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年全球汽車總計減產(chǎn)810.7萬輛，因疫情“黑天鵝”因素及芯片產(chǎn)業(yè)自身的長周期性，汽車芯片短缺問題在短時間內(nèi)難以消除。在“新四化”浪潮下，汽車產(chǎn)業(yè)的芯片需求會進一步擴大，汽車芯片短缺將進一步加劇。車規(guī)級芯片技術(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)境可靠性試驗標準與國外的相應(yīng)標準兩個方向進行對比研究，為國產(chǎn)化下的車規(guī)級芯片環(huán)境可靠性試驗體系建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：車規(guī)級 芯片國產(chǎn)化 可靠性試驗 試驗標準

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)生強烈的沖擊。尤其是具備強周期性的芯片行業(yè)，因其設(shè)計主要集中在歐美地區(qū)，制造集中在日本、臺灣等地區(qū)，封裝及測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，2021年全球汽車行業(yè)因芯片短缺減產(chǎn)達810.7萬輛，總計約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“電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化”的發(fā)展對芯片的需求也在進一步的提升。預(yù)計全球新能源汽車將在2025年達到2100萬輛規(guī)模，其中中國汽車市場的增長率最顯著。一份對德國、美國及中國的三國汽車用戶對自動駕駛的接受程度調(diào)查顯示，超過50%的中國用戶非常認可，遠高于其余兩國。這意味著在未來幾年中國汽車行業(yè)對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)境可靠性試驗標準，為建立起符合我國國情及汽車行業(yè)發(fā)展的車規(guī)級芯片環(huán)境可靠性試驗標準體系提供建設(shè)性的建議。

2 車規(guī)級芯片失效機理

通過對汽車上應(yīng)用在車身控制、底盤安全、動力總成、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)，相比較消費級與工業(yè)級，車規(guī)級的芯片使用環(huán)境存在以下特點：

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

根據(jù)對某平臺多款車規(guī)級微控制單元芯片的連續(xù)跟蹤[1]，并對其進行失效機理分析發(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。

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。

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。

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。

通過多批次車規(guī)級芯片的失效壽命進行跟蹤統(tǒng)計[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 國外車規(guī)級芯片產(chǎn)品認證

由于涉及行車的人員安全，環(huán)境可靠性測試成為車規(guī)級芯片可靠性測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)級芯片的認證體系中存在兩個主流體系：AEC標準、ISO16750標準。

3.1 AEC標準

AEC系列標準主要由美國汽車電子委員會制定，因符合其測試標準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)用較為廣泛的標準。

環(huán)境可靠性的驗證項目主要由其中的AEC-Q100進行定義[4]，根據(jù)零件的安裝位置，標準定義了4個等級工作溫度，并明確了對應(yīng)位置應(yīng)用的等級。具體如下所示：

3.2 ISO16750標準

ISO16750是由國際標準化組織（ISO）制定的主要針對汽車電子環(huán)境可靠性驗證的標準，主要被標致、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。相較于AEC標準，ISO16750標準應(yīng)用范圍更廣泛。除了應(yīng)用范圍差別外，ISO16750對樣件的安裝劃分也更加詳細，存在5種劃分。具體如表3所示：

相比較AEC系列，ISO16750標準則更加細分，例如考慮到太陽直射、熱輻射的區(qū)別，將乘員艙細分出行李艙/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)級芯片認證

由于我國汽車工業(yè)發(fā)展較晚，汽車電子產(chǎn)品的環(huán)境可靠性測試驗證主要還是按照具體產(chǎn)品的技術(shù)條件來進行具體要求[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系列標準[8]。

我國在車規(guī)級芯片的直接認證標準上，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)境可靠性試驗標準體系迫在眉睫。具備我國特色的車規(guī)級國產(chǎn)芯片環(huán)境可靠性測試體系，應(yīng)該包含以下幾點，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)該歸屬于等級三，顯然這不符合;除此之外，對于純電動新能源汽車，由于沒有發(fā)動機的熱害，前艙內(nèi)的電機控制器、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，純電動汽車動力蓄電池系統(tǒng)往往懸置于乘員艙徹底或直接與車身融合在一起。混合動力汽車動力蓄電池系統(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等標準的空間劃分。

③環(huán)境載荷量級定義更合理。例如缺少燃油發(fā)動機、增加驅(qū)動電機系統(tǒng)的純電動新能源汽車，車身及發(fā)動機艙內(nèi)存在的振動載荷與燃油汽車相比，因驅(qū)動電機的高轉(zhuǎn)速性，低頻振動載荷減少但是高頻振動的載荷卻增加。而同時存在燃油發(fā)動機與驅(qū)動電機系統(tǒng)的混合動力汽車，因為同時存在熱害及更高量級的高頻振動載荷，則車規(guī)級芯片承受的環(huán)境載荷量級更大，尤其是當熱害與其他環(huán)境載荷存在耦合情況。

④壽命測試時長定義更合理。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[3]。車規(guī)級芯片的設(shè)計壽命以及環(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，是國外車規(guī)級半導(dǎo)體的環(huán)境可靠性測試體系所不具備的。根植于現(xiàn)有的相對完備的歐美車規(guī)級半導(dǎo)體測試體系，延伸并發(fā)展起具備我國特色的體系，是當前形勢下的最優(yōu)選擇，也是當前實現(xiàn)我國車規(guī)級半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，并最終實現(xiàn)車規(guī)級半導(dǎo)體“彎道超車”的一條實際路線。

5 總結(jié)

汽車電子產(chǎn)品的環(huán)境可靠性對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)境可靠性試驗驗證標準體系，成為保障未來汽車安全出行的重要一環(huán)。而通過對比國外車規(guī)級芯片的環(huán)境可靠性試驗驗證標準體系發(fā)現(xiàn)，主流的標準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)級芯片環(huán)境可靠性試驗驗證標準體系是十分必要的。

基金項目：柳州市科技計劃資助項目（2021AAA0101）。

參考文獻：

[1]陸涵蔚，朱黎敏，陳贊棟. 車規(guī)級微控制單元芯片上車使用后的失效機理及失效率分析[J]. 集成電路應(yīng)用，2019，36（9）：2.

[2] Anderson P M . Semiconductor memories technology，testing，and reliability.? 2002.

[3]陳明，胡安，劉賓禮. 絕緣柵雙極型晶體管失效機理與壽命預(yù)測模型分析[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報，2011，45（10）：7.

[4]周金成，郭昌宏，李習(xí)周. 淺談汽車電子產(chǎn)品的特點與相關(guān)認證[J]. 中國集成電路，2018，27（4）：5.

[5]李秋影. 汽車電子產(chǎn)品環(huán)境與可靠性試驗標準研究[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2014，32（6）：15.

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[7]孫青...電子元器件可靠性工程[M]. 電子工業(yè)出版社，2002.

[8]孔學(xué)東，恩云飛. 電子元器件失效分析與典型案例[M]. 國防工業(yè)出版社，2006.

作者簡介

張送：（1983.05—），男，廣西柳州人，中級工程師，碩士研究生、就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向為新能源汽車。