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        國產(chǎn)化背景下車規(guī)級芯片環(huán)境可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研究

        2022-05-07 05:52:18張送胡慧婧韋錦波何逸波
        時代汽車 2022年10期
        關(guān)鍵詞:汽車體系標(biāo)準(zhǔn)

        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(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(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(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)級芯片失效機(jī)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(fèi)級與工業(yè)級,車規(guī)級的芯片使用環(huán)境存在以下特點(diǎn):

        除了高低溫、干濕沙塵及鹽霧、振動、防水性等環(huán)境載荷外,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(diǎn)。為此,在規(guī)劃車規(guī)級芯片的環(huán)境可靠性試驗(yàn)時,應(yīng)該將此場景考慮在內(nèi)。

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

        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,并對其進(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(rèn)證體系中存在兩個主流體系: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制定,因符合其測試標(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:

        表2 AEC-Q100工作溫度區(qū)間等級定義及對應(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)級國產(chǎn)芯片環(huán)境可靠性測試體系,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(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?;旌蟿恿ζ噭恿π铍姵叵到y(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)境載荷量級定義更合理。例如缺少燃油發(fā)動機(jī)、增加驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的純電動新能源汽車,車身及發(fā)動機(jī)艙內(nèi)存在的振動載荷與燃油汽車相比,因驅(qū)動電機(jī)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(jī)與驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的混合動力汽車,因?yàn)橥瑫r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(dāng)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。車規(guī)級芯片的設(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(dāng)前形勢下的最優(yōu)選擇,也是當(dāng)前實(shí)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(shí)現(xiàn)車規(guī)級半導(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(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)。而通過對比國外車規(guī)級芯片的環(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。

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