車載應(yīng)用 ? 芯片

隨著車載應(yīng)用平臺(tái)的成熟，全球汽車電子的產(chǎn)值將會(huì)因此而大幅成長(zhǎng)。車用 IC 的在 2018 前的年復(fù)合成長(zhǎng)率為 10.8%，為更領(lǐng)域之最，其中亞太區(qū)的車用 IC 更高達(dá) 20%，IC 業(yè)者無不磨刀霍霍地準(zhǔn)備強(qiáng)攻此新藍(lán)海市場(chǎng)。
? ? ? ? 車用 IC 的市場(chǎng)相較于資通訊科技（ICT）產(chǎn)業(yè)的最大差異為市場(chǎng)較為封閉，且前期的開發(fā)及驗(yàn)證期可能長(zhǎng)達(dá) 3 年，對(duì)***、中國(guó)大陸 IC 業(yè)者已習(xí)慣即時(shí)上市（Time to Market）的運(yùn)作模式相悖，價(jià)值理念也不盡相同。本文將說明 AEC-Q100 的 IC 驗(yàn)證規(guī)范并解析芯片商如何滿足車廠/模組廠客戶的需求，探討焦點(diǎn)將放在 2014 年 9 月新改版規(guī)范 AEC-Q100 H 版的要求進(jìn)行解讀。
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? ? ? ? 打入車電供應(yīng)鏈門檻為 AEC 和 ISO/TS 16949

要進(jìn)入車輛領(lǐng)域，打入各一級(jí)（Tier1）車電大廠供應(yīng)鏈，必須取得兩張門票：

第一張是由北美汽車產(chǎn)業(yè)所推的 AEC-Q100（IC）、101（離散元件）、200（被動(dòng)零件）可靠度標(biāo)準(zhǔn)；

第二張門票，則要符合零失效（Zero Defect）的供應(yīng)鏈品質(zhì)管理標(biāo)準(zhǔn) ISO/TS 16949 規(guī)范（Quality Management System），其關(guān)連性可參考圖 1 說明。

? ? ? ? ?圖 1 車用零組件基本要求說明圖

車用零組件市場(chǎng)差異左右可靠度品質(zhì)要求

汽車零組件市場(chǎng)可以大致區(qū)分為三部分，包括 OEM/ODM（正廠出廠零件）/OES（正廠維修零件）、DOP（Dealer Option，經(jīng)銷商選配零件）、AM（After Marketing，副廠零件）。

對(duì)客戶的失效率預(yù)估及備品備置策略會(huì)因決定進(jìn)入不同市場(chǎng)而有所變化，OEM/ODM/OES 為原廠保固，因其保固期較長(zhǎng)，各車廠需要在制造及售后服務(wù)的成本之間取得平衡，IC 供應(yīng)商要進(jìn)入的門檻較高。DOP 則為各經(jīng)銷商因在地市場(chǎng)的銷售策略需求所做的選配項(xiàng)目，進(jìn)入門檻與上述相近，售后市場(chǎng)（AM）與原廠保固無關(guān)，所以相對(duì)進(jìn)入門檻和成本較低。另一面向?yàn)?AM 的產(chǎn)品類型較多屬于影音周邊與主被動(dòng)安全無關(guān)，所要求的可靠度也低于原廠零件（圖 2）。

圖 2 車用零組件市場(chǎng)差異

了解車用 IC 規(guī)范 AEC-Q100 驗(yàn)證流程

那么，IC 設(shè)計(jì)業(yè)者該如何進(jìn)入車用 IC 供應(yīng)鏈呢？首先應(yīng)先了解其中的一張門票 AEC-Q100。圖 3 為 AEC-Q100 規(guī)范中的驗(yàn)證流程，此圖是以 Die Design→Wafer Fab.→PKG Assembly→Testing 的制造流程來繪制，各群組的關(guān)聯(lián)性須要參考圖中的箭頭符號(hào)，這里將驗(yàn)證流程分為五個(gè)部分進(jìn)行簡(jiǎn)易說明，各項(xiàng)測(cè)試的細(xì)節(jié)部分就不再細(xì)述。

圖 3 AEC-Q100驗(yàn)證流程

Design House

區(qū)域 1 為可靠度實(shí)驗(yàn)前后的功能測(cè)試，此部分須要 IC 設(shè)計(jì)公司與測(cè)試廠討論執(zhí)行方式，與一般 IC 驗(yàn)證主要差異在功能測(cè)試的溫度設(shè)定，此部分稍后會(huì)進(jìn)行說明。

Wafer Foundry

Group D 的區(qū)域 2 為晶圓廠在晶圓級(jí)（Wafer Level）的可靠度驗(yàn)證，無晶圓（Fabless）的 IC 業(yè)須與委托制造的晶圓廠取得相關(guān)資料。

Reliability Test

區(qū)域 3 為可靠性視產(chǎn)品包裝/特性需要執(zhí)行的項(xiàng)目，AEC 將其分為 Group A（加速環(huán)境應(yīng)力實(shí)驗(yàn)）、Group B（加速工作壽命模擬）、Group C（封裝完整性測(cè)試）、Group E（電性驗(yàn)證測(cè)試）、Group G（空腔/密封型封裝完整性測(cè)試）。

Design Verification

部分 Group E 的區(qū)域 4 為設(shè)計(jì)階段的失效模式與影響分析評(píng)估，成品階段的特性驗(yàn)證以及故障涵蓋率計(jì)算。

Production Control

Group F 的區(qū)域生產(chǎn)階段的品質(zhì)控管，包含良率/Bin 使用統(tǒng)計(jì)手法進(jìn)行控管及制定標(biāo)準(zhǔn)處理流程。

讀解 AEC-Q100 H 版本新要求

自 2007 年 5 月，AEC-Q100 H 版發(fā)布后，時(shí)隔 7 年以上的時(shí)間，2014 年 9 月，G 版發(fā)布，此段內(nèi)文將探討 AEC-Q100 H 版與 G 版之間的主要差異，及改版后規(guī)范的說明。

檢視溫度等級(jí)

IC 供應(yīng)商必須先了解終端客戶如何使用此 IC 及其在車內(nèi)的安裝位置，以實(shí)際應(yīng)用的溫度范圍來訂定合適的溫度等級(jí)，此溫度等級(jí)定義會(huì)應(yīng)用在兩個(gè)部分。

第一部分為測(cè)試計(jì)畫展開時(shí)各可靠度實(shí)驗(yàn)的條件選擇，如溫度循環(huán)（Temperature Cycling，TCT）實(shí)驗(yàn)，不同等級(jí)的溫變范圍及溫差循環(huán)數(shù)會(huì)有差異。

第二部分為前述的可靠度實(shí)驗(yàn)前后功能性測(cè)試溫度必須依照使用者（User）所訂定的溫度范圍來做功能應(yīng)用的最后測(cè)試（Final Test，F(xiàn)T）測(cè)試，訂定溫度等級(jí)為 Grade 1（-40℃～125℃），則代表FT時(shí)使用低溫 -40℃、常溫 25℃ 及高溫 125℃，且須要留意其測(cè)試溫度有先后順序的訂定。如高溫工作壽命（High Temperature Operating Life，HTOL）實(shí)驗(yàn)在 FT 測(cè)試定義順序?yàn)?Room→Cold→Hot。

新版的部分取消了 Grade 4 0℃～70℃ 的溫度等級(jí)（表 1），此溫度等級(jí)若比對(duì)車用模組在 ISO 16750/SAE J1211 等規(guī)范內(nèi)的描述是無法對(duì)應(yīng)到合適的產(chǎn)品，因此筆者認(rèn)為取消此溫度等級(jí)是更貼近實(shí)際模組的要求。

表 1 Temperature Grade定義

比較實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

在新版中，增減項(xiàng)目包括以下所述的兩種。

取消：高溫閘極漏電測(cè)試及靜電放電中的機(jī)器模型

閘極漏電（Gate Leakage，GL）的部分主要在模擬車用模組應(yīng)用時(shí)所可能遭遇高溫及高電場(chǎng)同時(shí)發(fā)生的環(huán)境，此環(huán)境會(huì)讓 IC 封裝（Package）內(nèi)的等效電容及電阻產(chǎn)生 GL 的失效，此失效現(xiàn)象可經(jīng)由高溫烘烤的方式恢復(fù)。

取消的原因規(guī)范中未有說明，但以多年累積的驗(yàn)證測(cè)試經(jīng)驗(yàn)來看，此失效模式常發(fā)生在預(yù)燒（Burn-In）及回焊（Reflow）的過程，雖規(guī)范已取消，在生產(chǎn)過程或?qū)嶋H應(yīng)用客退若有相同失效發(fā)生，仍可使用此手法進(jìn)行再現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)。

機(jī)器模型（Machine Mode，MM）的部分則與 JEDEC 的 JESD47 規(guī)范同步，一是人體模式（Human Body Model，HBM）可以等效 MM 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，二是元件充電模式（Charged Device Model，CDM），重要性更勝于 MM，因此應(yīng)多著重在 CDM 的測(cè)試。

至于文獻(xiàn)中提到的 HBM 與 MM 的關(guān)聯(lián)性，以實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)來看，仍有部分產(chǎn)品的 ESD 防護(hù)電路在 HBM 和 MM 上是有所差異的，規(guī)范雖然取消此項(xiàng)目，但 IC 業(yè)者仍須要面對(duì)當(dāng) ESD 客退發(fā)生時(shí)的處理，ESD 定義為設(shè)計(jì)驗(yàn)證，所以目前各家廠商仍將其列為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目。

新增：Lead(Pb) Free（無鉛）實(shí)驗(yàn)

車電與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)不同于資通訊科技產(chǎn)業(yè)，車電與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)注重的科技是技術(shù)成熟性、可靠性以及零失效，而非資通訊科技所追求最先進(jìn)的技術(shù)，因此，車用電子產(chǎn)品在無鉛制程的轉(zhuǎn)換時(shí)程是比消費(fèi)性產(chǎn)品來得晚，此次正式列入測(cè)試項(xiàng)目也代表無鉛制程的轉(zhuǎn)換已相當(dāng)成熟，但仍允許部分如引擎室內(nèi)高溫應(yīng)用等產(chǎn)品使用有鉛制程。無鉛的驗(yàn)證項(xiàng)目則包含可焊性（Solderability）、Solder Heat Resistance 以及錫須（Whisker）。

改變實(shí)驗(yàn)條件

主要實(shí)驗(yàn)條件改變的部分在于高溫工作壽命（HTOL）及溫度循環(huán)（TCT）兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其余如打線（Wire Bonding）的相關(guān)實(shí)驗(yàn)則是取消 Ppk 的計(jì)算使用 Cpk 則可、Solderability 則說明可由烘烤替代蒸氣老化、Group G 部分的實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)則略為減少，測(cè)試項(xiàng)目所參考規(guī)范調(diào)整的部分請(qǐng)自行參閱，在此不細(xì)述。

HTOL

有三個(gè)部分，一為實(shí)驗(yàn)時(shí)間增長(zhǎng)皆為 1000 Hrs，二為清楚定義溫度為連接溫度（Junction Temperature，Tj），三為實(shí)驗(yàn)高溫對(duì)齊 Grade 的定義。

TCT

最低標(biāo)的低溫溫度由 -50℃ 調(diào)整為 -55℃，Cycle 數(shù)的部分則有部分提升，仍可參考 JESD22-A104 的規(guī)范進(jìn)行等效實(shí)驗(yàn)條件的替換。實(shí)驗(yàn)條件的部分可再參考稍后第五部分的說明，將可更理解此次規(guī)范變更所要表達(dá)含意。

何謂通用性資料

先以圖 4 來說明通用性資料（Generic Data）的基本含意，A、B 兩個(gè)產(chǎn)品若使用相同制程或材料，則可初步定義為同一家族系列產(chǎn)品，若對(duì) A 產(chǎn)品進(jìn)行完整 AEC Q-100 Qualification，相同制程或材料的部分所產(chǎn)出的測(cè)試結(jié)果則稱之為 Generic Data，先不論驗(yàn)證的數(shù)量與程序，只要 Generic Data 的定義符合 AEC-Q100 的說明，B 產(chǎn)品進(jìn)行剩余項(xiàng)目的驗(yàn)證后再加上 Generic Data，則可宣告 B 產(chǎn)品也通過 AEC-Q100。

圖 4 Qualification Family 及 Generic Data

此次新的版本對(duì)于 Generic Data 及 Qualification Family 的定義及使用原則有較清晰的說明，并且簡(jiǎn)化其認(rèn)證程序，同時(shí)以情境模擬案例說明哪些制程變更時(shí)應(yīng)進(jìn)行哪些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與 Lot 數(shù)量，都有較明確的定義，因內(nèi)容過多，若有需要可以再參閱規(guī)范。

擬定測(cè)試計(jì)畫

本文中最重要、也是此次改版中變動(dòng)最大的部分是，呼應(yīng)美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)在規(guī)范 SAE-J1879/J1211 中強(qiáng)調(diào)的強(qiáng)韌性/穩(wěn)健性驗(yàn)證（Robustness Validation），驗(yàn)證計(jì)畫應(yīng)思考的是，因應(yīng)該產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境所面臨的使用條件而擬定的，而非以單一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)/條件來適用所有產(chǎn)品，也就是應(yīng)用測(cè)試（Test for Application），而非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試（Test for Standard）。

當(dāng)擬定一個(gè)合適的驗(yàn)證計(jì)畫時(shí)，第一步為制定該元件被設(shè)計(jì)/生產(chǎn)的目的，稱之為 Mission Profile，除了滿足功能性的任務(wù)外，要再加上可靠度的任務(wù)，表 2 為汽車的 Mission Profile 參數(shù)范例。

表 2 Example of Vehicle Mission Profile

IC 供應(yīng)商須考量不同應(yīng)用功能的元件將會(huì)對(duì)應(yīng)不同的 Mission Profile，若 IC 工作行為是在非作業(yè)時(shí)間（Non-Operating Time），如警報(bào)器等的應(yīng)用，則工作時(shí)間（Life Time）條件應(yīng)滿足 116400 Hrs 在常溫的情況。

若 IC 僅在 Engine On 時(shí)工作，那 Mission Profile 就必須要滿足 12000 Hrs 的壽命時(shí)間，及其工作位置的使用溫度，假定 Engine On 時(shí)該 IC 平均的工作溫度 Junction Temperature (Tj)=87℃，使用的 HTOL 測(cè)試溫度為 125℃，活化能設(shè)定為 0.7 eV，接下來使用阿累尼亞斯模型（Arrhenius Model）來計(jì)算實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度加速率，如公式 1 計(jì)算：

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

如此即可算出溫度加速率 AFT=8.6232，以上述的設(shè)定目標(biāo)壽命為 12000 Hrs，因此 HTO 實(shí)驗(yàn)時(shí)間應(yīng)為 12000 Hrs/8.6232 = 1392 Hrs。

除了溫度加速的范例，包含溫度循環(huán)/濕度的加速公式已列在新規(guī)范中，可再參考規(guī)范內(nèi)文。

上述范例旨在說明如何以終端產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用的 Mission Profile 來設(shè)計(jì)合適的測(cè)試計(jì)畫，相信很多從事 IC 設(shè)計(jì)的品管單位都相當(dāng)熟悉，本文要表達(dá)的是規(guī)范將逐漸舍棄以單一標(biāo)準(zhǔn)來訂定，而是交由終端使用者（End User）與零組件制造商（Component Manufacturer）來共同制定合宜的驗(yàn)證計(jì)畫。制定驗(yàn)證計(jì)畫的流程可參閱圖 5 的說明。

圖 5 Reliability Test Criteria for New Component

制定相應(yīng)驗(yàn)證步驟方能打入車廠供應(yīng)鏈

消費(fèi)性產(chǎn)品的產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)，一般 IC 設(shè)計(jì)業(yè)者早已駕輕就熟，而這一兩年，隨著汽車市場(chǎng)逐步走向車聯(lián)網(wǎng)、電動(dòng)車領(lǐng)域，需要更多駕駛資訊輔助整合系統(tǒng)，也讓 IC 設(shè)計(jì)業(yè)者找到進(jìn)入市場(chǎng)的敲門磚。

然而，消費(fèi)性電子產(chǎn)品而言，產(chǎn)品壽命設(shè)計(jì)約 1～3 年為汰換周期，但車用電子則以 10 年起跳，上看 15 年壽命期。如何尋找有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室，協(xié)助客戶了解車規(guī)，制定相對(duì)應(yīng)的 AEC-Q 100 驗(yàn)證步驟與手法，順利進(jìn)入車廠供應(yīng)鏈，是極為重要的事。