车规级电子元器件可靠性简介

更小、更薄、性能更高的半导体器件不仅仅是手机和平板电脑所需要的。随着市场各部门的应用都致力于扩展功能，许多产品中的半导体封装都面临着在性能不断提高的情况下维持或减少尺寸的挑战。与此同时，将这些器件集成到苛刻的环境中，如汽车，要求极高的可靠性。事实上，汽车生态系统是最具挑战性的生态系统之一，但也是一个越来越依赖电子产品进行持续创新的生态系统。在汽车内部，信息娱乐功能、燃油效率和增强安全性的先进驾驶辅助系统(ADAS)必须协调运行，而电子设备(即半导体)正在使这一切成为可能。随着汽车电气化程度的不断提高，以及连接和移动的趋势，有可能使汽车中的半导体含量增加10倍。然而，汽车工业小型化和附加功能的融合正在考验可靠性和加工规范。

汽车市场是微电子技术的一个主要增长领域。在过去10年里，汽车的平均电子元件含量已经从少量的控制器和组件发展到如今的3500多个半导体。据估计，未来20年汽车半导体销售额可能达到2000亿美元。影响电子性能的因素已被广泛理解，包括自动驾驶、自动辅助驾驶系统(ADAS)、电气化(emility)、改进的安全功能和健壮的信息娱乐设备。以ADAS为例，它可以实现自动驾驶汽车的功能，包括从雷达、激光雷达到盲点检测等各种设备，是汽车行业增长最快的领域之一，预计2019年至2027年的复合年增长率将超过20%。所有这些新兴的汽车设备、系统、传感器、控制器和处理器都需要半导体技术来支持高级功能。而且，由于它们处于安全关键的环境中，可靠性是制造和性能的最高优先级之一。

车规级电子元器件，指技术标准达到汽车电子等级，可应用于汽车控制的电子元器件。不同于消费级和工业级，该类芯片对可靠性的要求更高，例如工作温度范围、工作稳定性、不良率等。产品等级差异主要是通过复杂的芯片设计和生产流程控制来实现，从而在工作温度范围，稳定性等方面表现出差异化。

AEC-Q系列标准是行业公认的车规元器件认证标准。这里的AEC 是Automotive Electronics Council（汽车电子协会）的简称，该协会由Chrysler（克莱斯勒）、Ford（福特）、GM（通用）发起并创立。而Q则是Qualification的首字母。

AEC的成员包括了主机厂OEM，零部件厂商Tire1和元器件厂商等，意味着经过AEC-Q认证的芯片是一个被整个汽车供应链认可的产品。

迄今为止，AEC-Q系列规范由以下6大类组成：

· AEC-Q100: Failure mechanism based stress test qualification for packaged Integrated Circuits ，适用于集成电路（IC），例如：Digital, Analog等

· AEC-Q101: Failure mechanism based stress test qualification for Discrete Semiconductors in automotive applications，适用于分立半导体器件, 例如Mosfet，Diode等

· AEC-Q102: Failure mechanism based stress test qualification for Optoelectronic Semiconductors in automotive applications，适用于光电半导体器件，例如LED，optocoupler等

· AEC-Q103：Failure mechanism based stress test qualification for Sensors in Automotive Applications，适用于传感器, 例如pressure sensor, Microphone等

· AEC-Q104: Failure mechanism based stress test qualification for Multichip Modules (mcm) in automotive applications，适用于MCM多芯片模组

· AEC-Q200: Stress test qualification for Passive Components，适用于被动元器件，例如电阻，电容，电感等

下边，以集成电路IC为例，来介绍车规级IC的可靠性要求。

在AEC-Q100的第四章认证测试（Qualification test）中，定义了器件的认证测试流程（Qualification test flow）和认证测试方法（Qualification test methods）。

· 认证测试流程（Qualification Test Flow）

如图一所示，明确了器件从芯片设计（Die design）开始，经过芯片制造（wafer fabrication）, 封装（package assembly）, 外观检查（external visual）, 缺陷筛选（defect screening），最终到功能参数电性能检测（functional/parametric electrical verification test）， 每一个流程所需要经过的可靠性测试。

· 认证测试方法（Qualification Test Methods）

方法定义了七个测试群组，每一组对应一种类型的可靠性测试。

细目如图2所示。

Test Group A – 加速环境应力测试（Accelerated Environment Stress Tests）

Test Group B – 加速寿命模拟测试（Accelerated Lifetime Simulation Tests）

Test Group C – 封装组合完整性测试（Package Assembly Integrity Tests）

Test Group D – 芯片晶元可靠度测试（Die Fabrication Reliability Tests）

Test Group E – 电气特性确认测试（Electrical Verification Tests）

Test Group F – 缺陷筛选测试（Defect Screening Tests）

Test Group G – 腔体封装完整性测试（ Cavity Package Integrity Tests ）

图表2  认证测试方法细目

除此之外，如图3所示，标准最后还给出了三种常见的应力加速计算模型，来方便大家理解一些可靠性测试的条件和时间是如何计算出来的。

图表3 AEC-Q100 应力测试条件和时间的基本计算

（Basic Calculations for AEC-Q100 Stress Test Conditions and Durations）

· 国产器件AEC-Q认证的发展前景

目前国产车用元器件极少数通过AEC-Q认证，但依然会有少量国产器件在汽车上试用、或者在后端市场使用的情况。一方面可能是因为进口元器件产能不足，另一方面可能是因为后端市场要求没那么严格，第三方面AEC-Q本身也不是强制性认证（国产没通过AEC-Q认证不代表不是车用等级，只是没系统地去做而已）。但从长远来看，无论是AEC-Q，还是国内自主出台车用元器件标准，国产元器件要加入车用领域都是需要通过车用标准认证的。

对汽车厂和一级供应商来说，使用通过AEC-Q认证的电子元器件风险小，通常会要求元器件通过AEC-Q认证；对电子元器件供应商来说，通过AEC-Q认证，是产品质量与可靠性的保证，能够提高产品竞争力及溢价率。

AEC-Q虽然不是强制性的认证制度，但目前已成为公认的车规元器件的通用测试标准，AEC-Q认证，已成为电子元器件是否适合于汽车应用的一个标志，或者说门槛。