國(guó)產(chǎn)化背景下車規(guī)級(jí)芯片環(huán)境可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研究

張送 胡慧婧 韋錦波 何逸波

摘 要：隨著汽車芯片短缺情況持續(xù)加劇，2021年全球汽車總計(jì)減產(chǎn)810.7萬(wàn)輛，因疫情“黑天鵝”因素及芯片產(chǎn)業(yè)自身的長(zhǎng)周期性，汽車芯片短缺問(wèn)題在短時(shí)間內(nèi)難以消除。在“新四化”浪潮下，汽車產(chǎn)業(yè)的芯片需求會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，汽車芯片短缺將進(jìn)一步加劇。車規(guī)級(jí)芯片技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展成為根本的解決辦法，本文從現(xiàn)有汽車電子產(chǎn)品的環(huán)境可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)方向進(jìn)行對(duì)比研究，為國(guó)產(chǎn)化下的車規(guī)級(jí)芯片環(huán)境可靠性試驗(yàn)體系建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：車規(guī)級(jí) 芯片國(guó)產(chǎn)化 可靠性試驗(yàn) 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

Abstract：As the shortage of automotive chips continues to intensify， a total of 8.107 million vehicles cut globally in 2021. Due to the "black swan" factor of the COVID-19 and the long-term cycle of the chip industry， the shortage of automotive chips is difficult to eliminate in a short period of time. Under the wave of the "new four modernizations"， the demand for chips in the automotive industry will further expand， and the shortage of automotive chips will further intensify. The technological breakthrough and industrialization development of automotive-grade chips have become the fundamental solutions. This paper conducts a comparative study between the existing environmental reliability test standards of automotive electronic products and the corresponding foreign standards. Provide reference for the construction of chip reliability test system.

Key words：Vehicle Regulation Level; Chip Localization; Reliability Test; Test Standard;

1 引言

新冠疫情全球肆虐，給全球各產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。尤其是具備強(qiáng)周期性的芯片行業(yè)，因其設(shè)計(jì)主要集中在歐美地區(qū)，制造集中在日本、臺(tái)灣等地區(qū)，封裝及測(cè)試主要由東南亞地區(qū)完成，受疫情的影響更重。根據(jù)AFS統(tǒng)計(jì)，2021年全球汽車行業(yè)因芯片短缺減產(chǎn)達(dá)810.7萬(wàn)輛，總計(jì)約2100億美元損失。

除了新冠疫情沖擊的影響因素外，汽車行業(yè)自身“電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化”的發(fā)展對(duì)芯片的需求也在進(jìn)一步的提升。預(yù)計(jì)全球新能源汽車將在2025年達(dá)到2100萬(wàn)輛規(guī)模，其中中國(guó)汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)率最顯著。一份對(duì)德國(guó)、美國(guó)及中國(guó)的三國(guó)汽車用戶對(duì)自動(dòng)駕駛的接受程度調(diào)查顯示，超過(guò)50%的中國(guó)用戶非常認(rèn)可，遠(yuǎn)高于其余兩國(guó)。這意味著在未來(lái)幾年中國(guó)汽車行業(yè)對(duì)芯片的需求量將更加大。

疫情沖擊與需求量放大的兩者夾擊下，芯片國(guó)產(chǎn)化將成為解決汽車行業(yè)發(fā)展桎梏的根本辦法。因此，本文旨在對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的汽車電子產(chǎn)品的環(huán)境可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，為建立起符合我國(guó)國(guó)情及汽車行業(yè)發(fā)展的車規(guī)級(jí)芯片環(huán)境可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系提供建設(shè)性的建議。

2 車規(guī)級(jí)芯片失效機(jī)理

通過(guò)對(duì)汽車上應(yīng)用在車身控制、底盤安全、動(dòng)力總成、車身儀表、車內(nèi)娛樂(lè)影音系統(tǒng)上的微控制單元芯片的研究發(fā)現(xiàn)，相比較消費(fèi)級(jí)與工業(yè)級(jí)，車規(guī)級(jí)的芯片使用環(huán)境存在以下特點(diǎn)：

除了高低溫、干濕沙塵及鹽霧、振動(dòng)、防水性等環(huán)境載荷外[6]，由于汽車的快速移動(dòng)特性，車規(guī)級(jí)的芯片還會(huì)承受著環(huán)境載荷快速變化的特點(diǎn)。為此，在規(guī)劃車規(guī)級(jí)芯片的環(huán)境可靠性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該將此場(chǎng)景考慮在內(nèi)。

根據(jù)對(duì)某平臺(tái)多款車規(guī)級(jí)微控制單元芯片的連續(xù)跟蹤[1]，并對(duì)其進(jìn)行失效機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，失效可以歸類為以下幾種：

①導(dǎo)體本體失效，主要體現(xiàn)在襯底部位的半導(dǎo)體材料缺陷，如坑洼、孔洞，如圖2所示。在歷遍約<1萬(wàn)公里后，造成芯片失效。

②導(dǎo)體-介質(zhì)層界面失效，主要體現(xiàn)在襯底部位的硅膠界面與柵氧之間的缺陷，如圖3所示，在歷遍約5千～2萬(wàn)公里后，造成芯片功能失效。

③質(zhì)層失效，主要體現(xiàn)在因工藝原因半導(dǎo)體顆粒的不連續(xù)性，如圖4所示，在歷遍約5千～3萬(wàn)公里后，造成芯片功能失效。

④聯(lián)和金屬化層失效，主要體現(xiàn)為鎢塞下出現(xiàn)“倒火山口”型缺陷，如圖5所示，在歷遍約5千～3萬(wàn)公里后，造成芯片功能失效。

通過(guò)多批次車規(guī)級(jí)芯片的失效壽命進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)[2-3]，可以得出在汽車行駛約5000公里左右，因制造工藝造成的芯片缺陷即產(chǎn)生芯片功能失效。

3 國(guó)外車規(guī)級(jí)芯片產(chǎn)品認(rèn)證

由于涉及行車的人員安全，環(huán)境可靠性測(cè)試成為車規(guī)級(jí)芯片可靠性測(cè)試中必不可少的一環(huán)。國(guó)外半導(dǎo)體行業(yè)起步早，發(fā)展較為成熟，在車規(guī)級(jí)芯片的認(rèn)證體系中存在兩個(gè)主流體系：AEC標(biāo)準(zhǔn)、ISO16750標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 AEC標(biāo)準(zhǔn)

AEC系列標(biāo)準(zhǔn)主要由美國(guó)汽車電子委員會(huì)制定，因符合其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的零件被美國(guó)克萊斯勒、福特和通用等主流汽車公司普遍采用，推動(dòng)了汽車電子產(chǎn)品零件的通用性，該系列逐漸成為汽車電子產(chǎn)品應(yīng)用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。

環(huán)境可靠性的驗(yàn)證項(xiàng)目主要由其中的AEC-Q100進(jìn)行定義[4]，根據(jù)零件的安裝位置，標(biāo)準(zhǔn)定義了4個(gè)等級(jí)工作溫度，并明確了對(duì)應(yīng)位置應(yīng)用的等級(jí)。具體如下所示：

3.2 ISO16750標(biāo)準(zhǔn)

ISO16750是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的主要針對(duì)汽車電子環(huán)境可靠性驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)，主要被標(biāo)致、雷諾、大眾以及北美的通用、福特等汽車公司所采用，甚至直接應(yīng)用為企標(biāo)。相較于AEC標(biāo)準(zhǔn)，ISO16750標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍更廣泛。除了應(yīng)用范圍差別外，ISO16750對(duì)樣件的安裝劃分也更加詳細(xì)，存在5種劃分。具體如表3所示：

相比較AEC系列，ISO16750標(biāo)準(zhǔn)則更加細(xì)分，例如考慮到太陽(yáng)直射、熱輻射的區(qū)別，將乘員艙細(xì)分出行李艙/貨艙。除此之外還考慮到一些特殊的安裝位置。

4 國(guó)產(chǎn)化車規(guī)級(jí)芯片認(rèn)證

由于我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展較晚，汽車電子產(chǎn)品的環(huán)境可靠性測(cè)試驗(yàn)證主要還是按照具體產(chǎn)品的技術(shù)條件來(lái)進(jìn)行具體要求[5]，而這些技術(shù)要求多數(shù)為直接引用GB/T 28046系列。但本質(zhì)上還是溯源于ISO 16750系列標(biāo)準(zhǔn)[8]。

我國(guó)在車規(guī)級(jí)芯片的直接認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)上，則更加薄弱。隨著半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略，建立起具備符合國(guó)情及滿足我國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展的半導(dǎo)體環(huán)境可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系迫在眉睫。具備我國(guó)特色的車規(guī)級(jí)國(guó)產(chǎn)芯片環(huán)境可靠性測(cè)試體系，應(yīng)該包含以下幾點(diǎn)，具體體現(xiàn)為：

①工作溫度定義更加合理。以新能源汽車為例，動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)內(nèi)的電池管理系統(tǒng)（BMS）中微控制器芯片，正常工作下電芯溫度一般皆<65℃，按照AEC系列應(yīng)該歸屬于等級(jí)三，顯然這不符合;除此之外，對(duì)于純電動(dòng)新能源汽車，由于沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的熱害，前艙內(nèi)的電機(jī)控制器、充配電總成等同樣不適用AEC系列。

②工作位置定義更加合理。同樣以新能源汽車為例，純電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)往往懸置于乘員艙徹底或直接與車身融合在一起?；旌蟿?dòng)力汽車動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)往往安裝在行李艙與車底之間。這兩者明顯不適應(yīng)ISO16750與AEC-Q100等標(biāo)準(zhǔn)的空間劃分。

③環(huán)境載荷量級(jí)定義更合理。例如缺少燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的純電動(dòng)新能源汽車，車身及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)存在的振動(dòng)載荷與燃油汽車相比，因驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速性，低頻振動(dòng)載荷減少但是高頻振動(dòng)的載荷卻增加。而同時(shí)存在燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車，因?yàn)橥瑫r(shí)存在熱害及更高量級(jí)的高頻振動(dòng)載荷，則車規(guī)級(jí)芯片承受的環(huán)境載荷量級(jí)更大，尤其是當(dāng)熱害與其他環(huán)境載荷存在耦合情況。

④壽命測(cè)試時(shí)長(zhǎng)定義更合理。隨著汽車智能化發(fā)展，未來(lái)汽車將具備更多的自主決策權(quán)，并且這些決策將伴隨著汽車的全壽命周期[3]。車規(guī)級(jí)芯片的設(shè)計(jì)壽命以及環(huán)境可靠性載荷條件下的壽命應(yīng)滿足汽車的全壽命使用周期。

⑤以上幾點(diǎn)，是國(guó)外車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體的環(huán)境可靠性測(cè)試體系所不具備的。根植于現(xiàn)有的相對(duì)完備的歐美車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體測(cè)試體系，延伸并發(fā)展起具備我國(guó)特色的體系，是當(dāng)前形勢(shì)下的最優(yōu)選擇，也是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)我國(guó)車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，并最終實(shí)現(xiàn)車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體“彎道超車”的一條實(shí)際路線。

5 總結(jié)

汽車電子產(chǎn)品的環(huán)境可靠性對(duì)于汽車行駛安全的重要性毋容置疑[7]，尤其是隨著汽車的電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化與共享化發(fā)展，汽車具備更多智能化決策，汽車電子產(chǎn)品中的“核心大腦”——車規(guī)級(jí)芯片環(huán)境可靠性的重要性將提升至前所未有的高度。建立起合理的環(huán)境可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系，成為保障未來(lái)汽車安全出行的重要一環(huán)。而通過(guò)對(duì)比國(guó)外車規(guī)級(jí)芯片的環(huán)境可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系發(fā)現(xiàn)，主流的標(biāo)準(zhǔn)并不能滿足我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展要求。因此在芯片國(guó)產(chǎn)化的基礎(chǔ)上，建立起符合我國(guó)國(guó)情及行業(yè)走向的車規(guī)級(jí)芯片環(huán)境可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系是十分必要的。

基金項(xiàng)目：柳州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2021AAA0101）。

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作者簡(jiǎn)介

張送：（1983.05—），男，廣西柳州人，中級(jí)工程師，碩士研究生、就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向?yàn)樾履茉雌嚒?/p>