国产化背景下车规级芯片环境可靠性试验标准研究

张送 胡慧婧 韦锦波 何逸波

上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心 广西柳州市 545007

1 引言

新冠疫情全球肆虐，给全球各产业链产生强烈的冲击。尤其是具备强周期性的芯片行业，因其设计主要集中在欧美地区，制造集中在日本、台湾等地区，封装及测试主要由东南亚地区完成，受疫情的影响更重。根据AFS统计，2021年全球汽车行业因芯片短缺减产达810.7万辆，总计约2100亿美元损失。

除了新冠疫情冲击的影响因素外，汽车行业自身“电动化、智能化、网联化、共享化”的发展对芯片的需求也在进一步的提升。预计全球新能源汽车将在2025年达到2100万辆规模，其中中国汽车市场的增长率最显著。一份对德国、美国及中国的三国汽车用户对自动驾驶的接受程度调查显示，超过50%的中国用户非常认可，远高于其余两国。这意味着在未来几年中国汽车行业对芯片的需求量将更加大。

图1 芯片国产化

疫情冲击与需求量放大的两者夹击下，芯片国产化将成为解决汽车行业发展桎梏的根本办法。因此，本文旨在对比分析国内外现行的汽车电子产品的环境可靠性试验标准，为建立起符合我国国情及汽车行业发展的车规级芯片环境可靠性试验标准体系提供建设性的建议。

2 车规级芯片失效机理

通过对汽车上应用在车身控制、底盘安全、动力总成、车身仪表、车内娱乐影音系统上的微控制单元芯片的研究发现，相比较消费级与工业级，车规级的芯片使用环境存在以下特点：

除了高低温、干湿沙尘及盐雾、振动、防水性等环境载荷外，由于汽车的快速移动特性，车规级的芯片还会承受着环境载荷快速变化的特点。为此，在规划车规级芯片的环境可靠性试验时，应该将此场景考虑在内。

表1 消费级、车规级和工业级芯片使用环境特点

根据对某平台多款车规级微控制单元芯片的连续跟踪，并对其进行失效机理分析发现，失效可以归类为以下几种：

①导体本体失效，主要体现在衬底部位的半导体材料缺陷，如坑洼、孔洞，如图2所示。在历遍约＜1万公里后，造成芯片失效。

图2 导体本体失效模式

②导体-介质层界面失效，主要体现在衬底部位的硅胶界面与栅氧之间的缺陷，如图3所示，在历遍约5千～2万公里后，造成芯片功能失效。

图3 导体和介质层界面失效模式

③质层失效，主要体现在因工艺原因半导体颗粒的不连续性，如图4所示，在历遍约5千～3万公里后，造成芯片功能失效。

图4 介质层界面失效模式

④联和金属化层失效，主要体现为钨塞下出现“倒火山口”型缺陷，如图5所示，在历遍约5千～3万公里后，造成芯片功能失效。

图5 互联和金属化层失效模式

通过多批次车规级芯片的失效寿命进行跟踪统计，可以得出在汽车行驶约5000公里左右，因制造工艺造成的芯片缺陷即产生芯片功能失效。

3 国外车规级芯片产品认证

由于涉及行车的人员安全，环境可靠性测试成为车规级芯片可靠性测试中必不可少的一环。国外半导体行业起步早，发展较为成熟，在车规级芯片的认证体系中存在两个主流体系：AEC标准、ISO16750标准。

3.1 AEC标准

AEC系列标准主要由美国汽车电子委员会制定，因符合其测试标准的零件被美国克莱斯勒、福特和通用等主流汽车公司普遍采用，推动了汽车电子产品零件的通用性，该系列逐渐成为汽车电子产品应用较为广泛的标准。

环境可靠性的验证项目主要由其中的AEC-Q100进行定义，根据零件的安装位置，标准定义了4个等级工作温度，并明确了对应位置应用的等级。具体如下所示：

表2 AEC-Q100工作温度区间等级定义及对应工作位置

3.2 ISO16750标准

ISO16750是由国际标准化组织（ISO）制定的主要针对汽车电子环境可靠性验证的标准，主要被标致、雷诺、大众以及北美的通用、福特等汽车公司所采用，甚至直接应用为企标。相较于AEC标准，ISO16750标准应用范围更广泛。除了应用范围差别外，ISO16750对样件的安装划分也更加详细，存在5种划分。具体如表3所示：

表3 ISO16750标准安装类型定义

相比较AEC系列，ISO16750标准则更加细分，例如考虑到太阳直射、热辐射的区别，将乘员舱细分出行李舱/货舱。除此之外还考虑到一些特殊的安装位置。

4 国产化车规级芯片认证

由于我国汽车工业发展较晚，汽车电子产品的环境可靠性测试验证主要还是按照具体产品的技术条件来进行具体要求，而这些技术要求多数为直接引用GB/T 28046系列。但本质上还是溯源于ISO 16750系列标准。

我国在车规级芯片的直接认证标准上，则更加薄弱。随着半导体行业发展上升为国家战略，建立起具备符合国情及满足我国汽车行业发展的半导体环境可靠性试验标准体系迫在眉睫。具备我国特色的车规级国产芯片环境可靠性测试体系，应该包含以下几点，具体体现为：

①工作温度定义更加合理。以新能源汽车为例，动力蓄电池系统内的电池管理系统（BMS）中微控制器芯片，正常工作下电芯温度一般皆＜65℃，按照AEC系列应该归属于等级三，显然这不符合；除此之外，对于纯电动新能源汽车，由于没有发动机的热害，前舱内的电机控制器、充配电总成等同样不适用AEC系列。

②工作位置定义更加合理。同样以新能源汽车为例，纯电动汽车动力蓄电池系统往往悬置于乘员舱彻底或直接与车身融合在一起。混合动力汽车动力蓄电池系统往往安装在行李舱与车底之间。这两者明显不适应ISO16750与AEC-Q100等标准的空间划分。

③环境载荷量级定义更合理。例如缺少燃油发动机、增加驱动电机系统的纯电动新能源汽车，车身及发动机舱内存在的振动载荷与燃油汽车相比，因驱动电机的高转速性，低频振动载荷减少但是高频振动的载荷却增加。而同时存在燃油发动机与驱动电机系统的混合动力汽车，因为同时存在热害及更高量级的高频振动载荷，则车规级芯片承受的环境载荷量级更大，尤其是当热害与其他环境载荷存在耦合情况。

④寿命测试时长定义更合理。随着汽车智能化发展，未来汽车将具备更多的自主决策权，并且这些决策将伴随着汽车的全寿命周期。车规级芯片的设计寿命以及环境可靠性载荷条件下的寿命应满足汽车的全寿命使用周期。

⑤以上几点，是国外车规级半导体的环境可靠性测试体系所不具备的。根植于现有的相对完备的欧美车规级半导体测试体系，延伸并发展起具备我国特色的体系，是当前形势下的最优选择，也是当前实现我国车规级半导体产业快速发展，并最终实现车规级半导体“弯道超车”的一条实际路线。

5 总结

汽车电子产品的环境可靠性对于汽车行驶安全的重要性毋容置疑，尤其是随着汽车的电动化、智能化、网联化与共享化发展，汽车具备更多智能化决策，汽车电子产品中的“核心大脑”——车规级芯片环境可靠性的重要性将提升至前所未有的高度。建立起合理的环境可靠性试验验证标准体系，成为保障未来汽车安全出行的重要一环。而通过对比国外车规级芯片的环境可靠性试验验证标准体系发现，主流的标准并不能满足我国汽车行业的发展要求。因此在芯片国产化的基础上，建立起符合我国国情及行业走向的车规级芯片环境可靠性试验验证标准体系是十分必要的。