除了Google無人駕駛車，包含賓士(Benz)、寶馬(BMW)、富豪(Volvo)、一汽集團(tuán)、中國軍事交通學(xué)院等等產(chǎn)官機(jī)構(gòu)都已完成無人駕駛技術(shù)開發(fā)并開始進(jìn)行道路實(shí)驗(yàn)，中國大陸的網(wǎng)路企業(yè)百度、樂視也在無人駕駛的領(lǐng)域展現(xiàn)積極切入動作。

全球汽車電子的產(chǎn)值將會因?yàn)閼?yīng)用平臺的成熟而大幅成長。車用IC的在2018前的年復(fù)合成長率為10.8%，為更領(lǐng)域之最，其中亞太區(qū)的車用IC更高達(dá)20%，IC業(yè)者無不磨刀霍霍地準(zhǔn)備強(qiáng)攻此新藍(lán)海市場。

車用IC的市場相較于資通訊科技(ICT)產(chǎn)業(yè)的最大差異為市場較為封閉，且前期的開發(fā)及驗(yàn)證期可能長達(dá)3年，對臺灣、中國大陸IC業(yè)者已習(xí)慣即時上市(Time to Market)的運(yùn)作模式相悖，價值理念也不盡相同，本文將說明AEC-Q100的IC驗(yàn)證規(guī)范并解析晶片商如何滿足車廠/模組廠客戶的需求，探討焦點(diǎn)將放在2014年9月新改版規(guī)范AEC-Q100 H版的要求進(jìn)行解讀。

打入車電供應(yīng)鏈門檻為AEC和ISO/TS 16949

要進(jìn)入車輛領(lǐng)域，打入各一級(Tier1)車電大廠供應(yīng)鏈，必須取得兩張門票，第一張是由北美汽車產(chǎn)業(yè)所推的AEC-Q100(IC)、101(離散元件)、200 (被動零件)可靠度標(biāo)準(zhǔn)；第二張門票，則要符合零失效(Zero Defect)的供應(yīng)鏈品質(zhì)管理標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 16949規(guī)范(Quality Management System)，其關(guān)連性可參考圖1說明。

圖1 車用零組件基本要求說明圖

車用零組件市場差異左右可靠度品質(zhì)要求

汽車零組件市場可以大致區(qū)分為三部分，包括OEM/ODM(正廠出廠零件)/OES(正廠維修零件)、DOP(Dealer Option經(jīng)銷商選配零件)、AM(After Marketing副廠零件)。

對客戶的失效率預(yù)估及備品備置策略會因決定進(jìn)入不同市場而有所變化，OEM/ODM/OES為原廠保固，因其保固期較長，各車廠需要在制造及售后服務(wù)的成本之間取得平衡，IC供應(yīng)商要進(jìn)入的門檻較高。DOP則為各經(jīng)銷商因在地市場的銷售策略需求所做的選配項(xiàng)目，進(jìn)入門檻與上述相近，售后市場(AM)與原廠保固無關(guān)，所以相對進(jìn)入門檻和成本較低。另一面向?yàn)锳M的產(chǎn)品類型較多屬于影音周邊與主被動安全無關(guān)，所要求的可靠度也低于原廠零件(圖2)。

圖2 車用零組件市場差異

了解車用IC規(guī)范AEC-Q100驗(yàn)證流程

那么，IC設(shè)計(jì)業(yè)者該如何進(jìn)入車用IC供應(yīng)鏈呢？首先應(yīng)先了解其中的一張門票AEC-Q100。圖3為AEC-Q100規(guī)范中的驗(yàn)證流程，此圖是以Die Design→Wafer Fab.→PKG Assembly→Testing的制造流程來繪制，各群組的關(guān)聯(lián)性須要參考圖中的箭頭符號，這里將驗(yàn)證流程分為五個部分進(jìn)行簡易說明，各項(xiàng)測試的細(xì)節(jié)部分就不再細(xì)述。

圖3 AEC-Q100驗(yàn)證流程

．Design House

區(qū)域1為可靠度實(shí)驗(yàn)前后的功能測試，此部分須要IC設(shè)計(jì)公司與測試廠討論執(zhí)行方式，與一般IC驗(yàn)證主要差異在功能測試的溫度設(shè)定，此部分稍后會進(jìn)行說明。

．Wafer Foundry

Group D的區(qū)域2為晶圓廠在晶圓級(Wafer Level)的可靠度驗(yàn)證，無晶圓(Fabless)的IC業(yè)須與委托制造的晶圓廠取得相關(guān)資料。

．Reliability Test

區(qū)域3為可靠性視產(chǎn)品包裝/特性需要執(zhí)行的項(xiàng)目，AEC將其分為Group A(加速環(huán)境應(yīng)力實(shí)驗(yàn))、Group B(加速工作壽命模擬)、Group C(封裝完整性測試)、Group E(電性驗(yàn)證測試)、Group G(空腔/密封型封裝完整性測試)。

．Design Verification

部分Group E的區(qū)域4為設(shè)計(jì)階段的失效模式與影響分析評估，成品階段的特性驗(yàn)證以及故障涵蓋率計(jì)算。

．Production Control

Group F的區(qū)域生產(chǎn)階段的品質(zhì)控管，包含良率/Bin使用統(tǒng)計(jì)手法進(jìn)行控管及制定標(biāo)準(zhǔn)處理流程。

讀解AEC-Q100 H版本新要求

自2007年5月，AEC-Q100 H版發(fā)布后，時隔7年以上的時間，2014年9月，G版發(fā)布，此段內(nèi)文將探討AEC-Q100 H版與G版之間的主要差異，及改版后規(guī)范的說明。

檢視溫度等級

IC供應(yīng)商必須先了解終端客戶如何使用此IC及其在車內(nèi)的安裝位置，以實(shí)際應(yīng)用的溫度范圍來訂定合適的溫度等級，此溫度等級定義會應(yīng)用在兩個部分。

第一部分為測試計(jì)畫展開時各可靠度實(shí)驗(yàn)的條件選擇，如溫度循環(huán)(Temperature Cycling, TCT)實(shí)驗(yàn)，不同等級的溫變范圍及溫差循環(huán)數(shù)會有差異。

第二部分為前述的可靠度實(shí)驗(yàn)前后功能性測試溫度必須依照使用者(User)所訂定的溫度范圍來做功能應(yīng)用的最后測試(Final Test, FT)測試，訂定溫度等級為Grade 1( -40℃～125℃)，則代表FT時使用低溫-40℃、常溫25℃及高溫125℃，且須要留意其測試溫度有先后順序的訂定。如高溫工作壽命(High Temperature Operating Life, HTOL)實(shí)驗(yàn)在FT測試定義順序?yàn)镽oom→Cold→Hot。

新版的部分取消了Grade 4 0℃～70℃的溫度等級(表1)，此溫度等級若比對車用模組在ISO 16750/SAE J1211等規(guī)范內(nèi)的描述是無法對應(yīng)到合適的產(chǎn)品，因此筆者認(rèn)為取消此溫度等級是更貼近實(shí)際模組的要求。

表1 Temperature Grade定義

在新版中，增減項(xiàng)目包括以下所述的兩種。

．取消：高溫閘極漏電測試及靜電放電中的機(jī)器模型

閘極漏電(Gate Leakage, GL)的部分主要在模擬車用模組應(yīng)用時所可能遭遇高溫及高電場同時發(fā)生的環(huán)境，此環(huán)境會讓IC封裝(Package)內(nèi)的等效電容及電阻產(chǎn)生GL的失效，此失效現(xiàn)象可經(jīng)由高溫烘烤的方式恢復(fù)。

取消的原因規(guī)范中未有說明，但以多年累積的驗(yàn)證測試經(jīng)驗(yàn)來看，此失效模式常發(fā)生在預(yù)燒(Burn-In)及回焊(Reflow)的過程，雖規(guī)范已取消，在生產(chǎn)過程或?qū)嶋H應(yīng)用客退若有相同失效發(fā)生，仍可使用此手法進(jìn)行再現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)。

機(jī)器模型(Machine Mode, MM)的部分則與JEDEC的JESD47規(guī)范同步，一是人體模式(Human Body Model, HBM)可以等效MM的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，二是元件充電模式(Charged Device Model, CDM)，重要性更勝于MM，因此應(yīng)多著重在CDM的測試。

至于文獻(xiàn)中提到的HBM與MM的關(guān)聯(lián)性，以實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)來看，仍有部分產(chǎn)品的ESD防護(hù)電路在HBM和MM上是有所差異的，規(guī)范雖然取消此項(xiàng)目，但I(xiàn)C業(yè)者仍須要面對當(dāng)ESD客退發(fā)生時的處理，ESD定義為設(shè)計(jì)驗(yàn)證，所以目前各家廠商仍將其列為標(biāo)準(zhǔn)測試項(xiàng)目。

．新增：Lead(Pb) Free(無鉛)實(shí)驗(yàn)

車電與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)不同于資通訊科技產(chǎn)業(yè)，車電與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)注重的科技是技術(shù)成熟性、可靠性以及零失效，而非資通訊科技所追求最先進(jìn)的技術(shù)，因此，車用電子產(chǎn)品在無鉛制程的轉(zhuǎn)換時程是比消費(fèi)性產(chǎn)品來得晚，此次正式列入測試項(xiàng)目也代表無鉛制程的轉(zhuǎn)換已相當(dāng)成熟，但仍允許部分如引擎室內(nèi)高溫應(yīng)用等產(chǎn)品使用有鉛制程。無鉛的驗(yàn)證項(xiàng)目則包含可焊性(Solderability)、Solder Heat Resistance以及錫須(Whisker)。

改變實(shí)驗(yàn)條件

主要實(shí)驗(yàn)條件改變的部分在于高溫工作壽命(HTOL)及溫度循環(huán)(TCT)兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其余如打線(Wire Bonding)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)則是取消Ppk的計(jì)算使用Cpk則可、Solderability則說明可由烘烤替代蒸氣老化、Group G部分的實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)則略為減少，測試項(xiàng)目所參考規(guī)范調(diào)整的部分請自行參閱，在此不細(xì)述。

．HTOL

有三個部分，一為實(shí)驗(yàn)時間增長皆為1,000Hrs，二為清楚定義溫度為連接溫度(Junction Temperature, Tj)，三為實(shí)驗(yàn)高溫對齊Grade的定義。

．TCT

最低標(biāo)的低溫溫度由-50℃調(diào)整為-55℃，Cycle數(shù)的部分則有部分提升，仍可參考JESD22-A104的規(guī)范進(jìn)行等效實(shí)驗(yàn)條件的替換。實(shí)驗(yàn)條件的部分可再參考稍后第五部分的說明，將可更理解此次規(guī)范變更所要表達(dá)含意。

何謂通用性資料

先以圖4來說明通用性資料(Generic Data)的基本含意，A、B兩個產(chǎn)品若使用相同制程或材料，則可初步定義為同一家族系列產(chǎn)品，若對A產(chǎn)品進(jìn)行完整AEC Q-100 Qualification，相同制程或材料的部分所產(chǎn)出的測試結(jié)果則稱之為Generic Data，先不論驗(yàn)證的數(shù)量與程序，只要Generic Data的定義符合AEC-Q100的說明，B產(chǎn)品進(jìn)行剩余項(xiàng)目的驗(yàn)證后再加上Generic Data，則可宣告B產(chǎn)品也通過AEC-Q100。

圖4 Qualification Family及Generic Data

此次新的版本對于Generic Data及Qualification Family的定義及使用原則有較清晰的說明，并且簡化其認(rèn)證程序，同時以情境模擬案例說明哪些制程變更時應(yīng)進(jìn)行哪些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與Lot數(shù)量，都有較明確的定義，因內(nèi)容過多，若有需要可以再參閱規(guī)范。

擬定測試計(jì)畫

本文中最重要、也是此次改版中變動最大的部分是，呼應(yīng)美國汽車工程師協(xié)會在規(guī)范SAE-J1879/J1211中強(qiáng)調(diào)的強(qiáng)韌性/穩(wěn)健性驗(yàn)證(Robustness Validation)，驗(yàn)證計(jì)畫應(yīng)思考的是，因應(yīng)該產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境所面臨的使用條件而擬定的，而非以單一測試標(biāo)準(zhǔn)/條件來適用所有產(chǎn)品，也就是應(yīng)用測試(Test for Application)，而非標(biāo)準(zhǔn)測試(Test for Standard)。

當(dāng)擬定一個合適的驗(yàn)證計(jì)畫時，第一步為制定該元件被設(shè)計(jì)/生產(chǎn)的目的，稱之為Mission Profile，除了滿足功能性的任務(wù)外，要再加上可靠度的任務(wù)，表2為汽車的Mission Profile參數(shù)范例。

表2 Example of Vehicle Mission Profile

IC供應(yīng)商須考量不同應(yīng)用功能的元件將會對應(yīng)不同的Mission Profile，若IC工作行為是在非作業(yè)時間(Non-Operating Time)，如警報(bào)器等的應(yīng)用，則工作時間(Life Time)條件應(yīng)滿足116,400Hrs在常溫的情況。

若IC僅在Engine On時工作，那Mission Profile就必須要滿足12,000Hrs的壽命時間，及其工作位置的使用溫度，假定Engine On時該IC平均的工作溫度Junction Temperature(Tj)=87℃，使用的HTOL測試溫度為125℃，活化能設(shè)定為0.7eV，接下來使用阿累尼亞斯模型(Arrhenius Model)來計(jì)算實(shí)驗(yàn)時的溫度加速率，如公式1計(jì)算：

AFT=exp(Ea/k) (1/Tuse-1/Tstress)

......................................... .............公式1

如此即可算出溫度加速率AFT=8.6232，以上述的設(shè)定目標(biāo)壽命為12,000Hrs，因此HTO實(shí)驗(yàn)時間應(yīng)為12,000Hrs/8.6232=1,392Hrs。

除了溫度加速的范例，包含溫度循環(huán)/濕度的加速公式已列在新規(guī)范中，可再參考規(guī)范內(nèi)文。

上述范例旨在說明如何以終端產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用的Mission Profile來設(shè)計(jì)合適的測試計(jì)畫，相信很多從事IC設(shè)計(jì)的品管單位都相當(dāng)熟悉，本文要表達(dá)的是規(guī)范將逐漸舍棄以單一標(biāo)準(zhǔn)來訂定，而是交由終端使用者(End User)與零組件制造商(Component Manufacturer)來共同制定合宜的驗(yàn)證計(jì)畫。制定驗(yàn)證計(jì)畫的流程可參閱圖5的說明。

圖5 Reliability Test Criteria for New Component

制定相應(yīng)驗(yàn)證步驟方能打入車廠供應(yīng)鏈

消費(fèi)性產(chǎn)品的產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)，一般IC設(shè)計(jì)業(yè)者早已駕輕就熟，而這一兩年，隨著汽車市場逐步走向車聯(lián)網(wǎng)、電動車領(lǐng)域，需要更多駕駛資訊輔助整合系統(tǒng)，也讓IC設(shè)計(jì)業(yè)者找到進(jìn)入市場的敲門磚。然而，消費(fèi)性電子產(chǎn)品而言，產(chǎn)品壽命設(shè)計(jì)約1～3年為汰換周期，但車用電子則以10年起跳，上看15年壽命期。如何尋找有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室，協(xié)助客戶了解車規(guī)，制定相對應(yīng)的AEC-Q100驗(yàn)證步驟與手法，順利進(jìn)入車廠供應(yīng)鏈，是極為重要的事。