智能家电关键零部件

刘惠玲 胡进伟 王嘉音

摘  要：家电智能化是家电产业的发展趋势，而家电智能化的实现依靠的是芯片、传感器、物联网模块等关键零部件的支持。其中，芯片作为智能家电中最核心的零部件，其质量、可靠性和性能水平将对智能家电品质产生重大影响。智能家电用芯片从开始生产到应用于家电整机中需要经过多个阶段的测试，才能确保最后智能家电产品的质量合格。该文将对智能家电芯片的相关测试与评估进行概述。

关键词：智能家电  关键零部件  芯片  测试项目

中图分类号：F426                             文献标识码：A                   文章编号：1672-3791（2020）12（b）-0017-03

Abstract： Intellectualization is the development trend of home appliances industry， and the realization of home appliances intelligence depends on the support of chips， sensors， Internet of things modules and other key components. Among them， as the core component of intelligent home appliances， the quality， reliability and performance level of chips will have a significant impact on it. From the beginning of production to the application of smart home appliance chip， many stages of testing are needed to ensure the final quality of smart home appliance products. This paper will summarize the chip test and evaluation of smart home appliances.

Key Words： Intelligent home appliance; Critical component; Chip; Test items

1  家电智能化的发展趋势

随着大数据、云计算和物联网等技术逐步走向成熟，用户对智能科技、智慧生活的需求推动，全球智能家电进入快速发展期，家电行业迎来新的风口期[1]。依据GB/T 28219—2018《智能家用电器通用技术要求》中的定义，智能家电是具备智能化功能或采用了智能化技术的家用和类似用途电器。

目前智能家电常见的智能化功能包括智能控制、远程监控、自动报警、语音交互、摄像头等，而这些功能的实现依靠的是芯片、传感器、控制器、物联网模块等关键零部件的支持[2]。其中芯片作为智能家电中最核心的关键零部件，受到了各大家电巨头企业的重视，美的、格力、格兰仕、康佳等家电企业纷纷入局芯片的研发制造。在此背景下，只有做好对芯片产品的测试和评估工作，才能为芯片质量提供保障，促进我国智能家电产业的高质量发展。

2  智能家电涉及的芯片种类

芯片的分类方式有很多种，根据处理的信号类型，芯片可以分成模拟芯片和数字芯片两种，分别处理模拟信号和数字信号。而根据使用功能的不同，芯片又可以分成处理器芯片、存储芯片和通信芯片等。常见的家电芯片包括MCU主控芯片、驱动芯片、连接芯片、图像处理芯片和电源管理芯片，近年来我国各大家电企业对这些芯片的自主研发日益重视[3]。核芯互联科技（青岛）有限公司推出了其自主研发的璇玑CLE系列MCU芯片，这是我国第一款自主可控的RISC-V家电芯片，主要适用于白色家电、工业控制、物联网等对稳定性、功耗和计算能力要求较高的应用领域。格力电器成立了珠海零边界集成电路有限公司，开始进军芯片领域，其主攻方向为高端变频驱动芯片和主机芯片的研发;康佳电器则将物联网芯片和存储定为其半导体业务的主攻方向[4]。除了上述提到的家电常用芯片外，人工智能芯片在家电领域的应用也是当前研究热点。比如，LG电子已经推出了家电内置人工智能（AI）芯片，将陆续搭载于其旗下扫地机器人、洗衣机、冰箱、空调等家电产品中。虽然面向家电行业的人工智能芯片还未普及，但随着家電智能化的发展，家电产品对人工智能芯片的需求也会日益增加。从技术架构来看，AI可以分为四大类，分别为全定制化芯片（ASIC）、半定制化芯片（FPGA）、通用性芯片（GPU）、类脑芯片[5]。在应用场景方面，人工智能芯片在云端和设备端都能发挥重要作用。云端智能芯片的特点是性能优越，可以灵活地处理语音、图片、视频等不同应用类型，并同时进行大量运算。设备端智能芯片的特点是体积小、耗电少，通常只需要支持一种或两种AI能力，但其最大优势是可以让设备在不用联网的情况下具备AI能力。

3  芯片的测试项目

芯片生产流程包括了设计、制造和封测3个主要部分，涉及了电路设计、工艺设计、光罩制作、单晶硅片的氧化、涂胶、光刻、曝光、刻蚀、离子注入、切割、贴片、引线键合、封装等数十道工序。其中任何一道工序出错，都会导致芯片产品出现质量问题，所以芯片的质量测试必须贯穿设计、制造、封装以及应用的全过程。按照生产工艺流程来看，芯片质量测试可以分为设计验证测试、前道测试和后道检测，这些测试共同保证了芯片的质量和性能，提高了产线良率，确保了产业链的运转效率[6]。

3.1 设计驗证

设计验证，即实验室测试，主要采用电学检测技术验证样品是否实现预定的设计功能。只有通过了设计验证的芯片才能开始大规模生产。

3.2 前道测试

前道测试是晶圆加工过程中的测试，包括了量测和检测两个部分，其中量测主要测试芯片的薄膜厚度、关键尺寸、套准精度等制成尺寸和膜应力、掺杂浓度等材料性质;检测则主要识别芯片的杂质颗粒、机械划伤和晶圆图案缺陷等[7]。量测和检测均需要用到光学技术和电子束技术。光学量测时主要用到椭偏仪和相干探测显微镜，电子量测时则主要用到扫描电子显微镜。此外，量测时还需要使用四探针通过电学原理测量不透明薄膜厚度;通过热波系统测量掺杂浓度。检测环节则一般先采用明场、暗场的光学检测定位缺陷位置，再通过扫描电子显微镜的电子束检测对缺陷进行精确扫描成像。

3.3 后道检测

后道检测主要应用于晶圆加工之后、集成电路（IC）封装环节内，可以进一步细分为CP测试（Circuit Probing，电路测试）和FT测试（Final Test，终测）。其中CP测试是封装前的芯片电性测试，测试时，探针台和测试台连接，将待测硅片置于可垂直移动的真空托盘上，探针在测试台软件的控制下自动对准并接通电路完成测试。只有数据通信正常且通过电参数、逻辑功能测试的芯片才会进入封装环节。FT测试是封装后芯片的性能测试，测试时分选机将芯片传送至测试工位，芯片引脚通过金手指、专用连接线与测试台的功能模块连接。测试台对集成电路施加测试命令，根据采集输出信号判断芯片在不同工作条件下功能的有效性。分选机再根据测试结果对芯片进行标记、分类，确保合格的产品才能流向市场。

3.4 可靠性测试

除了以上生产流程中的芯片质量测试以外，在生产完成后，为测定芯片产品的耐久力和环境适应性，还需进行芯片可靠性测试。芯片可靠性测试主要分为使用寿命试验、环境试验和耐久性测试，其中寿命试验包含了长期寿命试验（长期工作寿命和长期储存寿命）和加速寿命试验（序进应力加速寿命、步进应力加速寿命和恒定应力加速寿命）;环境试验项目包括机械试验（振动试验、冲击试验、离心加速试验、引出线抗拉强度试验和引出线弯曲试验）、引出线易焊性试验、温度试验（低温、高温和温度交变试验）、湿热试验（恒定湿热和交变湿热试验）、特殊试验（盐雾试验、霉菌试验、低气压试验、静电耐受力试验、超高真空试验和核辐射试验）;而耐久性测试项目包括数据保持力测试和周期耐久性测试。在实际生产中，可以根据需求选择其中一些项目进行测试。

4  芯片测试相关标准

目前我国发布的与芯片相关的国家标准主要针对的是芯片成品的测试，有GB/T 35010—2018半导体芯片产品系列标准，共分为8个部分，包括采购和使用要求、数据交换格式、操作、包装和贮存指南、芯片使用者和供应商要求、电学仿真要求、热仿真要求、数据交换的XML格式和数据交换的EXPRESS格式。其中GB/T 35010.1—2018《半导体芯片产品 第一部分：采购和使用要求》中提到，制造商或供应商需对芯片的质量水平和可靠性的信息予以说明，芯片的出厂质量水平可以用每百万缺陷（DPM）、合格质量水平（AQL）或其他衡量方式来表述;芯片的可靠性评估方法也应予以说明，与此相对应的可靠性数值如故障时间率（FIT）、平均故障时间（MTTF）或其他衡量标准连同评估所需要条件都应提供说明。而对于可靠性测试中对芯片的机械和气候试验，则可参照GB/T 4937—2006《半导体器件 机械和气候试验方法》系列标准进行测试。在国际标准方面，目前国际上可供参考的与芯片可靠性测试相关的标准有：美国国防部微电子测试方法标准《MIT-STD-883E Method 1005.8》、美国电子工业协会标准《JESD22-A108-A》和日本电子信息产业协会标准《EIAJ ED- 4701-D101》。

除了考虑芯片的质量和可靠性外，芯片的性能也是影响产品质量的关键因素，配备性能优越的芯片，可以大幅度提高智能家电产品的质量水平。但在芯片的性能评测方面，尤其是对AI芯片的性能评测，需要考虑到不同场景的应用需求，目前国际上也还缺乏统一的评测标准，芯片性能参数主要依靠芯片生产商自行发布。统一的评测标准，可以帮助需求方和芯片厂商降低沟通成本，建立有序的市场竞争环境。因此，芯片性能评测标准的制定迫在眉睫。智能芯片作为支撑智能化技术应用的基础硬件，我国在其标准化层面已经开展性能测试要求等标准研制工作，《智能芯片性能评估指南》被列入近期我国在人工智能标准化领域的亟须制定的标准之一。面向家电行业的人工智能等各类芯片必将逐渐普及，但针对智能家居场景的芯片评测技术规范仍处于空白阶段。

5  结语

通过上述关于智能家电芯片测试流程的概述可以了解到，虽然在集成电路产业生产过程中芯片的质量测试技术已较为成熟，但目前国内外专门针对智能家电用芯片的性能评测标准制定还处于起步阶段。在国内大型家电企业纷纷布局芯片制造的背景下，我国应更积极参与相关标准的制定，获得更多的国际话语权。尤其是人工智能芯片在家电行业开始应用的情况下，为了让家电企业能够客观有效地判断厂商提供的芯片是否能满足其真实场景的计算需求，亟须制定出与智能家电真实应用场景紧密相连的、同时可跨产品对比的芯片测试评估方案。

参考文献

[1] McMenamin， Ed. Growing the smart appliance market[J].Appliance Design，2015，63（5）：11-13.

[2] 曹金荣.家电智能控制模块的设计与实现[D].电子科技大学，2019.

[3] 李志刚.以芯片和算法，助力智能家电升级——访芯海科技（深圳）股份有限公司副总裁庞功会[J].电器，2019（11）：32.

[4] 刘刚.家电巨头纷纷入局半导体[J].计算机与网络，2018，44（13）：16-17.

[5] 尹首一.人工智能芯片概述[J].微纳电子与智能制造，2019，1（2）：7-11.

[6] 王金萍.集成电路工程化测试方法研究[J].电子与封装，2020，20（1）：11-13.

[7] 周安琪，张育赫，王丽丹.集成电路组装过程中裸芯片目检不合格类型与原因分析[J].微处理机，2020，41（2）：19-21.