曹玉翠 吳一 嚴(yán)小榮 汪小勇 李進(jìn)

摘 要：本文首先介紹了車(chē)規(guī)電子標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q100的詳細(xì)內(nèi)容，并對(duì)車(chē)規(guī)電子具有靈活性、高可靠的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的解讀 ；其次，研究了AEC-Q100與軍用、宇航用標(biāo)準(zhǔn)在質(zhì)量保證要求、試驗(yàn)內(nèi)容上的區(qū)別與聯(lián)系，并進(jìn)行了詳細(xì)比對(duì)與分析；最后，給出了AEC-Q100在高可靠領(lǐng)域的適用性研究結(jié)論，并提出后續(xù)建議及重點(diǎn)研究方向。該研究對(duì)我國(guó)高可靠領(lǐng)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(guān)鍵詞：車(chē)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(chǔ)支撐，早期以高質(zhì)量和成熟性能為發(fā)展目標(biāo)。隨著裝備對(duì)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(dāng)前研究熱點(diǎn)。美國(guó)國(guó)防部提出，要在重要領(lǐng)域的元器件選型上考慮基于最佳商業(yè)實(shí)踐的商用元器件[1]。車(chē)規(guī)電子是滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件，在極限環(huán)境適應(yīng)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(shù)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(hào)中選用車(chē)規(guī)電子執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù)，圓滿(mǎn)完成飛行任務(wù)[2-3]。在元器件質(zhì)量保障方面，汽車(chē)行業(yè)有嚴(yán)格的可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)系列AEC-Q，要求質(zhì)量缺陷<1 ppm，壽命周期達(dá)到25-30年，基本滿(mǎn)足我軍裝備質(zhì)量要求。經(jīng)歷數(shù)十年的行業(yè)發(fā)展，車(chē)規(guī)電子已具有獨(dú)特的質(zhì)量和成本優(yōu)勢(shì)，其成功經(jīng)驗(yàn)已被航天、軍工、核工業(yè)領(lǐng)域借鑒。美國(guó)NEPP（NASA Electronic Parts and Packaging Program，NEPP）小組對(duì)車(chē)規(guī)電子標(biāo)準(zhǔn)與軍用、宇航用標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展了對(duì)比[4]，但并沒(méi)有深入研究標(biāo)準(zhǔn)之間的區(qū)別和聯(lián)系，將理論與實(shí)踐結(jié)合。本文從塑封微電路的角度出發(fā)，介紹了AEC-Q100的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，解讀了AEC-Q100的特點(diǎn)，對(duì)美軍標(biāo)、宇航標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)了詳細(xì)的對(duì)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(jià)值。

1 AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)介紹

AEC-Q是汽車(chē)行業(yè)通用的一套系列規(guī)范，包括集成電路、分立半導(dǎo)體、MEMS壓力傳感器、多芯片模塊等，其中，AEC-Q100是集成電路應(yīng)力測(cè)試認(rèn)證規(guī)范，在汽車(chē)行業(yè)中應(yīng)用最廣泛。AEC-Q100[5]在標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)定義了滿(mǎn)足車(chē)載集成電路可靠性最低要求的認(rèn)證流程、試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)條件、抽樣數(shù)量，以及產(chǎn)品發(fā)生變更時(shí)的再認(rèn)證流程。圖1所示為AEC-Q100的驗(yàn)證流程及內(nèi)容。

認(rèn)證流程分為7個(gè)組群，每個(gè)組群代表了不同的試驗(yàn)類(lèi)別，規(guī)定了試驗(yàn)項(xiàng)目及要求。試驗(yàn)分組如表1所示。

AEC-Q100規(guī)定了芯片從設(shè)計(jì)到驗(yàn)證完成需要經(jīng)歷四大階段，即wafer制造—封裝完整性檢驗(yàn)—篩選與可靠性試驗(yàn)—功能驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)樣品的試驗(yàn)、測(cè)試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的質(zhì)量把控。AEC-Q100規(guī)定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)更改和再驗(yàn)證流程，若樣品進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)、工藝或封裝的變動(dòng)，則可依據(jù)更改流程進(jìn)行對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)，不需要重新開(kāi)始試驗(yàn)，僅需按照規(guī)定對(duì)部分試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證。為了對(duì)車(chē)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(yīng)包括：認(rèn)證數(shù)據(jù)+變更認(rèn)證數(shù)據(jù)+可靠性監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并規(guī)定可以使用通用數(shù)據(jù)來(lái)簡(jiǎn)化測(cè)試認(rèn)證流程。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在設(shè)計(jì)和早期失效階段找出的故障，要分析故障的根本原因，實(shí)施糾正和預(yù)防措施，才可再次進(jìn)行認(rèn)證，保證在根本上消除產(chǎn)品的故障原因。同時(shí)，AEC-Q100給出了系列產(chǎn)品的定義，若產(chǎn)品在功能、電路設(shè)計(jì)或模塊單元采用了相同的設(shè)計(jì)辦法，可以按規(guī)定采信系列產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化認(rèn)證流程。

AEC-Q100除了主標(biāo)準(zhǔn)外，根據(jù)車(chē)規(guī)電子的特點(diǎn)制定了十個(gè)分標(biāo)準(zhǔn)供主標(biāo)準(zhǔn)配套使用，為可靠性試驗(yàn)提供理論依據(jù)。這十個(gè)標(biāo)準(zhǔn)文件規(guī)定了車(chē)規(guī)電子試驗(yàn)方法，如鍵合剪切應(yīng)力測(cè)試、早期壽命失效率測(cè)試、ESD測(cè)試等。試驗(yàn)方法參考了MIL-STD-883和JEDEC等領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)。車(chē)規(guī)電子在生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中還要滿(mǎn)足AEC-Q001～005的五個(gè)控制指南，分別是零件平均測(cè)試指南、統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)率分析指南、電性能測(cè)試指南、零缺陷指南和無(wú)鉛測(cè)試要求，從生產(chǎn)、制造、測(cè)試等方面，全方位降低質(zhì)量缺陷。

2 AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)解讀

對(duì)AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品認(rèn)證突出了靈活性和高可靠性?xún)纱筇攸c(diǎn)，在保證質(zhì)量的前提下為用戶(hù)和供應(yīng)商提供靈活的選擇空間。與此同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)配套文件AEC-Q001～004又對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的分析和規(guī)避、潛在風(fēng)險(xiǎn)的挖掘有嚴(yán)格的規(guī)定，對(duì)質(zhì)量把控提出進(jìn)一步的要求。深入研究標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證特點(diǎn)，了解相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)控制措施，提煉AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的要點(diǎn)，使標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容更清晰。

2.1 成熟的風(fēng)險(xiǎn)控制辦法保障了產(chǎn)品可靠性

（1）標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q001給出了晶圓參數(shù)平均測(cè)試的辦法。由于參數(shù)設(shè)計(jì)及其相關(guān)工藝過(guò)程將會(huì)導(dǎo)致每個(gè)參數(shù)測(cè)試結(jié)果都有獨(dú)特的分布，產(chǎn)品在晶圓狀態(tài)時(shí)進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，根據(jù)設(shè)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(shí)即避免潛在風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)又可以標(biāo)記工藝變化，在產(chǎn)品有問(wèn)題時(shí)可迅速溯源，防止質(zhì)量事故發(fā)生。

（2）標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q002給出了統(tǒng)計(jì)式良品率分析指導(dǎo)原則。在晶圓測(cè)試階段，對(duì)各個(gè)BIN進(jìn)行監(jiān)控并取樣，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵性測(cè)試參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)建立一套分析和控制生產(chǎn)變量的系統(tǒng)，用來(lái)檢測(cè)出異常的材料區(qū)域，使制造商在晶圓就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并排除，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

（3）標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q003給出了集成電路電氣性能的測(cè)試指南。規(guī)定了產(chǎn)品最終階段應(yīng)評(píng)估的重要參數(shù)，目的在于收集測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，以便了解產(chǎn)品的電氣參數(shù)特性，剔除不良表現(xiàn)的產(chǎn)品，保障產(chǎn)品質(zhì)量一致性。

（4）標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q004給出了產(chǎn)品零缺陷指導(dǎo)原則，標(biāo)準(zhǔn)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(lái)指導(dǎo)供貨商或用戶(hù)如何在產(chǎn)品生命周期中使用工具和制程達(dá)成零缺陷的目標(biāo)，為產(chǎn)品全壽命周期的質(zhì)量提供保障。

（5）標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q005和標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q006分別規(guī)定了車(chē)規(guī)電子的無(wú)鉛使用要求和采用銅引線互連的產(chǎn)品鑒定要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量保障，滿(mǎn)足環(huán)境要求，符合長(zhǎng)效、持續(xù)、可靠的發(fā)展需要。

2.2 靈活的認(rèn)證流程縮短了認(rèn)證周期

（1）制造商完成認(rèn)證試驗(yàn)后，應(yīng)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)提交給用戶(hù)，用戶(hù)判定是否符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)或用戶(hù)協(xié)議的規(guī)定，不需要第三方鑒定。供應(yīng)商和用戶(hù)之間直接對(duì)接，提高認(rèn)證效率。

（2）對(duì)一種型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行一次性的初始認(rèn)證，不要求每個(gè)批次均進(jìn)行認(rèn)證；當(dāng)電路設(shè)計(jì)、工藝或封裝發(fā)生更改時(shí)，僅需要提供輔助材料進(jìn)行變更認(rèn)證，不需要重新開(kāi)始認(rèn)證流程。

（3）給出系列產(chǎn)品的定義，具有相同功能、電路設(shè)計(jì)或制程的產(chǎn)品，在標(biāo)的產(chǎn)品已通過(guò)認(rèn)證的前提下，其余產(chǎn)品無(wú)需重新開(kāi)始認(rèn)證流程，可按規(guī)定提供材料進(jìn)行輔助認(rèn)證，簡(jiǎn)化了認(rèn)證流程。

2.3 靈活的試驗(yàn)選擇滿(mǎn)足了不同的用戶(hù)需求

（1）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了Grade0～3四個(gè)溫度等級(jí)，涵蓋了從-40 ℃～+155 ℃，不同的溫度等級(jí)對(duì)應(yīng)的部分試驗(yàn)方法略有差異。用戶(hù)可根據(jù)使用環(huán)境，選擇合適的溫度等級(jí)產(chǎn)品，避免過(guò)多的溫度裕量造成資源的浪費(fèi)，更符合用戶(hù)降低成本效益的追求。

（2）在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)不具有強(qiáng)制性，以制造商與用戶(hù)之間的協(xié)議為主，不同制造商關(guān)注點(diǎn)不同，遵循原則：用戶(hù)協(xié)議>標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定>廠家提供的參考數(shù)據(jù)，為不同的用戶(hù)需求提供了便利。

（3）用戶(hù)可根據(jù)使用環(huán)境，在標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上選擇增加/刪減試驗(yàn)項(xiàng)目。若需要增加試驗(yàn)項(xiàng)目，可選擇參考MIL-STD-883或JESD的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)要求；若有重復(fù)或不必要的試驗(yàn)項(xiàng)目，可選擇刪除，減少經(jīng)濟(jì)成本。靈活的試驗(yàn)選擇，以滿(mǎn)足用戶(hù)在不同場(chǎng)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(yàn)項(xiàng)目，減少試驗(yàn)成本；不同的供應(yīng)商之間也可互相采信通用數(shù)據(jù)，使供應(yīng)商之間相互促進(jìn)能力提升，提高通用化水平，為用戶(hù)提供更好的服務(wù)。

3 AEC-Q100與高可靠領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

3.1 體系要求對(duì)比

車(chē)規(guī)電子的低成本、高可靠非偶然成果，其質(zhì)量保證方法值得研究。為發(fā)現(xiàn)車(chē)規(guī)電子與軍用電子元器件在高可靠領(lǐng)域的區(qū)別與聯(lián)系，分別選擇汽車(chē)、軍用、NASA宇航用電子元器件質(zhì)量保證體系進(jìn)行分析[6-7]，詳細(xì)內(nèi)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(zhì)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(lǐng)域。AEC-Q100對(duì)鑒定、過(guò)程控制、質(zhì)量一致性和可靠性測(cè)試均有較高要求，同樣滿(mǎn)足高可靠領(lǐng)域。同軍用、宇航用電子元器件一樣，車(chē)規(guī)電子有專(zhuān)用的生產(chǎn)線，保證了產(chǎn)品的一致性。AEC-Q100的原則是以客戶(hù)需求為主，在試驗(yàn)種類(lèi)上不作強(qiáng)制要求，用戶(hù)可根據(jù)使用環(huán)境增加或刪除試驗(yàn)環(huán)節(jié)，以滿(mǎn)足使用環(huán)境的可靠性要求，體現(xiàn)了較高的靈活性。而車(chē)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(shì)。

由于NASA在立方星任務(wù)中成功使用了車(chē)規(guī)電子，在此背景下研究發(fā)現(xiàn)，車(chē)規(guī)電子最高的溫度等級(jí)Grade0為-40 ℃～+150 ℃，但在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，Grade0的試驗(yàn)條件是-55 ℃～+150 ℃，極限溫度范圍可覆蓋宇航產(chǎn)品的-55 ℃～+125 ℃。且兩者的質(zhì)量體系要求框架高度相同，對(duì)過(guò)程控制都有嚴(yán)格的把控，若車(chē)規(guī)電子在試驗(yàn)類(lèi)型選擇與后者相同，則AEC-Q100的Grade0可對(duì)標(biāo)PEM-INST-001的Level2，符合NASA小型衛(wèi)星選型標(biāo)準(zhǔn)。

從以上對(duì)比不難看出，車(chē)規(guī)電子的質(zhì)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(shí)成熟的應(yīng)用案例使AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)在高可靠領(lǐng)域適用性研究得到了初步驗(yàn)證。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容比對(duì)

為進(jìn)一步討論車(chē)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(shì)，本節(jié)針對(duì)塑封電路可靠性試驗(yàn)內(nèi)容展開(kāi)研究。以質(zhì)量保證等級(jí)匹配為前提，選擇MIL-PRF-38535（Class N）、PEMINST-001（Level2）和AEC-Q100（Grade0）為各領(lǐng)域代表，表3中詳細(xì)分析了各標(biāo)準(zhǔn)可靠性試驗(yàn)內(nèi)容。

在上述塑封集成電路認(rèn)證工作流程中，涉及的試驗(yàn)/測(cè)試方法均是以MIL-STD-883作為基準(zhǔn)，交叉引用了JESD標(biāo)準(zhǔn)或車(chē)規(guī)電子試驗(yàn)方法。而車(chē)規(guī)電子試驗(yàn)方法的制定，也是參考了MIL-STD-883和JESD的試驗(yàn)方法。與PEM-INST-001一樣，AEC-Q100沒(méi)有照搬MIL-STD-883的試驗(yàn)設(shè)置，而是根據(jù)該領(lǐng)域元器件的特點(diǎn)，在樣品抽樣方式上略作改動(dòng)，保持方法理論不變的前提下，使試驗(yàn)設(shè)置更符合該領(lǐng)域使用環(huán)境。因此，可以認(rèn)為三者的試驗(yàn)辦法基于相同的可靠性保障試驗(yàn)理論。

三者在試驗(yàn)分類(lèi)上略有不同。AEC-Q100的鑒定試驗(yàn)分為7個(gè)測(cè)試群組，分別從環(huán)境適應(yīng)能力、壽命、封裝、晶圓、電參數(shù)等方面檢驗(yàn)了產(chǎn)品可靠性水平；PEM-INST-001將試驗(yàn)分為篩選、鑒定和DPA三大類(lèi)，分別從質(zhì)量一致性、環(huán)境適應(yīng)性和工藝結(jié)構(gòu)三方面考察了產(chǎn)品的可靠性水平；MIL-PRF-38535將塑封電路試驗(yàn)分為封裝評(píng)估和參數(shù)評(píng)估兩部分，從封裝完整性和參數(shù)表征兩方面評(píng)估了產(chǎn)品的可靠性。雖然三者有不同的試驗(yàn)分類(lèi)，但從總體的試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置來(lái)看，試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)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(qiáng)度等試驗(yàn)，都非常注重對(duì)電特性、工藝結(jié)構(gòu)和環(huán)境適應(yīng)性的考核。尤其是AEC-Q100在試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置與質(zhì)量把控標(biāo)準(zhǔn)方面與PEM-INST-001有極高的相似度，這也是NASA多次選用車(chē)規(guī)電子應(yīng)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(yàn)架構(gòu)明確，既可以滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)可靠性標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，又可以發(fā)揮靈活性的特點(diǎn)，增加試驗(yàn)項(xiàng)目，向上兼容滿(mǎn)足高可靠領(lǐng)域的低成本發(fā)展需求。

4 總結(jié)與建議

車(chē)規(guī)電子與軍用/宇航用產(chǎn)品都具有長(zhǎng)壽命、高可靠的特點(diǎn)，AEC-Q100在塑封電路的質(zhì)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(yàn)方法。因此，要借鑒車(chē)規(guī)電子的低成本、高可靠特點(diǎn)廣泛用于高可靠領(lǐng)域，若結(jié)合工程需求綜合運(yùn)用車(chē)規(guī)電子、軍用/宇航用元器件的質(zhì)量保證手段，合理利用AEC-Q100靈活性的特點(diǎn)，從理論上說(shuō)有較高的可行性。

然而，AEC-Q100在高可靠領(lǐng)域的適用性還在研究階段，目前并不能完全代替現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。與軍用/宇航用標(biāo)準(zhǔn)相比，AEC-Q100缺少特殊測(cè)試，如抗輻照測(cè)試、引線牢固性、鹽霧等。因此，在后續(xù)AEC-Q100在高可靠領(lǐng)域的適用性研究中，找到傳統(tǒng)軍用、宇航用標(biāo)準(zhǔn)與AEC-Q之間的差異，形成系列標(biāo)準(zhǔn)比較矩陣，再通過(guò)針對(duì)性地補(bǔ)充過(guò)程管理、抗輻射評(píng)估、篩選、失效模式和影響分析等工作，設(shè)計(jì)FMEA預(yù)計(jì)和預(yù)防措施，降低車(chē)規(guī)電子在高可靠領(lǐng)域的使用風(fēng)險(xiǎn)，努力將車(chē)規(guī)電子的應(yīng)用技術(shù)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(diǎn)。

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[7]Instructions for Plastic EncapsulatedMicrocircuit（PEM）Selection， Screening， and Qualification： PEM-INST-001 [S].2003.

作者簡(jiǎn)介

曹玉翠，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)榧呻娐窚y(cè)試、可靠性評(píng)價(jià)。

（責(zé)任編輯：張佩玉）