國產化背景下車規級芯片環境可靠性試驗標準研究

張送 胡慧婧 韋錦波 何逸波

上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心 廣西柳州市 545007

1 引言

新冠疫情全球肆虐，給全球各產業鏈產生強烈的沖擊。尤其是具備強周期性的芯片行業，因其設計主要集中在歐美地區，制造集中在日本、臺灣等地區，封裝及測試主要由東南亞地區完成，受疫情的影響更重。根據AFS統計，2021年全球汽車行業因芯片短缺減產達810.7萬輛，總計約2100億美元損失。

除了新冠疫情沖擊的影響因素外，汽車行業自身“電動化、智能化、網聯化、共享化”的發展對芯片的需求也在進一步的提升。預計全球新能源汽車將在2025年達到2100萬輛規模，其中中國汽車市場的增長率最顯著。一份對德國、美國及中國的三國汽車用戶對自動駕駛的接受程度調查顯示，超過50%的中國用戶非常認可，遠高于其余兩國。這意味著在未來幾年中國汽車行業對芯片的需求量將更加大。

圖1 芯片國產化

疫情沖擊與需求量放大的兩者夾擊下，芯片國產化將成為解決汽車行業發展桎梏的根本辦法。因此，本文旨在對比分析國內外現行的汽車電子產品的環境可靠性試驗標準，為建立起符合我國國情及汽車行業發展的車規級芯片環境可靠性試驗標準體系提供建設性的建議。

2 車規級芯片失效機理

通過對汽車上應用在車身控制、底盤安全、動力總成、車身儀表、車內娛樂影音系統上的微控制單元芯片的研究發現，相比較消費級與工業級，車規級的芯片使用環境存在以下特點：

除了高低溫、干濕沙塵及鹽霧、振動、防水性等環境載荷外，由于汽車的快速移動特性，車規級的芯片還會承受著環境載荷快速變化的特點。為此，在規劃車規級芯片的環境可靠性試驗時，應該將此場景考慮在內。

表1 消費級、車規級和工業級芯片使用環境特點

根據對某平臺多款車規級微控制單元芯片的連續跟蹤，并對其進行失效機理分析發現，失效可以歸類為以下幾種：

①導體本體失效，主要體現在襯底部位的半導體材料缺陷，如坑洼、孔洞，如圖2所示。在歷遍約＜1萬公里后，造成芯片失效。

圖2 導體本體失效模式

②導體-介質層界面失效，主要體現在襯底部位的硅膠界面與柵氧之間的缺陷，如圖3所示，在歷遍約5千～2萬公里后，造成芯片功能失效。

圖3 導體和介質層界面失效模式

③質層失效，主要體現在因工藝原因半導體顆粒的不連續性，如圖4所示，在歷遍約5千～3萬公里后，造成芯片功能失效。

圖4 介質層界面失效模式

④聯和金屬化層失效，主要體現為鎢塞下出現“倒火山口”型缺陷，如圖5所示，在歷遍約5千～3萬公里后，造成芯片功能失效。

圖5 互聯和金屬化層失效模式

通過多批次車規級芯片的失效壽命進行跟蹤統計，可以得出在汽車行駛約5000公里左右，因制造工藝造成的芯片缺陷即產生芯片功能失效。

3 國外車規級芯片產品認證

由于涉及行車的人員安全，環境可靠性測試成為車規級芯片可靠性測試中必不可少的一環。國外半導體行業起步早，發展較為成熟，在車規級芯片的認證體系中存在兩個主流體系：AEC標準、ISO16750標準。

3.1 AEC標準

AEC系列標準主要由美國汽車電子委員會制定，因符合其測試標準的零件被美國克萊斯勒、福特和通用等主流汽車公司普遍采用，推動了汽車電子產品零件的通用性，該系列逐漸成為汽車電子產品應用較為廣泛的標準。

環境可靠性的驗證項目主要由其中的AEC-Q100進行定義，根據零件的安裝位置，標準定義了4個等級工作溫度，并明確了對應位置應用的等級。具體如下所示：

表2 AEC-Q100工作溫度區間等級定義及對應工作位置

3.2 ISO16750標準

ISO16750是由國際標準化組織（ISO）制定的主要針對汽車電子環境可靠性驗證的標準，主要被標致、雷諾、大眾以及北美的通用、福特等汽車公司所采用，甚至直接應用為企標。相較于AEC標準，ISO16750標準應用范圍更廣泛。除了應用范圍差別外，ISO16750對樣件的安裝劃分也更加詳細，存在5種劃分。具體如表3所示：

表3 ISO16750標準安裝類型定義

相比較AEC系列，ISO16750標準則更加細分，例如考慮到太陽直射、熱輻射的區別，將乘員艙細分出行李艙/貨艙。除此之外還考慮到一些特殊的安裝位置。

4 國產化車規級芯片認證

由于我國汽車工業發展較晚，汽車電子產品的環境可靠性測試驗證主要還是按照具體產品的技術條件來進行具體要求，而這些技術要求多數為直接引用GB/T 28046系列。但本質上還是溯源于ISO 16750系列標準。

我國在車規級芯片的直接認證標準上，則更加薄弱。隨著半導體行業發展上升為國家戰略，建立起具備符合國情及滿足我國汽車行業發展的半導體環境可靠性試驗標準體系迫在眉睫。具備我國特色的車規級國產芯片環境可靠性測試體系，應該包含以下幾點，具體體現為：

①工作溫度定義更加合理。以新能源汽車為例，動力蓄電池系統內的電池管理系統（BMS）中微控制器芯片，正常工作下電芯溫度一般皆＜65℃，按照AEC系列應該歸屬于等級三，顯然這不符合；除此之外，對于純電動新能源汽車，由于沒有發動機的熱害，前艙內的電機控制器、充配電總成等同樣不適用AEC系列。

②工作位置定義更加合理。同樣以新能源汽車為例，純電動汽車動力蓄電池系統往往懸置于乘員艙徹底或直接與車身融合在一起。混合動力汽車動力蓄電池系統往往安裝在行李艙與車底之間。這兩者明顯不適應ISO16750與AEC-Q100等標準的空間劃分。

③環境載荷量級定義更合理。例如缺少燃油發動機、增加驅動電機系統的純電動新能源汽車，車身及發動機艙內存在的振動載荷與燃油汽車相比，因驅動電機的高轉速性，低頻振動載荷減少但是高頻振動的載荷卻增加。而同時存在燃油發動機與驅動電機系統的混合動力汽車，因為同時存在熱害及更高量級的高頻振動載荷，則車規級芯片承受的環境載荷量級更大，尤其是當熱害與其他環境載荷存在耦合情況。

④壽命測試時長定義更合理。隨著汽車智能化發展，未來汽車將具備更多的自主決策權，并且這些決策將伴隨著汽車的全壽命周期。車規級芯片的設計壽命以及環境可靠性載荷條件下的壽命應滿足汽車的全壽命使用周期。

⑤以上幾點，是國外車規級半導體的環境可靠性測試體系所不具備的。根植于現有的相對完備的歐美車規級半導體測試體系，延伸并發展起具備我國特色的體系，是當前形勢下的最優選擇，也是當前實現我國車規級半導體產業快速發展，并最終實現車規級半導體“彎道超車”的一條實際路線。

5 總結

汽車電子產品的環境可靠性對于汽車行駛安全的重要性毋容置疑，尤其是隨著汽車的電動化、智能化、網聯化與共享化發展，汽車具備更多智能化決策，汽車電子產品中的“核心大腦”——車規級芯片環境可靠性的重要性將提升至前所未有的高度。建立起合理的環境可靠性試驗驗證標準體系，成為保障未來汽車安全出行的重要一環。而通過對比國外車規級芯片的環境可靠性試驗驗證標準體系發現，主流的標準并不能滿足我國汽車行業的發展要求。因此在芯片國產化的基礎上，建立起符合我國國情及行業走向的車規級芯片環境可靠性試驗驗證標準體系是十分必要的。