智能家電關鍵零部件

劉惠玲 胡進偉 王嘉音

摘? 要：家電智能化是家電產業的發展趨勢，而家電智能化的實現依靠的是芯片、傳感器、物聯網模塊等關鍵零部件的支持。其中，芯片作為智能家電中最核心的零部件，其質量、可靠性和性能水平將對智能家電品質產生重大影響。智能家電用芯片從開始生產到應用于家電整機中需要經過多個階段的測試，才能確保最后智能家電產品的質量合格。該文將對智能家電芯片的相關測試與評估進行概述。

關鍵詞：智能家電? 關鍵零部件? 芯片? 測試項目

中圖分類號：F426? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2020）12（b）-0017-03

Abstract： Intellectualization is the development trend of home appliances industry， and the realization of home appliances intelligence depends on the support of chips， sensors， Internet of things modules and other key components. Among them， as the core component of intelligent home appliances， the quality， reliability and performance level of chips will have a significant impact on it. From the beginning of production to the application of smart home appliance chip， many stages of testing are needed to ensure the final quality of smart home appliance products. This paper will summarize the chip test and evaluation of smart home appliances.

Key Words： Intelligent home appliance; Critical component; Chip; Test items

1? 家電智能化的發展趨勢

隨著大數據、云計算和物聯網等技術逐步走向成熟，用戶對智能科技、智慧生活的需求推動，全球智能家電進入快速發展期，家電行業迎來新的風口期[1]。依據GB/T 28219—2018《智能家用電器通用技術要求》中的定義，智能家電是具備智能化功能或采用了智能化技術的家用和類似用途電器。

目前智能家電常見的智能化功能包括智能控制、遠程監控、自動報警、語音交互、攝像頭等，而這些功能的實現依靠的是芯片、傳感器、控制器、物聯網模塊等關鍵零部件的支持[2]。其中芯片作為智能家電中最核心的關鍵零部件，受到了各大家電巨頭企業的重視，美的、格力、格蘭仕、康佳等家電企業紛紛入局芯片的研發制造。在此背景下，只有做好對芯片產品的測試和評估工作，才能為芯片質量提供保障，促進我國智能家電產業的高質量發展。

2? 智能家電涉及的芯片種類

芯片的分類方式有很多種，根據處理的信號類型，芯片可以分成模擬芯片和數字芯片兩種，分別處理模擬信號和數字信號。而根據使用功能的不同，芯片又可以分成處理器芯片、存儲芯片和通信芯片等。常見的家電芯片包括MCU主控芯片、驅動芯片、連接芯片、圖像處理芯片和電源管理芯片，近年來我國各大家電企業對這些芯片的自主研發日益重視[3]。核芯互聯科技（青島）有限公司推出了其自主研發的璇璣CLE系列MCU芯片，這是我國第一款自主可控的RISC-V家電芯片，主要適用于白色家電、工業控制、物聯網等對穩定性、功耗和計算能力要求較高的應用領域。格力電器成立了珠海零邊界集成電路有限公司，開始進軍芯片領域，其主攻方向為高端變頻驅動芯片和主機芯片的研發;康佳電器則將物聯網芯片和存儲定為其半導體業務的主攻方向[4]。除了上述提到的家電常用芯片外，人工智能芯片在家電領域的應用也是當前研究熱點。比如，LG電子已經推出了家電內置人工智能（AI）芯片，將陸續搭載于其旗下掃地機器人、洗衣機、冰箱、空調等家電產品中。雖然面向家電行業的人工智能芯片還未普及，但隨著家電智能化的發展，家電產品對人工智能芯片的需求也會日益增加。從技術架構來看，AI可以分為四大類，分別為全定制化芯片（ASIC）、半定制化芯片（FPGA）、通用性芯片（GPU）、類腦芯片[5]。在應用場景方面，人工智能芯片在云端和設備端都能發揮重要作用。云端智能芯片的特點是性能優越，可以靈活地處理語音、圖片、視頻等不同應用類型，并同時進行大量運算。設備端智能芯片的特點是體積小、耗電少，通常只需要支持一種或兩種AI能力，但其最大優勢是可以讓設備在不用聯網的情況下具備AI能力。

3? 芯片的測試項目

芯片生產流程包括了設計、制造和封測3個主要部分，涉及了電路設計、工藝設計、光罩制作、單晶硅片的氧化、涂膠、光刻、曝光、刻蝕、離子注入、切割、貼片、引線鍵合、封裝等數十道工序。其中任何一道工序出錯，都會導致芯片產品出現質量問題，所以芯片的質量測試必須貫穿設計、制造、封裝以及應用的全過程。按照生產工藝流程來看，芯片質量測試可以分為設計驗證測試、前道測試和后道檢測，這些測試共同保證了芯片的質量和性能，提高了產線良率，確保了產業鏈的運轉效率[6]。

3.1 設計驗證

設計驗證，即實驗室測試，主要采用電學檢測技術驗證樣品是否實現預定的設計功能。只有通過了設計驗證的芯片才能開始大規模生產。

3.2 前道測試

前道測試是晶圓加工過程中的測試，包括了量測和檢測兩個部分，其中量測主要測試芯片的薄膜厚度、關鍵尺寸、套準精度等制成尺寸和膜應力、摻雜濃度等材料性質;檢測則主要識別芯片的雜質顆粒、機械劃傷和晶圓圖案缺陷等[7]。量測和檢測均需要用到光學技術和電子束技術。光學量測時主要用到橢偏儀和相干探測顯微鏡，電子量測時則主要用到掃描電子顯微鏡。此外，量測時還需要使用四探針通過電學原理測量不透明薄膜厚度;通過熱波系統測量摻雜濃度。檢測環節則一般先采用明場、暗場的光學檢測定位缺陷位置，再通過掃描電子顯微鏡的電子束檢測對缺陷進行精確掃描成像。

3.3 后道檢測

后道檢測主要應用于晶圓加工之后、集成電路（IC）封裝環節內，可以進一步細分為CP測試（Circuit Probing，電路測試）和FT測試（Final Test，終測）。其中CP測試是封裝前的芯片電性測試，測試時，探針臺和測試臺連接，將待測硅片置于可垂直移動的真空托盤上，探針在測試臺軟件的控制下自動對準并接通電路完成測試。只有數據通信正常且通過電參數、邏輯功能測試的芯片才會進入封裝環節。FT測試是封裝后芯片的性能測試，測試時分選機將芯片傳送至測試工位，芯片引腳通過金手指、專用連接線與測試臺的功能模塊連接。測試臺對集成電路施加測試命令，根據采集輸出信號判斷芯片在不同工作條件下功能的有效性。分選機再根據測試結果對芯片進行標記、分類，確保合格的產品才能流向市場。

3.4 可靠性測試

除了以上生產流程中的芯片質量測試以外，在生產完成后，為測定芯片產品的耐久力和環境適應性，還需進行芯片可靠性測試。芯片可靠性測試主要分為使用壽命試驗、環境試驗和耐久性測試，其中壽命試驗包含了長期壽命試驗（長期工作壽命和長期儲存壽命）和加速壽命試驗（序進應力加速壽命、步進應力加速壽命和恒定應力加速壽命）;環境試驗項目包括機械試驗（振動試驗、沖擊試驗、離心加速試驗、引出線抗拉強度試驗和引出線彎曲試驗）、引出線易焊性試驗、溫度試驗（低溫、高溫和溫度交變試驗）、濕熱試驗（恒定濕熱和交變濕熱試驗）、特殊試驗（鹽霧試驗、霉菌試驗、低氣壓試驗、靜電耐受力試驗、超高真空試驗和核輻射試驗）;而耐久性測試項目包括數據保持力測試和周期耐久性測試。在實際生產中，可以根據需求選擇其中一些項目進行測試。

4? 芯片測試相關標準

目前我國發布的與芯片相關的國家標準主要針對的是芯片成品的測試，有GB/T 35010—2018半導體芯片產品系列標準，共分為8個部分，包括采購和使用要求、數據交換格式、操作、包裝和貯存指南、芯片使用者和供應商要求、電學仿真要求、熱仿真要求、數據交換的XML格式和數據交換的EXPRESS格式。其中GB/T 35010.1—2018《半導體芯片產品 第一部分：采購和使用要求》中提到，制造商或供應商需對芯片的質量水平和可靠性的信息予以說明，芯片的出廠質量水平可以用每百萬缺陷（DPM）、合格質量水平（AQL）或其他衡量方式來表述;芯片的可靠性評估方法也應予以說明，與此相對應的可靠性數值如故障時間率（FIT）、平均故障時間（MTTF）或其他衡量標準連同評估所需要條件都應提供說明。而對于可靠性測試中對芯片的機械和氣候試驗，則可參照GB/T 4937—2006《半導體器件 機械和氣候試驗方法》系列標準進行測試。在國際標準方面，目前國際上可供參考的與芯片可靠性測試相關的標準有：美國國防部微電子測試方法標準《MIT-STD-883E Method 1005.8》、美國電子工業協會標準《JESD22-A108-A》和日本電子信息產業協會標準《EIAJ ED- 4701-D101》。

除了考慮芯片的質量和可靠性外，芯片的性能也是影響產品質量的關鍵因素，配備性能優越的芯片，可以大幅度提高智能家電產品的質量水平。但在芯片的性能評測方面，尤其是對AI芯片的性能評測，需要考慮到不同場景的應用需求，目前國際上也還缺乏統一的評測標準，芯片性能參數主要依靠芯片生產商自行發布。統一的評測標準，可以幫助需求方和芯片廠商降低溝通成本，建立有序的市場競爭環境。因此，芯片性能評測標準的制定迫在眉睫。智能芯片作為支撐智能化技術應用的基礎硬件，我國在其標準化層面已經開展性能測試要求等標準研制工作，《智能芯片性能評估指南》被列入近期我國在人工智能標準化領域的亟須制定的標準之一。面向家電行業的人工智能等各類芯片必將逐漸普及，但針對智能家居場景的芯片評測技術規范仍處于空白階段。

5? 結語

通過上述關于智能家電芯片測試流程的概述可以了解到，雖然在集成電路產業生產過程中芯片的質量測試技術已較為成熟，但目前國內外專門針對智能家電用芯片的性能評測標準制定還處于起步階段。在國內大型家電企業紛紛布局芯片制造的背景下，我國應更積極參與相關標準的制定，獲得更多的國際話語權。尤其是人工智能芯片在家電行業開始應用的情況下，為了讓家電企業能夠客觀有效地判斷廠商提供的芯片是否能滿足其真實場景的計算需求，亟須制定出與智能家電真實應用場景緊密相連的、同時可跨產品對比的芯片測試評估方案。

參考文獻

[1] McMenamin， Ed. Growing the smart appliance market[J].Appliance Design，2015，63（5）：11-13.

[2] 曹金榮.家電智能控制模塊的設計與實現[D].電子科技大學，2019.

[3] 李志剛.以芯片和算法，助力智能家電升級——訪芯海科技（深圳）股份有限公司副總裁龐功會[J].電器，2019（11）：32.

[4] 劉剛.家電巨頭紛紛入局半導體[J].計算機與網絡，2018，44（13）：16-17.

[5] 尹首一.人工智能芯片概述[J].微納電子與智能制造，2019，1（2）：7-11.

[6] 王金萍.集成電路工程化測試方法研究[J].電子與封裝，2020，20（1）：11-13.

[7] 周安琪，張育赫，王麗丹.集成電路組裝過程中裸芯片目檢不合格類型與原因分析[J].微處理機，2020，41（2）：19-21.