車規級芯片替代方法及驗證模型研究

李祥兵，楊偉民

(神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430058)

引言

隨著電動化、自動化、網聯化和共享化趨勢的到來，車規級芯片在汽車上的運用將更加廣泛，特別是隨著以新勢力造車為代表的新能源車的異軍突起，國內芯片產業出現了快速發展，芯片的產業規模不斷壯大，已形成了包括芯片設計、芯片制造、芯片封裝測試以及相關配套產業共同發展的完備產業體系[1-7]。但隨著2020年新冠疫情的到來，芯片等關鍵進口元器件出現嚴重緊缺，國內芯片產業鏈和汽車制造出現嚴重沖擊。為應對芯片緊缺的情況，芯片替代、芯片國產化勢在必行。整體上看，國內車規級芯片的生態建設并不完善，相應的制造體系并不完備，目前還不具備規模化替代的條件，因此，逐步摸索出芯片替代的可行方法變得日益緊迫。

1 國內芯片發展面臨的困境

總體來講，國內汽車芯片市場規模趨勢上升但自主率低，國內缺芯少芯現狀給車企發展帶來巨大壓力。

(1)汽車芯片是汽車新四化發展的關鍵技術。在汽車領域，造車新勢力快速發展，以蔚來、理想、小鵬汽車為代表的新勢力快速增長，為國內汽車半導體發展提供沃土。在電動車上，汽車芯片包括感知芯片、計算芯片、MCU、通信芯片、安全芯片、能源芯片、存儲芯片等。在以往的傳統燃油車上，芯片的總數約為500～600顆(不包含二極管/三極管/傳感器)，而在新能源汽車上，特別是達到L3及以上級別的自動駕駛車輛上，芯片的總數將達到1 000顆以上，隨著智能化、網聯化和電動化的發展，計算芯片、安全芯片、無線通信芯片、存儲芯片、傳感器數量增加明顯，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，將嚴重影響國內新能源汽車的布局和發展。

(2)國內汽車芯片自主化率太低。目前，國內汽車芯片使用量占全球市場的30%，但是過度依賴進口，芯片的國產化率非常低。比如在2021年，車載邏輯芯片的國產率只有5.2%、模擬器件只有1.38%、存儲類器件只有4.25%、光學半導體只有7.54%。這些數據表明，中國從一個芯片使用大國變為一個芯片開發強國，任重道遠。

(3)受全球疫情大環境影響，全球晶圓產能和芯片組裝廠復蘇進度不可預期，車規級芯片供應商緊張的局面更加凸顯，特別是2022年下半年來，8英寸晶圓嚴重短缺。據推測，芯片短缺局面至少要到2023年底才能有所緩解。

2 車規級芯片的設計要求

2.1 車規級芯片定義

車規級芯片定義為滿足汽車質量管理體系、符合可靠性和功能安全要求的集成電路，它需要滿足《純電動乘用車車規級芯片一般要求》(T/CSAE 222—2021)。該技術標準從芯片器件層級、系統層級、控制器層級、整車層級規定了車規級芯片需要滿足的要求。比如，該標準規定了全生命周期內芯片設計、芯片制造、芯片封裝、芯片測試、芯片應用、報廢和回收利用，芯片應符合質量管理體系、質量控制、功能安全、環境要求。汽車的芯片供應商應符合汽車行業質量管理體系IATF16949要求；芯片的設計、制造過程應滿足質量控制要求；功能安全體系應滿足ISO 26262：2018和GB/T 34590要求。

2.2 性能要求

與消費電子類芯片相比，車規級芯片因使用工況的復雜性和苛刻性，其各方面要求更高，見表1。這主要是因為汽車的使用工況比消費電子復雜很多，比如長時間在高溫、高濕、振動、沖擊及復雜電氣和電磁環境等環境下使用，另外消費者希望他們的汽車比手機等其他電子設備使用壽命更長，一般在10年或更長時間，實際設計壽命需要超過15年/220 000 km，在這種非常苛刻的工況下，車規級芯片也應能匹配這種工況的要求。

2.3 車規級認證要求

車規級芯片開發過程中除了要完成性能試驗，功能測試認證也具有很高的要求。這包括：1)基于IATF16949的質量管理體系認證；2)功能安全認證，也稱機能安全，是指和一個系統或設備整體安全的組成部分，在各種極端工況下接收輸入信號后，仍然能正常工作的能力。功能安全需要滿足ISO26262國際標準；3)產品的可靠性測試要求高，這包括針對車規級芯片的可靠性測試(環境測試、電磁兼容性能測試等)需要滿足AEC-Q102認證；以及針對功率模組的可靠性測試，需要滿足AQG323認證。

2.4 車規級芯片的開發流程

車規級芯片從產品定義到最終量產的時間一般需要42個月，其中歷經產品需求、芯片流片、封裝測試、可靠性認證、功能安全認證完成等關鍵節點，如圖1所示。如同整車開發一樣，在很早期精準定義客戶需求，保證自產品立項時，四年后芯片仍然能滿足終端客戶日益增長的需求變得尤為重要。

圖1 車規級芯片的開發流程Fig.1 Development flow of automotive-grade chips

3 車規級芯片替代思路

在芯片國產化過程中，芯片替換是最簡單也是最直觀的方法。由于不同廠家之間芯片類型的差異，導致在封裝類型和引腳定義上均存在一定的差異，這對芯片直接替代帶來了一定的挑戰。芯片替換前，首先要分析原芯片需要實現的功能，然后分析芯片引腳定義，然后基于替代芯片的產品說明書，核實替代芯片各個功能引腳的技術參數(電流、電壓、頻率等)是否與原芯片完全相符，如果需要重新設計接口電路，還要核實接口電路的技術狀態，確保接口電路的技術參數也是滿足的。 另外，基于當前全球疫情形勢，在芯片替代前，還要綜合考慮芯片的通用性問題，盡量使用常規芯片來替代，避免后續再次出現芯片供貨危機等問題。

3.1 直接替代

直接替代是最簡單，也是當前很多汽車零部件供應商普遍采用的方法。這種方式是在核實替代兩種芯片的功能、引腳定義以及技術參數(性能指標、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，而對原有芯片進行直接替代。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IC的代換。在替代過程中，如果芯片是同一型號，則替代的難度會降低很多。此時，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，芯片會因為個別引腳不匹配導致整個芯片或電路板燒損，因此在直接替代過程中，要對原芯片定義進行分析對比，特別是引腳的功率參數、電流或電壓范圍等。比如，有些芯片有正反標記(通過識別芯片表面的方向標記得出)，如ICLA4507，該芯片存在正反標記，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IC的替代。這種方式，按照型號前綴數字和字母是否相同，又可以分為前綴字母不同數字相同、前綴字母相同數字不同、前綴字母數字均不同三種替代方式。型號前字母表示芯片制造廠商及電路的類別，前綴中的數字表示產品的系列。一般而言，前綴字母后面的數字相同，大多數可以直接替換。但也有少數芯片雖然數字相同，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。

在車規級芯片替代中，經常遇到不同品牌芯片的替代，比如STM8AF6226TCY(ST)出現供貨危機，用瑞薩芯片R5F109GACKFB#50來代替。這兩種芯片都屬于控制類芯片，用于實現前大燈近遠光燈功能的信號控制。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，芯片對應的外圍電路也要進行適當的優化，以滿足功能或技術參數的要求。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。相對于直接替代，由于對外圍電路進行了更改，因此需要完成大量的電磁兼容、耐熱試驗以驗證驅動的可行性和可靠性。

(1)不同封裝IC的替換。由于兩種芯片封裝不同，因此在替換過程中需要對芯片的腳位進行整形。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°，這就要求在替換過程中，要對角相位進行矯正。

(2)線路板電路作用相同，但某個腳位作用不同IC代換。這種替代，可以針對某個具體的腳位位置來簡單優化外圍電路，如視頻信號芯片輸出有正、負極差異，只要在某一個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，相當于全新開發一個電路板。這類替代需要經驗非常豐富的工程師指導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統一的模塊，在替代過程中，直接將包含芯片在內的整個模塊電路替換掉。

(5)用分立元件代用芯片。有時候可用分立元件代用芯片中被毀壞的局部，使其恢復功能。代用前要弄清芯片內部基本原理、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。同時還應考慮到：

1)信號可否從芯片中導出并接至外圍PCB線路板電路的輸入端；

2)經外圍PCB線路板電路處理后的信號，與下一級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，這三種電路的區別見表2。

表2 驅動電路分類

對于某些芯片，可以通過采用如上三種更為簡單的電路來實現對應功能，同時也可以大幅度降低成本。

3.3 替代策略

無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、技術參數的前提下進行替代。對兩種芯片的替代過程中，需要關注如下策略：

(1)集成PCB線路板電路腳位的序號先后順序不能出錯，否則會導致芯片燒損事故；

(2)替代前后芯片電源電壓要吻合，如果不吻合，要通過升降壓手段進行調整優化；

(3)測量芯片靜態工作電流，如電流遠超標準值，則說明線路板電路可能發生自激，這時候需要去耦調節。若增益與之前有所差異，可調節反饋電阻阻值；

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

(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 芯片替代方案及驗證

4.1 芯片替代

基于某一汽車前大燈開發項目，由于芯片出現供貨危機，對前大燈驅動芯片進行替代。根據以上所述芯片替代方案，本項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，同時將另一款DA芯片的功能用線性電路來實現，如圖2所示。

圖2 芯片替換Fig.2 Chip replacement

在替換過程中，所選定的瑞莎芯片與ST控制芯片的功能及技術參數基本相同，而且封裝尺寸也基本相似，故可以采用直接替代的方式。對于DA數模轉化芯片，通過核實整車給車燈的輸入信號，發現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，增加了20個小功率電阻來達到同種功效。

4.2 方案驗證

AEC-Q100是汽車可靠性電子的驗證標準。它的主要目的是：(1)作為客戶參考的標準規范；(2)芯片供應商可以根據規范篩選出可能存在的潛在故障。AEC-Q100基于不同環境工況，將車規級芯片劃分為不同等級。其中，最為苛刻的是環境溫度在-40 ℃～150 ℃。該標準還明確了芯片在設計、制造、封裝、測試、量產等各個階段的驗證和控制標準。對于車規級芯片，具體包含7個類別共40多項功能測試。表3為Rev-H的驗證流程和規范內容。具體可以劃分為：Group A(加速環境應力測試)、Group B(加速工作壽命測試)、Group C(封裝完整性測試)、Group D(晶圓級可靠性測試)、Group E(電性驗證測試)、Group F(可篩選性測試)、Group G(密封性封裝完整性測試)。

表3 Rev-H驗證流程和規范

對于復雜的芯片替代，需要根據兩者性能的差異，進行選擇性驗證。一般而言，對于型號完全不同的替代(如本項目中采用了直接+非直接替代方式)，需要完成DV和PV驗證，如圖3和圖4所示。這些驗證包含EMC、環境測試、邊界性能測試、加速老化測試等。某些測試目前有相關的國標可以參考，如無國標參考，可以采用企業內部標準。

圖3 DV測試項目Fig.3 DV test program

圖4 PV測試項目Fig.4 PV test program

4.3 驗證結果

除了上述所有驗證項目全部合格外，還增加了三溫度四電壓測試，用于評估新驅動在極限溫度和電壓下的電流參數以及出現診斷故障的可能性，見表4。

表4 三溫度四電壓測試

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行替代或國產化，結合供應鏈質量管理要求IATF16949規范和AEC-Q100可靠性的要求，車規級芯片還需要完成如下工作：

(1)建立車規級芯片標準化系統。由電子系統專家牽頭建立一套標準化的流程(包括芯片設計、制造、封裝、替代或國產化等全價值鏈流程)。

(2)基于不同的替換方式，創建不同的詳細芯片替代驗證模型，并將所有的驗證工況都考慮進去。

(3)整車廠對于目前項目售后反饋中出現的芯片失效原因分析要形成閉環。以往，主機廠發現售后零部件功能失效并確定是芯片失效為根本原因時，通常會要求零部件供應商或電路板供應商來牽頭分析，但很多時候，由于芯片需要郵寄到馬來西亞或其他遙遠生產場地，導致芯片分析進度停滯不前。由于芯片失效大多數情況下只是個案，主機廠基本放棄了繼續尋找原因的努力。實際上，當芯片替代之前出現某種故障時，芯片替換后也大概率會出現類似故障，找到每一處故障的原因并形成相關對策對降低售后的故障率是必要的。

5 結論及展望

在當前全球疫情籠罩形勢下芯片供貨緊張的問題，分析了車規級芯片的要求及替代設計和驗證方法。基于現有項目開發實踐表明，相關設計和驗證方法基本能滿足芯片替代的基本要求。在未來的開發設計中，將對售后汽車零部件的芯片故障繼續進行分類研究，找到根本原因，并對本文所提出的驗證試驗模型進行進一步補充。總體上，國內芯片質量水平和相關配套服務方面，都落后于國外芯片。另外，由于近三年疫情的影響，國外芯片出現較大缺口，但國產芯片在價格上相比國外芯片沒有太多優勢，甚至更貴，導致國內整車廠及產業鏈依然傾向于國外芯片。