, wobei die wenigstens eine Sensoreinheit eingerichtet ist, um wenigstens einen Betriebsparameter des wenigstens einen Halbleiter-Bauteils zu erfassen; und ein Überwachungsmodul, das eingerichtet ist, um eine Abweichung zwischen dem erfassten wenigstens einen Betriebsparameter und einer Referenz zu ermitteln.

Description

Die Offenbarung betrifft ein System und ein Verfahren zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs, und betrifft weiter ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einem solchen System. Die Offenbarung betrifft insbesondere die verbesserte Vorhersage eines Ausfalls oder einer Funktionseinschränkung in Halbleiter-Bauteilen des Fahrzeugs zur Veranlassung geeigneter Gegenreaktionen.
Stand der Technik
Zur Vorhersage der Lebensdauer von Halbleiter-Bauteilen werden nach aktuellem Stand der Technik statistische Verfahren und Modelle herangezogen. Um diese Modelle für den jeweiligen Technologieknoten zu entwickeln, ist eine ausreichende Datenbasis nötig. Die Daten für die Modellerstellung werden zum einen während der Prozesstechnologieentwicklung generiert und zum andern von Produkten, die sich bereits im Feld befinden, bezogen. Ein Nachteil besteht darin, dass sich erst über eine gewisse Zeit, in der sich Halbleiter-Bauteile im Feld und beim Kunden befunden haben, zeigt, ob die erstellten Lebensdauermodelle zuverlässig die Wirklichkeit abbilden und die Halbleiter-Bauteile wirklich über die geplante gesamte Lebensdauer funktionsfähig und zuverlässig bleiben.
Unvorhergesehene Leistungs- und/oder Funktionseinbußen bei Halbleiter-Bauteilen können bei Komfort-, Consumer- oder Infotainment-Funktionen ein negatives Nutzungserlebnis beim Kunden erzeugen. Bei sicherheitskritischen Funktionen und Anwendungen kann eine Leistungs- und/oder Funktionseinbuße bzw. ein Ausfall des Halbleiter-Bauteils nicht toleriert werden und es muss mit erheblichem technischem Zusatzaufwand die Funktionstüchtigkeit der Baugruppe garantiert werden.
Gegenwärtig werden verschiedene Methoden wie z.B. „Guard-Banding“ im End-of-Line Test oder auch „Over-Engineering“ während der Entwicklung der Halbleiter-Bauteile angewandt, um die volle Funktionsfähigkeit und Ausfallzuverlässigkeit des Halbleiter-Bauteils über die Lebensdauer sicherzustellen. Dies ist allerdings nur innerhalb gewisser statistischer Grenzen möglich, und alle angewandten Verfahren sind mit Zusatzkosten und Aufwand verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein System und ein Verfahren zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einem solchen System anzugeben, die einen drohenden Ausfall und/oder eine Degradation der Funktionsfähigkeit in einem Halbleiter-Bauteil möglichst exakt vorhersagen können. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Komfort und/oder eine Sicherheit eines Nutzers des Fahrzeugs zu verbessern. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Kosten für ein Over-Engineering und/oder redundante Steuersysteme zu minimieren.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein System zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs angegeben. Das System umfasst ein Halbleiter-Bauteil; wenigstens eine Sensoreinheit, die auf dem Halbleiter-Bauteil angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Sensoreinheit eingerichtet ist, um wenigstens einen Betriebsparameter des Halbleiter-Bauteils zu erfassen; und ein Überwachungsmodul, das eingerichtet ist, um eine Abweichung zwischen dem erfassten wenigstens einen Betriebsparameter und einer Referenz zu ermitteln. Vorzugsweise ist das Halbleiter-Bauteil in einem Steuergerät des Fahrzeugs enthalten.
Erfindungsgemäß wird das Halbleiter-Bauteil bzw. Halbleiterbauelement aktiv überwacht, wodurch ein Ausfall oder eine Funktionseinschränkung des Halbleiter-Bauteils frühzeitig und in Echtzeit erkannt werden kann. Bei einem drohenden (aber noch nicht eingetretenen) Ausfall oder einer drohenden Funktionsminderung können proaktiv Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Zum Beispiel können Informationen bezüglich des bevorstehenden Ausfalls oder der bevorstehenden Funktionsminderung an einen Nutzer ausgegeben werden, wie beispielsweise eine Anweisung zu einem Austausch des Halbleiter-Bauteils oder eines Steuergeräts, in dem das Halbleiter-Bauteil enthalten ist. Hierdurch kann ein Ausfall oder eine Funktionseinschränkung von Fahrzeugfunktionen, wie zum Beispiel eines Infotainmentsystems, verhindert werden, wodurch ein Nutzerkomfort verbessert werden kann. Zudem kann der Ausfall oder eine Funktionseinschränkung sicherheitsrelevanter Fahrzeugfunktionen verhindert werden, wodurch die Sicherheit für den Kunden verbessert und/oder eine Redundanz oder Over-Engineering insbesondere in Bezug auf Kosten reduziert werden kann.
Durch eine mögliche Reduktion des Guard-Banding ist es unter anderem möglich, Zeit beim Testen zu sparen und auch das Yield (Ausbeute i.O. getesteter Chips) zu erhöhen. Zum Beispiel funktioniert ein Chip bei nominal IV Betriebsspannung. Der Hersteller garantiert laut Datenblatt, dass der Chip von 0.9V bis 1.1V korrekt funktioniert. Im End-of-Line Test wird die Funktionstüchtigkeit des Chips allerdings nicht bei nur 0.9V und 1.1V getestet, sondern stattdessen z.B. bei 0.8V und 1.2V, um eine gewisse Sicherheitsmarge zum Datenblatt zu erhalten. Diese 0.9V - 0.8V = 0.1 V stellen das Guard Band dar. Wenn nun aufgrund der erfindungsgemäßen Monitore der Chip besser Überwacht werden kann, kann z.B. das Guard Band von 0.1 V auf 0.05V verringert werden. Hierdurch kann das Yield verbessert werden, da weniger Chips aussortiert werden müssen.
Das Halbleiter-Bauteil kann eine Vielzahl von Funktionsblöcken aufweisen. Jedem Funktionsblock kann eine Funktion oder Teilfunktion des Fahrzeugs zugeordnet sein. Insbesondere können zwei oder mehr Funktionsblöcke eine Funktion im Fahrzeug bereitstellen bzw. abbilden. Dies kann beispielsweise im Verbund mit anderen Halbleiter-Bauteilen und/oder Steuergeräten geschehen.
In einem oder mehreren Funktionsblöcken kann wenigstens eine Sensoreinheit angeordnet sein. Insbesondere kann eine Vielzahl von Sensoreinheiten über das Halbleiter-Bauteil verteilt sein. Das Überwachungsmodul kann durch Auslesen der jeweiligen Sensoreinheiten bestimmen, welche Funktionen oder Teilfunktionen betroffen sind und/oder ob das ganze Halbleiter-Bauteil betroffen ist.
Die betroffene(n) Funktion(en) oder Teilfunktion(en) kann/können bei einem nächsten Start des Halbleiter-Bauteils nicht mehr zur Verfügung stehen und/oder können nur mit reduzierter Leistung zur Verfügung stehen. In einer weiteren Ausführungsform kann eine betroffene Funktion in einen vorbestimmten Zustand versetzt werden. Wenn das Überwachungsmodul zum Beispiel eine (zu) schnelle Degradation des überwachten Halbleiter-Bauteils bzw. Betriebsparameters erfasst, kann die Funktion (oder das Steuergerät) unmittelbar in den vorbestimmten Zustand versetzt werden. Der vorbestimmte Zustand kann zum Beispiel ein sicherer Zustand sein. Beispielsweise kann im Falle einer automatisierten Fahrfunktion ein Nothalt durchgeführt werden, wenn die Degradation des überwachten Halbleiter-Bauteils festgestellt wird. Hierdurch kann eine Sicherheit für den Nutzer erhöht werden.
Vorzugsweise ist das Überwachungsmodul eingerichtet, um ein Signal (z.B. eine Statusmeldung) bezüglich der Abweichung auszugeben. Wenn die Abweichung gleich oder größer als eine Schwelle ist, kann das Signal derart ausgegeben werden, dass es angibt, dass die Abweichung gleich oder größer als die Schwelle ist. Wenn die Abweichung gleich oder kleiner als die Schwelle ist, kann das Signal derart ausgegeben werden, dass es angibt, dass die Abweichung gleich oder kleiner als die Schwelle ist.
In einigen Ausführungsformen kann die Schwelle eine fest vorgegebene Schwelle sein. Insbesondere kann die Schwelle unveränderbar vorgegeben sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Schwelle (variabel) festlegbar sein, und kann insbesondere (variabel) programmierbar sein.
Das Signal bezüglich der Abweichung kann geeignete Informationen umfassen bzw. geeignet ausgestaltet sein, um die Information bezüglich der Abweichung zu vermitteln. In einigen Ausführungsformen kann das Signal mit einem Logikpegel, also einem H-Pegel oder einem L-Pegel ausgegeben werden. Der Logikpegel kann zum Beispiel angegeben, ob die Schwelle überschritten ist oder nicht. Insbesondere kann ein H-Pegel ein Überschreiten der Schwelle und eine L-Pegel ein nicht-Überschreiten der Schwelle angeben, oder ein L-Pegel kann ein Überschreiten der Schwelle und eine H-Pegel ein nicht-Überschreiten der Schwelle angeben.
Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die zuvor beschriebenen Logikpegel begrenzt und das Signal kann komplexe(re) Datenformate umfassen, um die Information bezüglich der Abweichung zu vermitteln. Zum Beispiel kann das Signal einen Wert bezüglich der Abweichung angeben, wie zum Beispiel einen Absolutwert der Abweichung (z.B. 3.3 Volt bei einer Schwelle von 3 Volt) oder einen Relativwert der Abweichung bezüglich der Schwelle (z.B. 0.3 Volt bei einer Schwelle von 3 Volt und einem Messwert von 3.3 Volt). Typischerweise kann das Überwachungsmodul das Signal über eine Schnittstelle an wenigstens eine übergeordnete Einheit ausgeben, wie zum Beispiel an eine Prozessoreinheit (PU oder CPU). In einigen Ausführungsformen kann das Überwachungsmodul nur dann ein entsprechendes Signal ausgeben, wenn die Schwelle überschritten ist, und kann kein Signal ausgeben, wenn die Schwelle nicht überschritten ist. Hierdurch kann ein Kommunikationsverkehr zwischen dem Überwachungsmodul und der übergeordneten Einheit reduziert werden. In anderen Ausführungsformen kann in beiden Fällen ein entsprechendes Signal ausgegeben werden, wie zum Beispiel ein Signal mit einem Logikpegel oder komplexeren Datenformat, um die Informationen bezüglich der Abweichung zu übermitteln.
Vorzugsweise umfasst das System eine Prozessoreinheit, die mit dem Überwachungsmodul in Kommunikationsverbindung ist. Die Prozessoreinheit kann eine zentrale Prozessoreinheit (CPU) sein. In einigen Ausführungsformen ist die Prozessoreinheit auf dem Halbleiter-Bauteil oder außerhalb des Halbleiter-Bauteils angeordnet. Wenn die Prozessoreinheit außerhalb des Halbleiter-Bauteils angeordnet ist, kann eine geeignete Schnittstelle zur Kommunikation zwischen dem Halbleiter-Bauteil bzw. dem Überwachungsmodul und der externen Prozessoreinheit vorgesehen sein. In weiteren Ausführungsformen sind die Prozessoreinheit und das Überwachungsmodul auf dem Halbleiter-Bauteil angeordnet oder im Halbleiter-Bauteil integriert. Auch in diesem Fall kann eine geeignete Schnittstelle zur Kommunikation zwischen dem Überwachungsmodul und der externen Prozessoreinheit in der Einheit vorgesehen sein. In noch weiteren Ausführungsformen sind die Prozessoreinheit und das Überwachungsmodul in einer einzigen Einheit z.B. auf dem Halbleiter-Bauteil integriert.
Die Prozessoreinheit kann eingerichtet sein, um auf einen Empfang des Signals oder der Statusmeldung vom Überwachungsmodul hin eine Ausführung wenigstens einer Fahrzeugfunktion zu begrenzen oder zu verhindern, insbesondere wenn die Abweichung gleich oder größer als die Schwelle ist. Zum Beispiel kann wenigstens eine betroffene Funktion bei einem nächsten Start des Halbleiter-Bauteils nicht mehr zur Verfügung stehen („Funktionsabwurf“) und/oder kann nur mit reduzierter Leistung zur Verfügung stehen („Funktionsminderung“). Beim Funktionsabwurf und/oder bei der Funktionsminderung kann das Halbleiter-Bauteil als gesamtes deaktiviert und/oder für die Verwendung im Steuergerät gesperrt werden. Alternativ kann wenigstens ein Funktionsblock des Halbleiter-Bauteils deaktiviert und/oder für die Verwendung im Steuergerät gesperrt werden.
Die Fahrzeugfunktion kann zum Beispiel eine Komfort-Funktion, wie ein Infotainmentsystem oder ein Teil des Infotainmentsystems, sein. Ein Komfort für den Nutzer kann verbessert werden, da der Nutzer bereits vor einem Ausfall der Fahrzeugfunktion darauf hingewiesen werden kann eine Werkstatt aufzusuchen, um die betroffene Komponente austauschen zu lassen.
In einem weiteren Beispiel kann die Fahrzeugfunktion eine Fahrassistenzfunktion, wie zum Beispiel eine Funktion zum automatisierten (z.B. teil-autonomen oder voll-autonomen) Fahren sein. Eine Sicherheit für den Nutzer kann verbessert werden. Insbesondere kann durch das präventive Tauschen von Halbleiter-Bauteilen oder Steuergräten ein Beitrag zur Erfüllung von Sicherheitszielen z.B. im Kontext der ISO26262 (Funktionale Sicherheit) geleistet werden. Analog zu den Komfort-Funktionen kann auch hier frühzeitig ein Ausfall oder eine nicht zu tolerierende Leistungseinbuße der Komponente erkannt und der rechtzeitige Austausch veranlasst werden. Ergänzend oder alternativ kann beim nächsten Aufstart der Komponente(n) nur noch eine Teilfunktionalität zur Verfügung gestellt werden. Dadurch kann auch eine Redundanz verringert werden, wodurch wiederum Kosten und eine Komplexität verringert werden.
Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die oben genannten Fahrzeugfunktionen beschränkt. Die Fahrzeugfunktionen können andere Fahrzeugfunktionen, und insbesondere sicherheitskritische Fahrzeugfunktionen umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann eine Geschwindigkeit bestimmt werden, mit der sich der wenigstens eine Betriebsparameter ändert. Wenn die Änderung des wenigstens einen Betriebsparameters eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, also wenn eine Degradation im laufenden Betrieb zu schnell voranschreitet, können eine oder mehrere vordefinierte Maßnahmen veranlasst werden. Zum Beispiel kann eine betroffene Fahrzeugfunktion in einen vorbestimmten Zustand versetzt werden. Der vorbestimmte Zustand kann zum Beispiel ein sicherer Zustand sein. Beispielsweise kann im Falle einer automatisierten Fahrfunktion ein Nothalt durchgeführt werden oder der Fahrer aufgefordert werden, die Kontrolle des Fahrzeugs wieder zu übernehmen, wenn im laufenden Betrieb die schnelle Degradation des überwachten Halbleiter-Bauteils festgestellt wird. Hierdurch kann eine Sicherheit für den Nutzer erhöht werden. In einem weiteren Beispiel kann der Nutzer vor einem Abwurf einer Fahrzeugfunktion informiert werden, dass die Funktion beim nächsten Aufstart der Komponente(n) nicht mehr oder nur noch teilweise zur Verfügung steht.
Vorzugsweise ist das Überwachungsmodul ein auf dem Halbleiter-Bauteil angeordnetes oder im Halbleiter-Bauteil integriertes internes Überwachungsmodul. Alternativ ist das Überwachungsmodul ein außerhalb des Halbleiter-Bauteils angeordnetes externes Überwachungsmodul. Wenn das Überwachungsmodul ein internes Überwachungsmodul ist, kann eine geeignete Schnittstelle zur Kommunikation zwischen der wenigstens einen Sensoreinheit und dem internen Überwachungsmodul vorgesehen sein. Wenn das Überwachungsmodul ein externes Überwachungsmodul ist, kann eine geeignete Schnittstelle zur Kommunikation zwischen dem Halbleiter-Bauteil bzw. der wenigstens einen Sensoreinheit und dem externen Überwachungsmodul vorgesehen sein.
Vorzugsweise umfasst das System weiter ein Ausgabemodul, das eingerichtet ist, um Informationen bezüglich eines bevorstehenden Defekts bzw. Ausfalls und/oder einer Funktionseinschränkung des Halbleiter-Bauteils an einen Nutzer auszugeben, zum Beispiel wenn die Abweichung des wenigstens einen Betriebsparameters gleich oder größer als die Schwelle ist.
Vorzugsweise ist das Ausgabemodul eingerichtet, um die Informationen bezüglich des bevorstehenden Ausfalls und/oder der bevorstehenden Funktionseinschränkung sprachlich, visuell und/oder audiovisuell auszugeben. Das Ausgabemodul kann zum Beispiel ein Display und/oder einen Lautsprecher zur Ausgabe eines Nutzerhinweises umfassen. Der Nutzerhinweise kann zum Beispiel angeben, dass das Halbleiter-Bauteil (oder ein Steuergerät, das das Halbleiter-Bauteil umfasst) auszutauschen ist. Ergänzend oder alternativ kann der Nutzerhinweis eine verbleibende Betriebsdauer bis zu einem Ausfall und/oder der Funktionseinschränkung des Halbleiter-Bauteils angeben. Beispielsweise kann die Prozessoreinheit die verbleibende Betriebsdauer basierend auf dem erfassten wenigstens einen Betriebsparameter abschätzen. Das präventive Tauschen von Halbleiter-Bauteilen bzw. Steuergräten ermöglicht einen Komfort- und/oder Sicherheitsgewinn für den Nutzer.
Die Ausdrücke „bevorstehender Ausfall“, „bevorstehender Defekt“ und „bevorstehende Funktionseinschränkung“ beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung auf eine(n) drohende(n), aber noch nicht eingetretene(n) Ausfall/Defekt/Funktionseinschränkung, wie zum Beispiel eine(n) Ausfall/Defekt/Funktionseinschränkung eines Steuergeräts, in dem das Halbleiter-Bauteil enthalten ist. Basierend auf dem wenigstens einen Betriebsparameter, wie zum Beispiel einem Absolutwert oder einer Änderung des wenigstens einen Betriebsparameters, kann bestimmt werden, ob und/oder wann das Halbleiter-Bauteil ausfällt oder eine Funktionseinschränkung erfolgt. Beispielweise kann das Halbleiter-Bauteil ausfallen oder seine Funktionalität nur eingeschränkt ausführen, wenn seine Temperatur einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Hierdurch kann der Nutzer frühzeitig auf den drohenden Ausfall oder die Funktionseinschränkung hingewiesen werden, so dass der Nutzer ausreichend Zeit hat, das Halbleiter-Bauteil oder das Steuergerät austauschen zu lassen, bevor es zum Ausfall oder der Funktionseinschränkung kommt.
In einigen Ausführungsformen kann das Ausgabemodul im Fahrzeug integriert sein. In einem weiteren Beispiel kann das Ausgabemodul in einem mobilen Endgerät implementiert sein. Das mobile Endgerät kann kommunikativ mit dem Fahrzeug verbunden sein. Der Begriff mobiles Endgerät beinhaltet insbesondere Smartphones, aber auch andere mobile Telefone bzw. Handys, Personal Digital Assistants (PDAs), Tablet PCs sowie alle gängigen sowie künftigen elektronischen Geräte, welche mit einer Technologie zum Laden und Ausführen von Apps ausgestattet sind.
Vorzugsweise ist die Referenz, mit dem der wenigstens eine Betriebsparameter des Halbleiter-bauteils abgeglichen wird, ein Schwellwert. Der Schwellwert kann zum Beispiel in Einheiten des Betriebsparameters angegeben sein, wie °C, Volt, Ampere, Ohm, etc. Zum Beispiel kann der Betriebsparameter eine Schwellspannung eines Transistors sein, die driftet. In einigen Ausführungsformen ist der Schwellwert ein absoluter Schwellwert oder ein relativer Schwellwert. Im Falle des absoluten Schwellwerts kann der drohende Ausfall oder die drohende Funktionseinschränkung des Halbleiter-Bauteils bestimmt werden, wenn der Absolutwert des erfassten Betriebsparameters den absoluten Schwellwert überschreitet oder unterschreitet. Im Falle des relativen Schwellwerts kann der drohende Ausfall oder die drohende Funktionseinschränkung des Halbleiter-Bauteils bestimmt werden, wenn eine Abweichung des erfassten Betriebsparameters von einem Referenzwert (z.B. einem Normalwert des erfassten Betriebsparameters) den relativen Schwellwert überschreitet oder unterschreitet.
In anderen Ausführungsformen ist die Referenz, mit dem der wenigstens eine Betriebsparameter des Halbleiter-Bauteils abgeglichen wird, ein Änderungsschwellwert. Der Änderungsschwellwert kann eine Änderung des Betriebsparameters pro Zeit angeben (z.B. ΔT/Δt; ΔU/Δt, ΔI/Δt; %/Δt etc.). Zum Beispiel kann der Betriebsparameter eine Schwellspannung eines Transistors sein, die driftet. Der drohende Ausfall oder die drohende Funktionseinschränkung des Halbleiter-Bauteils kann bestimmt werden, wenn die erfasste Änderung schneller erfolgt, als es durch den Änderungsschwellwert angegeben ist (z.B. größer als x% pro Tag).
In einigen Ausführungsformen kann das System ein Speichermodul umfassen, in dem der Schwellwert oder Änderungsschwellwert gespeichert ist. Das Speichermodul kann in einigen Ausführungsformen wenigstens einen flüchtigen Speicher umfassen. Das Überwachungsmodul kann den Schwellwert oder den Änderungsschwellwert aus dem Speichermodul auslesen und mit dem Wert oder der zeitlichen Änderung des Betriebsparameters (z.B. eine Temperatur, Spannung, etc.) vergleichen.
Wenn der Vergleich mit der Referenz ergibt, dass der Schwellwert oder Änderungsschwellwert überschritten ist, kann auf einen drohenden Ausfall oder eine drohende Funktionsminderung geschlossen werden. In diesem Fall kann zum Beispiel die Prozessoreinheit informiert werden, die wiederum einen Funktionsabwurf und/oder eine Funktionsminderung veranlassen kann. Ergänzend oder alternativ kann der Nutzer über das Ausgabemodul über den drohenden Ausfall oder die drohende Funktionsminderung informiert werden. Der Nutzer kann dann proaktiv zum Beispiel das Steuergerät tauschen lassen.
Vorzugsweise werden Werte des wenigstens einen Betriebsparameters, die durch die wenigstens eine Sensoreinheit erfasst werden, mit oder ohne Zeitstempel im Speichermodul gespeichert. Die gespeicherten Werte des wenigstens einen Betriebsparameters können als Referenz für nachfolgende Messungen des wenigstens einen Betriebsparameters dienen. Insbesondere kann das Überwachungsmodul mit dem Speichermodul in Kommunikationsverbindung sein, so dass das Überwachungsmodul die aus der wenigsten einen Sensoreinheit ausgelesenen Werte des wenigstens einen Betriebsparameters im Speichermodul ablegen kann.
Das Speichermodul kann auf dem Halbleiter-Bauteil oder außerhalb des Halbleiter-Bauteils angeordnet sein. Wenn das Speichermodul auf dem Halbleiter-Bauteil angeordnet oder im Halbleiter-Bauteil integriert ist („internes Speichermodul“), kann eine geeignete Schnittstelle zur Kommunikation zwischen dem Überwachungsmodul und dem internen Speichermodul vorgesehen sein. Wenn das Speichermodul außerhalb des Halbleiter-Bauteils angeordnet ist („externes Speichermodul“), kann eine geeignete Schnittstelle zur Kommunikation zwischen dem Halbleiter-Bauteil bzw. dem Überwachungsmodul und dem externen Speichermodul vorgesehen sein.
Vorzugsweise umfasst das Halbleiter-Bauteil zwei oder mehr Schaltungen. Die zwei oder mehr Schaltungen können eine erste Schaltung und eine zweite Schaltung umfassen, wobei die erste Schaltung und die zweite Schaltung in ihrem Aufbau identisch sein können. In einigen Ausführungsformen sind die erste Schaltung und die zweite Schaltung Ringoszillatoren. Beide Schaltungen können jeweils den gleichen Betriebsparameter bereitstellen, der von einer jeweiligen Sensoreinheit erfasst wird. Die zweite Schaltung kann die Referenz sein, mit der der Betriebsparameter der ersten Schaltung verglichen wird. Zum Beispiel können die erste Schaltung und die zweite Schaltung unterschiedlich betrieben werden, wobei sich Unterschiede in den gemessenen Betriebsparametern ergeben. Zum Beispiel kann die zweite Schaltung nur zu definierten Zeitpunkten, wie bei einem Aufstart des Halbleiter-Bauteils, zeitlich begrenzt betrieben werden, um einen Referenz-Betriebsparameter zu erhalten. Die erste Schaltung kann hingegen „normal“ betrieben werden. Wenn die Abweichung zwischen dem Betriebsparameter der normal betriebenen ersten Schaltung und dem Referenz-Betriebsparameter der zweiten Schaltung gleich oder größer als ein Schwellwert ist, kann zum Beispiel die Prozessoreinheit informiert werden, die wiederum einen Funktionsabwurf und/oder eine Funktionsminderung veranlassen kann.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Betriebsparameter aus der Gruppe ausgewählt, die eine Spannung (z.B. eine Schwellspannung eines Transistors), eine Temperatur, eine Frequenz, einen Widerstand, eine Kapazität, einen Strom und eine Signallaufzeit umfasst, oder die daraus besteht.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Sensoreinheit eingerichtet, um den wenigstens einen Betriebsparameter kontinuierlich zu erfassen. Das Überwachungsmodul kann eingerichtet sein, um den wenigstens einen Betriebsparameter kontinuierlich auszulesen und/oder kontinuierlich die Abweichung zur Referenz zu bestimmen. Anhand der kontinuierlich ausgelesenen Daten kann die Veränderung kritischer Parameter im Halbleiter-Bauteil festgestellt und überwacht werden. Überschreitet der Parameter einen gewissen Schwellwert oder erfolgt eine starke Veränderung der Parameter in einem kurzen Zeitraum, kann entsprechend reagiert werden. Durch die kontinuierliche Analyse zum Beispiel von PVT-Daten ist zudem eine genauere Lebensdauervorhersage im Vergleich zu statistisch basierten Verfahren möglich.
Ergänzend oder alternativ kann die wenigstens eine Sensoreinheit eingerichtet sein, um den wenigstens einen Betriebsparameter (z.B. nur) bei einem Aufstarten des Halbleiter-Bauteils zu erfassen. Ergänzend oder alternativ kann das Überwachungsmodul eingerichtet sein, um beim Aufstarten des Halbleiter-Bauteils die Abweichung zur Referenz zu bestimmen.
Die Daten bezüglich des zum Beispiel kontinuierlich erfassten Betriebsparameters können mittels eines im Fahrzeug vorhandenen Kommunikationsmoduls an eine zentrale Einheit, wie zum Beispiel ein Backend oder Server, übertragen werden. Der Vorteil bei der Übermittlung an die zentrale Einheit besteht darin, dass Daten von einer Vielzahl von Fahrzeugen gesammelt, korreliert und ausgewertet werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass geprüft werden kann, ob eine Werkstatt noch über die entsprechenden Ersatzteile verfügt (sofern eine Reparatur notwendig ist). Wenn nicht können diese beispielsweise vorab bestellt werden.
Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine Sensoreinheit wenigstens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die das Folgende umfasst (oder die daraus besteht):

(i) einem Spannungssensor,
(ii) einem Temperatursensor,
(iii) einer PVT-Sensoreinrichtung,
(iv) einem Ringoszillator,
(v) einer Verzögerungsleitung,
(vi) einem Schwellspannungssensor,
(vii) einem Widerstandssensor, insbesondere umfassend eine Widerstandsleitung,
(viii) einem RAM-Zellen-Auslesespannungssensor,
(ix) einem Analog-Digital-Wandler,
(x) einer Daisy Chain, und insbesondere einer Daisy Chain, die sich in einem Außenbereich des Halbleiter-Bauteils zumindest teilweise durch das Halbleiter-Bauteil erstreckt (z.B. einem PAD Ring oder bis zu Bumps bzw. Anschlüssen auf der PCB / dem Substrat), und
(xi) Kombinationen davon.

Die genannten Elemente können einzeln oder in Kombination beispielsweise innerhalb einer einzelnen Sensoreinheit verwendet werden, um den wenigstens einen Betriebsparameter des Halbleiter-Bauteils zu erfassen.
Um einen Ausfall oder eine Funktionseinschränkung von Halbleiter-Bauteilen frühzeitig und in Echtzeit zu erkennen, können Daten aus den zuvor genannten Strukturen und Schaltungsteilen der individuellen Halbleiter ausgelesen und durch das Überwachungsmodul ausgewertet werden. Diese Strukturen können insbesondere aus den PVT-Monitoren bestehen und/oder zusätzlich aus speziell angepassten Strukturen wie Ringoszillatoren, Daisy Chains (On-Chip only oder auch bis in das Package Substrat geführt), Verzögerungsleitungen (Delay Lines), Analog-Digital-Wandlern (ADCs) etc.
Vorzugsweise sind das Überwachungsmodul und/oder die Prozessoreinheit für einen Einbau im Fahrzeug eingerichtet (bzw. sind im Fahrzeug integriert). Damit kann die Funktionalität des Systems vollständig im Fahrzeug implementiert sein.
Alternativ sind das Überwachungsmodul und/oder die Prozessoreinheit für eine Implementierung in einem Backend eingerichtet (bzw. im Backend integriert). Die Daten bezüglich des erfassten wenigstens einen Betriebsparameters können zum Beispiel mittels eines im Fahrzeug vorhandenen Kommunikationsmoduls (z.B. einer Funkschnittstelle) an das Backend übertragen werden. Der Vorteil bei der Übermittlung an das Backend besteht darin, dass Daten von einer Vielzahl von Fahrzeugen gesammelt, korreliert und ausgewertet werden können. Insbesondere können zusammen mit zusätzlichen Daten, die im Fahrzeug gemessen werden (z.B. Umgebungstemperaturen, Betriebsdauer, Fahrprofile, etc...), Lebensdauermodelle von Halbleitern und Halbleitertechnologien verbessert werden. Zudem können statistische Trends (z.B. vermehrte Ausfälle unter bestimmten Umweltbedingungen, etc.) erkannt werden.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug angegeben. Das Fahrzeug umfasst zumindest einen Teil des in diesem Dokument beschriebenen Systems zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs.
Der Begriff Fahrzeug umfasst PKW, LKW, Busse, Wohnmobile, Krafträder, etc., die der Beförderung von Personen, Gütern, etc. dienen. Insbesondere umfasst der Begriff Kraftfahrzeuge zur Personenbeförderung.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs angegeben. Das Verfahren umfasst ein Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters des Halbleiter-Bauteils mittels wenigstens einer Sensoreinheit auf dem Halbleiter-Bauteil; und ein Ermitteln einer Abweichung zwischen dem erfassten wenigstens einen Betriebsparameter und einer Referenz.
Das Verfahren kann die Aspekte des in diesem Dokument beschriebenen Systems zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs implementieren. Zudem kann das System die in diesem Dokument beschriebenen Aspekte des Verfahrens zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs implementieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen. In einigen Ausführungsformen kann das Speichermedium eingerichtet sein, um Werte des erfassten wenigstens einen Betriebsparameters und/oder eine Referenz (z.B. die Referenzwerte des wenigstens einen Betriebsparameters) zu speichern.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein System zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
2 ein System zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
3 ein Flussdiagram eines Verfahrens System zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Ausführungsformen der Offenbarung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein System zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen 100 eines Fahrzeugs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Das System umfasst wenigstens ein Halbleiter-Bauteil 100 und wenigstens eine Sensoreinheit 110, die auf dem wenigstens einen Halbleiter-Bauteil 100 angeordnet oder in dieses integriert ist, wobei die wenigstens eine Sensoreinheit 110 eingerichtet ist, um wenigstens einen Betriebsparameter des wenigstens einen Halbleiter-Bauteils 100 zu erfassen. Das System umfasst weiter ein Überwachungsmodul 120 („Control Monitor“), das eingerichtet ist, um eine Abweichung zwischen dem erfassten wenigstens einen Betriebsparameter und einer Referenz zu ermitteln. In einigen Ausführungsformen kann das Halbleiter-Bauteil 100 in einem Steuergerät des Fahrzeugs enthalten sein.
Die wenigstens eine Sensoreinheit 110 kann auf dem Halbleiter-Bauteil 100 angeordnet oder im Halbleiter-Bauteil 100 integriert sein. Jede Sensoreinheit 110 kann ein oder mehrere Sensorelemente umfassen, um den wenigstens einen Betriebsparameter zu erfassen. Das Überwachungsmodul 120 steuert die wenigstens eine Sensoreinheit 110 und liest die Werte des wenigstens einen Betriebsparameters aus der wenigstens einen Sensoreinheit 110 aus. Der wenigstens eine Betriebsparameter kann zum Beispiel aus der Gruppe ausgewählt sein, die eine Spannung (z.B. eine Schwellspannung eines Transistors), eine Temperatur, eine Frequenz, einen Widerstand, eine Kapazität, einen Strom und eine Signallaufzeit umfasst.
Die wenigstens eine Sensoreinheit 110 und/oder das eine oder die mehreren Sensorelemente können aus der Gruppe ausgewählt sein, die umfasst: einen Spannungssensor, einen Temperatursensor, eine PVT-Sensoreinrichtung, einen Ringoszillator, eine Verzögerungsleitung, einen Schwellspannungssensor, einen Widerstandssensor, insbesondere umfassend eine Widerstandsleitung, einen RAM-Zellen-Auslesespannungssensor, einen Analog-Digital-Wandler, und eine Daisy Chain, insbesondere eine Daisy Chain, die sich in einem Außenbereich des Halbleiter-Bauteils zumindest teilweise durch das Halbleiter-Bauteil (z.B. einen Metal Stack) erstreckt. Die genannten Elemente können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um den wenigstens einen Betriebsparameter des Halbleiter-Bauteils 100 zu erfassen.
Beispielsweise umfasst die wenigstens eine Sensoreinheit 110 einen oder mehrere PVT (Process, Voltage, Temperature)-Monitore. Basierend auf den vom PVT-Monitor bereitgestellten Daten kann eine exaktere Lebensdauervorhersage für das Halbleiter-Bauteil 100 erfolgen. Wenn die Lebensdauervorhersage zum Beispiel einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, kann bestimmt werden, dass ein Ausfall oder eine Funktionseinschränkung bevorsteht.
Die Daten des PVT-Monitors können durch das Überwachungsmodul 120 kontinuierlich ausgelesenen und bewertet werden. Hierdurch kann die Veränderung kritischer Parameter im Halbleiter-Bauteil 100 festgestellt und überwacht werden. Überschreitet oder unterschreitet der Parameter einen gewissen Schwellwert oder erfolgt eine starke Veränderung der Parameter z.B. in einem bestimmten (z.B. kurzen) Zeitraum, kann auf den drohenden Ausfall oder die drohende Funktionseinschränkung geschlossen werden.
Ergänzend oder alternativ kann der wenigstens eine Betriebsparameter bei einem Aufstarten des Halbleiter-Bauteils 100 erfasst und ausgewertet werden. Insbesondere kann das Überwachungsmodul 120 eingerichtet sein, um beim Aufstarten des Halbleiter-Bauteils 100 oder des zugehörigen Steuergeräts zu bestimmen, ob ein Ausfall oder eine Funktionseinschränkung bevorsteht.
Das Halbleiter-Bauteil 100 kann eine Vielzahl von Funktionsblöcken aufweisen, wobei jedem Funktionsblock eine Funktion oder Teilfunktion des Fahrzeugs zugeordnet sein kann. Insbesondere können zwei oder mehr Funktionsblöcke eine Funktion im Fahrzeug bereitstellen bzw. abbilden. Dies kann beispielsweise im Verbund mit anderen Halbleiter-Bauteilen und/oder Steuergeräten geschehen.
In einem oder mehreren Funktionsblöcken kann wenigstens eine Sensoreinheit 110 angeordnet sein. Insbesondere kann eine Vielzahl von Sensoreinheiten 110 über das Halbleiter-Bauteil 100 bzw. seine Funktionsblöcke verteilt sein. Das Überwachungsmodul 120 kann durch Auslesen der jeweiligen Sensoreinheiten 110 bestimmen, welche Funktionen oder Teilfunktionen von der Degradation betroffen sind und/oder ob das ganze Halbleiter-Bauteil betroffen ist. Die betroffene(n) Funktion(en) oder Teilfunktion(en) kann/können bei einem nächsten Start des Halbleiter-Bauteils nicht mehr zur Verfügung stehen und/oder können nur mit reduzierter Leistung zur Verfügung stehen.
Das Überwachungsmodul 120 kann ein internes oder ein externes Überwachungsmodul sein. In der 1 ist beispielhaft ein internes Überwachungsmodul dargestellt, das auf dem Halbleiter-Bauteil 100 angeordnet oder im Halbleiter-Bauteil 100 integriert ist. Wenn das Überwachungsmodul 120 auf oder im Halbleiter-Bauteil 100 angeordnet ist, kann eine geeignete Schnittstelle 10 zur Kommunikation zwischen der wenigstens einen Sensoreinheit 110 und dem integrierten Überwachungsmodul 120 vorgesehen sein. Wenn das Überwachungsmodul außerhalb des Halbleiter-Bauteils 100 angeordnet ist (nicht gezeigt), kann ebenfalls eine geeignete Schnittstelle 10 zur Kommunikation zwischen dem Halbleiter-Bauteil 100 bzw. der wenigstens einen Sensoreinheit 110 und dem externen Überwachungsmodul vorgesehen sein. Die Schnittelle 10 für die Kommunikation zwischen der wenigstens einen Sensoreinheit 110 und dem (internen oder externen) Überwachungsmodul 120 kann proprietär und/oder ein Standard Bus Interface und/oder eine Kombination davon sein (z.B. AHB, AXI, I2C, SPI, ETH, etc.).
Das System kann eine Prozessoreinheit 130 umfassen. Die Prozessoreinheit 130 kann eine interne oder eine externe Prozessoreinheit sein. In der 1 ist beispielhaft eine interne Prozessoreinheit 130 mit der durchgezogenen Line und eine externe Prozessoreinheit 130 mit der gestrichelten Linie dargestellt. Wenn die Prozessoreinheit 130 auf oder im Halbleiter-Bauteil 100 angeordnet ist, kann eine geeignete Schnittstelle 20 zur Kommunikation zwischen dem Überwachungsmodul 120 und der Prozessoreinheit 130 vorgesehen sein. Wenn die Prozessoreinheit 130 außerhalb des Halbleiter-Bauteils 100 angeordnet ist (gestrichelte Linie), kann ebenfalls eine geeignete Schnittstelle 20 zur Kommunikation zwischen dem Halbleiter-Bauteil 100 bzw. dem Überwachungsmodul 120 und der Prozessoreinheit 130 vorgesehen sein. Die Schnittelle 20 für die Kommunikation zwischen dem Überwachungsmodul 120 und der Prozessoreinheit 130 kann proprietär und/oder ein Standard Bus Interface und/oder eine Kombination davon sein (z.B. AHB, AXI, I2C, SPI, ETH, etc.).
Das Überwachungsmodul 120 kann ein Signal bzw. eine Statusmeldung bezüglich der Abweichung des Betriebsparameters von der Referenz über die Schnittstelle 20 an die Prozessoreinheit 130 ausgeben. Wenn die Abweichung gleich oder größer als eine Schwelle ist, kann das Signal bzw. die Statusmeldung derart ausgegeben werden, dass es/sie angibt, dass die Abweichung gleich oder größer als die Schwelle ist. Wenn die Abweichung gleich oder kleiner als die Schwelle ist, kann das Signal bzw. die Statusmeldung derart ausgegeben werden, dass es/sie angibt, dass die Abweichung gleich oder kleiner als die Schwelle ist.
Das Signal bezüglich der Abweichung kann geeignete Informationen umfassen bzw. geeignet ausgestaltet sein, um die Information bezüglich der Abweichung zu vermitteln. In einigen Ausführungsformen kann das Signal mit einem Logikpegel, also einem H-Pegel oder einem L-Pegel ausgegeben werden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese Logikpegel begrenzt und das Signal kann komplexe(re) Datenformate umfassen, um die Information bezüglich der Abweichung zu vermitteln. Zum Beispiel kann das Signal einen Wert bezüglich der Abweichung angeben, wie zum Beispiel einen Absolutwert der Abweichung (z.B. 3.3 Volt bei einer Schwelle von 3 Volt) oder einen Relativwert der Abweichung bezüglich der Schwelle (z.B. 0.3 Volt bei einer Schwelle von 3 Volt und einem Messwert von 3.3 Volt).
Die Prozessoreinheit 130 verarbeitet die Statusmeldungen und kann Aktionen und/oder Meldungen auslösen.
Zum Beispiel kann die Prozessoreinheit 130 basierend auf dem Signal bzw. der Statusmeldung eine Ausführung wenigstens einer Fahrzeugfunktion begrenzen oder verhindern. Zum Beispiel kann wenigstens eine betroffene Funktion bei einem nächsten Start des Halbleiter-Bauteils 100 nicht mehr zur Verfügung stehen („Funktionsabwurf“) und/oder kann nur mit reduzierter Leistung zur Verfügung stehen („Funktionsminderung“).
Die Fahrzeugfunktion kann zum Beispiel eine Komfort-Funktion, wie ein Infotainmentsystem oder ein Teil des Infotainmentsystems, sein. In einem weiteren Beispiel kann die Fahrzeugfunktion eine Fahrassistenzfunktion, wie zum Beispiel eine Funktion zum automatisierten (z.B. teil-autonomen oder voll-autonomen) Fahren sein, wobei die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Sicherheit für den Nutzer der Fahrassistenzfunktion verbessern können. Analog zu den Komfort-Funktionen kann auch hier frühzeitig ein Ausfall oder eine nicht zu tolerierende Leistungseinbuße der Komponente erkannt und der rechtzeitige Austausch veranlasst werden. Ergänzend oder alternativ kann beim nächsten Aufstart der Komponenten nur noch eine Teilfunktionalität zur Verfügung gestellt werden. Dadurch können auch eine Redundanz verringert werden, wodurch wiederum Kosten und eine Komplexität verringert werden.
In einigen Ausführungsformen kann eine Geschwindigkeit bestimmt werden, mit der sich der wenigstens eine Betriebsparameter ändert. Wenn die Änderung des wenigstens einen Betriebsparameters eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, also wenn eine Degradation im laufenden Betrieb zu schnell voranschreitet, können eine oder mehrere vordefinierte Maßnahmen veranlasst werden. Zum Beispiel kann im Falle einer automatisierten Fahrfunktion ein Nothalt durchgeführt werden, wenn eine zu schnelle Degradation des überwachten Halbleiter-Bauteils festgestellt wird. Zum Beispiel wird der baldige Ausfall eines Steuersystems für das autonome Fahren erkannt und veranlasst, dass das Auto rechts ranfährt.
Damit kann das System, wenn der kritische Parameter während des laufenden Betriebs gemessen wird und die erfassten Werte zu schnell wegdriften, auch schon während des Betriebs in einen sicheren Zustand gebrachtewerden.
Ergänzend oder alternativ zur den oben genannten Aktionen kann das System Meldungen ausgeben. Beispielsweise kann das System weiter ein Ausgabemodul umfassen, das eingerichtet ist, um Informationen bezüglich eines bevorstehenden Defekts bzw. Ausfalls und/oder einer Funktionseinschränkung des Halbleiter-Bauteils 100 an einen Nutzer auszugeben. Das Ausgabemodul kann im Fahrzeug integriert sein.
Vorzugsweise ist das Ausgabemodul eingerichtet, um die Informationen bezüglich des bevorstehenden Ausfalls und/oder der bevorstehenden Funktionseinschränkung sprachlich, visuell und/oder audiovisuell auszugeben. Das Ausgabemodul kann zum Beispiel ein Display und/oder einen Lautsprecher zur Ausgabe eines Nutzerhinweises umfassen. Der Nutzerhinweise kann zum Beispiel angeben, dass das Halbleiter-Bauteil 100 (oder ein Steuergerät, das das Halbleiter-Bauteil 100 umfasst) auszutauschen ist. Ergänzend oder alternativ kann der Nutzerhinweis eine verbleibende Betriebsdauer bis zu einem Ausfall und/oder der Funktionseinschränkung des Halbleiter-Bauteils 100 angeben.
In einigen Ausführungsformen kann das System ein Speichermodul 140 umfassen. Das Speichermodul 140 kann einen oder mehrere flüchtige Speicher umfassen. Das Speichermodul 140 kann ein internes und/oder ein externes Speichermodul umfassen oder sein. Zum Beispiel kann das Speichermodul als Kombination ausgebildet sein (interne + externen Speicher), z.B. um flexibel auf Anforderungen verschiedener Speichergrößen zu reagieren.
In der 1 ist beispielhaft ein internes Speichermodul 140 mit der durchgezogenen Line und ein externes Speichermodul 140 mit der gestrichelten Linie dargestellt. Wenn das Speichermodul 140 auf oder im Halbleiter-Bauteil 100 angeordnet ist, kann eine geeignete Schnittstelle 300 zur Kommunikation zwischen dem Überwachungsmodul 120 und dem Speichermodul 140 vorgesehen sein. Wenn das Speichermodul 140 außerhalb des Halbleiter-Bauteils 100 angeordnet ist (gestrichelte Linie), kann ebenfalls eine geeignete Schnittstelle 30 zur Kommunikation zwischen dem Halbleiter-Bauteil 100 bzw. dem Überwachungsmodul 120 und dem Speichermodul 140 vorgesehen sein. Das Speichermodul 140 kann zum Beispiel extern als eigenständiger Halbleiter angebunden sein. Die Schnittelle 30 für die Kommunikation zwischen dem Überwachungsmodul 120 und dem Speichermodul 140 kann proprietär und/oder ein Standard Bus Interface und/oder eine Kombination davon sein (z.B. AHB, AXI, I2C, SPI, ETH, etc.).
Im Speichermodul 140 kann die Referenz beispielsweise in Form von Schwellwerten oder Änderungsschwellwerten gespeichert sein. Das Überwachungsmodul 120 kann den Schwellwert aus dem Speichermodul 140 auslesen und mit dem Betriebsparameters (z.B. eine Temperatur, Spannung, etc.) abgleichen. Ähnlich kann das Überwachungsmodul 120 den Änderungsschwellwert aus dem Speichermodul 140 auslesen und mit der zeitlichen Änderung des Betriebsparameters (z.B. eine Temperatur, Spannung, etc.) abgleichen. Wenn basierend auf dem Abgleich ein drohender Ausfall oder eine drohende Funktionsminderung erkannt wird, kann zum Beispiel die Prozessoreinheit 130 informiert werden, die wiederum einen Funktionsabwurf und/oder eine Funktionsminderung veranlassen kann. Ergänzend oder alternativ kann der Nutzer über das Ausgabemodul über den drohenden Ausfall oder die drohende Funktionsminderung informiert werden. Der Nutzer kann dann proaktiv zum Beispiel das Steuergerät tauschen lassen.
Das Überwachungsmodul 120 kann in einigen Ausführungsformen eingerichtet sein, um die wenigstens eine Sensoreinheit 110 auszulesen und die ausgelesenen (aktuellen) Werte der wenigstens einen Sensoreinheit 110 im Speichermodul 140 zu speichern. Die Speicherung kann nach definierten Kriterien erfolgen, wie zum Beispiel bei einem End-of-Line Test, einem Bootup, vordefinierten Zeitpunkten/Intervallen etc. Die Sensorwerte können mit oder ohne Zeitstempel gespeichert werden.
In einigen Ausführungsformen können die so gespeicherten Werte die Referenz bilden. Insbesondere kann das Überwachungsmodul 120 die aktuellen Sensorwerte mit den zuvor gespeicherten Werten (mit oder ohne zeitlichen Bezug) abgleichen. Das Überwachungsmodul 120 signalisiert Statusmeldungen über vordefinierte Schnittstellen (interne/externe Signale, Register, Busnachrichten, etc.) an die Prozessoreinheit 130, die basierend darauf Aktionen und/oder Meldungen veranlasst. Ergänzend oder alternativ können die Sensorwerte zum Beispiel selektiert nach definierten Kriterien über eine vorhandene Kommunikationsfunktion an ein Backend (z.B. Serverinfrastruktur) übertragen werden (siehe auch 2).
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Halbleiter-Bauteil 100 eine erste Schaltung und eine zweite Schaltung, wobei die erste Schaltung und die zweite Schaltung in ihrem Aufbau identisch sein können. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf zwei Schaltungen begrenzt und das Halbleiter-Bauteil 100 kann mehr als zwei Schaltungen bzw. drei oder mehr Schaltungen umfassen.
In einigen Ausführungsformen sind die erste Schaltung und die zweite Schaltung Ringoszillatoren. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf Ringoszillatoren begrenzt und es können andere geeignete Schaltungen verwendet werden. Beide Schaltungen können jeweils den gleichen Betriebsparameter bereitstellen, der von einer jeweiligen Sensoreinheit erfasst wird. Die erste Schaltung kann eine Funktion oder eine Teilfunktion des Halbleiter-Bauteils bereitstellen oder dazu beitragen. Die zweite Schaltung kann die Referenz sein, mit der der wenigstens eine Betriebsparameter der ersten Schaltung abgeglichen wird.
Zum Beispiel können die erste Schaltung und die zweite Schaltung unterschiedlich betrieben werden, wobei sich Unterschiede in den gemessenen Betriebsparametern ergeben. Zum Beispiel kann die zweite Schaltung nur zu definierten Zeitpunkten, wie bei einem Aufstart des Halbleiter-Bauteils, zeitlich begrenzt betrieben werden, um einen Referenz-Betriebsparameter zu erhalten. Die erste Schaltung kann hingegen „normal“ betrieben werden. Wenn die Abweichung zwischen dem Betriebsparameter der normal betriebenen ersten Schaltung und dem Referenz-Betriebsparameter der wenig betriebenen zweiten Schaltung gleich oder größer als ein Schwellwert ist, kann zum Beispiel die Prozessoreinheit 130 informiert werden, die wiederum einen Funktionsabwurf und/oder eine Funktionsminderung veranlassen kann. Dies ist oben beschrieben und wird hier nicht wiederholt.
2 zeigt ein System zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs 1 gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Das Fahrzeug 1 umfasst eines oder mehrere Halbleiterbauteile 100. Jedes der Halbleiterbauteile 100 umfasst wenigstens eine Sensoreinheit und/oder eine Überwachungseinheit und/oder ein Speichermodul und/oder eine Prozessoreinheit. Zum Beispiel umfasst jedes der Halbleiterbauteile 100 wenigstens eine Sensoreinheit, eine Überwachungseinheit und ein Speichermodul.
Das System umfasst die Prozessoreinheit 210, wie beispielsweise eine CPU. In einigen Ausführungsformen umfasst jedes Halbleiterbauteil 100 eine interne Prozessoreinheit. Bei einer dadurch möglichen Auswertung und Erkennung von Parameterabweichung innerhalb des Fahrzeugs 1 ergeben sich die Vorteile, dass eine Vorhersage für eine verbleibende Lebensdauer des Halbleiter-Bauteils 100 bzw. eines Ausfalls erfolgen kann. Die Vorhersage kann zum Beispiel mittels statistischer Methoden und/oder Machine Learning (ML) erfolgen. Zudem können Maßnahmen eingeleitet werden, wie zum Beispiel die Funktionsminderung und/oder der Funktionsabwurf.
In weiteren Ausführungsformen ist die Prozessoreinheit 210 eine externe Prozessoreinheit. Die externe Prozessoreinheit kann innerhalb des Steuergeräts (ECU) auf einer zusätzlichen Recheneinheit implementiert sein. In einem weiteren Beispiel kann die externe Prozessoreinheit in einem anderen Steuergerät innerhalb des Fahrzeugs 1 implementiert sein. In einem noch weiteren Beispiel kann die externe Prozessoreinheit außerhalb des Fahrzeugs 1 zum Beispiel auf einer Backend-Infrastruktur (z.B. Cloud) implementiert sein.
Zum Beispiel kann das Fahrzeug 1 ein Kommunikationsmodul umfassen, das eingerichtet ist, um über eine Kommunikationsverbindung 222 mit dem Backend 220 zu kommunizieren. Die Statusmeldungen der Halbleiterbauteile 100 bezüglich der erfassten Abweichung können über die Kommunikationsverbindung 222 an das Backend 220 übermittelt werden.
Das Kommunikationsmodul 220 kann eingerichtet sein, um in einem mobilen Netzwerk über lokale Netzwerke bzw. Local Area Networks (LANs), wie z.B. Wireless LAN (WiFi/WLAN), oder über Weitverkehrsnetze bzw. Wide Area Networks (WANs) wie z.B. Global System for Mobile Communication (GSM), General Package Radio Service (GPRS), Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE), Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), High Speed Downlink/Uplink Packet Access (HSDPA, HSUPA), Long-Term Evolution (LTE), oder World Wide Interoperability for Microwave Access (WIMAX) drahtlos zu kommunizieren. Eine Kommunikation über weitere gängige oder künftige Kommunikationstechnologien, z.B. 5G-Mobildunksysteme, ist möglich.
Bei der Auswertung im Backend 220 können Trends innerhalb einer Fahrzeugflotte zum Beispiel mit statistischen Methoden und/oder Machine Learning erkannt werden. Zudem kann ein lokaler Unterschied in der Degradierung der Halbleiter-Bauteile erkannt werden. Zum Beispiel können Halbleiter-Bauteile in unterschiedlichen Ländern aufgrund eines Klimas unterschiedlich schnell degradieren.
3 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens 300 zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Das Verfahren 300 umfasst im Block 310 ein Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters des Halbleiter-Bauteils mittels wenigstens einer Sensoreinheit auf dem Halbleiter-Bauteil oder im Halbleiter-Bauteil, und im Block 320 ein Ermitteln einer Abweichung zwischen dem erfassten wenigstens einen Betriebsparameter und einer Referenz.
Das Verfahren 300 kann die Aspekte des in diesem Dokument beschriebenen Systems zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs implementieren. Zudem kann das System die in diesem Dokument beschriebenen Aspekte des Verfahrens 300 zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen eines Fahrzeugs implementieren.
Erfindungsgemäß wird das Halbleiter-Bauteil bzw. Halbleiterbauelement aktiv überwacht, wodurch ein Ausfall oder eine Funktionseinschränkung des Halbleiter-Bauteils frühzeitig und in Echtzeit erkannt werden kann. Bei einem drohenden (aber noch nicht eingetretenen) Ausfall oder einer drohenden Funktionsminderung können proaktiv Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Zum Beispiel können Informationen bezüglich des bevorstehenden Ausfalls oder der bevorstehenden Funktionsminderung an einen Nutzer ausgegeben werden, wie beispielsweise eine Anweisung zu einem Austausch des Halbleiter-Bauteils oder eines Steuergeräts, in dem das Halbleiter-Bauteil enthalten ist. Hierdurch kann ein Ausfall oder eine Funktionseinschränkung von Fahrzeugfunktionen, wie zum Beispiel eines Infotainmentsystems, verhindert werden, wodurch ein Nutzerkomfort verbessert werden kann. Zudem kann der Ausfall oder eine Funktionseinschränkung sicherheitsrelevanter Fahrzeugfunktionen verhindert werden, wodurch die Sicherheit für den Kunden verbessert und/oder eine Redundanz reduziert werden kann.

Claims

System zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen (100) eines Fahrzeugs (1), umfassend: wenigstens ein Halbleiter-Bauteil (100); wenigstens eine Sensoreinheit (110), die auf dem wenigstens einen Halbleiter-Bauteil (100) angeordnet oder darin (100) integriert ist, wobei die wenigstens eine Sensoreinheit (110) eingerichtet ist, um wenigstens einen Betriebsparameter des wenigstens einen Halbleiter-Bauteils (100) zu erfassen; und ein Überwachungsmodul (120), das eingerichtet ist, um eine Abweichung zwischen dem erfassten wenigstens einen Betriebsparameter und einer Referenz zu ermitteln.
Das System nach Anspruch 1, wobei das Überwachungsmodul (120) eingerichtet ist um, wenn die Abweichung gleich oder größer als eine Schwelle ist, ein Signal auszugeben, das angibt, dass die Abweichung gleich oder größer als die Schwelle ist.
Das System Anspruch 2, weiter umfassend ein Ausgabemodul, das eingerichtet ist, um Informationen bezüglich eines bevorstehenden Ausfalls oder einer Funktionseinschränkung des wenigstens einen Halbleiter-Bauteils (100) an einen Nutzer auszugeben, wenn die Abweichung gleich oder größer als die Schwelle ist.
Das System nach Anspruch 2 oder 3, weiter umfassend eine Prozessoreinheit (130), die mit dem Überwachungsmodul (120) in Kommunikationsverbindung ist, wobei die Prozessoreinheit (130) eingerichtet ist, um auf einen Empfang des Signals vom Überwachungsmodul (120) hin eine Ausführung wenigstens einer Fahrzeugfunktion zu begrenzen oder zu verhindern.
Das System nach Anspruch 4, wobei die Prozessoreinheit (130) auf dem wenigstens einen Halbleiter-Bauteil oder außerhalb des wenigstens einen Halbleiter-Bauteils angeordnet ist, und/oder wobei die Prozessoreinheit (130) und das Überwachungsmodul (120) in einer Einheit integriert sind.
Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Überwachungsmodul (120) auf dem wenigstens einen Halbleiter-Bauteil (110) oder außerhalb des wenigstens einen Halbleiter-Bauteils angeordnet ist.
Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Referenz ein absoluter Schwellwert, ein relativer Schwellwert oder ein Änderungsschwellwert ist.
Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter umfassend ein Speichermodul (140), wobei die Referenz im Speichermodul (140) gespeichert ist.
Das System nach Anspruche 8, wobei das Speichermodul (140) auf dem wenigstens einen Halbleiter-Bauteil (100) oder außerhalb des wenigstens einen Halbleiter-Bauteils (100) angeordnet ist.
Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das wenigstens eine Halbleiter-Bauteil (100) eine erste Schaltung und eine zweite Schaltung umfasst, wobei die erste Schaltung den wenigstens einen Betriebsparameter bereitstellt, wobei die erste Schaltung und die zweite Schaltung unterschiedlich betrieben werden, und wobei die zweite Schaltung die Referenz ist.
Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Spannung, einer Temperatur einer Frequenz, einem Widerstand, einer Kapazität, einem Strom und einer Signallaufzeit besteht.
Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Sensormodul (110) eingerichtet ist, um den wenigstens einen Betriebsparameter kontinuierlich zu erfassen, und wobei das Überwachungsmodul (120) eingerichtet ist, um die Abweichung kontinuierlich zu ermitteln.
Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die wenigstens eine Sensoreinheit (110) wenigstens ein Element umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem Folgenden besteht: (i) einem Spannungssensor, (ii) einem Temperatursensor, (iii) einer PVT-Sensoreinrichtung, (iv) einem Ringoszillator, (v) einer Verzögerungsleitung, (vi) einem Schwellspannungssensor, (vii) einem Widerstandssensor, insbesondere umfassend eine Widerstandsleitung, (viii) einem RAM-Zellen-Auslesespannungssensor, (ix) einem Analog-Digital-Wandler, (x) einer Daisy Chain, und insbesondere einer Daisy Chain, die sich in einem Außenbereich des Halbleiter-Bauteils zumindest teilweise durch das Halbleiter-Bauteil erstreckt, und (xi) Kombinationen davon.
Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Überwachungsmodul (120) und/oder die Prozessoreinheit (140) für einen Einbau im Fahrzeug (1) eingerichtet ist, oder wobei das Überwachungsmodul (120) und/oder die Prozessoreinheit (140) in einem Backend implementiert ist.
Fahrzeug (1), insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend das System nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Verfahren (300) zur Überwachung von Halbleiter-Bauteilen (100) eines Fahrzeugs (1), umfassend: Erfassen (310) wenigstens eines Betriebsparameters wenigstens eines Halbleiter-Bauteils (100) mittels wenigstens einer Sensoreinheit (110) auf dem wenigstens einen Halbleiter-Bauteil oder im wenigstens einen Halbleiter-Bauteil (100); und Ermitteln (320) einer Abweichung zwischen dem erfassten wenigstens einen Betriebsparameter und einer Referenz.
Speichermedium mit einem Software-Programm, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das Verfahren (300) nach Anspruch 16 auszuführen.