「汽车级芯片」到底有什么不同?

随着车载应用平台的成熟,全球汽车电子的产值将会因此而大幅成长。车用 IC 的在 2018 前的年复合成长率为 10.8%,为更领域之最,其中亚太区的车用 IC 更高达 20%,IC 业者无不磨刀霍霍地准备强攻此新蓝海市场。

车用 IC 的市场相较于资通讯科技(ICT)产业的最大差异为市场较为封闭,且前期的开发及验证期可能长达 3 年,对台湾、中国大陆 IC 业者已习惯即时上市(Time to Market)的运作模式相悖,价值理念也不尽相同

打入车电供应链门槛为 AEC 和 ISO/TS 16949

要进入车辆领域,打入各一级(Tier1)车电大厂供应链,必须取得两张门票:

  • 第一张是由北美汽车产业所推的 AEC-Q100(IC)、101(离散元件)、200(被动零件)可靠度标准;
  • 第二张门票,则要符合零失效(Zero Defect)的供应链品质管理标准 ISO/TS 16949 规范(Quality Management System),其关连性可参考图 1 说明。

图 1  车用零组件基本要求说明图

车用零组件市场差异左右可靠度品质要求

汽车零组件市场可以大致区分为三部分,包括 OEM/ODM(正厂出厂零件)/OES(正厂维修零件)、DOP(Dealer Option,经销商选配零件)、AM(After Marketing,副厂零件)。

对客户的失效率预估及备品备置策略会因决定进入不同市场而有所变化,OEM/ODM/OES 为原厂保固,因其保固期较长,各车厂需要在制造及售后服务的成本之间取得平衡,IC 供应商要进入的门槛较高。DOP 则为各经销商因在地市场的销售策略需求所做的选配项目,进入门槛与上述相近,售后市场(AM)与原厂保固无关,所以相对进入门槛和成本较低。另一面向为 AM 的产品类型较多属于影音周边与主被动安全无关,所要求的可靠度也低于原厂零件(图 2)。

图 2  车用零组件市场差异

了解车用 IC 规范 AEC-Q100 验证流程

那么,IC 设计业者该如何进入车用 IC 供应链呢?首先应先了解其中的一张门票 AEC-Q100。图 3 为 AEC-Q100 规范中的验证流程,此图是以 Die Design→Wafer Fab.→PKG Assembly→Testing 的制造流程来绘制,各群组的关联性须要参考图中的箭头符号,这里将验证流程分为五个部分进行简易说明,各项测试的细节部分就不再细述。

图 3  AEC-Q100验证流程

Design House

区域 1 为可靠度实验前后的功能测试,此部分须要 IC 设计公司与测试厂讨论执行方式,与一般 IC 验证主要差异在功能测试的温度设定,此部分稍后会进行说明。

Wafer Foundry

Group D 的区域 2 为晶圆厂在晶圆级(Wafer Level)的可靠度验证,无晶圆(Fabless)的 IC 业须与委托制造的晶圆厂取得相关资料。

Reliability Test

区域 3 为可靠性视产品包装/特性需要执行的项目,AEC 将其分为 Group A(加速环境应力实验)、Group B(加速工作寿命模拟)、Group C(封装完整性测试)、Group E(电性验证测试)、Group G(空腔/密封型封装完整性测试)。

Design Verification

部分 Group E 的区域 4 为设计阶段的失效模式与影响分析评估,成品阶段的特性验证以及故障涵盖率计算。

Production Control

Group F 的区域生产阶段的品质控管,包含良率/Bin 使用统计手法进行控管及制定标准处理流程。

读解 AEC-Q100 H 版本新要求

自 2007 年 5 月,AEC-Q100 H 版发布后,时隔 7 年以上的时间,2014 年 9 月,G 版发布,此段内文将探讨 AEC-Q100 H 版与 G 版之间的主要差异,及改版后规范的说明。

检视温度等级

IC 供应商必须先了解终端客户如何使用此 IC 及其在车内的安装位置,以实际应用的温度范围来订定合适的温度等级,此温度等级定义会应用在两个部分。

第一部分为测试计画展开时各可靠度实验的条件选择,如温度循环(Temperature Cycling,TCT)实验,不同等级的温变范围及温差循环数会有差异。

第二部分为前述的可靠度实验前后功能性测试温度必须依照使用者(User)所订定的温度范围来做功能应用的最后测试(Final Test,FT)测试,订定温度等级为 Grade 1(-40℃∼125℃),则代表FT时使用低温 -40℃、常温 25℃ 及高温 125℃,且须要留意其测试温度有先后顺序的订定。如高温工作寿命(High Temperature Operating Life,HTOL)实验在 FT 测试定义顺序为 Room→Cold→Hot。

新版的部分取消了 Grade 4 0℃∼70℃ 的温度等级(表 1),此温度等级若比对车用模组在 ISO 16750/SAE J1211 等规范内的描述是无法对应到合适的产品,因此笔者认为取消此温度等级是更贴近实际模组的要求。

表 1  Temperature Grade定义

比较实验项目

在新版中,增减项目包括以下所述的两种。

取消:高温闸极漏电测试及静电放电中的机器模型

闸极漏电(Gate Leakage,GL)的部分主要在模拟车用模组应用时所可能遭遇高温及高电场同时发生的环境,此环境会让 IC 封装(Package)内的等效电容及电阻产生 GL 的失效,此失效现象可经由高温烘烤的方式恢复。

取消的原因规范中未有说明,但以多年累积的验证测试经验来看,此失效模式常发生在预烧(Burn-In)及回焊(Reflow)的过程,虽规范已取消,在生产过程或实际应用客退若有相同失效发生,仍可使用此手法进行再现性实验。

机器模型(Machine Mode,MM)的部分则与 JEDEC 的 JESD47 规范同步,一是人体模式(Human Body Model,HBM)可以等效 MM 的实验结果,二是元件充电模式(Charged Device Model,CDM),重要性更胜于 MM,因此应多著重在 CDM 的测试。

至于文献中提到的 HBM 与 MM 的关联性,以实务经验来看,仍有部分产品的 ESD 防护电路在 HBM 和 MM 上是有所差异的,规范虽然取消此项目,但 IC 业者仍须要面对当 ESD 客退发生时的处理,ESD 定义为设计验证,所以目前各家厂商仍将其列为标准测试项目。

新增:Lead(Pb) Free(无铅)实验

车电与医疗产业不同于资通讯科技产业,车电与医疗产业注重的科技是技术成熟性、可靠性以及零失效,而非资通讯科技所追求最先进的技术,因此,车用电子产品在无铅制程的转换时程是比消费性产品来得晚,此次正式列入测试项目也代表无铅制程的转换已相当成熟,但仍允许部分如引擎室内高温应用等产品使用有铅制程。无铅的验证项目则包含可焊性(Solderability)、SolderHeat Resistance 以及锡须(Whisker)。

改变实验条件

主要实验条件改变的部分在于高温工作寿命(HTOL)及温度循环(TCT)两项实验,其余如打线(Wire Bonding)的相关实验则是取消 Ppk 的计算使用 Cpk 则可、Solderability 则说明可由烘烤替代蒸气老化、Group G 部分的实验样品数则略为减少,测试项目所参考规范调整的部分请自行参阅,在此不细述。

  • HTOL

有三个部分,一为实验时间增长皆为 1000 Hrs,二为清楚定义温度为连接温度(Junction Temperature,Tj),三为实验高温对齐 Grade 的定义。

  • TCT

最低标的低温温度由 -50℃ 调整为 -55℃,Cycle 数的部分则有部分提升,仍可参考 JESD22-A104 的规范进行等效实验条件的替换。实验条件的部分可再参考稍后第五部分的说明,将可更理解此次规范变更所要表达含意。

何谓通用性资料

先以图 4 来说明通用性资料(Generic Data)的基本含意,A、B 两个产品若使用相同制程或材料,则可初步定义为同一家族系列产品,若对 A 产品进行完整 AEC Q-100 Qualification,相同制程或材料的部分所产出的测试结果则称之为 Generic Data,先不论验证的数量与程序,只要 Generic Data 的定义符合 AEC-Q100 的说明,B 产品进行剩余项目的验证后再加上 Generic Data,则可宣告 B 产品也通过 AEC-Q100。

图 4  Qualification Family 及 Generic Data

此次新的版本对于 Generic Data 及 Qualification Family 的定义及使用原则有较清晰的说明,并且简化其认证程序,同时以情境模拟案例说明哪些制程变更时应进行哪些实验项目与 Lot 数量,都有较明确的定义,因内容过多,若有需要可以再参阅规范。

拟定测试计画

本文中最重要、也是此次改版中变动最大的部分是,呼应美国汽车工程师协会在规范SAE-J1879/J1211中强调的强韧性/稳健性验证(Robustness Validation),验证计画应思考的是,因应该产品在实际应用环境所面临的使用条件而拟定的,而非以单一测试标准/条件来适用所有产品,也就是应用测试(Test for Application),而非标准测试(Test for Standard)。

当拟定一个合适的验证计画时,第一步为制定该元件被设计/生产的目的,称之为  Mission Profile,除了满足功能性的任务外,要再加上可靠度的任务,表 2 为汽车的  Mission Profile 参数范例。

表 2 Example of Vehicle Mission Profile

IC 供应商须考量不同应用功能的元件将会对应不同的 Mission Profile,若 IC 工作行为是在非作业时间(Non-Operating Time),如警报器等的应用,则工作时间(Life Time)条件应满足 116400 Hrs 在常温的情况。

若 IC 仅在 Engine On 时工作,那 Mission Profile 就必须要满足 12000 Hrs 的寿命时间,及其工作位置的使用温度,假定 Engine On 时该 IC 平均的工作温度 Junction Temperature (Tj)=87℃,使用的 HTOL 测试温度为 125℃,活化能设定为 0.7 eV,接下来使用阿累尼亚斯模型(Arrhenius Model)来计算实验时的温度加速率,如公式 1 计算:

AFT = exp(Ea/k) *(1/Tuse-1/Tstress)

(公式 1)

如此即可算出温度加速率 AFT=8.6232,以上述的设定目标寿命为 12000 Hrs,因此 HTO 实验时间应为 12000 Hrs/8.6232 = 1392 Hrs。

除了温度加速的范例,包含温度循环/湿度的加速公式已列在新规范中,可再参考规范内文。

上述范例旨在说明如何以终端产品实际应用的 Mission Profile 来设计合适的测试计画,相信很多从事 IC 设计的品管单位都相当熟悉,本文要表达的是规范将逐渐舍弃以单一标准来订定,而是交由终端使用者(End User)与零组件制造商(Component Manufacturer)来共同制定合宜的验证计画。

制定相应验证步骤方能打入车厂供应链

消费性产品的产品功能设计,一般 IC 设计业者早已驾轻就熟,而这一两年,随着汽车市场逐步走向车联网、电动车领域,需要更多驾驶资讯辅助整合系统,也让 IC 设计业者找到进入市场的敲门砖。

然而,消费性电子产品而言,产品寿命设计约 1∼3 年为汰换周期,但车用电子则以 10 年起跳,上看 15 年寿命期。如何寻找有经验的实验室,协助客户了解车规,制定相对应的 AEC-Q 100 验证步骤与手法,顺利进入车厂供应链,是极为重要的事。

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