李祥兵，楊偉民

(神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430058)

引言

隨著電動(dòng)化、自動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化趨勢(shì)的到來(lái)，車規(guī)級(jí)芯片在汽車上的運(yùn)用將更加廣泛，特別是隨著以新勢(shì)力造車為代表的新能源車的異軍突起，國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了快速發(fā)展，芯片的產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大，已形成了包括芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、芯片封裝測(cè)試以及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展的完備產(chǎn)業(yè)體系[1-7]。但隨著2020年新冠疫情的到來(lái)，芯片等關(guān)鍵進(jìn)口元器件出現(xiàn)嚴(yán)重緊缺，國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)鏈和汽車制造出現(xiàn)嚴(yán)重沖擊。為應(yīng)對(duì)芯片緊缺的情況，芯片替代、芯片國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。整體上看，國(guó)內(nèi)車規(guī)級(jí)芯片的生態(tài)建設(shè)并不完善，相應(yīng)的制造體系并不完備，目前還不具備規(guī)?；娲臈l件，因此，逐步摸索出芯片替代的可行方法變得日益緊迫。

1 國(guó)內(nèi)芯片發(fā)展面臨的困境

總體來(lái)講，國(guó)內(nèi)汽車芯片市場(chǎng)規(guī)模趨勢(shì)上升但自主率低，國(guó)內(nèi)缺芯少芯現(xiàn)狀給車企發(fā)展帶來(lái)巨大壓力。

(1)汽車芯片是汽車新四化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。在汽車領(lǐng)域，造車新勢(shì)力快速發(fā)展，以蔚來(lái)、理想、小鵬汽車為代表的新勢(shì)力快速增長(zhǎng)，為國(guó)內(nèi)汽車半導(dǎo)體發(fā)展提供沃土。在電動(dòng)車上，汽車芯片包括感知芯片、計(jì)算芯片、MCU、通信芯片、安全芯片、能源芯片、存儲(chǔ)芯片等。在以往的傳統(tǒng)燃油車上，芯片的總數(shù)約為500～600顆(不包含二極管/三極管/傳感器)，而在新能源汽車上，特別是達(dá)到L3及以上級(jí)別的自動(dòng)駕駛車輛上，芯片的總數(shù)將達(dá)到1 000顆以上，隨著智能化、網(wǎng)聯(lián)化和電動(dòng)化的發(fā)展，計(jì)算芯片、安全芯片、無(wú)線通信芯片、存儲(chǔ)芯片、傳感器數(shù)量增加明顯，單車芯片成本也由2019年的400美元/車上升到600美元/車。因此，芯片短缺，將嚴(yán)重影響國(guó)內(nèi)新能源汽車的布局和發(fā)展。

(2)國(guó)內(nèi)汽車芯片自主化率太低。目前，國(guó)內(nèi)汽車芯片使用量占全球市場(chǎng)的30%，但是過(guò)度依賴進(jìn)口，芯片的國(guó)產(chǎn)化率非常低。比如在2021年，車載邏輯芯片的國(guó)產(chǎn)率只有5.2%、模擬器件只有1.38%、存儲(chǔ)類器件只有4.25%、光學(xué)半導(dǎo)體只有7.54%。這些數(shù)據(jù)表明，中國(guó)從一個(gè)芯片使用大國(guó)變?yōu)橐粋€(gè)芯片開(kāi)發(fā)強(qiáng)國(guó)，任重道遠(yuǎn)。

(3)受全球疫情大環(huán)境影響，全球晶圓產(chǎn)能和芯片組裝廠復(fù)蘇進(jìn)度不可預(yù)期，車規(guī)級(jí)芯片供應(yīng)商緊張的局面更加凸顯，特別是2022年下半年來(lái)，8英寸晶圓嚴(yán)重短缺。據(jù)推測(cè)，芯片短缺局面至少要到2023年底才能有所緩解。

2 車規(guī)級(jí)芯片的設(shè)計(jì)要求

2.1 車規(guī)級(jí)芯片定義

車規(guī)級(jí)芯片定義為滿足汽車質(zhì)量管理體系、符合可靠性和功能安全要求的集成電路，它需要滿足《純電動(dòng)乘用車車規(guī)級(jí)芯片一般要求》(T/CSAE 222—2021)。該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)從芯片器件層級(jí)、系統(tǒng)層級(jí)、控制器層級(jí)、整車層級(jí)規(guī)定了車規(guī)級(jí)芯片需要滿足的要求。比如，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了全生命周期內(nèi)芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、芯片封裝、芯片測(cè)試、芯片應(yīng)用、報(bào)廢和回收利用，芯片應(yīng)符合質(zhì)量管理體系、質(zhì)量控制、功能安全、環(huán)境要求。汽車的芯片供應(yīng)商應(yīng)符合汽車行業(yè)質(zhì)量管理體系IATF16949要求；芯片的設(shè)計(jì)、制造過(guò)程應(yīng)滿足質(zhì)量控制要求；功能安全體系應(yīng)滿足ISO 26262：2018和GB/T 34590要求。

2.2 性能要求

與消費(fèi)電子類芯片相比，車規(guī)級(jí)芯片因使用工況的復(fù)雜性和苛刻性，其各方面要求更高，見(jiàn)表1。這主要是因?yàn)槠嚨氖褂霉r比消費(fèi)電子復(fù)雜很多，比如長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高濕、振動(dòng)、沖擊及復(fù)雜電氣和電磁環(huán)境等環(huán)境下使用，另外消費(fèi)者希望他們的汽車比手機(jī)等其他電子設(shè)備使用壽命更長(zhǎng)，一般在10年或更長(zhǎng)時(shí)間，實(shí)際設(shè)計(jì)壽命需要超過(guò)15年/220 000 km，在這種非?？量痰墓r下，車規(guī)級(jí)芯片也應(yīng)能匹配這種工況的要求。

2.3 車規(guī)級(jí)認(rèn)證要求

車規(guī)級(jí)芯片開(kāi)發(fā)過(guò)程中除了要完成性能試驗(yàn)，功能測(cè)試認(rèn)證也具有很高的要求。這包括：1)基于IATF16949的質(zhì)量管理體系認(rèn)證；2)功能安全認(rèn)證，也稱機(jī)能安全，是指和一個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備整體安全的組成部分，在各種極端工況下接收輸入信號(hào)后，仍然能正常工作的能力。功能安全需要滿足ISO26262國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；3)產(chǎn)品的可靠性測(cè)試要求高，這包括針對(duì)車規(guī)級(jí)芯片的可靠性測(cè)試(環(huán)境測(cè)試、電磁兼容性能測(cè)試等)需要滿足AEC-Q102認(rèn)證；以及針對(duì)功率模組的可靠性測(cè)試，需要滿足AQG323認(rèn)證。

2.4 車規(guī)級(jí)芯片的開(kāi)發(fā)流程

車規(guī)級(jí)芯片從產(chǎn)品定義到最終量產(chǎn)的時(shí)間一般需要42個(gè)月，其中歷經(jīng)產(chǎn)品需求、芯片流片、封裝測(cè)試、可靠性認(rèn)證、功能安全認(rèn)證完成等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。如同整車開(kāi)發(fā)一樣，在很早期精準(zhǔn)定義客戶需求，保證自產(chǎn)品立項(xiàng)時(shí)，四年后芯片仍然能滿足終端客戶日益增長(zhǎng)的需求變得尤為重要。

圖1 車規(guī)級(jí)芯片的開(kāi)發(fā)流程Fig.1 Development flow of automotive-grade chips

3 車規(guī)級(jí)芯片替代思路

在芯片國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中，芯片替換是最簡(jiǎn)單也是最直觀的方法。由于不同廠家之間芯片類型的差異，導(dǎo)致在封裝類型和引腳定義上均存在一定的差異，這對(duì)芯片直接替代帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。芯片替換前，首先要分析原芯片需要實(shí)現(xiàn)的功能，然后分析芯片引腳定義，然后基于替代芯片的產(chǎn)品說(shuō)明書，核實(shí)替代芯片各個(gè)功能引腳的技術(shù)參數(shù)(電流、電壓、頻率等)是否與原芯片完全相符，如果需要重新設(shè)計(jì)接口電路，還要核實(shí)接口電路的技術(shù)狀態(tài)，確保接口電路的技術(shù)參數(shù)也是滿足的。 另外，基于當(dāng)前全球疫情形勢(shì)，在芯片替代前，還要綜合考慮芯片的通用性問(wèn)題，盡量使用常規(guī)芯片來(lái)替代，避免后續(xù)再次出現(xiàn)芯片供貨危機(jī)等問(wèn)題。

3.1 直接替代

直接替代是最簡(jiǎn)單，也是當(dāng)前很多汽車零部件供應(yīng)商普遍采用的方法。這種方式是在核實(shí)替代兩種芯片的功能、引腳定義以及技術(shù)參數(shù)(性能指標(biāo)、引腳功能、引腳之間的尺寸等)完全一致的前提下，不用更改芯片的外圍電路，而對(duì)原有芯片進(jìn)行直接替代。芯片替代后，只需要完成少量的EMC和耐久性能試驗(yàn)即可滿足替代要求，保證與原芯片性能相同。直接替代一般分為以下幾種。

(1)同一型號(hào)IC的代換。在替代過(guò)程中，如果芯片是同一型號(hào)，則替代的難度會(huì)降低很多。此時(shí)，只要保證替代前后，芯片在電路板上的安裝位置或方向完全正確即可，否則，芯片會(huì)因?yàn)閭€(gè)別引腳不匹配導(dǎo)致整個(gè)芯片或電路板燒損，因此在直接替代過(guò)程中，要對(duì)原芯片定義進(jìn)行分析對(duì)比，特別是引腳的功率參數(shù)、電流或電壓范圍等。比如，有些芯片有正反標(biāo)記(通過(guò)識(shí)別芯片表面的方向標(biāo)記得出)，如ICLA4507，該芯片存在正反標(biāo)記，其他芯片后綴也略有差異，這些特殊的情況也需要考慮。

(2)不同型號(hào)IC的替代。這種方式，按照型號(hào)前綴數(shù)字和字母是否相同，又可以分為前綴字母不同數(shù)字相同、前綴字母相同數(shù)字不同、前綴字母數(shù)字均不同三種替代方式。型號(hào)前字母表示芯片制造廠商及電路的類別，前綴中的數(shù)字表示產(chǎn)品的系列。一般而言，前綴字母后面的數(shù)字相同，大多數(shù)可以直接替換。但也有少數(shù)芯片雖然數(shù)字相同，但功能卻完全不同。例如，HA1364是伴音芯片，而uPC1364是色解芯片，二者不能替換。

在車規(guī)級(jí)芯片替代中，經(jīng)常遇到不同品牌芯片的替代，比如STM8AF6226TCY(ST)出現(xiàn)供貨危機(jī)，用瑞薩芯片R5F109GACKFB#50來(lái)代替。這兩種芯片都屬于控制類芯片，用于實(shí)現(xiàn)前大燈近遠(yuǎn)光燈功能的信號(hào)控制。在功能相同的情況下，只要保證引腳定義與外圍電路連接相同即可。

3.2 非直接替代

非直接代換是指在更換芯片的同時(shí)，芯片對(duì)應(yīng)的外圍電路也要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，以滿足功能或技術(shù)參數(shù)的要求。這種替代方式，要求兩種芯片的功能和性能相同，只是芯片的引腳尺寸、外觀等有差異即可。相對(duì)于直接替代，由于對(duì)外圍電路進(jìn)行了更改，因此需要完成大量的電磁兼容、耐熱試驗(yàn)以驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)的可行性和可靠性。

(1)不同封裝IC的替換。由于兩種芯片封裝不同，因此在替換過(guò)程中需要對(duì)芯片的腳位進(jìn)行整形。比如，雙列ICAN7114、AN7115與LA4100、LA4102封裝類型一致，而腳位和散熱片相差180°，這就要求在替換過(guò)程中，要對(duì)角相位進(jìn)行矯正。

(2)線路板電路作用相同，但某個(gè)腳位作用不同IC代換。這種替代，可以針對(duì)某個(gè)具體的腳位位置來(lái)簡(jiǎn)單優(yōu)化外圍電路，如視頻信號(hào)芯片輸出有正、負(fù)極差異，只要在某一個(gè)引腳的輸出端加接到相器后即可代換。

(3)類型相同，但腳位功能不同的IC代換。這類替換必須更改外圍PCB線路板電路及腳位排列順序，工作量很大，相當(dāng)于全新開(kāi)發(fā)一個(gè)電路板。這類替代需要經(jīng)驗(yàn)非常豐富的工程師指導(dǎo)才能確保替代后安全可靠。

(4)組代作用。這種方式是將芯片及其外圍電路看做一個(gè)統(tǒng)一的模塊，在替代過(guò)程中，直接將包含芯片在內(nèi)的整個(gè)模塊電路替換掉。

(5)用分立元件代用芯片。有時(shí)候可用分立元件代用芯片中被毀壞的局部，使其恢復(fù)功能。代用前要弄清芯片內(nèi)部基本原理、每一引腳的正常工作電壓、工作電流、功率、波形圖及與外圍元器件組成線路板電路的原理。同時(shí)還應(yīng)考慮到：

1)信號(hào)可否從芯片中導(dǎo)出并接至外圍PCB線路板電路的輸入端；

2)經(jīng)外圍PCB線路板電路處理后的信號(hào)，與下一級(jí)的輸入要求是否兼容。若能完全兼容，則可以完全替代。如音頻放大部分毀壞，則可用分立元件替代。

(6)用電路來(lái)代用芯片。汽車控制器的電路一般分為三類：純電阻式電路、線性電路、帶芯片(控制器)的電路，這三種電路的區(qū)別見(jiàn)表2。

表2 驅(qū)動(dòng)電路分類

對(duì)于某些芯片，可以通過(guò)采用如上三種更為簡(jiǎn)單的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能，同時(shí)也可以大幅度降低成本。

3.3 替代策略

無(wú)論是直接替代還是非直接替代，都需要在充分了解芯片替代前后的功能、技術(shù)參數(shù)的前提下進(jìn)行替代。對(duì)兩種芯片的替代過(guò)程中，需要關(guān)注如下策略：

(1)集成PCB線路板電路腳位的序號(hào)先后順序不能出錯(cuò)，否則會(huì)導(dǎo)致芯片燒損事故；

(2)替代前后芯片電源電壓要吻合，如果不吻合，要通過(guò)升降壓手段進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化；

(3)測(cè)量芯片靜態(tài)工作電流，如電流遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)值，則說(shuō)明線路板電路可能發(fā)生自激，這時(shí)候需要去耦調(diào)節(jié)。若增益與之前有所差異，可調(diào)節(jié)反饋電阻阻值；

(4)代用后IC的輸入、輸出阻抗要與原PCB線路板電路相符合，檢驗(yàn)其驅(qū)動(dòng)能力；

(5)要充分利用線路板上的腳孔和引線，防止線路交叉，避免線路板電路自激，特別是高頻自激。

4 芯片替代方案及驗(yàn)證

4.1 芯片替代

基于某一汽車前大燈開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，由于芯片出現(xiàn)供貨危機(jī)，對(duì)前大燈驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行替代。根據(jù)以上所述芯片替代方案，本項(xiàng)目采用了直接和間接替代方式，即用瑞薩芯片替代之前ST芯片，同時(shí)將另一款DA芯片的功能用線性電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 芯片替換Fig.2 Chip replacement

在替換過(guò)程中，所選定的瑞莎芯片與ST控制芯片的功能及技術(shù)參數(shù)基本相同，而且封裝尺寸也基本相似，故可以采用直接替代的方式。對(duì)于DA數(shù)模轉(zhuǎn)化芯片，通過(guò)核實(shí)整車給車燈的輸入信號(hào)，發(fā)現(xiàn)DA芯片的功能可以取消，但是DA芯片本身還有降電流的作用，故在取消DA芯片的同時(shí)，增加了20個(gè)小功率電阻來(lái)達(dá)到同種功效。

4.2 方案驗(yàn)證

AEC-Q100是汽車可靠性電子的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。它的主要目的是：(1)作為客戶參考的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；(2)芯片供應(yīng)商可以根據(jù)規(guī)范篩選出可能存在的潛在故障。AEC-Q100基于不同環(huán)境工況，將車規(guī)級(jí)芯片劃分為不同等級(jí)。其中，最為苛刻的是環(huán)境溫度在-40 ℃～150 ℃。該標(biāo)準(zhǔn)還明確了芯片在設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試、量產(chǎn)等各個(gè)階段的驗(yàn)證和控制標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于車規(guī)級(jí)芯片，具體包含7個(gè)類別共40多項(xiàng)功能測(cè)試。表3為Rev-H的驗(yàn)證流程和規(guī)范內(nèi)容。具體可以劃分為：Group A(加速環(huán)境應(yīng)力測(cè)試)、Group B(加速工作壽命測(cè)試)、Group C(封裝完整性測(cè)試)、Group D(晶圓級(jí)可靠性測(cè)試)、Group E(電性驗(yàn)證測(cè)試)、Group F(可篩選性測(cè)試)、Group G(密封性封裝完整性測(cè)試)。

表3 Rev-H驗(yàn)證流程和規(guī)范

對(duì)于復(fù)雜的芯片替代，需要根據(jù)兩者性能的差異，進(jìn)行選擇性驗(yàn)證。一般而言，對(duì)于型號(hào)完全不同的替代(如本項(xiàng)目中采用了直接+非直接替代方式)，需要完成DV和PV驗(yàn)證，如圖3和圖4所示。這些驗(yàn)證包含EMC、環(huán)境測(cè)試、邊界性能測(cè)試、加速老化測(cè)試等。某些測(cè)試目前有相關(guān)的國(guó)標(biāo)可以參考，如無(wú)國(guó)標(biāo)參考，可以采用企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 DV測(cè)試項(xiàng)目Fig.3 DV test program

圖4 PV測(cè)試項(xiàng)目Fig.4 PV test program

4.3 驗(yàn)證結(jié)果

除了上述所有驗(yàn)證項(xiàng)目全部合格外，還增加了三溫度四電壓測(cè)試，用于評(píng)估新驅(qū)動(dòng)在極限溫度和電壓下的電流參數(shù)以及出現(xiàn)診斷故障的可能性，見(jiàn)表4。

表4 三溫度四電壓測(cè)試

芯片的安全性和可靠性是決定能否替代的根本因素。為確保更多芯片能進(jìn)行替代或國(guó)產(chǎn)化，結(jié)合供應(yīng)鏈質(zhì)量管理要求IATF16949規(guī)范和AEC-Q100可靠性的要求，車規(guī)級(jí)芯片還需要完成如下工作：

(1)建立車規(guī)級(jí)芯片標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)。由電子系統(tǒng)專家牽頭建立一套標(biāo)準(zhǔn)化的流程(包括芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝、替代或國(guó)產(chǎn)化等全價(jià)值鏈流程)。

(2)基于不同的替換方式，創(chuàng)建不同的詳細(xì)芯片替代驗(yàn)證模型，并將所有的驗(yàn)證工況都考慮進(jìn)去。

(3)整車廠對(duì)于目前項(xiàng)目售后反饋中出現(xiàn)的芯片失效原因分析要形成閉環(huán)。以往，主機(jī)廠發(fā)現(xiàn)售后零部件功能失效并確定是芯片失效為根本原因時(shí)，通常會(huì)要求零部件供應(yīng)商或電路板供應(yīng)商來(lái)牽頭分析，但很多時(shí)候，由于芯片需要郵寄到馬來(lái)西亞或其他遙遠(yuǎn)生產(chǎn)場(chǎng)地，導(dǎo)致芯片分析進(jìn)度停滯不前。由于芯片失效大多數(shù)情況下只是個(gè)案，主機(jī)廠基本放棄了繼續(xù)尋找原因的努力。實(shí)際上，當(dāng)芯片替代之前出現(xiàn)某種故障時(shí)，芯片替換后也大概率會(huì)出現(xiàn)類似故障，找到每一處故障的原因并形成相關(guān)對(duì)策對(duì)降低售后的故障率是必要的。

5 結(jié)論及展望

在當(dāng)前全球疫情籠罩形勢(shì)下芯片供貨緊張的問(wèn)題，分析了車規(guī)級(jí)芯片的要求及替代設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法?；诂F(xiàn)有項(xiàng)目開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，相關(guān)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法基本能滿足芯片替代的基本要求。在未來(lái)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，將對(duì)售后汽車零部件的芯片故障繼續(xù)進(jìn)行分類研究，找到根本原因，并對(duì)本文所提出的驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充。總體上，國(guó)內(nèi)芯片質(zhì)量水平和相關(guān)配套服務(wù)方面，都落后于國(guó)外芯片。另外，由于近三年疫情的影響，國(guó)外芯片出現(xiàn)較大缺口，但國(guó)產(chǎn)芯片在價(jià)格上相比國(guó)外芯片沒(méi)有太多優(yōu)勢(shì)，甚至更貴，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)整車廠及產(chǎn)業(yè)鏈依然傾向于國(guó)外芯片。