車規(guī)芯片驗(yàn)證的流程與展望

摘要：分析結(jié)果表明：新能源和無人駕駛汽車快速發(fā)展使得車規(guī)芯片發(fā)揮著越來越重要的作用，也是車規(guī)芯片產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的一個(gè)重要方向。對(duì)集成電路設(shè)計(jì)公司入駐車規(guī)芯片相關(guān)驗(yàn)證流程和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、車規(guī)芯片相關(guān)可靠性驗(yàn)證、失效分析等方面進(jìn)行了說明，并對(duì)車規(guī)芯片量產(chǎn)化過程中實(shí)現(xiàn)零缺陷這一目標(biāo)進(jìn)行了討論，分析了國產(chǎn)車規(guī)芯片在研制過程中所面臨的問題及其局限性，并對(duì)其研制方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

引言

隨著汽車電子的深入發(fā)展，以及汽車行業(yè)確立的新四化（電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化）發(fā)展方向，這給半導(dǎo)體芯片在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用帶來新的機(jī)遇。近年來需求更有快速發(fā)展，為汽車市場(chǎng)帶來了新一輪產(chǎn)業(yè)變革。使車規(guī)芯片無論在電源控制，底盤控制，還是信息娛樂應(yīng)用領(lǐng)域都發(fā)揮著越來越大的作用[1]。在過去5年中，全球汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)復(fù)合增長(zhǎng)率每年在4.8%左右，中國汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)復(fù)合增長(zhǎng)率更高達(dá)11.6%。其主要原因是新能源汽車電子化程度的不斷提高導(dǎo)致了對(duì)各種汽車半導(dǎo)體的需求量急劇增加[2]。據(jù)德勤預(yù)測(cè)，汽車半導(dǎo)體收入將在2022年突破600億美元[3]，勢(shì)必會(huì)吸引更多芯片廠商參與其中。

相比消費(fèi)類電子芯片，車規(guī)芯片要求更加苛刻，

（1）車規(guī)芯片是高于消費(fèi)類以及工業(yè)芯片標(biāo)準(zhǔn)；

（2）車規(guī)芯片對(duì)于工作環(huán)境有著更為苛刻的要求，比如，溫度、濕度、EMC、有害氣體侵蝕等等，針對(duì)它們的不同用途有著不同的要求；

（3）車規(guī)芯片開發(fā)驗(yàn)證花費(fèi)多，門檻高，周期長(zhǎng)；

（4）需要通過相應(yīng)的審核標(biāo)準(zhǔn)。

車規(guī)芯片有兩個(gè)條件，

（1）符合零失效的供應(yīng)鏈質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)IATF 16949規(guī)范；

（2）滿足由北美汽車產(chǎn)業(yè)所推的AEC可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

受車規(guī)芯片設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、技術(shù)壁壘高等因素影響，汽車芯片行業(yè)整體表現(xiàn)為國外巨頭獨(dú)占鰲頭，比如以高端車規(guī)芯片為核心細(xì)分市場(chǎng)的英飛凌、瑞薩。與此同時(shí)，全國各地也出現(xiàn)數(shù)十家芯片設(shè)計(jì)公司作為汽車電子芯片提供商，種類涉及輔助駕駛，中控，電池管理，圖像傳感器及信號(hào)處理器[4]。

國際上傳統(tǒng)車企例如豐田，福特及大眾更積極致力于汽車電子芯片之開發(fā)，而國內(nèi)部分主流車廠亦紛紛加入芯片開發(fā)行列，例如比亞迪、上汽等用多種形式參與芯片研發(fā)擁抱汽車芯片產(chǎn)業(yè)新革命的企業(yè)，更易將其應(yīng)用場(chǎng)景和財(cái)力與芯片設(shè)計(jì)相結(jié)合，促進(jìn)芯片設(shè)計(jì)快速引進(jìn)。以新能源為代表的特斯拉更是推出FSD芯片，一場(chǎng)圍繞高級(jí)別自動(dòng)駕駛的競(jìng)爭(zhēng)也已經(jīng)開始，汽車行業(yè)加速進(jìn)入智能化時(shí)代。

文章結(jié)合車規(guī)芯片這個(gè)龐大的市場(chǎng)，針對(duì)其使用特點(diǎn)及進(jìn)入這一領(lǐng)域所需要的標(biāo)準(zhǔn)，著重將討論進(jìn)入這一領(lǐng)域所需的檢定條件——IATF 16949規(guī)范及AEC中的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)失效芯片進(jìn)行老化篩選測(cè)試和根因分析保證車規(guī)芯片可靠性，達(dá)到零失效。最后圍繞車規(guī)芯片驗(yàn)證規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化，可靠性驗(yàn)證的全面化，高效的老化篩選測(cè)試以及專業(yè)的失效分析進(jìn)行展望。

車規(guī)芯片的相關(guān)驗(yàn)證

IATF16949

在汽車行業(yè)，質(zhì)量認(rèn)證活動(dòng)在世界各個(gè)地區(qū)均有自己的行業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和要求，例如汽車制造強(qiáng)國德國汽車工業(yè)的 VDA6.1標(biāo)準(zhǔn)、法國的EAQF標(biāo)準(zhǔn)、意大利的AVSQ標(biāo)準(zhǔn)以及美國的QS-9000標(biāo)準(zhǔn)。成立于1997年的國際汽車特別工作組（IATF）為實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)統(tǒng)一的全球質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證，與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO/TC 176）合作，以各國汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并于1999年制定并推出質(zhì)量要求ISO/TS16949技術(shù)規(guī)范，《IATF16949》是當(dāng)前的最新版質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)[5]。IATF16949是國際汽車小組是以顧客為導(dǎo)向同時(shí)兼顧其特殊要求，針對(duì)近年汽車行業(yè)比較關(guān)注的一些問題，如汽車安全等，在標(biāo)準(zhǔn)中增加了新的條款[6,7]。IATF16949規(guī)范適用于汽車制造廠和其直接的零部件供應(yīng)商，這些工廠直接關(guān)系到汽車生產(chǎn)，能夠進(jìn)行加工制造活動(dòng)和通過這類活動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品增值。以芯片全產(chǎn)業(yè)鏈為例，晶圓制造廠和封裝廠都需嚴(yán)格執(zhí)行IATF16949規(guī)范進(jìn)行汽車芯片生產(chǎn)。而僅有設(shè)計(jì)配送中心等支持功能的機(jī)構(gòu)則無需取得此認(rèn)證[8]。

AEC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證

汽車 電 子 委 員 會(huì) （ A E C : A u t o m o t i v e Electronics Council）由三大北美汽車公司（克萊斯勒、福特和通用汽車）在1994年為建立一套通用的質(zhì)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)立[9]。AEC制定了產(chǎn)品質(zhì)量控制方面的準(zhǔn)則，在促進(jìn)汽車零部件通用性落實(shí)的前提下，也為迅速的市場(chǎng)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。其規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要包括AEC-Q100（集成電路IC）、AEC-Q101（離散組件）、AEC-Q102（離散光電LED）、AEC-Q104（多芯片組件）、AEC-Q200（被動(dòng)組件）。其中AEC-Q100是專門針對(duì)IC集成電路的驗(yàn)證規(guī)范，其目的是要確定器件在應(yīng)用中能夠通過應(yīng)力測(cè)試達(dá)到某種要求的品質(zhì)和可靠度[10]。

車規(guī)芯片設(shè)計(jì)

通過對(duì)該產(chǎn)品使用功能、工況（電壓、頻率范圍等）和芯片所采用單元設(shè)計(jì)庫技術(shù)的驗(yàn)證，確定了電路設(shè)計(jì)原則以達(dá)到車規(guī)芯片的要求。所實(shí)施的流程可查明潛在故障模式及其給系統(tǒng)和用戶帶來的后果，并查明故障的嚴(yán)重性和可能造成故障的因素。考慮了冗余設(shè)計(jì)問題，這種設(shè)計(jì)能夠以糾錯(cuò)碼方式避免可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)預(yù)留錯(cuò)誤和更換存在缺陷單元。設(shè)置了自我檢測(cè)機(jī)制，利用芯片的合理檢測(cè)時(shí)間為電路添加部分路徑節(jié)點(diǎn)來檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在問題的單元并對(duì)其做出相應(yīng)處理以減少因工藝波動(dòng)而造成的損失。

在芯片設(shè)計(jì)階段，就要開始著手芯片可靠性實(shí)驗(yàn)的考量，使用計(jì)算機(jī)輔助工程分析和仿真工具可以更短的時(shí)間內(nèi)提高產(chǎn)品可靠性。有限元分析，熱分析以及可靠性預(yù)測(cè)模型等工具正在得到越來越廣泛的應(yīng)用，這樣車規(guī)芯片在設(shè)計(jì)之初主動(dòng)來提高器件可靠性和穩(wěn)定性。

芯片晶圓制造

晶圓的制作主要環(huán)節(jié)為離子注入、光刻、蝕刻、鍍膜的工藝流程。每個(gè)過程都要借助數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)研究分析工具來尋找最優(yōu)參數(shù)來滿足芯片良率與質(zhì)量的改善。fab廠通過檢測(cè)每道工序具體測(cè)試參數(shù)，芯片數(shù)量，頻率等信息，可以保證制程的穩(wěn)定性。

芯片測(cè)試

盡量使測(cè)試覆蓋率達(dá)到最短時(shí)間內(nèi)預(yù)先甄別不良品以免流向客戶端。芯片測(cè)試更快速高效的重要途徑之一就是通過對(duì)芯片進(jìn)行自測(cè)設(shè)計(jì)，同時(shí)還能降低對(duì)外部ATE的資源依賴性。良品測(cè)試limit標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定可以采用AEC_Q004文檔中的建議，基于一定的數(shù)據(jù)量標(biāo)準(zhǔn)差公式來設(shè)定，Static PAT Limits＝Robust Mean±6 Robust Sigma。通過大數(shù)據(jù)分析，管控工藝波動(dòng)，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，該方法可以定期進(jìn)行Review和更新。產(chǎn)品在使用前的故障是良率，而在產(chǎn)品使用時(shí)的故障是可靠性，所以芯片的試驗(yàn)直接關(guān)系著芯片的可靠性。

浴盆曲線是由三部分組成，早妖期、穩(wěn)定期和損耗期。老化篩選測(cè)試（Burn in）是ATV（Automotive）芯片測(cè)試很重要的一個(gè)步驟，它的主要功能就是去除了芯片出貨時(shí)產(chǎn)品早期失效的芯片，達(dá)到用戶端的高可靠性。早妖期指失效率比較高的時(shí)期，芯片失效的原因一般都是由于芯片先天存在的瑕疵或者問題造成的，比如設(shè)計(jì)上的瑕疵、工藝制造上的不正?；蛘卟馁|(zhì)上的內(nèi)在缺陷。這些缺陷可誘發(fā)與時(shí)間和應(yīng)力有關(guān)的失效，故障率一般用Dppm來表示。具體方法是先對(duì)芯片進(jìn)行一定時(shí)間的100%老化測(cè)試，例如加偏壓，加高溫等，然后再進(jìn)行正常的ATE 測(cè)試進(jìn)行篩選[11]。浴盆曲線（圖1）中的穩(wěn)定期代表著芯片在使用壽命期間失效率是相對(duì)穩(wěn)定的，通常按FIT（failure in time）或MTBF（Mean Time Between Failure）小時(shí)數(shù)來描述其失效。損耗階段表明芯片的失效率開始因?yàn)樾酒瑑?nèi)在電路損耗而上升，代表已到達(dá)了芯片的極限使用壽命。

AEC-Q100芯片可靠性驗(yàn)證

AEC-Q100作為汽車電子可靠性驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)，其主要目的：

（1）客戶有可以參考的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；

（2）芯片供貨商可以排除芯片可能存在的潛在故障。

表1是AEC-Q100根據(jù)器件工作環(huán)境溫度分為不同的產(chǎn)品等級(jí)，這與芯片具體應(yīng)用有關(guān)，其中最嚴(yán)格最高等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的工作溫度范圍是-40～150℃之間。芯片供應(yīng)商需不斷地對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷地優(yōu)化，使用先進(jìn)且穩(wěn)定的制造及封裝工藝，并在此基礎(chǔ)上使用嚴(yán)格的測(cè)試程序進(jìn)行篩選，以滿足車規(guī)芯片在工作溫度及可靠度等方面的高水準(zhǔn)。

AEC-Q100明確了芯片在設(shè)計(jì)，制造，封裝，測(cè)試和量產(chǎn)等各個(gè)階段所需要的驗(yàn)證以及相關(guān)的卡控標(biāo)準(zhǔn)。從其內(nèi)容來看，具體包含7大類別共41項(xiàng)的測(cè)試，如圖2所示即為AEC-Q100 Rev-H 的驗(yàn)證流程及規(guī)范內(nèi)容[12]。大致分為：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（密封型封裝完整性測(cè)試）。

目前AEC-Q100已成為車規(guī)芯片的重要規(guī)范，通常車規(guī)芯片供應(yīng)商需要完成其項(xiàng)目的驗(yàn)證，然后以“自我宣告”的方式說明其產(chǎn)品通過了其相關(guān)的驗(yàn)證結(jié)果，AEC不會(huì)給予供應(yīng)商任何認(rèn)證。由于樣本數(shù)量較小，上述檢驗(yàn)為必要的不足檢驗(yàn)，體現(xiàn)了該方法存在局限性。測(cè)試項(xiàng)目可應(yīng)用于否認(rèn)器件可用性，但是無法判斷大批量量產(chǎn)芯片是否符合特定場(chǎng)景下的使用標(biāo)準(zhǔn)。因此對(duì)量產(chǎn)車規(guī)芯片進(jìn)行老化篩選測(cè)試就變得非常重要，使供給用戶的芯片在穩(wěn)定期內(nèi)工作，增加其可靠度。同時(shí)對(duì)其進(jìn)行失效分析一方面能夠確定導(dǎo)致芯片發(fā)生故障的根因并采取相應(yīng)的措施來根治這一問題，另一方面對(duì)于固有缺陷問題也能解決，可通過優(yōu)化和加嚴(yán)測(cè)試篩除以達(dá)到車規(guī)芯片的零失效率。

失效

半導(dǎo)體在其開發(fā)，生產(chǎn)，使用等各個(gè)環(huán)節(jié)都不可避免地存在著失效問題。通過有的放矢地進(jìn)行失效分析：

（1）可以協(xié)助設(shè)計(jì)人員找出芯片設(shè)計(jì)上的缺陷，例如通過FIB電路修補(bǔ)的方式亦可驗(yàn)證該結(jié)果。

（2）可以找出芯片在制造，封裝等工藝中存在的缺陷，提出切實(shí)可行的改善方案。

（3）評(píng)估不同測(cè)試向量的有效性，為生產(chǎn)測(cè)試提供必要的補(bǔ)充。芯片的故障分析主要以微觀世界為背景，通過電性、物理、化學(xué)及材料等多角度的觀察與分析，從根本上尋找導(dǎo)致芯片故障的因素[13]，主要分析工具及試驗(yàn)方法如圖3。

半導(dǎo)體芯片工藝制程的復(fù)雜度不斷提高，也給失效分析造成較大困難，如降低線寬需要電鏡較高分辨率，降低金屬層間距給樣品制備造成困難。透過失效現(xiàn)象并在結(jié)合芯片設(shè)計(jì)及工作原理的前提下，把握精確的芯片信息資料及數(shù)據(jù)，從而做出正確分析判斷。

一般半導(dǎo)體芯片使用后的失效機(jī)理可分為以下幾類[14]。

（1）芯片設(shè)計(jì)存在缺陷，主要體現(xiàn)芯片功能不能實(shí)現(xiàn)。

（2）本體類的相關(guān)失效，如半導(dǎo)體材料缺陷或封裝中所用基板本身存在的問題。

（3）工藝波動(dòng)造成的失效。

芯片介質(zhì)層相關(guān)失效，如柵氧，金屬間介質(zhì)層等缺陷；

硅襯底和SiO2界面間存在缺陷，如Dislocation等；

芯片后端金屬互聯(lián)層由于金屬的電遷移或含鹵素及鹵化物的污染造成的金屬腐蝕等；

封裝工藝參數(shù)不合理導(dǎo)致的管腳連線造成的短路或者開路等。

（4）測(cè)試引入的失效，主要是測(cè)試向量電壓設(shè)置不合理等造成芯片的Overkill。

分析

車規(guī)芯片安全性與可靠性為第一考量，不僅響應(yīng)于芯片設(shè)計(jì)與開發(fā)階段，測(cè)試篩選與可靠性驗(yàn)證更顯重要。它巨大的市場(chǎng)前景讓越來越多的芯片供應(yīng)商進(jìn)入這一領(lǐng)域并加入到車規(guī)芯片產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中來。結(jié)合供應(yīng)鏈質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)IATF16949規(guī)范以及AEC-Q100可靠性的要求，當(dāng)前車規(guī)芯片驗(yàn)證的流程和體系需要更加完善。

（1）車規(guī)芯片標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)的建立，應(yīng)由技術(shù)專家（汽車整機(jī)，芯片設(shè)計(jì)、制造，封裝以及芯片測(cè)試等領(lǐng)域）來建立一套更加專業(yè)化，規(guī)范化，流程化的標(biāo)準(zhǔn)是必要的。

（2）芯片可靠性驗(yàn)證需更加全面，產(chǎn)品的可靠性是需要考慮設(shè)計(jì)進(jìn)去以及制造出來。

（3）老化測(cè)試需要更有效，車規(guī)芯片可以通過100%老化除去早期失效器件，對(duì)服從威布爾Weibull分布的參數(shù)β在1以下，也就是前期故障率呈顯著降低趨勢(shì)，這將突出老化測(cè)試。在實(shí)現(xiàn)杜絕芯片早期失效的同時(shí)，盡可能縮短老化測(cè)試的時(shí)間；

（4）對(duì)于失效芯片根因進(jìn)行分析，需構(gòu)成閉環(huán)。尤其是要發(fā)現(xiàn)因工藝制造參數(shù)卡控不盡合理或試驗(yàn)覆蓋不完全而遺漏的失效芯片，否則會(huì)造成批次性問題。不同失效案例需從芯片設(shè)計(jì)，工藝制造，封裝測(cè)試，器件使用等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與綜合分析以發(fā)現(xiàn)失效根因，然后反饋并形成解決方案。同時(shí)芯片制造產(chǎn)線需要應(yīng)用更多主動(dòng)的專業(yè)監(jiān)控技術(shù)，例如，CPK技術(shù)、SPC技術(shù)和PPM技術(shù)，可以對(duì)生產(chǎn)能力、工藝穩(wěn)定性進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)[15]。

結(jié)語

在實(shí)踐中，我們常常會(huì)碰到TSP數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和TSP數(shù)據(jù)可視化的問題，文章運(yùn)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了以上兩種TSP數(shù)據(jù)可視化制作的兩種方法來解決TSP數(shù)據(jù)的處理。