微控制器(MCU)在汽車中的應(yīng)用非常廣泛，是汽車電子中最重要的芯片之一。從高端的預(yù)控制器，到最簡(jiǎn)單的門窗控制，全部都要用到MCU。跟消費(fèi)類、工業(yè)類甚至軍品MCU相比，車規(guī)MCU具有以下特點(diǎn)：

1、高可靠性，對(duì)在室外環(huán)境下的EMC要求非常嚴(yán)苛;

2、高安全，尤其是在自動(dòng)輔助駕駛逐漸普及的今天，復(fù)雜電路的功能安全尤其重要;

3、零缺陷率，不能有錯(cuò)，十全十美，通過(guò)設(shè)計(jì)、管理、工藝等方面來(lái)達(dá)到這樣的目標(biāo);

4、批一致性，對(duì)工藝、材料穩(wěn)定性要求極高;

5、長(zhǎng)期供貨，保證10-15年供貨期。

根據(jù)汽車產(chǎn)業(yè)鏈特點(diǎn)，并圍繞上述國(guó)際車企基本需求，車規(guī)芯片需滿足相關(guān)規(guī)范。包括設(shè)計(jì)階段應(yīng)遵守的對(duì)電子電器產(chǎn)品安全可靠的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO26262，在2008年后也特別針對(duì)芯片提出了要求;在流片和封裝階段要遵循的AEC-Q001-004以及TS16949，不單適用于汽車零部件廠商，也對(duì)流片產(chǎn)業(yè)有同樣的要求;在認(rèn)證測(cè)試階段要遵循的AEC-Q100\Q104;成品分發(fā)后應(yīng)用校驗(yàn)的AEC100和其他標(biāo)準(zhǔn)要求模擬多種車內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行條件，如在極端外環(huán)境中進(jìn)行高低溫試驗(yàn)。

另外，我國(guó)相關(guān)部門還在加快可靠性基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的制訂和執(zhí)行，以使得各方對(duì)于汽車芯片需求的認(rèn)識(shí)趨于統(tǒng)一，以免混淆。

中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院副總工程師及研究員陳大為在日前舉辦的“2021靈動(dòng)MM32協(xié)作大會(huì)”上，介紹了大家關(guān)心的汽車領(lǐng)域MCU議題，包括車規(guī)集成電路標(biāo)準(zhǔn)要求以及車規(guī)MCU芯片的測(cè)試與認(rèn)證。作為一個(gè)智能化計(jì)算平臺(tái)將越來(lái)越廣泛地在汽車上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，因此國(guó)內(nèi)MCU廠商若要將產(chǎn)品制作到汽車平臺(tái)上，有必要提前計(jì)劃，根據(jù)汽車芯片需求創(chuàng)建自己的設(shè)計(jì)，制造，測(cè)試和供貨流程，唯有滿足以上車規(guī)，以確保在未來(lái)10年汽車電子大潮中成為合格車規(guī)級(jí)集成電路供應(yīng)商。

大名鼎鼎的AEC-Q系列標(biāo)準(zhǔn)

說(shuō)到汽車電子，不得不提AEC，它全稱汽車電子協(xié)會(huì)(Automotive Electronics Council)，是1993年美國(guó)三大公司克萊斯勒、福特和通用發(fā)起建立的可靠、高質(zhì)量電子元器件標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，目的是制定可靠，優(yōu)質(zhì)的電子元器件通用標(biāo)準(zhǔn)。符合上述準(zhǔn)則的元器件可以應(yīng)用到汽車環(huán)境中最低要求而不需要附加元器件級(jí)鑒定試驗(yàn)，如人們普遍認(rèn)可的集成電路失效機(jī)理應(yīng)力試驗(yàn)條件AEC-Q100等。還有一些：

1、 AEC Q101 “基于失效機(jī)理的車用半導(dǎo)體分立器件應(yīng)力測(cè)試條件”;

2、 AEC Q102 “基于失效機(jī)理的車 用半導(dǎo)體發(fā)光器件應(yīng)力測(cè)試條件”;

3、 AEC Q103* “基于失效機(jī)理的車用 MEMS 壓力器件應(yīng)力測(cè)試條件”;

4、 AEC Q104 “基于失效機(jī)理的車用 MCM 器件應(yīng)力測(cè)試條件”;

5、 AEC Q200 “無(wú)源器件應(yīng)力測(cè)試條件”

AEC機(jī)構(gòu)的會(huì)員有技術(shù)會(huì)員和永久會(huì)員之分，技術(shù)會(huì)員通常為芯片企業(yè)而永久會(huì)員則通常為車機(jī)公司。(圖自：中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，下同)

芯片工況環(huán)境決定其溫度等級(jí)，并所有AEC-Q100試驗(yàn)按此溫度條件進(jìn)行。陳大為介紹到，新版AEC-Q100最高工作溫度范圍(Level 0)是- 40℃～150℃，最低范圍(Level 3)是- 40℃～85℃，中間還有兩個(gè)級(jí)別分別是Level 1 ：工作溫度范圍 - 40℃～125℃(一般等級(jí))、Level 2 ：工作溫度范圍 - 40℃～105℃。AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中沒(méi)有別的要求，主要是溫度不一樣。

車規(guī)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)階段的要求具體如下：

需要注意的是，AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)文本跟其他標(biāo)準(zhǔn)的文本一樣，遵循通用數(shù)據(jù)的采用。例如某國(guó)產(chǎn)MCU系列產(chǎn)品中，有一顆經(jīng)過(guò)了全部的AEC-Q100認(rèn)證，然后同系列別的產(chǎn)品只要材質(zhì)、工藝相似，但有些地方已經(jīng)做過(guò)拓展，“在此情況下，可采用結(jié)構(gòu)相似性原理對(duì)擴(kuò)展后的內(nèi)容再進(jìn)行部分測(cè)試，其他內(nèi)容可沿用原數(shù)據(jù)，不重復(fù)驗(yàn)證?！标惔鬄槿缡钦f(shuō)。

其中對(duì)于無(wú)鉛工藝產(chǎn)品認(rèn)定，由于環(huán)境保護(hù)要求越來(lái)越嚴(yán)，電子零部件應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛化將導(dǎo)致可靠性下降問(wèn)題，因此當(dāng)前國(guó)家對(duì)軍品不存在無(wú)鉛化需求。陳大為解釋道，由于無(wú)鉛之后，會(huì)暴露一些其他的問(wèn)題，所以AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)中專門針對(duì)無(wú)鉛的內(nèi)容做了專門識(shí)別，廠商可以以此甄別方案是否會(huì)有可靠性問(wèn)題。

AEC-Q100可靠性項(xiàng)目

AEC-Q100可靠性的項(xiàng)目包括：

加速環(huán)境應(yīng)力測(cè)試

1、預(yù)處理(PC)

2、有偏溫度或有偏高加速應(yīng)力試驗(yàn) (THB)(HAST)

3、高壓或無(wú)偏高加速應(yīng)力試驗(yàn)或無(wú)偏溫濕度(AC )(UHST)(TH)

4、 溫度循環(huán)(TC)

5、功率溫度循環(huán)(PTC)

6、高溫貯藏壽命 (HTSL)

加速生命周期模擬測(cè)試

1、 高溫工作壽命(HTOL)

2、早期壽命失效率(ELFR)

3、非易失性存儲(chǔ)器耐久性、數(shù)據(jù)保持性，工作壽命(EDR)

封裝組裝完整性測(cè)試

1、邦線剪切(WBS)

2、邦線拉力(WBP)

3、可焊性(SD)

4、 物理尺寸(PD)

5、錫球剪切(SBS)

6、引線完整性(LI)

芯片制造可靠性測(cè)試

1、電遷移 (EM)

2、電介質(zhì)擊穿(TDDB)

3、熱載流子注入效應(yīng)(HCL)

5、負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI)

6、應(yīng)力遷移(SM)

電性驗(yàn)證測(cè)試

1、應(yīng)力測(cè)試和試驗(yàn)前后功能/ 參數(shù)(TEST)

2、靜電放電人體模型/ 機(jī)械模式(HBM/MM)

3、靜電放電帶電期間模式(CDM)

4、閂鎖效應(yīng)(LU)

5、電分配(ED)

6、故障等級(jí)(FG)

7、特性描述(CHAR)

8、熱電效應(yīng)引起閘極漏電(GL)

9、電磁兼容(EMC)

10、短路特性描述(SC)

11、軟誤差率(SER)

缺陷篩選測(cè)試分析

1、過(guò)程平均測(cè)試和試驗(yàn)(PAT)

2、統(tǒng)計(jì)式良率分析(SBA)

腔封裝完整性測(cè)試

1、機(jī)械沖擊(MS)

2、變頻振動(dòng)(VFV)

3、恒加速(CA)

4、粗/ 細(xì)檢漏測(cè)試和試驗(yàn)(GFL)

5、包裝跌落(DROP)

6、蓋板扭力測(cè)試和試驗(yàn)(LT)

7、芯片剪切試驗(yàn)(DS)

8、內(nèi)部水汽含量測(cè)試和試驗(yàn)(IWV)

其中上面標(biāo)注紅色的，可以根據(jù)不同器件特點(diǎn)，做不同的刪減。根據(jù)DUT，至少有28項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是必須要做的，否則不能聲稱你的物料通過(guò)了AEC-Q100認(rèn)證。

上表為特定分組，標(biāo)明樣品組別，數(shù)量要求。樣品批數(shù)需從三個(gè)連續(xù)的批中選取，每批選取77顆樣品。所有的項(xiàng)目加起來(lái)需要大量樣品，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)就需要近2500顆左右，并且這2500顆的料分別屬于不同批次?！跋M(fèi)類用芯片就不存在這種需求了，很顯然制作車規(guī)芯片的初期費(fèi)用相當(dāng)昂貴。”陳大為如是說(shuō)。

車規(guī)MCU芯片測(cè)試與認(rèn)證

具體到車規(guī)MCU芯片測(cè)試與認(rèn)證，有以下幾個(gè)方面的考慮：

1、測(cè)試策略，需要全方位、無(wú)死角、多維度地對(duì)MCU進(jìn)行徹底、嚴(yán)格細(xì)致的分析。包括基本電參數(shù)的測(cè)試，基本功能的驗(yàn)證，可靠性的試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際使用條件的驗(yàn)證以及供貨保障等。尤其在供貨保障方面，汽車需要15年供貨期，而對(duì)于普通芯片不能一粒材料連續(xù)生產(chǎn)15年，因此不是繼續(xù)生產(chǎn)就不行，或者是一次性生產(chǎn)完再搞庫(kù)存，在此又出現(xiàn)了一個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題。

2、基本電氣參數(shù)設(shè)計(jì)，包括靜態(tài)，動(dòng)態(tài)參數(shù)指標(biāo)三溫ATE試驗(yàn)等，應(yīng)參考幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品平均測(cè)試指南AEC-Q001主要針對(duì)晶圓階段PPAT內(nèi)容進(jìn)行研究；產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)分析指南AEC-Q002中，可以看到某一參數(shù)特性化即曲線變化情況，以往國(guó)內(nèi)廠商對(duì)此都有較多研究；AEC-Q003、IC電氣性能特性化在國(guó)外引進(jìn)MCU產(chǎn)品中，除給出參數(shù)表外，還給出以上變化曲線，對(duì)汽車車機(jī)設(shè)計(jì)師很有借鑒意義，例如在各種溫度(Temp)、電壓(Vcc)、頻率(Freq)下參數(shù)的變化;AEC-Q004，零缺陷指導(dǎo)原則，告訴你生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中怎么做才能零缺陷。這幾項(xiàng)測(cè)試參數(shù)是根據(jù)《產(chǎn)品手冊(cè)》中的關(guān)鍵指標(biāo) + 特定用戶要求制定的，測(cè)試環(huán)境溫度分別是- 40℃ 、25℃ 、85℃( 105℃ 、 125℃ 、 150℃ )。

上圖為上文提到PPAT中的臨近原則，SBL 根據(jù)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)故障率檢查料倉(cāng)分布，包括電子特征分布(Electrical Signature distribution)、失效模式分布(Failure mode distribution)。

3、基本功能驗(yàn)證、MCU為復(fù)雜電路、芯片中具有微程序控制任務(wù)的產(chǎn)品叫做復(fù)雜電路。復(fù)雜電路使用ATE進(jìn)行靜態(tài)/動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試時(shí)，其中包含了功能的矢量，因此即使基礎(chǔ)測(cè)試通過(guò)，復(fù)雜電路并不能被視為OK，由于功能向量的要求很高，ATE不能做到這一點(diǎn)，存儲(chǔ)深度也不能支持復(fù)雜電路，“任何時(shí)期的ATE都不能支持復(fù)雜電路的發(fā)展要求，簡(jiǎn)單ATE的測(cè)試也不能判斷復(fù)雜電路的完整性。”陳大為說(shuō)到，“對(duì)于復(fù)雜電路一定要進(jìn)行功能驗(yàn)證，比如說(shuō)復(fù)雜電路有很多高速接口、協(xié)議完整性跟電器物理參數(shù)靠ATE測(cè)試就沒(méi)戲，必須要做EVB(板極)測(cè)試做功能演算，或是用ATE+臺(tái)式儀器?！睖y(cè)試溫度環(huán)境：- 40℃ 、 25℃ 、85℃( 105℃ 、 125℃ 、 150℃ )。

4、MCU 可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。采用AEC-Q100和AEC-Q104標(biāo)準(zhǔn)，主要有加速環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，加速生命周期仿真試驗(yàn)，封裝裝配完整性試驗(yàn)，芯片制造的可靠性試驗(yàn)，電性驗(yàn)證試驗(yàn)以及缺陷篩選試驗(yàn)分析等。

5、實(shí)際使用工況環(huán)境驗(yàn)證包括對(duì)PCB進(jìn)行不同頻率，電壓，溫度和高覆蓋率的測(cè)試向量，EMC等測(cè)試。汽車中的測(cè)試項(xiàng)主要有電壓，溫度，EMC等，最終實(shí)現(xiàn)整車路測(cè)。車規(guī)的實(shí)際應(yīng)用工況驗(yàn)證，跟過(guò)去的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不太一樣。

6、供貨保障，要求批一致性及15年供貨保障，要求制程，設(shè)計(jì)，技術(shù)，材料及流程均不發(fā)生變化，批周期性檢驗(yàn)保證一致性。為了保證這么長(zhǎng)的供應(yīng)時(shí)間，通常采用2種辦法，即重新流片和批量生產(chǎn)后真空包封并在氮?dú)夤駜?nèi)貯存。

EMC是車規(guī)重中之重，

但對(duì)于芯片沒(méi)有判別標(biāo)準(zhǔn)

在車規(guī) MCU 芯片測(cè)試與認(rèn)證中，陳大為重點(diǎn)介紹了電磁兼容(EMC)，這對(duì)于整車、整機(jī)或部件的電子兼容考慮得比較多。到目前為止，IEC標(biāo)準(zhǔn)體系包括：電磁發(fā)射(IEC61967系列)、電磁抗擾度(IEC61967系列)、脈沖抗擾度(IEC62215系列)、CAN收發(fā)器EMC評(píng)估(IEC62228系列)、集成電路電磁兼容建模(IEC62433系列)等，可以為國(guó)內(nèi)MCU提供典型測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于MCU，典型的6種測(cè)試方法包括：

電磁(EMI)發(fā)射：TEM小室法，1Ω/150Ω直接耦合法，表面掃描法;法拉第籠法，磁場(chǎng)探頭法，IC帶狀線法;

電磁(EMS)抗擾度：TEM小室法，直接射頻功率注入法，大電流注入法;法拉第籠法，IC帶狀線法，表面掃描法;

脈沖抗擾度：同步瞬態(tài)注入法和非同步瞬態(tài)注入法，這兩者注入的脈沖波形有ESD、EFT和浪涌。

舉例而言，TEM小室法就是將芯片置于10×10硬紙板中，一側(cè)為屏蔽，另一側(cè)放置片，片工作時(shí)外圍電路位于另一側(cè)，將該芯片倒置扣入小型方艙當(dāng)中，添加電磁信號(hào)時(shí)，將產(chǎn)生平行電磁波，該平行電磁波分布均勻且能作用于樣品。輻射發(fā)射為倒裝，工作時(shí)，默認(rèn)情況下，高片芯片向外部發(fā)出信號(hào)，該信號(hào)與腔體內(nèi)產(chǎn)生共振，該共振加載于一頭，另一頭可預(yù)置于頻譜儀上。

隨后，用30K到1G甚至是更高的頻率來(lái)掃描腔體發(fā)生額外的電磁干擾，這些電磁干擾就來(lái)自于這一顆MCU。如上圖所示，MCU正常工作后，前面干擾信號(hào)比較低，一旦電磁信號(hào)超過(guò)30兆后，干擾信號(hào)就上去了。

輻射發(fā)射另一種方法為表面掃描法。芯片工作于下方，其上使用小型探頭進(jìn)行掃描，從而可以掃到樣本各區(qū)域電磁輻射，然后與樣本自身設(shè)計(jì)圖相對(duì)應(yīng)，了解哪個(gè)部位向外輻射更大。

隨后，陳大為還介紹了采用1歐姆/150歐姆直接耦合法的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試、用TEM小室法和大電流注入法測(cè)試輻射抗擾度，以及直接射頻功率注入發(fā)測(cè)試傳導(dǎo)抗擾度。小結(jié)下來(lái)，MCU EMC的測(cè)試方法可以按照國(guó)際、國(guó)內(nèi)的EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。但是最為重要的一點(diǎn)就是整車，醫(yī)療和信息處理設(shè)備都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即某一頻段內(nèi)電磁兼容值大于多少才算合格；且芯片應(yīng)用過(guò)于廣泛，且屬于中間過(guò)程，并不能直接面對(duì)用戶，加之其不斷迭代，因此目前國(guó)際上尚無(wú)是否達(dá)標(biāo)判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

陳大為舉例說(shuō)到：“上一代芯片采用某一個(gè)方法，對(duì)電磁信號(hào)評(píng)估得到結(jié)果A，下一代要進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)之后得到了結(jié)果B。結(jié)果B一定要好于結(jié)果A，這說(shuō)明芯片改進(jìn)成功了——至少在EMC這一方面。”

芯片電磁兼容改進(jìn)工作十分冗長(zhǎng)、耗時(shí)、費(fèi)錢，由于其成本在持續(xù)迭代，而在迭代過(guò)程中又存在著持續(xù)流片現(xiàn)象，這一成本將十分高昂。目前，各大車規(guī)MCU公司都在對(duì)使用電磁兼容極限值進(jìn)行研究，車輛芯片能否滿足車輛使用要求，還需要對(duì)車輛現(xiàn)場(chǎng)工況環(huán)境進(jìn)行EMI采集，在電磁兼容方面，這些都是十分重要和至關(guān)重要的基礎(chǔ)工作。

要做合車規(guī)芯片，先把車規(guī)放心里

最后，陳大為給出了關(guān)于國(guó)產(chǎn)MCU通過(guò)車規(guī)認(rèn)證的思考和建議。首先是芯片可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，要遵循ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，從源頭上設(shè)計(jì)出高可靠的MCU;流片、封測(cè)上，汽車零部件廠要滿足TS16949的要求，流片產(chǎn)線也不例外;最后就是標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題了，到目前為止，我國(guó)并沒(méi)有屬于自己的汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)——“下一步我們將成立標(biāo)準(zhǔn)工作委員會(huì)來(lái)推進(jìn)這一領(lǐng)域的研究，其中包括集成電路，功率模塊和傳感器等汽車的標(biāo)準(zhǔn)工作組?！?/p>

下圖是金鑒實(shí)驗(yàn)室可靠性中心的車規(guī)MCU測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

最后，對(duì)于AEC-Q100結(jié)論，陳大為認(rèn)為國(guó)內(nèi)想從事車規(guī)芯片生產(chǎn)的公司應(yīng)該先好好了解這一準(zhǔn)則。首先不必請(qǐng)第三方進(jìn)行檢測(cè)，本身在條件允許的情況下就可以進(jìn)行檢測(cè)，但是必須清楚AEC-Q100檢測(cè)數(shù)據(jù)旨在證明芯片是否達(dá)標(biāo)，并無(wú)任何機(jī)密可言，更不必作假。測(cè)試總共7個(gè)大類41項(xiàng)項(xiàng)目，其中幾項(xiàng)是可選測(cè)的。同系列產(chǎn)品可以用通用數(shù)據(jù)來(lái)提高測(cè)試效率，可靠性前后要進(jìn)行三溫電性測(cè)試，每年或每季還要做批一致性核測(cè)。另外，有一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的判據(jù)，要和用戶(車機(jī)、Tier 1廠商)一起討論決定是否合格，如EMC。