國產(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

上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心 廣西柳州市 545007

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2100萬輛規(guī)模，其中中國汽車市場(chǎng)的增長率最顯著。一份對(duì)德國、美國及中國的三國汽車用戶對(duì)自動(dòng)駕駛的接受程度調(diào)查顯示，超過50%的中國用戶非常認(rèn)可，遠(yuǎn)高于其余兩國。這意味著在未來幾年中國汽車行業(yè)對(duì)芯片的需求量將更加大。

圖1 芯片國產(chǎn)化

疫情沖擊與需求量放大的兩者夾擊下，芯片國產(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)，為建立起符合我國國情及汽車行業(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，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)。

表1 消費(fèi)級(jí)、車規(guī)級(jí)和工業(yè)級(jí)芯片使用環(huán)境特點(diǎn)

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，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＜1萬公里后，造成芯片失效。

圖2 導(dǎo)體本體失效模式

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5千～2萬公里后，造成芯片功能失效。

圖3 導(dǎo)體和介質(zhì)層界面失效模式

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5千～3萬公里后，造成芯片功能失效。

圖4 介質(zhì)層界面失效模式

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5千～3萬公里后，造成芯片功能失效。

圖5 互聯(lián)和金屬化層失效模式

通過多批次車規(guī)級(jí)芯片的失效壽命進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，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，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：

表2 AEC-Q100工作溫度區(qū)間等級(jí)定義及對(duì)應(yīng)工作位置

3.2 ISO16750標(biāo)準(zhǔn)

ISO16750是由國際標(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：

表3 ISO16750標(biāo)準(zhǔn)安裝類型定義

相比較AEC系列，ISO16750標(biāo)準(zhǔn)則更加細(xì)分，例如考慮到太陽直射、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 國產(chǎn)化車規(guī)級(jí)芯片認(rèn)證

由于我國汽車工業(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)條件來進(jìn)行具體要求，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)。

我國在車規(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)展上升為國家戰(zhàn)略，建立起具備符合國情及滿足我國汽車行業(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。具備我國特色的車規(guī)級(jí)國產(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。混合動(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)長定義更合理。隨著汽車智能化發(fā)展，未來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。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，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，成為保障未來汽車安全出行的重要一環(huán)。而通過對(duì)比國外車規(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)并不能滿足我國汽車行業(yè)的發(fā)展要求。因此在芯片國產(chǎn)化的基礎(chǔ)上，建立起符合我國國情及行業(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。