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，到最簡單的門窗控制，全部都要用到MCU。跟消費類、工業(yè)類甚至軍品MCU相比，車規(guī)MCU具有以下特點：

高可靠性，對在室外環(huán)境下的EMC要求非常嚴(yán)苛;

高安全，尤其是在自動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;

零缺陷率，不能有錯，十全十美，通過設(shè)計、管理、工藝等方面來達到這樣的目標(biāo);

批一致性，對工藝、材料穩(wěn)定性要求極高;

長期供貨，保證10-15年供貨期。

根據(jù)汽車產(chǎn)業(yè)鏈特點，并圍繞上述國際車企基本需求，車規(guī)芯片需滿足相關(guān)規(guī)范。其中包括ISO26262這一電子電器產(chǎn)品設(shè)計階段應(yīng)遵守的國際安全可靠標(biāo)準(zhǔn)，2008年以后還專門對芯片作了規(guī)定；流片與封裝階段所需要遵守的AEC-Q001-004和TS16949不僅適合汽車零部件廠商而且對流片產(chǎn)業(yè)提出了相同的需求；認(rèn)證測試階段應(yīng)遵守的AEC-Q100/Q104；成品分發(fā)后應(yīng)用校驗的AEC100和其他標(biāo)準(zhǔn)要求模擬多種車內(nèi)的實際運行條件，如在極端外環(huán)境中進行高低溫試驗。

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

中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院副總工程師兼研究員陳大為近日在“2021靈動MM32協(xié)作大會”中介紹了人們所關(guān)注的汽車領(lǐng)域MCU問題，包括車規(guī)對集成電路的規(guī)范要求，并對車規(guī)MCU芯片進行了檢測和驗證。作為一個智能化計算平臺將越來越廣泛地在汽車上實現(xiàn)應(yīng)用，因此國內(nèi)MCU廠商若要將產(chǎn)品制作到汽車平臺上，有必要提前計劃，根據(jù)汽車芯片需求創(chuàng)建自己的設(shè)計，制造，測試和供貨流程，唯有滿足以上車規(guī)，以確保在未來10年汽車電子大潮中成為合格車規(guī)級集成電路供應(yīng)商。

大名鼎鼎的AEC-Q系列標(biāo)準(zhǔn)

說到汽車電子，不得不提AEC，它全稱汽車電子協(xié)會（Automotive Electronics Council），它由美國三巨頭克萊斯勒，福特與通用于1993年共同倡議成立了一個可靠優(yōu)質(zhì)電子元器件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范組織，其目的就是要制定出可靠優(yōu)質(zhì)電子元器件通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。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鑒定試驗，如人們普遍認(rèn)可的集成電路失效機理應(yīng)力試驗條件AEC-Q100。其他還包括：

◆ AEC Q101 “基于失效機理的車用半導(dǎo)體分立器件應(yīng)力測試條件”;

◆ AEC Q102 “基于失效機理的車 用半導(dǎo)體發(fā)光器件應(yīng)力測試條件”;

◆ AEC Q103* “基于失效機理的車用 MEMS 壓力器件應(yīng)力測試條件”;

◆ AEC Q104 “基于失效機理的車用 MCM 器件應(yīng)力測試條件”;

◆ AEC Q200 “無源器件應(yīng)力測試條件”

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

芯片的工況環(huán)境確定了芯片的溫度等級，AEC-Q100的測試都是按照該溫度下完成的。陳大為介紹到，新版AEC-Q100最高工作溫度范圍（Level 0）是-40°C~150°C，最低范圍（Level 3）是-40°C~85°C，中間還有兩個級別分別是Level 1：工作溫度范圍-40°C~125°C（一般等級）、Level 2：工作溫度范圍-40°C~105°C。在AEC-Q100的標(biāo)準(zhǔn)中并無其他規(guī)定，其中以溫度的不同為多。

車規(guī)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈各個階段的要求具體如下：

請注意AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)文本和其他標(biāo)準(zhǔn)文本一樣都遵循使用通用數(shù)據(jù)。比如某個國產(chǎn)MCU系列產(chǎn)品，其中一個通過了所有AEC-Q100認(rèn)證，則同一系列別的產(chǎn)品只需要相似的材料，相似的工藝即可，只是有一些地方做了擴展，“在此情況下，可采用結(jié)構(gòu)相似性原理對擴展后的內(nèi)容再進行部分測試，其他內(nèi)容可沿用原數(shù)據(jù)，不重復(fù)驗證。”陳大為說。

其中對于無鉛工藝產(chǎn)品認(rèn)定，由于環(huán)境保護要求越來越嚴(yán)，電子零部件應(yīng)實現(xiàn)無鉛化將導(dǎo)致可靠性下降問題，因此當(dāng)前國家對軍品不存在無鉛化需求。陳大為解釋說，因為在無鉛后，還會暴露出其他問題，因此AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)特別對無鉛內(nèi)容進行了特別鑒定，廠家可借此篩選出方案會否存在可靠性。

AEC-Q100可靠性項目

AEC-Q100可靠性的項目包括：

加速環(huán)境應(yīng)力測試

◆預(yù)處理(PC)

◆有偏溫度或有偏高加速應(yīng)力試驗 (THB)(HAST)

◆ 高壓或無偏高加速應(yīng)力試驗或無偏溫濕度(AC )(UHST)(TH)

◆ 溫度循環(huán)(TC)

◆ 功率溫度循環(huán)(PTC)

◆ 高溫貯藏壽命 (HTSL)

加速生命周期模擬測試

◆ 高溫工作壽命(HTOL)

◆ 早期壽命失效率(ELFR)

◆ 非易失性存儲器耐久性、數(shù)據(jù)保持性，工作壽命(EDR)

封裝組裝完整性測試

◆ 邦線剪切(WBS)

◆ 邦線拉力(WBP)

◆ 可焊性(SD)

◆ 物理尺寸(PD)

◆ 錫球剪切(SBS)

◆ 引線完整性(LI)

芯片制造可靠性測試

◆ 電遷移 (EM)

◆ 電介質(zhì)擊穿(TDDB)

◆ 熱載流子注入效應(yīng)(HCL)

◆ 負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI)

◆ 應(yīng)力遷移(SM)

電性驗證測試

◆ 應(yīng)力測試和試驗前后功能/ 參數(shù)(TEST)

◆ 靜電放電人體模型/ 機械模式(HBM/MM)

◆ 靜電放電帶電期間模式(CDM)

◆ 閂鎖效應(yīng)(LU)

◆ 電分配(ED)

◆ 故障等級(FG)

◆ 特性描述(CHAR)

◆ 熱電效應(yīng)引起閘極漏電(GL)

◆ 電磁兼容(EMC)

◆ 短路特性描述(SC)

◆ 軟誤差率(SER)

缺陷篩選測試分析

◆ 過程平均測試和試驗(PAT)

◆ 統(tǒng)計式良率分析(SBA)

腔封裝完整性測試

◆ 機械沖擊(MS)

◆ 變頻振動(VFV)

◆ 恒加速(CA)

◆ 粗/ 細(xì)檢漏測試和試驗(GFL)

◆ 包裝跌落(DROP)

◆ 蓋板扭力測試和試驗(LT)

◆ 芯片剪切試驗(DS)

◆ 內(nèi)部水汽含量測試和試驗(IWV)

其中上面標(biāo)注紅色的，可以根據(jù)不同器件特點，做不同的刪減。根據(jù)DUT，至少有28項實驗是必須要做的，否則不能聲稱你的物料通過了AEC-Q100認(rèn)證。

上表是具體的分組，其中注明了樣品組別、個數(shù)要求。樣品批數(shù)要求從3個連續(xù)批次中抽取，每個批次抽取77顆料。所有的項目加起來需要大量樣品，一項實驗就需要近2500顆左右，并且這2500顆的料分別屬于不同批次。“用于消費類的芯片是沒有這樣要求的，可見做車規(guī)芯片前期的成本是相當(dāng)高的。”陳大為說到。

車規(guī)MCU芯片測試與認(rèn)證

具體到車規(guī)MCU芯片測試與認(rèn)證，有以下幾個方面的考慮：

1、在測試策略上，要求對MCU有一個全方位，無死角和多維度的全面，嚴(yán)謹(jǐn)和詳細(xì)的解析。包括基本電參數(shù)的測試，基本功能的驗證，可靠性的試驗驗證，實際使用條件的驗證以及供貨保障等。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)完再搞庫存，在此又出現(xiàn)了一個倉儲問題。

2、基本電氣參數(shù)設(shè)計，包括靜態(tài)，動態(tài)參數(shù)指標(biāo)三溫ATE試驗等，應(yīng)參考幾個標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品平均測試指南AEC-Q001主要針對晶圓階段PPAT內(nèi)容進行研究；產(chǎn)品統(tǒng)計分析指南AEC-Q002中，可以看到某一參數(shù)特性化即曲線變化情況，以往國內(nèi)廠商對此都有較多研究；AEC-Q003、IC電氣性能特性化在國外引進MCU產(chǎn)品中，除給出參數(shù)表外，還給出以上變化曲線，對于汽車車機設(shè)計師來說是很有借鑒意義的，比如改變多種溫度（Temp），電壓（Vcc），頻率（Freq）等條件下的參數(shù)；AEC-Q004，零缺陷指導(dǎo)原則告訴大家在生產(chǎn)過程中如何做到零缺陷。這幾項測試參數(shù)是根據(jù)《產(chǎn)品手冊》中的關(guān)鍵指標(biāo)+特定用戶要求制定的，測試環(huán)境溫度分別是-40°C、25°C、85°C（105°C、125°C、150°C）。

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、基本功能驗證，MCU是復(fù)雜電路，芯片里帶有微程序控制工作的產(chǎn)品稱為復(fù)雜電路。復(fù)雜電路采用ATE做靜/動態(tài)參數(shù)測試，當(dāng)中包括功能的向量，所以即便基礎(chǔ)測試合格也不認(rèn)為復(fù)雜電路是OK的，因為功能向量的要求很多，ATE做不到這一點，存儲深度也不能支撐復(fù)雜電路，“任何時期的ATE都不能支撐復(fù)雜電路的發(fā)展要求，簡單ATE的測試也不能判斷復(fù)雜電路的完整性。”陳大為說到，“對于復(fù)雜電路一定要進行功能驗證，比如說復(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測試就沒戲，必須要做EVB(板極)測試做功能演算，或是用ATE+臺式儀器。”測試溫度環(huán)境：- 40℃ 、 25℃ 、85℃( 105℃ 、 125℃ 、 150℃ )。

4、MCU 可靠性試驗驗證。采用AEC-Q100和AEC-Q104標(biāo)準(zhǔn)，主要包括加速環(huán)境應(yīng)力測試、加速生命周期模擬測試、封裝組裝完整性測試、芯片制造可靠性測試、電性驗證測試和缺陷篩選測試分析。

5、實際應(yīng)用工況環(huán)境驗證，包括PCB在不同頻率、電壓、溫度下以及高覆蓋率測試向量、EMC的測試。在汽車當(dāng)中，測試項包括電壓、溫度、EMC，最后是整車路測。車規(guī)的實際應(yīng)用工況驗證，跟過去的標(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、工藝、材料和過程都不變，批周期性檢查確保一致性。要保障如此長時間的供貨，一般有兩種方法，一是再次流片，二是大量生產(chǎn)后真空包封、氮氣柜儲存。

EMC是車規(guī)重中之重，

但對于芯片沒有判別標(biāo)準(zhǔn)

在車規(guī) MCU 芯片測試與認(rèn)證中，陳大為重點介紹了電磁兼容(EMC)，這對于整車、整機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評估(IEC62228系列)、集成電路電磁兼容建模(IEC62433系列)等，可以為國內(nèi)MCU提供典型測試標(biāo)準(zhǔn)。

對于MCU，典型的6種測試方法包括：
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，添加電磁信號時，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，默認(rèn)情況下，高片芯片向外部發(fā)出信號，該信號與腔體內(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掃描腔體發(fā)生額外的電磁干擾，這些電磁干擾就來自于這一顆MCU。如上圖所示，MCU正常工作后，前面干擾信號比較低，一旦電磁信號超過30兆后，干擾信號就上去了。

輻射發(fā)射的另外一種方法是表面掃描法。芯片在底下工作，上面用小型探頭掃描，這樣能掃出樣品各個區(qū)域的電磁輻射情況，再對應(yīng)樣品本身的設(shè)計圖就知道哪一部分對外輻射較大。

陳大為接著又介紹了1歐姆/150歐姆直接耦合法傳導(dǎo)發(fā)射試驗，TEM小室法與大電流注入法輻射抗擾度試驗及直接射頻功率注入發(fā)傳導(dǎo)抗擾度試驗。總結(jié)起來，MCU EMC測試方法可按國際和國內(nèi)EMC標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。但是最為重要的一點就是整車，醫(yī)療和信息處理設(shè)備都有一個標(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)用過于廣泛，且屬于中間過程，并不能直接面對用戶，加之其不斷迭代，因此目前國際上尚無是否達標(biāo)判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

陳大為舉例說到：“上一代芯片利用某一個方法，對電磁信號進行評估得到結(jié)果A，下一代要進行改進，改進后得到結(jié)果B。結(jié)果B必須優(yōu)于結(jié)果A，表明芯片的改進是成功的――至少從EMC這方面來說是如此。”

芯片電磁兼容改進工作十分冗長、耗時、費錢，由于其成本在持續(xù)迭代，而在迭代過程中又存在著持續(xù)流片現(xiàn)象，這一成本將十分高昂。目前，各大車規(guī)MCU公司正在研究使用電磁兼容極限值，車輛芯片能否滿足車輛使用要求，還需要對車輛現(xiàn)場工況環(huán)境進行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)于國產(chǎn)MCU通過車規(guī)認(rèn)證的思考和建議。首先是芯片可靠性設(shè)計技術(shù)，要遵循ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，從源頭上設(shè)計出高可靠的MCU;流片、封測上，汽車零部件廠要滿足TS16949的要求，流片產(chǎn)線也不例外;最后是關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的問題，至今為止國內(nèi)還沒有自己的汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)，“接下來我們有一個標(biāo)準(zhǔn)工作委員會會推動這方面的工作，包括集成電路、功率模塊、傳感器等等的汽車標(biāo)準(zhǔn)工作組。”