摘要：分析表明，新能源以及無(wú)人駕駛汽車的迅速發(fā)展，車規(guī)芯片的作用愈加重要，這是芯片產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的一重要方向。闡述集成電路設(shè)計(jì)公司進(jìn)入車規(guī)芯片領(lǐng)域的相關(guān)驗(yàn)證流程及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，車規(guī)芯片的相關(guān)可靠性驗(yàn)證以及失效分析，探討了車規(guī)芯片量產(chǎn)化的零缺陷目標(biāo)，分析國(guó)內(nèi)車規(guī)芯片發(fā)展中存在的問(wèn)題 與其局限性，展望發(fā)展方向。 0 引言 隨著汽車電子的深入發(fā)展，以及汽車行業(yè)確立的新四化（電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化）發(fā)展方向，這給半導(dǎo)體芯片在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)新的機(jī)遇。近年的需求更是飛速發(fā)展，這給汽車市場(chǎng)帶來(lái)新的產(chǎn)業(yè)變革。使得車規(guī)芯片在電源控制、底盤(pán)控制和信息娛樂(lè)等應(yīng)用領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色[1]。過(guò)去5年的時(shí)間全球汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率約為4.8%，而中國(guó)汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增速更是達(dá)到11.6%。這主要是因?yàn)樾履茉雌囯娮踊潭仍絹?lái)越高，帶來(lái)各類汽車半導(dǎo)體需求的大幅上漲[2]。據(jù)德勤預(yù)測(cè)，汽車半導(dǎo)體收入將在2022年突破600億美元[3]，勢(shì)必會(huì)吸引更多芯片廠商參與其中。 相比消費(fèi)類電子芯片，車規(guī)芯片要求更加苛刻，（1）車規(guī)芯片是高于消費(fèi)類以及工業(yè)芯片標(biāo)準(zhǔn)；（2）車規(guī)芯片對(duì)工作環(huán)境有更嚴(yán)苛的要求，如，溫度，濕度，EMC以及有害氣體侵蝕等方面，根據(jù)其不同的應(yīng)用有不同的需求；（3）車規(guī)芯片開(kāi)發(fā)驗(yàn)證花費(fèi)多，門(mén)檻高，周期長(zhǎng)；（4）需要通過(guò)相應(yīng)的審核標(biāo)準(zhǔn)。 車規(guī)芯片有兩個(gè)條件，（1）符合零失效的供應(yīng)鏈質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)IATF 16949規(guī)范；（2）滿足由北美汽車產(chǎn)業(yè)所推的AEC可靠性標(biāo)準(zhǔn)。由于車規(guī)芯片較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期和較高的技術(shù)壁壘，整個(gè)汽車芯片行業(yè)呈現(xiàn)國(guó)外巨頭壟斷的格局，如英飛凌，瑞薩等專注于高端車規(guī)芯片的細(xì)分市場(chǎng)。同時(shí)國(guó)內(nèi)亦涌現(xiàn)出了幾十家芯片設(shè)計(jì)公司成為汽車電子芯片的供應(yīng)商，類型范圍涵蓋輔助駕駛、中控、電池管理、圖像傳感器和信號(hào)處理器等[4]。 國(guó)際傳統(tǒng)車企如豐田、福特和大眾等更是積極投身汽車電子芯片的研發(fā)中，國(guó)內(nèi)一些主流車廠也加入芯片的研發(fā)當(dāng)中，像比亞迪、上汽等以各種形式參與芯片研發(fā)，擁抱汽車芯片產(chǎn)業(yè)的新革命，他們更容易結(jié)合自身應(yīng)用場(chǎng)景以及財(cái)力來(lái)推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的快速導(dǎo)入。以新能源為代表的特斯拉更是推出FSD芯片，一場(chǎng)圍繞高級(jí)別自動(dòng)駕駛的競(jìng)爭(zhēng)也已經(jīng)開(kāi)始，汽車行業(yè)加速進(jìn)入智能化時(shí)代。 本文結(jié)合車規(guī)芯片的巨大市場(chǎng)，根據(jù)其應(yīng)用特點(diǎn)以及進(jìn)入該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)要求，重點(diǎn)會(huì)對(duì)進(jìn)入該領(lǐng)域的驗(yàn)證條件IATF 16949規(guī)范和AEC可靠性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討，通過(guò)老化篩選測(cè)試及失效芯片的根因分析，確保車規(guī)芯片的可靠性以實(shí)現(xiàn)零失效的目標(biāo)。最后圍繞車規(guī)芯片驗(yàn)證規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化，可靠性驗(yàn)證的全面化，高效的老化篩選測(cè)試以及專業(yè)的失效分析進(jìn)行展望。
1 車規(guī)芯片的相關(guān)驗(yàn)證
1.1 IATF16949 在汽車行業(yè)，質(zhì)量認(rèn)證活動(dòng)在世界各個(gè)地區(qū)均有自己的行業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和要求，例如汽車制造強(qiáng)國(guó)德國(guó)汽車工業(yè)的 VDA6.1標(biāo)準(zhǔn)、法國(guó)的EAQF標(biāo)準(zhǔn)、意大利的AVSQ標(biāo)準(zhǔn)以及美國(guó)的QS-9000標(biāo)準(zhǔn)。成立于1997年的國(guó)際汽車特別工作組（IATF）為實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)統(tǒng)一的全球質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO/TC 176）合作，以各國(guó)汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并于1999年制定并推出質(zhì)量要求ISO/TS16949技術(shù)規(guī)范，《IATF16949》是當(dāng)前的[敏感詞]版質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)[5]。IATF16949是國(guó)際汽車小組是以顧客為導(dǎo)向同時(shí)兼顧其特殊要求，針對(duì)近年汽車行業(yè)比較關(guān)注的一些問(wèn)題，如汽車安全等，在標(biāo)準(zhǔn)中增加了新的條款[6,7]。IATF16949規(guī)范適用于汽車制造廠和其直接的零部件供應(yīng)商，這些廠家直接與汽車生產(chǎn)有關(guān)，可以加工制造活動(dòng)，并通過(guò)這種活動(dòng)使的產(chǎn)品得以增值。例如在芯片整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，晶圓制造廠、封裝廠等需要嚴(yán)格按照IATF16949標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展汽車芯片的制造。而那些只具備支持功能的單位，如設(shè)計(jì)和配送中心等，不需要獲得該認(rèn)證[8]。
1.2 AEC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證 汽 車 電 子 委 員 會(huì) （ A E C : A u t o m o t i v e Electronics Council）由三大北美汽車公司（克萊斯勒、福特和通用汽車）在1994年為建立一套通用的質(zhì)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)立[9]。AEC建立了產(chǎn)品質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了汽車零部件通用性的實(shí)施，同時(shí)為市場(chǎng)的快速發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。其規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要包括AEC-Q100（集成電路IC）、AEC-Q101（離散組件）、AEC-Q102（離散光電LED）、AEC-Q104（多芯片組件）、AEC-Q200（被動(dòng)組件）。其中AEC-Q100是專門(mén)針對(duì)IC集成電路的驗(yàn)證規(guī)范，其目的是要確定器件在應(yīng)用中能夠通過(guò)應(yīng)力測(cè)試達(dá)到某種要求的品質(zhì)和可靠度[10]。
1.2.1車規(guī)芯片設(shè)計(jì) 從產(chǎn)品的使用功能，工作條件（電壓、頻率范圍等），以及芯片所用的單元設(shè)計(jì)庫(kù)技術(shù)等方面進(jìn)行驗(yàn)證，確定電路設(shè)計(jì)原則，滿足車規(guī)芯片要求。執(zhí)行的過(guò)程可以識(shí)別潛在的故障模式及對(duì)系統(tǒng)和客戶的影響，確定其嚴(yán)重程度以及可能的原因。考慮冗余設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以通過(guò)糾錯(cuò)碼的形式避免潛在的數(shù)據(jù)保留錯(cuò)誤，替換有缺陷的單元。建立自我檢測(cè)機(jī)制，通過(guò)芯片合理的測(cè)試時(shí)間，在電路中增加一些路徑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題單元，并進(jìn)行相關(guān)的處理，降低因?yàn)楣に嚥▌?dòng)帶來(lái)的影響。 在芯片設(shè)計(jì)階段，就要開(kāi)始著手芯片可靠性實(shí)驗(yàn)的考量，使用計(jì)算機(jī)輔助工程分析和仿真工具可以更短的時(shí)間內(nèi)提高產(chǎn)品可靠性。有限元分析，熱分析以及可靠性預(yù)測(cè)模型等工具正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這樣車規(guī)芯片在設(shè)計(jì)之初主動(dòng)來(lái)提高器件可靠性和穩(wěn)定性。
1.2.2 芯片晶圓制造 晶圓制造主要步驟有離子注入，光刻，蝕刻和鍍膜等工藝流程。在每一道工序中，均需要通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)研究分析工具，找出最優(yōu)參數(shù)，以達(dá)到提高芯片良率和品質(zhì)的要求。fab廠通過(guò)檢測(cè)每道工序具體測(cè)試參數(shù)，芯片數(shù)量，頻率等信息，可以保證制程的穩(wěn)定性。
1.2.3 芯片測(cè)試 在合理的時(shí)間內(nèi)盡可能實(shí)現(xiàn)[敏感詞]的測(cè)試覆蓋率提前篩選出不良品，避免流到客戶端。芯片測(cè)試更快更有效的一種重要方式是通過(guò)芯片的自測(cè)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以減少對(duì)外部ATE資源的依賴。良品測(cè)試limit標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定可以采用AEC_Q004文檔中的建議，基于一定的數(shù)據(jù)量標(biāo)準(zhǔn)差公式來(lái)設(shè)定，Static PAT Limits＝Robust Mean±6 Robust Sigma。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，管控工藝波動(dòng)，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，該方法可以定期進(jìn)行Review和更新。產(chǎn)品使用之前的失效為良率，產(chǎn)品使用過(guò)程中的失效為可靠性，因此芯片的測(cè)試直接關(guān)系到芯片的可靠性。 浴盆曲線是由三部分組成，早妖期、穩(wěn)定期和損耗期。老化篩選測(cè)試（Burn in）是ATV（Automotive）芯片測(cè)試很重要的一個(gè)步驟，其主要作用是在芯片出貨前去除產(chǎn)品的早期失效芯片實(shí)現(xiàn)用戶端的高可靠性。早妖期是失效率相對(duì)較高的階段，芯片失效原因通常是因?yàn)樾酒焐娜毕莼騿?wèn)題所導(dǎo)致，如設(shè)計(jì)缺陷，工藝制造異常或材料固有的缺陷等。這些缺陷會(huì)引發(fā)與時(shí)間、應(yīng)力相關(guān)的故障，其故障率通常按Dppm進(jìn)行表征。具體方法是先對(duì)芯片進(jìn)行一定時(shí)間的100%老化測(cè)試，例如加偏壓，加高溫等，然后再進(jìn)行正常的ATE 測(cè)試進(jìn)行篩選[11]。浴盆曲線（圖1）中的穩(wěn)定期代表著芯片在使用壽命期間失效率是相對(duì)穩(wěn)定的，通常按FIT（failure in time）或MTBF（Mean Time Between Failure）小時(shí)數(shù)來(lái)描述其失效。損耗階段表明芯片的失效率開(kāi)始因?yàn)樾酒瑑?nèi)在電路損耗而上升，代表已到達(dá)了芯片的極限使用壽命。
1.2.4 AEC-Q100芯片可靠性驗(yàn)證 AEC-Q100作為汽車電子可靠性驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)，其主要目的：（1）客戶有可以參考的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；（2）芯片供貨商可以排除芯片可能存在的潛在故障。表1是AEC-Q100根據(jù)器件工作環(huán)境溫度分為不同的產(chǎn)品等級(jí)，這與芯片具體應(yīng)用有關(guān)，其中最嚴(yán)格[敏感詞]等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的工作溫度范圍是-40～150℃之間。芯片供應(yīng)商需要不斷的持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)穩(wěn)定的制造以及封裝工藝，同時(shí)采用嚴(yán)格的測(cè)試程序篩選達(dá)到車規(guī)芯片對(duì)工作溫度和可靠度的高標(biāo)準(zhǔn)要求。
AEC-Q100明確了芯片在設(shè)計(jì)，制造，封裝，測(cè)試和量產(chǎn)等各個(gè)階段所需要的驗(yàn)證以及相關(guān)的卡控標(biāo)準(zhǔn)。從其內(nèi)容來(lái)看，具體包含7大類別共41項(xiàng)的測(cè)試，如圖2所示即為AEC-Q100 Rev-H 的驗(yàn)證流程及規(guī)范內(nèi)容[12]。大致分為：Group A（加速環(huán)境應(yīng)力測(cè)試）、Group B（加速工作壽命測(cè)試）、Group C（封裝完整性測(cè)試）、Group D（晶圓級(jí)可靠性測(cè)試）、Group E（電性驗(yàn)證測(cè)試）、Group F （可篩選性測(cè)試）、Group G（密封型封裝完整性測(cè)試）。 目前AEC-Q100已成為車規(guī)芯片的重要規(guī)范，通常車規(guī)芯片供應(yīng)商需要完成其項(xiàng)目的驗(yàn)證，然后以“自我宣告”的方式說(shuō)明其產(chǎn)品通過(guò)了其相關(guān)的驗(yàn)證結(jié)果，AEC不會(huì)給予供應(yīng)商任何認(rèn)證。因?yàn)闃颖緮?shù)量少，這些測(cè)試是必要不充分測(cè)試，反映此方法的局限性。測(cè)試項(xiàng)目可以用于否定器件的可用性，但不能確定大批量量產(chǎn)芯片在具體場(chǎng)景下均滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。所以量產(chǎn)車規(guī)芯片的老化篩選測(cè)試顯得尤為重要，使得提供給客戶的芯片處于穩(wěn)定期，提高了車規(guī)芯片的可靠度。同時(shí)通過(guò)失效分析，一方面可以識(shí)別造成該芯片失效的根因，采取相應(yīng)措施根除該問(wèn)題，另一方面針對(duì)固有缺陷的問(wèn)題，可以優(yōu)化以及加嚴(yán)測(cè)試進(jìn)行篩除，從而實(shí)現(xiàn)車規(guī)芯片零失效率的目標(biāo)。
2 失效 半導(dǎo)體在研制、生產(chǎn)和使用過(guò)程中失效是不可避免發(fā)生的。通過(guò)有針對(duì)性的失效分析：（1）可以協(xié)助設(shè)計(jì)人員找出芯片設(shè)計(jì)上的缺陷，例如通過(guò)FIB電路修補(bǔ)的方式亦可驗(yàn)證該結(jié)果。（2）可以找出芯片在制造，封裝等工藝中存在的缺陷，提出切實(shí)可行的改善方案。（3）評(píng)估不同測(cè)試向量的有效性，為生產(chǎn)測(cè)試提供必要的補(bǔ)充。芯片的失效分析主要是立足于微觀世界，從電性、物理，化學(xué)和材料的角度對(duì)其進(jìn)行觀察和分析，從本質(zhì)上找出造成芯片失效的原因[13]，其主要分析工具和試驗(yàn)方法如圖3所示。 半導(dǎo)體芯片工藝制程復(fù)雜度越來(lái)越高，這也為失效分析帶來(lái)更多的難度，例如線寬的減小對(duì)電鏡的分辨率要求更高，金屬層間距的減小對(duì)樣品制備增加了難度等。通過(guò)失效現(xiàn)象，同時(shí)結(jié)合芯片設(shè)計(jì)以及工作原理，掌握準(zhǔn)確的芯片信息資料與數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行正確的分析和判斷。一般半導(dǎo)體芯片使用后的失效機(jī)理可分為以下幾類[14]。 （1）芯片設(shè)計(jì)存在缺陷，主要體現(xiàn)芯片功能不能實(shí)現(xiàn)。 （2）本體類的相關(guān)失效，如半導(dǎo)體材料缺陷或封裝中所用基板本身存在的問(wèn)題。 （3）工藝波動(dòng)造成的失效。①芯片介質(zhì)層相關(guān)失效，如柵氧，金屬間介質(zhì)層等缺陷；②硅襯底和SiO2界面間存在缺陷，如Dislocation等；③芯片后端金屬互聯(lián)層由于金屬的電遷移或含鹵素及鹵化物的污染造成的金屬腐蝕等；④封裝工藝參數(shù)不合理導(dǎo)致的管腳連線造成的短路或者開(kāi)路等。 （4）測(cè)試引入的失效，主要是測(cè)試向量電壓設(shè)置不合理等造成芯片的Overkill。
3 分析 車規(guī)芯片的安全性和可靠性是其首要考慮因素，這不僅反應(yīng)在芯片設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段，在測(cè)試篩選以及可靠性的驗(yàn)證也尤為重要。其廣闊的市場(chǎng)前景，使得更多芯片供應(yīng)商開(kāi)始進(jìn)入此領(lǐng)域，加入車規(guī)芯片的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。結(jié)合供應(yīng)鏈質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)IATF16949規(guī)范以及AEC-Q100可靠性的要求，當(dāng)前車規(guī)芯片驗(yàn)證的流程和體系需要更加完善。 （1）車規(guī)芯片標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)的建立，應(yīng)由技術(shù)專家（汽車整機(jī)，芯片設(shè)計(jì)、制造，封裝以及芯片測(cè)試等領(lǐng)域）來(lái)建立一套更加專業(yè)化，規(guī)范化，流程化的標(biāo)準(zhǔn)是必要的。 （2）芯片可靠性驗(yàn)證需更加全面，產(chǎn)品的可靠性是需要考慮設(shè)計(jì)進(jìn)去以及制造出來(lái)。 （3）老化測(cè)試需更加高效，車規(guī)芯片采用100%老化的方法可去除早期失效器件，對(duì)于服從威布爾Weibull分布參數(shù)β小于1，即早期故障率呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)的情況，會(huì)凸顯老化測(cè)試的作用。在達(dá)到消除芯片早期失效這一目的前提下，老化測(cè)試時(shí)間越短越好； （4）針對(duì)失效芯片根因的分析需要形成閉環(huán)。特別需要找出因?yàn)楣に囍圃靺?shù)卡控不合理或者測(cè)試覆蓋不夠全面而漏掉的失效芯片，因?yàn)榭赡軙?huì)帶來(lái)批次性的問(wèn)題。不同的失效案例需要從芯片設(shè)計(jì)、工藝制造、封裝測(cè)試、器件使用等角度進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和綜合分析，找出失效根因進(jìn)而反饋形成解決方案。同時(shí)芯片制造產(chǎn)線需要應(yīng)用更多主動(dòng)的專業(yè)監(jiān)控技術(shù)，例如，CPK技術(shù)、SPC技術(shù)和PPM技術(shù)，可以對(duì)生產(chǎn)能力、工藝穩(wěn)定性進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)[15]。
4 結(jié)語(yǔ)
在實(shí)際的工作中，經(jīng)常會(huì)遇到TSP數(shù)據(jù)準(zhǔn)備以及TSP數(shù)據(jù)可視化問(wèn)題，本文利用實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出上述兩種制作TSP數(shù)據(jù)可視化的兩種方法，以解決TSP數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。
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