車規(guī)標準AEC-Q100在高可靠領域的適用性研究

曹玉翠 吳一 嚴小榮 汪小勇 李進

摘 要：本文首先介紹了車規(guī)電子標準AEC-Q100的詳細內容，并對車規(guī)電子具有靈活性、高可靠的特點進行了詳細的解讀 ；其次，研究了AEC-Q100與軍用、宇航用標準在質量保證要求、試驗內容上的區(qū)別與聯(lián)系，并進行了詳細比對與分析；最后，給出了AEC-Q100在高可靠領域的適用性研究結論，并提出后續(xù)建議及重點研究方向。該研究對我國高可靠領域元器件向低成本、高可靠方向發(fā)展具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：車規(guī)電子，AEC-Q100，低成本，高可靠

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.10.024

Analysis of the Applicability of Automotive-Grade AEC-Q100 in High Reliability Field

CAO Yucui1 WU Yi1* YAN Xiaorong2 WANG Xiaoyong1 LI Jin1

（1. Beijing SANTEL Technology & Trading Corp； 2. Guizhou Zhenhua Fengguang Semiconductor Co.， Ltd.）

Abstract： This paper fi rst introduces the detailed content of AEC-Q100 and gives a detailed interpretation of the fl exible and highly reliable characteristics of automotive-grade； studies the difference and connection between AEC-Q100 and military and aerospace standards in terms of quality assurance requirements and test content， and carries out detailed comparison and analysis； and fi nally gives the research conclusions on the applicability of AEC-Q100 in the fi eld of high reliability， and puts forward follow-up suggestions and key research directions. It has certain reference signifi cance for the development of components in Chinas high-reliability fi eld in the direction of low cost and high reliability.

Keywords： automotive-grade， AEC-Q100， low cost， high reliability

0 引 言

軍用電子元器件作為我軍裝備跨越式發(fā)展的重要基礎支撐，早期以高質量和成熟性能為發(fā)展目標。隨著裝備對集成化、輕量化和低成本的要求，如何發(fā)展低成本、高可靠的軍用電子元器件成為當前研究熱點。美國國防部提出，要在重要領域的元器件選型上考慮基于最佳商業(yè)實踐的商用元器件[1]。車規(guī)電子是滿足汽車行業(yè)生產標準的電子元器件，在極限環(huán)境適應性、可靠性要求等方面與軍用電子元器件有相似之處，因其技術新、成本低，可靠性高，曾多次被NASA選用以替代宇航用電子元器件。2018年，NASA在火星立方星一號中選用車規(guī)電子執(zhí)行深空探測任務，圓滿完成飛行任務[2-3]。在元器件質量保障方面，汽車行業(yè)有嚴格的可靠性測試標準系列AEC-Q，要求質量缺陷<1 ppm，壽命周期達到25-30年，基本滿足我軍裝備質量要求。經歷數(shù)十年的行業(yè)發(fā)展，車規(guī)電子已具有獨特的質量和成本優(yōu)勢，其成功經驗已被航天、軍工、核工業(yè)領域借鑒。美國NEPP（NASA Electronic Parts and Packaging Program，NEPP）小組對車規(guī)電子標準與軍用、宇航用標準開展了對比[4]，但并沒有深入研究標準之間的區(qū)別和聯(lián)系，將理論與實踐結合。本文從塑封微電路的角度出發(fā)，介紹了AEC-Q100的標準內容，解讀了AEC-Q100的特點，對美軍標、宇航標準展開了詳細的對比與分析，并提出了后續(xù)發(fā)展建議，為行業(yè)發(fā)展提供了參考價值。

1 AEC-Q100標準介紹

AEC-Q是汽車行業(yè)通用的一套系列規(guī)范，包括集成電路、分立半導體、MEMS壓力傳感器、多芯片模塊等，其中，AEC-Q100是集成電路應力測試認證規(guī)范，在汽車行業(yè)中應用最廣泛。AEC-Q100[5]在標準中詳細定義了滿足車載集成電路可靠性最低要求的認證流程、試驗項目、試驗條件、抽樣數(shù)量，以及產品發(fā)生變更時的再認證流程。圖1所示為AEC-Q100的驗證流程及內容。

認證流程分為7個組群，每個組群代表了不同的試驗類別，規(guī)定了試驗項目及要求。試驗分組如表1所示。

AEC-Q100規(guī)定了芯片從設計到驗證完成需要經歷四大階段，即wafer制造—封裝完整性檢驗—篩選與可靠性試驗—功能驗證，通過對樣品的試驗、測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，來實現(xiàn)對樣品的質量把控。AEC-Q100規(guī)定了產品設計更改和再驗證流程，若樣品進行了電路設計、工藝或封裝的變動，則可依據(jù)更改流程進行對應的試驗，不需要重新開始試驗，僅需按照規(guī)定對部分試驗項目進行驗證。為了對車規(guī)電子的全壽命周期狀態(tài)有更好的管理，AEC-Q100給出了通用數(shù)據(jù)的定義，應包括：認證數(shù)據(jù)+變更認證數(shù)據(jù)+可靠性監(jiān)控數(shù)據(jù)，并規(guī)定可以使用通用數(shù)據(jù)來簡化測試認證流程。標準規(guī)定了在設計和早期失效階段找出的故障，要分析故障的根本原因，實施糾正和預防措施，才可再次進行認證，保證在根本上消除產品的故障原因。同時，AEC-Q100給出了系列產品的定義，若產品在功能、電路設計或模塊單元采用了相同的設計辦法，可以按規(guī)定采信系列產品的試驗數(shù)據(jù)，簡化認證流程。

AEC-Q100除了主標準外，根據(jù)車規(guī)電子的特點制定了十個分標準供主標準配套使用，為可靠性試驗提供理論依據(jù)。這十個標準文件規(guī)定了車規(guī)電子試驗方法，如鍵合剪切應力測試、早期壽命失效率測試、ESD測試等。試驗方法參考了MIL-STD-883和JEDEC等領域標準。車規(guī)電子在生產測試過程中還要滿足AEC-Q001～005的五個控制指南，分別是零件平均測試指南、統(tǒng)計生產率分析指南、電性能測試指南、零缺陷指南和無鉛測試要求，從生產、制造、測試等方面，全方位降低質量缺陷。

2 AEC-Q100標準解讀

對AEC-Q100標準進行解讀，發(fā)現(xiàn)產品認證突出了靈活性和高可靠性兩大特點，在保證質量的前提下為用戶和供應商提供靈活的選擇空間。與此同時，標準配套文件AEC-Q001～004又對風險的分析和規(guī)避、潛在風險的挖掘有嚴格的規(guī)定，對質量把控提出進一步的要求。深入研究標準認證特點，了解相關風險控制措施，提煉AEC-Q100標準的要點，使標準內容更清晰。

2.1 成熟的風險控制辦法保障了產品可靠性

（1）標準AEC-Q001給出了晶圓參數(shù)平均測試的辦法。由于參數(shù)設計及其相關工藝過程將會導致每個參數(shù)測試結果都有獨特的分布，產品在晶圓狀態(tài)時進行參數(shù)測試，根據(jù)設定的極限值，將超出極限值或接近極限值的芯片直接剔除，在制造初期時即避免潛在風險。同時又可以標記工藝變化，在產品有問題時可迅速溯源，防止質量事故發(fā)生。

（2）標準AEC-Q002給出了統(tǒng)計式良品率分析指導原則。在晶圓測試階段，對各個BIN進行監(jiān)控并取樣，通過對關鍵性測試參數(shù)的統(tǒng)計分析來建立一套分析和控制生產變量的系統(tǒng)，用來檢測出異常的材料區(qū)域，使制造商在晶圓就能及時發(fā)現(xiàn)故障并排除，保證最終產品的質量和可靠性。

（3）標準AEC-Q003給出了集成電路電氣性能的測試指南。規(guī)定了產品最終階段應評估的重要參數(shù)，目的在于收集測試數(shù)據(jù)并進行分析，以便了解產品的電氣參數(shù)特性，剔除不良表現(xiàn)的產品，保障產品質量一致性。

（4）標準AEC-Q004給出了產品零缺陷指導原則，標準中提出了一系列的流程步驟以及各階段采用的工具或方法，用來指導供貨商或用戶如何在產品生命周期中使用工具和制程達成零缺陷的目標，為產品全壽命周期的質量提供保障。

（5）標準AEC-Q005和標準AEC-Q006分別規(guī)定了車規(guī)電子的無鉛使用要求和采用銅引線互連的產品鑒定要求，提高產品質量保障，滿足環(huán)境要求，符合長效、持續(xù)、可靠的發(fā)展需要。

2.2 靈活的認證流程縮短了認證周期

（1）制造商完成認證試驗后，應將試驗數(shù)據(jù)提交給用戶，用戶判定是否符合AEC-Q100標準或用戶協(xié)議的規(guī)定，不需要第三方鑒定。供應商和用戶之間直接對接，提高認證效率。

（2）對一種型號產品進行一次性的初始認證，不要求每個批次均進行認證；當電路設計、工藝或封裝發(fā)生更改時，僅需要提供輔助材料進行變更認證，不需要重新開始認證流程。

（3）給出系列產品的定義，具有相同功能、電路設計或制程的產品，在標的產品已通過認證的前提下，其余產品無需重新開始認證流程，可按規(guī)定提供材料進行輔助認證，簡化了認證流程。

2.3 靈活的試驗選擇滿足了不同的用戶需求

（1）標準規(guī)定了Grade0～3四個溫度等級，涵蓋了從-40 ℃～+155 ℃，不同的溫度等級對應的部分試驗方法略有差異。用戶可根據(jù)使用環(huán)境，選擇合適的溫度等級產品，避免過多的溫度裕量造成資源的浪費，更符合用戶降低成本效益的追求。

（2）在進行試驗時，標準不具有強制性，以制造商與用戶之間的協(xié)議為主，不同制造商關注點不同，遵循原則：用戶協(xié)議>標準規(guī)定>廠家提供的參考數(shù)據(jù)，為不同的用戶需求提供了便利。

（3）用戶可根據(jù)使用環(huán)境，在標準基礎上選擇增加/刪減試驗項目。若需要增加試驗項目，可選擇參考MIL-STD-883或JESD的試驗方法和試驗要求；若有重復或不必要的試驗項目，可選擇刪除，減少經濟成本。靈活的試驗選擇，以滿足用戶在不同場景的使用需求。

（4）提供通用數(shù)據(jù)定義，可以使用通用數(shù)據(jù)的支撐以減少冗余的試驗項目，減少試驗成本；不同的供應商之間也可互相采信通用數(shù)據(jù)，使供應商之間相互促進能力提升，提高通用化水平，為用戶提供更好的服務。

3 AEC-Q100與高可靠領域標準對比

3.1 體系要求對比

車規(guī)電子的低成本、高可靠非偶然成果，其質量保證方法值得研究。為發(fā)現(xiàn)車規(guī)電子與軍用電子元器件在高可靠領域的區(qū)別與聯(lián)系，分別選擇汽車、軍用、NASA宇航用電子元器件質量保證體系進行分析[6-7]，詳細內容如表2所示。

從表格中可以看出，軍用與NASA宇航用元器件質量體系要求幾乎一致，都具有較高的可靠性要求，屬于高可靠領域。AEC-Q100對鑒定、過程控制、質量一致性和可靠性測試均有較高要求，同樣滿足高可靠領域。同軍用、宇航用電子元器件一樣，車規(guī)電子有專用的生產線，保證了產品的一致性。AEC-Q100的原則是以客戶需求為主，在試驗種類上不作強制要求，用戶可根據(jù)使用環(huán)境增加或刪除試驗環(huán)節(jié)，以滿足使用環(huán)境的可靠性要求，體現(xiàn)了較高的靈活性。而車規(guī)電子成本低、交付快，較軍用/宇航用電子元器件有明顯的優(yōu)勢。

由于NASA在立方星任務中成功使用了車規(guī)電子，在此背景下研究發(fā)現(xiàn)，車規(guī)電子最高的溫度等級Grade0為-40 ℃～+150 ℃，但在溫度循環(huán)試驗中，Grade0的試驗條件是-55 ℃～+150 ℃，極限溫度范圍可覆蓋宇航產品的-55 ℃～+125 ℃。且兩者的質量體系要求框架高度相同，對過程控制都有嚴格的把控，若車規(guī)電子在試驗類型選擇與后者相同，則AEC-Q100的Grade0可對標PEM-INST-001的Level2，符合NASA小型衛(wèi)星選型標準。

從以上對比不難看出，車規(guī)電子的質量體系要求與軍用/宇航用電子元器件有較高的相似性。同時成熟的應用案例使AEC-Q100標準在高可靠領域適用性研究得到了初步驗證。

3.2 試驗內容比對

為進一步討論車規(guī)電子與軍用、宇航用元器件可靠性保證方法的區(qū)別與聯(lián)系，突出電子元器件小型化、輕量化和低成本的發(fā)展趨勢，本節(jié)針對塑封電路可靠性試驗內容展開研究。以質量保證等級匹配為前提，選擇MIL-PRF-38535（Class N）、PEMINST-001（Level2）和AEC-Q100（Grade0）為各領域代表，表3中詳細分析了各標準可靠性試驗內容。

在上述塑封集成電路認證工作流程中，涉及的試驗/測試方法均是以MIL-STD-883作為基準，交叉引用了JESD標準或車規(guī)電子試驗方法。而車規(guī)電子試驗方法的制定，也是參考了MIL-STD-883和JESD的試驗方法。與PEM-INST-001一樣，AEC-Q100沒有照搬MIL-STD-883的試驗設置，而是根據(jù)該領域元器件的特點，在樣品抽樣方式上略作改動，保持方法理論不變的前提下，使試驗設置更符合該領域使用環(huán)境。因此，可以認為三者的試驗辦法基于相同的可靠性保障試驗理論。

三者在試驗分類上略有不同。AEC-Q100的鑒定試驗分為7個測試群組，分別從環(huán)境適應能力、壽命、封裝、晶圓、電參數(shù)等方面檢驗了產品可靠性水平；PEM-INST-001將試驗分為篩選、鑒定和DPA三大類，分別從質量一致性、環(huán)境適應性和工藝結構三方面考察了產品的可靠性水平；MIL-PRF-38535將塑封電路試驗分為封裝評估和參數(shù)評估兩部分，從封裝完整性和參數(shù)表征兩方面評估了產品的可靠性。雖然三者有不同的試驗分類，但從總體的試驗項目設置來看，試驗項目和試驗方法重合度很高。例如都有穩(wěn)態(tài)壽命、溫度循環(huán)、ESD、鍵合強度等試驗，都非常注重對電特性、工藝結構和環(huán)境適應性的考核。尤其是AEC-Q100在試驗項目設置與質量把控標準方面與PEM-INST-001有極高的相似度，這也是NASA多次選用車規(guī)電子應用于小型衛(wèi)星的重要考慮因素之一。

此外，AEC -Q100的基本試驗架構明確，既可以滿足汽車行業(yè)可靠性標準的基本要求，又可以發(fā)揮靈活性的特點，增加試驗項目，向上兼容滿足高可靠領域的低成本發(fā)展需求。

4 總結與建議

車規(guī)電子與軍用/宇航用產品都具有長壽命、高可靠的特點，AEC-Q100在塑封電路的質量保證方面與PEM-INST-001/MIL-REF-38535有高度相同的框架，且借鑒了相同的試驗方法。因此，要借鑒車規(guī)電子的低成本、高可靠特點廣泛用于高可靠領域，若結合工程需求綜合運用車規(guī)電子、軍用/宇航用元器件的質量保證手段，合理利用AEC-Q100靈活性的特點，從理論上說有較高的可行性。

然而，AEC-Q100在高可靠領域的適用性還在研究階段，目前并不能完全代替現(xiàn)有標準。與軍用/宇航用標準相比，AEC-Q100缺少特殊測試，如抗輻照測試、引線牢固性、鹽霧等。因此，在后續(xù)AEC-Q100在高可靠領域的適用性研究中，找到傳統(tǒng)軍用、宇航用標準與AEC-Q之間的差異，形成系列標準比較矩陣，再通過針對性地補充過程管理、抗輻射評估、篩選、失效模式和影響分析等工作，設計FMEA預計和預防措施，降低車規(guī)電子在高可靠領域的使用風險，努力將車規(guī)電子的應用技術規(guī)范化、流程化，融入現(xiàn)有的元器件保證體系，在控制成本、提高性能之間找到平衡點。

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作者簡介

曹玉翠，碩士，助理工程師，主要研究方向為集成電路測試、可靠性評價。

（責任編輯：張佩玉）