消费性 IC 业如何切入车电领域？解读新版车用 IC 验证AEC-Q100
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消费性 IC 业如何切入车电领域？解读新版车用 IC 验证AEC-Q100
发布日期：2016/4/1
发布单位：iST宜特
AEC-Q100 的 IC 验证规范解析如何满足车厂/模块厂客户的需求。近两年的 MWC (全球行动通讯大会) 各大车厂皆推出车联网的应用概念，日前两大行动装置操作系统开发商 Apple 与 Google 也正式跨足汽车领域，分别发表 CarPlay 及 Android Auto 平台，除了 Google 无人驾驶车，包含Benz/BMW/Volvo/一汽集团/中国军事交通学院…等产官机构都已完成无人驾驶技术开发并开始进行道路实验，中国的网络企业百度、乐视也在无人驾驶的领域展现积极切入动作。全球汽车电子的产值将会因为应用平台的成熟而大幅成长。车用 IC 的在2018前的年复合成长率为10.8%，为更领域之最，其中亚太区的车用 IC 更高达20%，IC 业者无不磨刀霍霍的准备强攻此新蓝海市场。
车用 IC 的市场相较于 ICT 资通产业的最大差异为市场较为封闭，且前期的开发及验证期可能长达3年，对台湾/中国 IC 业者已习惯 Time to market 的运作模式相悖，价值理念也不尽相同，本文将以 AEC-Q100 的 IC 验证规范解析如何满足车厂/模块厂客户的需求，并将本文焦点放在2014年9月新改版规范 AEC-Q100 H版的要求进行解读。
一、想入场，请先取得两张门票-AEC & ISO/TS 16949
要进入车子领域，打入各Tier1车电大厂供应链，必须取得两张门票，第一张是由北美汽车产业所推的AEC-Q100(IC), 101(离散组件), 200(被动零件)可靠度标准；第二张门票，则要符合零失效(Zero Defect)的供应链质量管理标准ISO/TS 16949规范(Quality Management System)。其及关连性可参考下列图示1说明。
图1 : 车用零组件基本要求说明图；数据源 : iST宜特科技官网 www.istgroup.com
二、汽车零组件市场层级决定可靠度质量要求
汽车零组件市场可以大致区分为3部分：
- OEM / ODM (正厂出厂零件) / OES (正厂维修零件)
- DOP (Dealer Option经销商选配零件)
- AM (After Marketing 副厂零件)
对客户的失效率预估及备品备置策略会因决定进入不同市场而有所变化，OEM/ ODM/ OES为原厂保固，因其保固期较长，各车厂需要在制造及售后服务的成本之间取得平衡，IC供货商要进入的门坎较高。DOP则为各经销商因在地市场的销售策略需求所做的选配项目，进入门坎与上述相近，售后市场(AM)与原厂保固无关，所以相对进入门坎及成本是较低的。另一面向为AM的产品类型较多属于影音周边与主被动安全无关，所要求的可靠度也低于原厂零件，可参考下图2说明。
图2 : 车用零组件市场差异；数据源 : 宜特科技可靠度工程处处长 曾劭钧着
三、车用IC规范AEC-Q100的验证流程
那么，IC设计业者，该如何进入车用IC供应链呢?首先应先了解其中之一张门票，AEC-Q100。下图3为AEC-Q100规范中的验证流程，此图是以Die DesignWafer Fab.PKG AssemblyTesting的制造流程来绘制，各群组的关联性需要参考图中的箭头符号，笔者将验证流程分为5个部分进行简易说明，各项测试的细节部分就不再细述。
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1. Design House
红色区域为可靠度实验前后的功能测试，此部分需IC设计公司与测试厂讨论执行方式，与一般IC验证主要差异在功能测试的温度设定，此部分稍后会进行说明。
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2.Wafer Foundry
Group D的绿色区域为晶圆厂在Wafer Level的可靠度验证，Fabless的IC业者须与委 托制造的晶圆厂取得相关资料。
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3.Reliability Test
蓝色区域为可靠性视产品包装/特性需要执行的项目，AEC将其分为:
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- Group A : 加速环境应力实验
- Group B : 加速工作寿命模拟
- Group C : 封装完整性测试
- Group E : 电性验证测试
- Group G : 空腔/密封型封装完整性测试
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4.Design Verification
部分Group E的咖啡色区域为设计时间的失效模式与影响分析评估，成品阶段的特 性验证以及故障涵盖率计算。
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5.Production Control
四、AEC-Q100 H版本的新要求读解
自2007年5月，AEC-Q100 H版发布后，时隔7年以上的时间，2014年9月，G版发布，此段内文将探讨AEC-Q100 H版与G版之间的主要差异，及改版后规范的说明。
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1. 温度等级
IC供货商必须先了解终端客户如何使用此IC及其在车内的安装位置，以实际应用的温度范围来订定合适的温度等级，此温度等级定义会应用在两个部分。
第一部分为测试计划展开时各可靠度实验的条件选择，如:TCT(Temperature Cycling，温度循环实验)，不同等级的温变范围及温差循环数会有差异。
第二部分为前述的可靠度实验前后功能性测试温度必须依照User所订定的温度范围来做功能应用的FT(Final Test)测试，订定温度等级为Grade 1(-40℃~125℃)，则代表FT时使用低温-40℃、常温25℃及高温125℃，且需要留意其测试温度有先后顺序的订定。如:HTOL(High Temperature Operating Life，高温工作寿命试验)实验在FT测试定义顺序为RoomColdHot。
新版的部分取消了Grade 4 0℃~70℃的温度等级，如表1，此温度等级若比对车用模块在ISO 16750/SAE J1211…等规范内的描述是无法对应到合适的产品，因此笔者认为取消此温度等级是更贴近实际模块的要求。
温度范围 G版 H版 -40 ℃-150℃ 0 0 -40 ℃-125℃ 1 1 -40 ℃-105℃ 2 2 -40 ℃-85℃ 3 3 0 ℃-70℃ 4 X 表1 : Temperature Grade定义 ; 数据源 : www.aecouncil.com
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2. 实验项目
在新版的增减项目如下:
(1)取消 : GL(Gate Leakage；高温闸极漏电测试)及ESD中的MM(Machine Mode)。
GL的部分主要在仿真车用模块应用时所可能遭遇高温及高电场同时发生的环境，此环境会让IC Package内的等效电容及电阻产生Gate Leakage的失效，此失效现象可经由高温烘烤的方式恢复，取消的原因规范中未有说明，但以笔者在宜特科技实验室多年所累积的验证测试经验来看，此失效模式常发生在Burn-In及Reflow的过程，虽规范已取消，在生产过程或实际应用客退若有相同失效发生，仍可使用此手法进行再现性实验。
MM的部分则与JEDEC的JESD47规范同步，一是HBM(Human Body Mode)可以等效MM的实验结果，二是CDM(Charged-Device Model)的重要性更胜于MM，因此应多着重在CDM的测试。至于文献中提到的HBM与MM的关联性，以笔者在宜特科技ESD实验室的实务经验，仍有部分产品的ESD防护电路在HBM及MM上是有所差异的，规范虽然取消此项目，但IC业者仍需要面对当ESD客退发生时的处理，ESD定义为设计验证，所以目前各家厂商仍将其列为标准测试项目。
(2)新增 : Lead(Pb) Free(无铅)实验
车电与医疗产业不同于ICT资通产业，车电与医疗产业注重的科技是技术成熟性、可靠性以及零失效，而非ICT所追求最先进的技术，因此，车用电子产品在无铅制程的转换时程是比消费性产品来的晚，此次正式列入测试项目也代表无铅制程的转换已相当成熟，但仍允许部分如引擎室内高温应用等产品使用有铅制程。无铅的验证项目则包含Solderability、Solder heat resistance以及Whisker。
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3. 实验条件
主要实验条件改变的部分在于HTOL(High Temperature Operating Life)及TCT(Temperature Cycling)两项实验，其余如Wire bonding的相关实验则是取消Ppk的计算使用Cpk则可、Solderability则说明可由烘烤替代蒸气老化、Group G部分的实验样品数则略为减少，测试项目所参考规范调整的部分则请读者自行参阅，在此不细述。
(1)HTOL : 有三个部分，一为实验时间增长皆为1,000Hrs，二为清楚定义温度为Tj(Junction Temperature)，三为实验高温对齐Grade的定义。
(2)TCT : 最低目标低温温度由-50℃调整为-55℃，Cycle数的部分则有部分提升，仍可参考JESD22-A104的规范进行等效实验条件的替换。
实验条件的部分可再参考稍后第五部份的说明，将可更理解此次规范变更所要表达含意。
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4. 通用性资料
先以下图4来说明通用性资料(Generic Data)的基本含意，两个产品A、B，若有使用相同制程或材料，则可初步定义为同一家族系列产品，若对A产品进行完整AEC Q-100 Qualification，相同制程或材料的部分所产出的测试结果则称之为Generic Data，先不论验证的数量与程序，只要Generic Data的定义符合AEC-Q100的说明，B产品进行剩余项目的验证后再加上Generic Data，则可宣告B产品也通过AEC-Q100。
图4 : Qualification Family及Generic Data；数据源 : iST宜特科技可靠度工程处 副处长曾劭钧着
此次新的版本对于Generic Data及Qualification Family的定义及使用原则有较清晰的说明，并且简化了其认证程序，同时以情境模拟案例，来说明那些制程变更时应进行那些实验项目与Lot数量，都有较明确的定义，因内容过多，读者若有需要可以再参阅规范。
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5. 拟定测试计划
本文中最重要、也是此次改版中，笔者认为变动最大的部分，呼应美国汽车工程师协会在规范SAE-J1879/J1211中强调的强韧性/稳健性验证(Robustness Validation)，验证计划应思考的是，因应该产品在实际应用环境所面临的使用条件而拟定的，而非以单一测试标准/条件来适用所有产品，也就是Test for Application，而非Test for Standard。
要如何拟定一个合适的验证计划呢?第一步为制定该组件被设计/生产的目的，我们称之为Mission Profile，除了满足功能性的任务外，要再加上可靠度的任务，表2为汽车的Mission Profile参数范例。
Service Lifetime Mileage Engine On Time Engine Off Time Non-OP Time Engine On/Off Cycle 15 years =131,400hrs 600,000km 12,000hrs 3,000hrs 116,400hrs 54,000hrs 表2 : Example of Vehicle Mission Profile ； 数据源 : SAE-J1879
IC供货商须考虑不同应用功能的组件将会对应不同的Mission Profile，若IC工作行为是在Non-Operating Time，如:警报器等的应用，则Life time条件应满足116,400Hrs在常温的情况。
若IC仅在Engine On时工作，那Mission Profile就必须要满足12,000Hrs的寿命时间，及其工作位置的使用温度，假定Engine On时该IC平均的工作温度Junction Temperature(Tj)=87℃，我们使用的HTOL测试温度为125℃，活化能设定为0.7eV，接下来使用Arrhenius Model来计算实验时的温度加速率，如下公式计算:
AFT = exp(Ea/k)(1/Tuse-Tstress)
Parametric Value Unit k 8.617E-5 eV/K Ea 0.7 eV Tuse 87 ℃ Tstress 125 ℃ Tuse 360 K Tstress 398 K 即可算出温度加速率AFT=8.6232，以上述的设定目标寿命为12,000Hrs，因此HTOL实验时间应为12,000Hrs/8.6232 = 1,392Hrs。除了温度加速的范例，包含温度循环/湿度的加速公式已列在新规范中，各位可在参考规范内文。
上述范例旨在说明如何以终端产品实际应用的Mission Profile来设计合适的测试计划，相信很多从事IC设计的品管单位都相当熟悉，本文要表达的是规范将逐渐舍弃以单一标准来订定，而是交由End User(终端客户)与Component Manufacturer(零组件制造商)来共同制定合宜的验证计划。制定验证计划的流程可参阅下图5。
图5 : Reliability Test Criteria for New Component 数据源 : www.aecouncil.com
五、结语
消费性产品的产品功能设计，一般IC设计业者早已驾轻就熟，而这一两年，随着汽车市场，逐步走向车联网、电动车领域，需要更多驾驶信息辅助整合系统，也让IC设计业者找到进入市场的敲门砖。然而，消费性电子产品而言，产品寿命设计约1~3年为汰换周期，但车用电子则以10年起跳，上看15年寿命期。如何寻找有经验的实验室，协助客户了解车规，制定相对应的AEC-Q100验证步骤与手法，顺利进入车厂供应链，是极为重要的事。笔者以规范改版作为出发点完成本文撰写，加上多年在宜特科技协助IC设计业跨入车用电子的实战经验，期能让更多其他IC业者能在车电IC验证获取更多的信息。
