車用晶片驗證流程及展望

2022-03-17 1205

分析認為，隨著新能源和無人駕駛汽車的快速發展，車規晶片的功能變得越來越重要，是晶片產業應用的重要方向。闡述了積體電路設計公司進入車規晶片領域的相關驗證流程、規範和標準，車規晶片的相關可靠性驗證和失效分析，探討了車規晶片量產的零缺陷目標，分析國產車規晶片發展中存在的問題和局限性，並展望發展方向。
0 介紹
隨著汽車電子的深入發展以及汽車工業確立的新四化（電動化、網聯化、智慧化、共享化），這為半導體晶片在汽車領域的應用帶來了新的機會。近年來，需求快速發展，為汽車市場帶來了新的產業變革。使得車規晶片在電源控制、底盤控制和資訊娛樂等應用領域中發揮越來越重要的作用[1]。過去五年，全球汽車半導體市場年複合成長率約為4.8%，而中國汽車半導體市場年複合成長率為11.6%。這主要是因為新能源車的電子化程度越來越高，帶來各種汽車半導體的需求大幅增加[2]。根據德勤預測，60年汽車半導體營收將突破2022億美元[3]，勢必吸引更多晶片廠商參與。與消費性電子晶片相比，車規晶片的要求更高。（1）車規晶片高於消費級及工業級晶片標準；（2）車規晶片對工作環境有更嚴格的要求，如溫度、濕度、EMC、有害氣體侵蝕等，依其不同的應用有不同的要求；（3）車規晶片的開發與驗證成本高、門檻高、週期長；（四）需要通過相應的審核標準。儀表晶片有兩個條件：（1）符合零故障供應鏈品質管理標準IATF 16949； (2)符合北美汽車工業推動的AEC可靠性標準。由於設計週期長、技術壁壘高，整個汽車晶片產業被英飛凌、瑞薩等專注高階汽車晶片細分市場的國外巨頭壟斷。同時，中國湧現了數十家晶片設計公司，成為汽車電子晶片供應商，類型涵蓋駕駛輔助、中控、電池管理、影像感測器和訊號處理器等[4]。豐田、福特、福斯等國際傳統車商都積極參與汽車電子晶片的研發。國內部分主流車廠也涉足晶片研發，如比亞迪、上汽等，以多種形式參與晶片研發，擁抱汽車晶片產業新革命。他們更容易結合自身的應用場景和財力來推動晶片設計的快速導入。以新能源為代表的特斯拉推出FSD晶片，圍繞高水準自動駕駛的競爭已拉開序幕。汽車產業加速邁入智慧化時代。結合車規晶片龐大的市場，根據其應用特點以及進入該領域的標準要求，本文將重點討論進入該領域的IATF 16949和AEC可靠性標準的驗證條件。透過失效晶片的老化篩選測試和根本原因分析，可以確保車規晶片的可靠性，達到零失效的目標。最後，期待車規晶片驗證規範的標準化、全面的可靠性驗證、高效的老化篩選測試和專業的失效分析。
1 儀表晶片相關驗證1.1 IATF16949
在汽車產業，品質認證活動在世界各地都有自己的產業認證標準和要求，如德國汽車產業的VDA6.1標準、法國的EAQF標準、義大利的AVSQ標準以及美國的QS-9000標準等。國際汽車工作小組（IATF）成立於1997年，與國際標準化組織（ISO/TC 176）合作，為汽車產業實現了全球統一的品質系統標準和認證。在國家汽車產業標準的基礎上，於16949年制定並推出了IATF1999。 IATF16949是國際汽車集團以客戶為導向，考慮其特殊要求。針對近年來汽車業關注的一些問題，如汽車安全等，標準中增加了新的條款[6,7]。 IATF16949適用於汽車製造商及其直接零件供應商。這些製造商與汽車生產直接相關，可以進行製造活動並透過這些活動增加其產品的價值。例如，在晶片全產業鏈中，晶圓廠和封裝廠需要嚴格依照IATF16949標準製造汽車晶片。而僅具有支撐功能的單位，例如設計中心、配送中心，則不需要獲得此認證[8]。
1.2 AEC標準認證
AEC：汽車電子委員會於1994年由北美三大汽車公司（克萊斯勒、福特和通用汽車）成立，旨在建立一套通用品質系統標準[9]。 AEC建立了產品品質控制標準，推動了汽車零件通用化的實施，為市場的快速發展奠定了良好的基礎。其規格主要包括AEC-Q100（積體電路IC）、AEC-Q101（分離元件）、AEC-Q102（分離式光電LED）、AEC-Q104（多晶片元件）和AEC-Q200（被動元件）。其中，AEC-Q100是IC積體電路的驗證規範。其目的是透過應用中的壓力測試來確定裝置的品質和可靠性能夠滿足一定的要求[10]。
1.2.1汽車儀表晶片設計
從產品的使用功能、工作條件（電壓、頻率範圍等）以及晶片所採用的單元設計庫技術出發，確定電路設計原理，滿足車規晶片的要求。實施過程可以識別潛在的故障模式、它們對系統和客戶的影響，並確定它們的嚴重性和可能的原因。考慮到冗餘設計，該設計可以透過糾錯碼的形式避免潛在的資料保留錯誤並替換有缺陷的單元。建立自我檢測機制，透過晶片合理的測試時間在電路中增加一些路徑節點進行測試，及時發現缺陷單元，並進行相關處理，減少製程波動帶來的影響。在晶片設計階段，我們就應該開始考慮晶片的可靠性實驗。使用電腦輔助工程分析和模擬工具可以在更短的時間內提高產品的可靠性。有限元素分析、熱分析、可靠度預測模型等工具的應用越來越廣泛，使得車規晶片在設計之初就積極提高裝置的可靠性和穩定性。
1.2.2晶片製造
晶圓製造的主要步驟包括離子注入、光刻、蝕刻和塗層。在每道工序中，都需要透過數理統計研究和分析工具找出最佳參數，以滿足提高晶片良率和品質的要求。 Fab工廠可以透過偵測每道工序的特定測試參數、晶片數量、頻率等資訊來確保工序的穩定性。
1.2.3晶片測試
盡量在合理的時間內達到最大的測試覆蓋率，提前篩選出不良品，避免流向客戶。更快、更有效地測試晶片的一個重要途徑是透過晶片的自我測試設計，這也可以減少對外部ATE資源的依賴。好產品測試限值的標準設定可以根據AEC_Q004文件中的建議和數據標準差的一定公式，靜態pat限值=穩健平均值+Mn； 6 穩健西格瑪。透過大數據分析，可以控製製程波動，確保產品品質的穩定性。該方法可以定期審查和更新。產品在使用前的失效就是良率，產品在使用過程中的失效就是可靠性，因此晶片的測試直接關係到晶片的可靠性。浴盆曲線由三個部分組成：早妖期、穩定期、損失期。老化測試是ATV（汽車）晶片測試的重要步驟。其主要作用是在晶片出貨前去除產品的早期失效晶片，以達到使用者的高可靠性。早期是失敗率相對較高的階段。晶片失效通常是由晶片的固有缺陷或問題引起的，例如設計缺陷、製造製程異常或材料的固有缺陷。這些缺陷會導致與時間和應力相關的故障，故障率通常用Dppm來表徵。具體來說，晶片要經過一定時間的100%老化測試，例如施加偏壓和高溫，然後進行正常的ATE測試來篩選[11]。浴盆曲線（圖1）中的穩定期代表晶片在其使用壽命期間故障率相對穩定，其故障通常用FIT（故障時間）或MTBF（平均故障間隔時間）來描述小時。損耗階段表示由於晶片內部電路損耗導致晶片的故障率開始上升，這意味著晶片已達到其極限使用壽命。

1.2.4 AEC-Q100晶片可靠度驗證
AEC-Q100作為汽車電子可靠度驗證標準，主要有以下用途：（1）客戶有標準規範可供參考； (2)晶片供應商能夠排除晶片可能存在的潛在故障。表1顯示AEC-Q100根據裝置的工作環境溫度分為不同的產品等級，這與晶片的具體應用有關。最嚴格的最高等級標準的工作溫度範圍為-40～150℃。供應商需要不斷優化產品設計，採用先進且穩定的製造和封裝工藝，並採用嚴格的測試程序，以滿足車規晶片工作溫度和可靠性的高標準要求。

AEC-Q100定義了晶片在設計、製造、封裝、測試和量產等各個階段所需的驗證和相關卡控標準。從內容來看，具體包括41類7項測試，如圖2所示，是AEC-Q100 Rev-H的驗證流程與規格內容[12]。大致可分為：A組（加速環境壓力測試）、B組（加速工作壽命測試）、C組（封裝完整性測試）、D組（晶圓級可靠度測試）、E組（電氣驗證測試）、 F組（篩選性測試）及G組（密封包裝完整性測試）。目前，AEC-Q100已成為車規晶片的重要規範。通常，車規晶片供應商需要完成其項目的驗證，然後「自我聲明」其產品已通過相關驗證結果。 AEC不會向供應商提供任何認證。由於樣本數量較少，這些測試是必要且不充分的，反映出該方法的局限性。此測試可以用來否定設備的可用性，但不能判定量產的晶片是否符合特定場景下的使用標準。因此，量產車規晶片的老化篩選測試就顯得尤為重要，這使得晶片在穩定的周期內提供給客戶，提高車規晶片的可靠性。同時，透過故障分析，一方面可以找出晶片故障的根本原因，並採取相應的措施來根除問題；另一方面，針對固有缺陷，優化、嚴密測試，將其篩選出來，從而達到車規晶片零故障率的目標。 2 半導體在研究、生產和使用過程中不可避免地會出現故障。透過針對性的失效分析：（1）可以幫助設計者找出晶片設計的缺陷，例如可以透過FIB電路修復來驗證結果。（2）找出晶片製造和封裝製程中存在的缺陷，並提出切實可行的改進方案。 (3)評估不同測試向量的有效性，為生產測試提供必要的補充。晶片的失效分析主要基於微觀世界，從電學、物理、化學和材料等方面對其進行觀察和分析，從本質上找出晶片失效的原因[13]。主要分析工具和測試方法如圖3所示。半導體製程的複雜性越來越高，這也為失效分析帶來了更大的困難。例如，線寬的減小需要電子顯微鏡的分辨率更高，金屬層間距的減少增加了樣品製備的難度。透過故障現象，結合晶片設計和工作原理，可以掌握晶片的準確資訊和數據，從而做出正確的分析和判斷。一般半導體晶片使用後的失效機制可分為下列幾類[14]。 (1)晶片設計有缺陷，主要體現為晶片的功能無法實現。 (2)本體的相關故障，例如半導體材料的缺陷或封裝所用基板本身的問題。 (3)工藝波動所引起的故障。 ①晶片介質層相關失效，如柵氧化層、金屬間介質層等缺陷； ②矽基板與SiO2界面之間有位錯等缺陷； ③金屬電遷移或含有鹵素、鹵化物的污染造成晶片後端金屬互連層的金屬腐蝕； ④封裝製程參數不合理造成腳位連接短路或斷路。 (4)測試引入的故障主要是由於測試向量電壓設定不合理而導致晶片的Overkill。

3 分析
計量晶片的安全性和可靠性是其首要考慮的因素，這不僅體現在晶片設計和開發階段，在測試篩選和可靠性驗證中也特別重要。其廣闊的市場前景使得更多的晶片供應商開始進入這一領域，加入到車規晶片的產業規劃中。結合供應鏈品質管理標準IATF16949和AEC-Q100可靠性的要求，目前車規晶片驗證的流程和系統有待改善。（1）需要技術專家（整車、晶片設計、製造、封裝和晶片測試等）建立一套更專業、規範、流程化的標準，建立車規晶片標準化體系。 (2)晶片可靠度驗證需要更全面，產品的可靠性需要設計與製造。 (3)老化測試需要更有效率。車規晶片可以透過100%老化去除早期失效裝置，這將凸顯出當威布爾分佈參數β小於1時老化測試的作用，即早期失效率呈現明顯下降趨勢。在消除晶片早期失效的前提下，老化測試時間越短越好。 (4)失效晶片根本原因的分析需要形成閉環。特別是找出因製程製造參數卡控不合理或測試覆蓋範圍不夠全面而遺漏的不合格晶片，因為可能會帶來批次問題。不同的故障案例需要從晶片設計、製程製造、封裝測試、裝置使用等方面進行資料擷取和綜合分析，找出故障的根本原因，然後回饋形成解決方案。同時，晶片製造線需要應用更主動的專業監控技術，如CPK技術、SPC技術和PPM技術，可以對產能和製程穩定性進行分析和預測[15]。 4結論在實際工作中，經常會遇到TSP資料準備和TSP資料視覺化的問題。本文根據實際工作經驗，總結了上述兩種製作TSP資料視覺化的方法，以解決TSP資料處理問題。

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