目前汽車電子委員會 (AEC ) 發(fā)布的 AEC Q101《基于失效機(jī)理的汽車用分立器件應(yīng)力試驗鑒定要求》已得到行業(yè)的廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。通過汽車 AEC Q101 鑒定的分立器件，是目前可靠性最高的民用分立器件，其應(yīng)用已逐步擴(kuò)展到醫(yī)療、航空、航天等高可靠裝備中。國內(nèi)對車規(guī)級分立器件質(zhì)量保證要求研究不多，現(xiàn)有研究也主要側(cè)重鑒定考核項目。2021 年 3 月 AEC 發(fā) 布 了 AEC Q101E 版， 本 文 結(jié) 合AEC Q101E 版相對 D 版的修訂情況，從鑒定考核要求、鑒定擴(kuò)展、關(guān)鍵檢驗項目試驗應(yīng)力的確定原則以及局限性和應(yīng)對策略 4 個方面對車規(guī)級分立器件的質(zhì)量保證要求進(jìn)行研究。

鑒定考核要求

汽車是一種預(yù)期壽命很長的制品，其工作時要承受高溫，高濕，低溫等嚴(yán)酷自然環(huán)境的考驗，氣溫變化快，振動劇烈，但是汽車對于關(guān)鍵組件（例如安全氣囊控制系統(tǒng)，剎車系統(tǒng)等等）可靠性要求很高，上述因素造成汽車廠商對于車規(guī)級分立器件可靠性要求很高，鑒定考核項目多，試驗應(yīng)力惡劣。AEC Q101D 版將所有的鑒定考核項目都列在一個檢驗表中，缺乏條理性。此次修訂，AECQ101E 版將檢驗項目分為加速環(huán)境應(yīng)力試驗、加速壽命試驗、封裝完整性試驗、芯片制造可靠性試驗和電性能驗證試驗 5 個群組，共包括 57 項檢驗。分立器件的封裝形式分為氣密封裝和非氣密封裝 ( 塑封 ) 兩種，目前民用產(chǎn)品的封裝以非氣密封裝為主，AEC Q101 規(guī)定的大部分檢驗也是針對塑封封裝器件制定的。

1.加速環(huán)境應(yīng)力試驗

加速環(huán)境應(yīng)力試驗主要是考核器件對高溫，高濕和溫度變化環(huán)境應(yīng)力的抵抗能力，包括預(yù)處理和帶有偏置的強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗、不帶偏置強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗，溫度循環(huán)試驗以及功率循環(huán)試驗等，其具體項目及要求如表1所示。該分組每項試驗的樣品需從3個非連續(xù)生產(chǎn)批中抽取，每批抽取77只器件，不允許出現(xiàn)任何失效。

AEC Q101 規(guī)定的加速環(huán)境應(yīng)力試驗主要考核器件耐環(huán)境應(yīng)力的能力。

(1) 預(yù)處理的對象只是表面裝設(shè)的分立器件。表面安裝裝置引出端離本體很近，在焊接過程中會承受很大的熱應(yīng)力，若裝置的材質(zhì)吸收了潮氣就會造成爆米花。對模擬器件安裝過程中所受熱應(yīng)力進(jìn)行預(yù)處理，其主要步驟有電測試，外部目檢，溫度循環(huán)測試（5次），烘焙測試，吸潮測試，模擬回流焊測試（3次）以及終點電測試。實施三次回流焊，即模擬器件雙面安裝，一次性返工。

(2) 帶偏置的強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗是通過施加嚴(yán)酷的溫度、濕度和偏置條件加速潮氣穿透外部保護(hù)材料 ( 塑封料 )。GB/T 4937.4-2012《半導(dǎo)體器件 機(jī)械和氣候試驗方法 第 4 部分 ：強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗 (HAST)》 規(guī) 定“130 ℃，96 h 的 HAST 試 驗 產(chǎn) 生的失效機(jī)理與相對濕度 85%，85 ℃，1 000 h 的高溫高濕反偏 (H3TRB) 試驗相同”。HAST 試驗使用了超出正常使用條件的環(huán)境應(yīng)力，加速系數(shù)較大，可能誘發(fā)正常條件下不會發(fā)生的失效。AEC Q101 規(guī)定HAST 試驗的電壓不超過 42 V，H3TRB 試驗的電壓不超過 100 V，主要原因是試驗時濕度較高，較高的電壓容易導(dǎo)致試驗箱內(nèi)產(chǎn)生電火花。隨著試驗設(shè)備的進(jìn)步以及碳化硅等高壓器件對施加較高偏置電壓的需求，今后器件承制方需要根據(jù)實際情況提高試驗時施加的偏置電壓。

(3) 溫度循環(huán)試驗?zāi)M溫度劇烈變化對器件的影響，考核器件承受由于不同材料熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的內(nèi)部剪切應(yīng)力的能力。AEC Q101 規(guī)定試驗最低溫度為 -55 ℃，最高溫度為器件的最高結(jié)溫，循環(huán)次數(shù)為 1 000 次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)于普通民用產(chǎn)品。例如，GB/T 12560:1999《半導(dǎo)體器件 分立器件分規(guī)范》規(guī)定的循環(huán)次數(shù)為 500 次循環(huán)。AEC Q101E 規(guī)定試驗后可以選擇 ：進(jìn)行 125 ℃下全部電參數(shù)的測試之后進(jìn)行開封并選取 5 只器件進(jìn)行鍵合強(qiáng)度測試，或者進(jìn)行超聲掃描，如果出現(xiàn)分層，則選取分層最嚴(yán)重的 5只器件進(jìn)行開封并進(jìn)行鍵合強(qiáng)度試驗，如果通過鍵合強(qiáng)度試驗，則器件通過該分組試驗。

(4) 間歇式工作壽命試驗通過間歇式給器件加電/停電來達(dá)到改變器件溫度、考核器件結(jié)構(gòu)及材料承受因溫度改變而引起內(nèi)部剪切應(yīng)力能力的目的。相對于溫度循環(huán)，間歇工作壽命通過設(shè)備本身發(fā)熱來達(dá)到改變溫度的目的，在測試過程中設(shè)備內(nèi)部會出現(xiàn)溫度梯度現(xiàn)象，對于設(shè)備的評價更加苛刻。

間歇工作壽命試驗中存在2個關(guān)鍵考核條件——加電/停電所達(dá)到結(jié)溫或殼溫，以及加電/停電周期次數(shù)。對于傳統(tǒng)的金屬陶瓷封裝，容易判斷殼溫的變化，因此一般規(guī)定殼溫的變化量。對塑封分立器件而言，許多封裝形式都難以監(jiān)控殼溫變化量，因為塑料是一種不良的熱導(dǎo)體。因此 AEC Q101 規(guī)定通過監(jiān)測結(jié)溫的變化控制加電和斷電，并給出了結(jié)溫變化 100 ℃和 125 ℃兩個條件。

對于循環(huán)次數(shù)，AEC Q101D 版和 AEC Q101E 版規(guī)定需要進(jìn)行的循環(huán)次數(shù)，同時又提供了計算循環(huán)次數(shù)的公式。以結(jié)溫溫升 100 ℃條件下的循環(huán)次數(shù)為例，循環(huán)次數(shù)為 15 000 次，計算公式為 60 000/(x+y)，x、y 為實現(xiàn)結(jié)溫變化所需最短加電和斷電時間。以加電 2 min，斷電 4 min 為例，循環(huán)次數(shù)為 60 000/(2+4)=10 000 次循環(huán)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，AEC Q101C 版是根據(jù)封裝體積確定循環(huán)次數(shù)要求的 ：小體積器件 ( 例如 TO-220 封裝 )加電和斷電時間分別為 2 min，需要 15 000 次循環(huán) ；中等體積器件 ( 例如 TO-3、TO-247 封裝 ) 加電和斷電時間分別為 3.5 min，需要 8 572 次循環(huán) ；大體積器件加電和斷電時間分別為 5 min，需要 6 000 次循環(huán) ；無引線器件需要按照 60 000/(x+y) 進(jìn)行計算，最多不超過 15 000 次循環(huán)。由于封裝形式越來越多，不易區(qū)分，因此 AEC Q101D 版和 AEC Q101E 版對以上原則進(jìn)行了簡化，這也導(dǎo)致部分內(nèi)容不易理解。

2 加速壽命試驗

加速壽命試驗就是用加電方法來加速器件劣化，以評定器件壽命能否達(dá)到規(guī)定要求，具體步驟及要求如表2所示。AEC Q101E版本指定加速壽命試驗由高溫反偏與高溫柵偏2組組成，每組試驗時間為1000 h，閘流晶體管的高溫反偏用交流阻斷試驗代替，齊納二極管的高溫反偏用穩(wěn)態(tài)工作試驗代替。高溫柵偏只對場效應(yīng)晶體管有效。該分組每項試驗的樣品需從3個非連續(xù)生產(chǎn)批中抽取，每批抽取77只器件，不允許出現(xiàn)任何失效。

3 封裝完整性試驗

AEC Q101E 版規(guī)定的封裝完整性試驗主要考核器件的機(jī)械特性，包括對鍵合工藝、芯片粘接工藝、耐受焊接時熱量的能力、耐機(jī)械應(yīng)力的考核，具體項目和要求見表 3。其中，恒定加速度、掃頻振動、機(jī)械沖擊和密封試驗僅適用于氣密封裝器件，且需要串序進(jìn)行。該分組的樣品從 1 個生產(chǎn)批中抽取。

4 芯片制造可靠性試驗

這種分組試驗在MOSFET,IGBT中都有應(yīng)用，其具體內(nèi)容就是通過考察柵極上氧化層的絕緣完整性來評價芯片制造過程對器件可靠性產(chǎn)生的影響。在芯片制造工藝改變之前和之后，都要做這個測試。

5 電特性驗證

電特性驗證主要是為了檢驗器件電特性能否達(dá)到規(guī)定要求，其具體條目及要求如表4所示。普通民用器件只需檢定常溫電參數(shù)指標(biāo)，AEC Q101中規(guī)定需檢定器件高溫，常溫及低溫電參數(shù)指標(biāo)全部合格。非嵌位感性負(fù)載開關(guān)試驗評估了MOS與IGBT在系統(tǒng)應(yīng)用過程中遇到極端電熱應(yīng)力時的容量，通過該試驗，可以獲得MOS器件對能量的耐受容量。

6 銅絲鍵合器件的鑒定

隨著銅絲鍵合生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，銅絲鍵合器件市場占有率越來越大，但銅絲鍵合可靠性水平和金絲鍵合器件仍有一定差距。銅絲鍵合也有如下2個方面：第一，銅絲易氧化，影響鍵合質(zhì)量；二是銅絲的硬度和屈服強(qiáng)度比金絲的高，鍵合時需要更高的超聲功率與鍵合壓力，容易損傷芯片。此次修訂，AEC Q101E 版增加了對采用銅鍵合絲的器件的考核要求，檢驗項目為溫度循環(huán)、HAST、間歇工作壽命試驗和高溫反偏，提高了試驗的應(yīng)力，并增加了試驗強(qiáng)度和試驗前、后的檢驗和分析項目。

7 失效判定

電子元器件在進(jìn)行各項試驗 ( 特別是壽命試驗 )后，電參數(shù)一般會出現(xiàn)一定的漂移。電參數(shù)變化率的多少反映了產(chǎn)品一致性的好壞，可以從一定程度上反映產(chǎn)品長期可靠性。汽車的最低設(shè)計壽命為 15年，因此，對電子元器件可靠性有較高的要求，不允許產(chǎn)品試驗后電參數(shù)出現(xiàn)較大變化。AEC Q101 規(guī)定試驗后電參數(shù) ( 漏電流除外 ) 除應(yīng)符合產(chǎn)品規(guī)范要求外，其變化量不得超過 ±20%。

AEC Q101E 版新增以下規(guī)定 ：

● 對于導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 小于等于 2.5 mΩ 的器件，間歇工作壽命、功率溫度循環(huán)和溫度循環(huán)試驗后允許導(dǎo)通電阻變化量不超過 0.5 mΩ ；

● 潮濕相關(guān)試驗后漏電流的測量值不得超過初始值的 10 倍，其他試驗后的測量值不得超過初始值的 5 倍。

8 其他說明事項

分立器件廠商的產(chǎn)品要進(jìn)入車輛領(lǐng)域，打入一級汽車電子大廠的供應(yīng)鏈，必須符合兩個條件，一是產(chǎn)品通過 AEC-Q101 要求的鑒定考核，二是質(zhì)量管理體系通過 IATF16949《汽車質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)》認(rèn)證。AEC Q101 規(guī)定，器件成功通過本標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的所有測試，即可以聲明本產(chǎn)品已通過AEC Q101認(rèn)證。由于汽車電子委員會沒有對產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證服務(wù)，所以目前市面上還沒有通過鑒定的車規(guī)級元器件。

鑒定擴(kuò)展

AEC Q101 規(guī)定的鑒定考核項目多、應(yīng)力高，因此試驗費用高、周期長。對每種型號的器件都進(jìn)行鑒定考核既耗時又費力，會極大地增加最終產(chǎn)品的成本。為了降低產(chǎn)品鑒定考核的成本，AEC Q101 規(guī)定可以將結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品列入同一族系，利用族系中已鑒定合格產(chǎn)品的鑒定考核數(shù)據(jù)，將鑒定合格資質(zhì)擴(kuò)展到族系中其他器件。

1 鑒定擴(kuò)展原則

實施鑒定擴(kuò)展應(yīng)符合以下原則 ：

(1) 對于沒有相似產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)的新器件，按檢驗表的項目和抽樣方案進(jìn)行檢驗 ；

(2) 對族系內(nèi)現(xiàn)有代表性產(chǎn)品經(jīng)鑒定考核合格的其他設(shè)備，若設(shè)備復(fù)雜程度比通過鑒定合格的產(chǎn)品低，則該類設(shè)備只需做靜電放電敏感度試驗及電參數(shù)驗證即可；

(3) 對于有部分試驗數(shù)據(jù)的器件，根據(jù)具體情況確定需要進(jìn)行的檢驗項目 ；

(4) 對于工藝過程進(jìn)行變更的器件，按規(guī)范的要求補(bǔ)充相應(yīng)的檢驗。

2 列入同一族系的原則

AEC Q101 從晶圓制造和組裝工藝兩個方面給出了列入統(tǒng)一族系的標(biāo)準(zhǔn)。

晶圓制造中，被納入同一族系中的產(chǎn)品應(yīng)是同一家晶圓制造廠所制造的與晶圓制造工藝一致的設(shè)備門類。AEC Q101把器件分為功率場效應(yīng)晶體管、小信號場效應(yīng)晶體管、功率雙極型晶體管、小信號雙極型晶體管、IGBT、整流二極管和其他器件類型、同族系器件須屬一類。AEC Q101對晶圓制造工藝進(jìn)行了分解，包括制造流程，芯片版圖設(shè)計說明，單元密度，掩膜個數(shù)，光刻工藝，摻雜工藝等、鈍化/玻璃化材料與厚度，氧化工藝與氧化層厚度，芯片前金屬化與后金屬化材料，厚度與層數(shù)等等10個方面，同一種族系的設(shè)備其晶圓制造工藝也必須是一樣的。在組裝工藝上，納入同一支族的產(chǎn)品應(yīng)是在同一家組裝廠制造出封裝形式接近、組裝工藝類似的設(shè)備。

由于分立器件封裝形式眾多，AEC Q101 未能給出屬于同一門類器件的具體封裝形式。AEC Q101 將組裝工藝細(xì)分為引線框架材料、引線框架鍍覆、芯片安裝材料和安裝方式、鍵合絲材料、直徑和鍵合方式、塑封料等 6 個方面，同一族系的器件其組裝工藝必須相同。

關(guān)鍵檢驗項目試驗應(yīng)力的確定原則

AEC Q101 規(guī)定的溫度循環(huán)試驗、間歇工作壽命試驗、高溫高濕反偏試驗等關(guān)鍵檢驗的試驗應(yīng)力是依據(jù)汽車電子的典型任務(wù)剖面確定的。

AEC Q101D 給出了汽車電子需要滿足的典型的任務(wù)剖面 ：

● 15 年的使用壽命 ；

● 發(fā)動機(jī)工作時間 12 000 h ；

● 發(fā)動機(jī)待機(jī)時間 3 000 h ；

● 不工作時間 116 400 h ；

● 600 000 km 里程 ；

● 發(fā)動機(jī)啟動次數(shù) 54 750 次。

AEC Q101E 版省略了以上具體信息，而是規(guī)定需要根據(jù)任務(wù)剖面 ( 使用壽命、發(fā)動機(jī)工作時間、發(fā)動機(jī)待機(jī)時間、不工作時間和發(fā)動機(jī)啟動次數(shù) )確定具體的試驗條件。這是由于新能源汽車的工作模式和燃油車有很大不同，因此需要根據(jù)具體情況確定試驗條件。但是，省略典型任務(wù)剖面信息會對理解 AEC Q101E 版給出的關(guān)鍵考核應(yīng)力的計算過程帶來困惑。

伴隨著自動駕駛，新能源汽車等技術(shù)的進(jìn)步，整機(jī)廠商對于汽車電子提出了越來越高的需求。在汽車電子應(yīng)用中，任務(wù)剖面會對環(huán)境適應(yīng)性，服役時間較長和失效率等提出更為苛刻的需求。新技術(shù)、新材料（例如銅絲鍵合技術(shù)和碳化硅材料等）的使用可能會引起器件失效機(jī)理的變化，用戶需根據(jù)特定任務(wù)剖面來決定檢驗項目試驗應(yīng)力。

為此，AEC Q101E版附錄7提供了以器件應(yīng)用任務(wù)剖面為依據(jù)來判定檢驗項目的測試應(yīng)力，以及高溫柵偏或者高溫反偏測試指導(dǎo)、在溫度循環(huán)試驗和間歇工作壽命試驗這兩個重點檢查項目中試驗應(yīng)力測定過程可引導(dǎo)裝置研制單位測定新型裝置考核應(yīng)力，也可引導(dǎo)裝置使用者評價已有認(rèn)證裝置是否適應(yīng)應(yīng)用。

4.2 關(guān)鍵檢驗項目試驗應(yīng)力的確定過程

2.1 高溫柵偏或高溫反偏試驗

根據(jù)汽車電子典型應(yīng)用的任務(wù)剖面，15 年內(nèi)器件的工作時間 tu 為 12 000 h，假設(shè)器件在使用環(huán)境中的平均結(jié)溫 Tu 為 100 ℃，高溫柵偏或高溫反偏試驗時器件的結(jié)溫 Tj 為 150 ℃。AEC Q101 版采用阿倫尼烏斯模型對高溫柵偏或高溫反偏試驗引發(fā)失效的機(jī)理進(jìn)行建模，見公式 1。

AEC Q101 采用 0.7eV 作為激活能的典型值，玻爾茲曼常數(shù) kB 取 8.61733×10-5eV/K。根據(jù)公式tt=tu/Af 計算出時間時間為 916 h，AECQ101 取 1 000 h 作為規(guī)范中規(guī)定的高溫柵偏或高溫反偏試驗時間。

研制單位或用戶可以根據(jù)具體的使用條件計算出具體應(yīng)用條件下所需的試驗時間。

2.2 溫度循環(huán)試驗

根據(jù)汽車電子典型應(yīng)用的任務(wù)剖面，15 年內(nèi)器件要承受 54 750 次開關(guān)循環(huán)，假設(shè)器件在使用環(huán)境中受外部因素影響而引發(fā)的溫度的變化平均值 ΔTu為 70 ℃，溫度循環(huán)試驗時器件的溫度變化 ΔTt 為205 ℃ ( 低溫 -55 ℃，高溫 125 ℃ )。AEC Q101 采用Coffin-Manson 模型對溫度循環(huán)引發(fā)的失效的機(jī)理進(jìn)行建模，見公式 2。

AEC Q101 取 m=4 計算溫度循環(huán)試驗的加速系數(shù)，并根據(jù)公式nt=nu/nt計算出的需要進(jìn)行的溫度循環(huán)的次數(shù)為 744 次循環(huán)，通過取整，AEC Q101 規(guī)定鑒定時需進(jìn)行 1 000 次溫度循環(huán)試驗。

研制單位或用戶可以根據(jù)具體的使用條件計算出具體應(yīng)用條件下所需的溫度循環(huán)次數(shù)。

2.3 功率循環(huán)

根據(jù)汽車電子典型應(yīng)用的任務(wù)剖面，15 年內(nèi)器件要承受 54 750 次開關(guān)循環(huán)，假設(shè)器件在使用環(huán)境中的由于自身發(fā)熱而引發(fā)的溫度的變化的平均值ΔTu 為 55 ℃，功率循環(huán)試驗時器件的溫度變化 ΔTt為 100 ℃ ( 常 溫 25 ℃， 加 電 后 結(jié) 溫 達(dá) 到 125 ℃ )。AEC Q101 采用 Coffin-Manson 模型對功率循環(huán)引發(fā)的失效的機(jī)理進(jìn)行建模，見公式 2。

AEC Q101 取 m=2.5 計算功率循環(huán)試驗的加速系數(shù)，并根據(jù)公式nt=nu/nt計算出的需要進(jìn)行的功率循環(huán)的次數(shù)為 12 283 次循環(huán)，通過取整，AEC Q101 規(guī)定鑒定時需進(jìn)行 15 000 次功率循環(huán)試驗。

研制單位或用戶可以根據(jù)具體的使用條件計算出具體應(yīng)用條件下所需的功率循環(huán)次數(shù)。

局限性及應(yīng)對策略

車規(guī)級分立器件屬于民用產(chǎn)品，對航空、航天等應(yīng)用領(lǐng)域有一定的局限性，具體體現(xiàn)在以下 2 個方面。

(1) 設(shè)計及材料頻繁改變，如鍵合絲從金絲，鋁絲改為銅絲等，各批產(chǎn)品的可靠性差別很大，使用者所購產(chǎn)品不一定是當(dāng)初評估過的。盡管更改后器件可靠性能達(dá)到規(guī)范要求，但是可靠性的確發(fā)生了改變，是否能達(dá)到特定應(yīng)用需求還需再次驗證。

(2) 車規(guī)級分立器件評估以汽車壽命周期任務(wù)剖面為研究對象，沒有考慮航空，航天等應(yīng)用任務(wù)要求，評估項目存在局限性。

針對車規(guī)級分立器件在高可靠應(yīng)用中的局限性，筆者提出相應(yīng)的應(yīng)對策略 ：

(1) 考慮到車規(guī)級分立器件的設(shè)計及材質(zhì)頻繁變化，提出了用戶應(yīng)分批購買同一批產(chǎn)品以避免因不同批產(chǎn)品設(shè)計及材質(zhì)不統(tǒng)一而造成的損失；

(2) 考慮到車規(guī)級分立器件評價項的限制，推薦用戶對特定任務(wù)剖面推薦需補(bǔ)充評價項，如鹽氣試驗，低氣壓試驗和耐輻照試驗。

結(jié)語

車規(guī)級分立器件鑒定評價項目及應(yīng)力是以汽車壽命周期內(nèi)任務(wù)剖面為對象而擬定的，其評價項目綜合，測試應(yīng)力惡劣，被廣泛應(yīng)用于航空，航天及其他高可靠領(lǐng)域。提出了用戶對車規(guī)級分立器件適用性評價應(yīng)結(jié)合應(yīng)用任務(wù)需求，明確評價測試項目及測試應(yīng)