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車用IC規(guī)范AEC-Q100認(rèn)證AEC-Q100測試報告

近兩年的MWC(全球行動通訊大會)各大車廠皆推出車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用概念，日前兩大行動裝置操作系統(tǒng)開發(fā)商Apple與Google也正式跨足汽車領(lǐng)域，分別發(fā)表CarPlay及Android Auto平臺，除了Google無人駕駛車，包含Benz/BMW/Volvo/一汽集團/中國交通學(xué)院…等產(chǎn)官機構(gòu)都已完成無人駕駛技術(shù)開發(fā)并開始進行道路實驗，中國的網(wǎng)絡(luò)企業(yè)百度、樂視也在無人駕駛的領(lǐng)域展現(xiàn)積極切入動作。全球汽車電子的產(chǎn)值將會因為應(yīng)用平臺的成熟而大幅成長。車用IC的在2018前的年復(fù)合成長率為10.8%，為更領(lǐng)域之最，其中亞太區(qū)的車用IC更高達20%，IC業(yè)者無不磨刀霍霍的準(zhǔn)備強攻此新藍(lán)海市場。


車用IC的市場相較于ICT資通產(chǎn)業(yè)的最大差異為市場較為封閉，且前期的開發(fā)及驗證期可能長達3年，對臺灣/中國IC業(yè)者已習(xí)慣Time to market的運作模式相悖，價值理念也不盡相同，本文將以AEC-Q100的IC驗證規(guī)范解析如何滿足車廠/模塊廠客戶的需求，并將本文焦點放在2014年9月新改版規(guī)范AEC-Q100 H版的要求進行解讀。

一、想入場，請先取得兩張門票-AEC & ISO/TS 16949
要進入車子領(lǐng)域，打入各Tier1車電大廠供應(yīng)鏈，必須取得兩張門票，第一張是由北美汽車產(chǎn)業(yè)所推的AEC-Q100(IC), 101(離散組件), 200(被動零件)可靠度標(biāo)準(zhǔn)；第二張門票，則要符合零失效(Zero Defect)的供應(yīng)鏈質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 16949規(guī)范(Quality Management System)。其及關(guān)連性可參考下列圖示1說明。

圖1 : 車用零組件基本要求說明圖；數(shù)據(jù)源 : GRGT廣電計量官網(wǎng) www.grgtest.com

二、汽車零組件市場層級決定可靠度質(zhì)量要求
汽車零組件市場可以大致區(qū)分為3部分：
1. OEM / ODM (正廠出廠零件) / OES (正廠維修零件)
2. DOP (Dealer Option經(jīng)銷商選配零件)
3. AM (After Marketing 副廠零件)

對客戶的失效率預(yù)估及備品備置策略會因決定進入不同市場而有所變化，OEM/ ODM/ OES為原廠保固，因其保固期較長，各車廠需要在制造及售后服務(wù)的成本之間取得平衡，IC供貨商要進入的門坎較高。DOP則為各經(jīng)銷商因在地市場的銷售策略需求所做的選配項目，進入門坎與上述相近，售后市場(AM)與原廠保固無關(guān)，所以相對進入門坎及成本是較低的。另一面向為AM的產(chǎn)品類型較多屬于影音周邊與主被動安全無關(guān)，所要求的可靠度也低于原廠零件，可參考下圖2說明

圖2 : 車用零組件市場差異；數(shù)據(jù)源 : 宜特科技可靠度工程處處長曾劭鈞著

三、車用IC規(guī)范AEC-Q100的驗證流程
那么，IC設(shè)計業(yè)者，該如何進入車用IC供應(yīng)鏈呢?首先應(yīng)先了解其中之一張門票，AEC-Q100。下圖3為AEC-Q100規(guī)范中的驗證流程，此圖是以Die DesignàWafer Fab.àPKG AssemblyàTesting的制造流程來繪制，各群組的關(guān)聯(lián)性需要參考圖中的箭頭符號，筆者將驗證流程分為5個部分進行簡易說明，各項測試的細(xì)節(jié)部分就不再細(xì)述。

1. Design House: 
紅色區(qū)域為可靠度實驗前后的功能測試，此部分需IC設(shè)計公司與測試廠討論執(zhí)行方式，與一般IC驗證主要差異在功能測試的溫度設(shè)定，此部分稍后會進行說明。

2.Wafer Foundry: 
Group D的綠色區(qū)域為晶圓廠在Wafer Level的可靠度驗證，F(xiàn)abless的IC業(yè)者須與委托制造的晶圓廠取得相關(guān)資料。

3.Reliability Test : 藍(lán)色區(qū)域為可靠性視產(chǎn)品包裝/特性需要執(zhí)行的項目，AEC將其分為:
            . Group A : 加速環(huán)境應(yīng)力實驗
            . Group B : 加速工作壽命模擬
            . Group C : 封裝完整性測試
            . Group E : 電性驗證測試
.             Group G : 空腔/密封型封裝完整性測試

4.Design Verification: 
部分Group E的咖啡色區(qū)域為設(shè)計時間的失效模式與影響分析評估，成品階段的特性驗證以及故障涵蓋率計算。

5.Production Control: 
Group F的區(qū)域生產(chǎn)階段的質(zhì)量控管，包含良率/Bin使用統(tǒng)計手法進行控管及制定標(biāo)準(zhǔn)處理流程。

圖3 : AEC-Q100驗證流程；數(shù)據(jù)源 :  www.aecouncil.com及本文補充說明

四、AEC-Q100 H版本的新要求讀解
自2007年5月，AEC-Q100 H版發(fā)布后，時隔7年以上的時間，2014年9月，G版發(fā)布，此段內(nèi)文將探討AEC-Q100 H版與G版之間的主要差異，及改版后規(guī)范的說明。

1. 溫度等級 
IC供貨商必須先了解終端客戶如何使用此IC及其在車內(nèi)的安裝位置，以實際應(yīng)用的溫度范圍來訂定合適的溫度等級，此溫度等級定義會應(yīng)用在兩個部分。

第一部分為測試計劃展開時各可靠度實驗的條件選擇，如:TCT(Temperature Cycling，溫度循環(huán)實驗)，不同等級的溫變范圍及溫差循環(huán)數(shù)會有差異。

第二部分為前述的可靠度實驗前后功能性測試溫度必須依照User所訂定的溫度范圍來做功能應(yīng)用的FT(Final Test)測試，訂定溫度等級為Grade 1(-40℃~125℃)，則代表FT時使用低溫-40℃、常溫25℃及高溫125℃，且需要留意其測試溫度有先后順序的訂定。如:HTOL(High Temperature Operating Life，高溫工作壽命試驗)實驗在FT測試定義順序為RoomàColdàHot。

新版的部分取消了Grade 4 0℃~70℃的溫度等級，如表1，此溫度等級若比對車用模塊在ISO 16750/SAE J1211…等規(guī)范內(nèi)的描述是無法對應(yīng)到合適的產(chǎn)品，因此筆者認(rèn)為取消此溫度等級是更貼近實際模塊的要求。


表1 : Temperature Grade定義 ; 數(shù)據(jù)源 :  www.aecouncil.com

2. 實驗項目
在新版的增減項目如下:

(1)取消 : GL(Gate Leakage；高溫閘極漏電測試)及ESD中的MM(Machine Mode)。
GL的部分主要在仿真車用模塊應(yīng)用時所可能遭遇高溫及高電場同時發(fā)生的環(huán)境，此環(huán)境會讓IC Package內(nèi)的等效電容及電阻產(chǎn)生Gate Leakage的失效，此失效現(xiàn)象可經(jīng)由高溫烘烤的方式恢復(fù)，取消的原因規(guī)范中未有說明，但以筆者在宜特科技實驗室多年所累積的驗證測試經(jīng)驗來看，此失效模式常發(fā)生在Burn-In及Reflow的過程，雖規(guī)范已取消，在生產(chǎn)過程或?qū)嶋H應(yīng)用客退若有相同失效發(fā)生，仍可使用此手法進行再現(xiàn)性實驗。

MM的部分則與JEDEC的JESD47規(guī)范同步，一是HBM(Human Body Mode)可以等效MM的實驗結(jié)果，二是CDM(Charged-Device Model)的重要性更勝于MM，因此應(yīng)多著重在CDM的測試。至于文獻中提到的HBM與MM的關(guān)聯(lián)性，以筆者在宜特科技ESD實驗室的實務(wù)經(jīng)驗，仍有部分產(chǎn)品的ESD防護電路在HBM及MM上是有所差異的，規(guī)范雖然取消此項目，但IC業(yè)者仍需要面對當(dāng)ESD客退發(fā)生時的處理，ESD定義為設(shè)計驗證，所以目前各家廠商仍將其列為標(biāo)準(zhǔn)測試項目。

(2)新增 : Lead(Pb) Free(無鉛)實驗
車電與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)不同于ICT資通產(chǎn)業(yè)，車電與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)注重的科技是技術(shù)成熟性、可靠性以及零失效，而非ICT所追求最先進的技術(shù)，因此，車用電子產(chǎn)品在無鉛制程的轉(zhuǎn)換時程是比消費性產(chǎn)品來的晚，此次正式列入測試項目也代表無鉛制程的轉(zhuǎn)換已相當(dāng)成熟，但仍允許部分如引擎室內(nèi)高溫應(yīng)用等產(chǎn)品使用有鉛制程。無鉛的驗證項目則包含Solderability、Solder heat resistance以及Whisker。

3. 實驗條件
主要實驗條件改變的部分在于HTOL(High Temperature Operating Life)及TCT(Temperature Cycling)兩項實驗，其余如Wire bonding的相關(guān)實驗則是取消Ppk的計算使用Cpk則可、Solderability則說明可由烘烤替代蒸氣老化、Group G部分的實驗樣品數(shù)則略為減少，測試項目所參考規(guī)范調(diào)整的部分則請讀者自行參閱，在此不細(xì)述。

(1)HTOL : 
有三個部分，一為實驗時間增長皆為1,000Hrs，二為清楚定義溫度為Tj(Junction Temperature)，三為實驗高溫對齊Grade的定義。

(2)TCT : 
最低標(biāo)的低溫溫度由-50℃調(diào)整為-55℃，Cycle數(shù)的部分則有部分提升，仍可參考JESD22-A104的規(guī)范進行等效實驗條件的替換。

實驗條件的部分可再參考稍后第五部份的說明，將可更理解此次規(guī)范變更所要表達含意。

4. 通用性數(shù)據(jù)
先以下圖4來說明通用性資料(Generic Data)的基本含意，兩個產(chǎn)品A、B，若有使用相同制程或材料，則可初步定義為同一家族系列產(chǎn)品，若對A產(chǎn)品進行完整AEC Q-100 Qualification，相同制程或材料的部分所產(chǎn)出的測試結(jié)果則稱之為Generic Data，先不論驗證的數(shù)量與程序，只要Generic Data的定義符合AEC-Q100的說明，B產(chǎn)品進行剩余項目的驗證后再加上Generic Data，則可宣告B產(chǎn)品也通過AEC-Q100。


圖4 : Qualification Family及Generic Data；

此次新的版本對于Generic Data及Qualification Family的定義及使用原則有較清晰的說明，并且簡化了其認(rèn)證程序，同時以情境模擬案例，來說明那些制程變更時應(yīng)進行那些實驗項目與Lot數(shù)量，都有較明確的定義，因內(nèi)容過多，讀者若有需要可以再參閱規(guī)范。

5. 擬定測試計劃
本文中最重要、也是此次改版中，筆者認(rèn)為變動最大的部分，呼應(yīng)美國汽車工程師協(xié)會在規(guī)范SAE-J1879/J1211中強調(diào)的強韌性/穩(wěn)健性驗證(Robustness Validation)，驗證計劃應(yīng)思考的是，因應(yīng)該產(chǎn)品在實際應(yīng)用環(huán)境所面臨的使用條件而擬定的，而非以單一測試標(biāo)準(zhǔn)/條件來適用所有產(chǎn)品，也就是Test for Application，而非Test for Standard。 

要如何擬定一個合適的驗證計劃呢?第一步為制定該組件被設(shè)計/生產(chǎn)的目的，我們稱之為Mission Profile，除了滿足功能性的任務(wù)外，要再加上可靠度的任務(wù)，表2為汽車的Mission Profile參數(shù)范例。


表2 : Example of Vehicle Mission Profile ；數(shù)據(jù)源 : SAE-J1879

IC供貨商須考慮不同應(yīng)用功能的組件將會對應(yīng)不同的Mission Profile，若IC工作行為是在Non-Operating Time，如:警報器等的應(yīng)用，則Life time條件應(yīng)滿足116,400Hrs在常溫的情況。

若IC僅在Engine On時工作，那Mission Profile就必須要滿足12,000Hrs的壽命時間，及其工作位置的使用溫度，假定Engine On時該IC平均的工作溫度Junction Temperature(Tj)=87℃，我們使用的HTOL測試溫度為125℃，活化能設(shè)定為0.7eV，接下來使用Arrhenius Model來計算實驗時的溫度加速率，如下公式計算: 



即可算出溫度加速率AFT=8.6232，以上述的設(shè)定目標(biāo)壽命為12,000Hrs，因此HTOL實驗時間應(yīng)為12,000Hrs/8.6232 = 1,392Hrs。除了溫度加速的范例，包含溫度循環(huán)/濕度的加速公式已列在新規(guī)范中，各位可在參考規(guī)范內(nèi)文。

上述范例旨在說明如何以終端產(chǎn)品實際應(yīng)用的Mission Profile來設(shè)計合適的測試計劃，相信很多從事IC設(shè)計的品管單位都相當(dāng)熟悉，本文要表達的是規(guī)范將逐漸舍棄以單一標(biāo)準(zhǔn)來訂定，而是交由End User(終端客戶)與Component Manufacturer(零組件制造商)來共同制定合宜的驗證計劃。制定驗證計劃的流程可參閱下圖5。   

廣電計量檢測服務(wù)中心

聯(lián)系人：張工

手機/微信：186.2090.8348

郵箱：zhanghp@grgtest.com

廣電計量（GRGT），是一家專業(yè)技術(shù)型的電子產(chǎn)品第三方檢測、分析技術(shù)服務(wù)機構(gòu)，以從事電子產(chǎn)品可靠性與失效分析、材料理化檢測以及相關(guān)專業(yè)技術(shù)咨詢與技術(shù)培訓(xùn)服務(wù)為主。廣電計量目前擁有相當(dāng)規(guī)模的失效分析、可靠性與環(huán)境模擬試驗、金相切片與掃描電子顯微鏡等材料理化檢測的第三方檢測實驗室，通過了CNAS國家實驗室認(rèn)可以及ILAC-MRA國際實驗室聯(lián)合互認(rèn)審核，本實驗室是嚴(yán)格按照ISO/IEC17025，GUIDE25與EN45001國際實驗室管理規(guī)范組織建立，且遵循“科學(xué)、公正、價值、創(chuàng)新”的理念，以成為“您身邊最近的實驗室”為服務(wù)宗旨。目前已獲得眾多國際認(rèn)證機構(gòu)的認(rèn)可，而且與上海電子電器產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究院、復(fù)旦大學(xué)科技園等國家機構(gòu)有著良好的合作。我們擁有一批經(jīng)驗豐富的技術(shù)專家及優(yōu)秀而且專業(yè)的服務(wù)隊伍，可為您提供失效分析、可靠性驗證、環(huán)境模擬試驗、標(biāo)準(zhǔn)咨詢、元件選擇、品質(zhì)測試、供應(yīng)商審核、工藝整改及第三方公正性認(rèn)證等“一站式”服務(wù)，將保證您用最短的時間、最合理的費用，解決各類產(chǎn)品設(shè)計、工藝、驗證技術(shù)難題,讓您的產(chǎn)品通向世界！

圖5 : Reliability Test Criteria for New Component 數(shù)據(jù)源 : www.aecouncil.com

五、結(jié)語

消費性產(chǎn)品的產(chǎn)品功能設(shè)計，一般IC設(shè)計業(yè)者早已駕輕就熟，而這一兩年，隨著汽車市場，逐步走向車聯(lián)網(wǎng)、電動車領(lǐng)域，需要更多駕駛信息輔助整合系統(tǒng)，也讓IC設(shè)計業(yè)者找到進入市場的敲門磚。然而，消費性電子產(chǎn)品而言，產(chǎn)品壽命設(shè)計約1~3年為汰換周期，但車用電子則以10年起跳，上看15年壽命期。如何尋找有經(jīng)驗的實驗室，協(xié)助客戶了解車規(guī)，制定相對應(yīng)的AEC-Q100驗證步驟與手法，順利進入車廠供應(yīng)鏈，是極為重要的事。筆者以規(guī)范改版作為出發(fā)點完成本文撰寫，加上多年在GRGT廣電計量協(xié)助IC設(shè)計業(yè)跨入車用電子的實戰(zhàn)經(jīng)驗，期能讓更多其他IC業(yè)者能在車電IC驗證獲取更多的信息。