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)：

高可靠性，對(duì)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(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;

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

批一致性，對(duì)工藝、材料穩(wěn)定性要求極高;

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。其中包括ISO26262這一電子電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段應(yīng)遵守的國(guó)際安全可靠標(biāo)準(zhǔn)，2008年以后還專門對(duì)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(duì)流片產(chǎn)業(yè)提出了相同的需求；認(rèn)證測(cè)試階段應(yīng)遵守的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兼研究員陳大為近日在“2021靈動(dòng)MM32協(xié)作大會(huì)”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(duì)集成電路的規(guī)范要求，并對(duì)車規(guī)MCU芯片進(jìn)行了檢測(cè)和驗(yàn)證。作為一個(gè)智能化計(jì)算平臺(tái)將越來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)

說到汽車電子，不得不提AEC，它全稱汽車電子協(xié)會(huì)（Automotive Electronics Council），它由美國(guó)三巨頭克萊斯勒，福特與通用于1993年共同倡議成立了一個(gè)可靠?jī)?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?jī)?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(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。其他還包括：

◆ 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”;

◆ 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”;

◆ 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”;

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

◆ AEC Q200 “無源器件應(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）

芯片的工況環(huán)境確定了芯片的溫度等級(jí)，AEC-Q100的測(cè)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(gè)級(jí)別分別是Level 1：工作溫度范圍-40°C~125°C（一般等級(jí)）、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(gè)階段的要求具體如下：

請(qǐng)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(gè)國(guó)產(chǎn)MCU系列產(chǎn)品，其中一個(gè)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(kuò)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。”陳大為說。

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

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

◆預(yù)處理(PC)

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

◆ 高壓或無偏高加速應(yīng)力試驗(yàn)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(cè)試

◆ 高溫工作壽命(HTOL)

◆ 早期壽命失效率(ELFR)

◆ 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

◆ 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(cè)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(yàn)證測(cè)試

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

◆ 靜電放電人體模型/ 機(jī)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(jí)(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(cè)試分析

◆ 過程平均測(cè)試和試驗(yàn)(PAT)

◆ 統(tǒng)計(jì)式良率分析(SBA)

腔封裝完整性測(cè)試

◆ 機(jī)械沖擊(MS)

◆ 變頻振動(dòng)(VFV)

◆ 恒加速(CA)

◆ 粗/ 細(xì)檢漏測(cè)試和試驗(yàn)(GFL)

◆ 包裝跌落(DROP)

◆ 蓋板扭力測(cè)試和試驗(yàn)(LT)

◆ 芯片剪切試驗(yàn)(DS)

◆ 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了AEC-Q100認(rèn)證。

上表是具體的分組，其中注明了樣品組別、個(gè)數(shù)要求。樣品批數(shù)要求從3個(gè)連續(xù)批次中抽取，每個(gè)批次抽取77顆料。所有的項(xiàng)目加起來需要大量樣品，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。“用于消費(fèi)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(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、在測(cè)試策略上，要求對(duì)MCU有一個(gè)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(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)于汽車車機(jī)設(shè)計(jì)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(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°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(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(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，當(dāng)中包括功能的向量，所以即便基礎(chǔ)測(cè)試合格也不認(rèn)為復(fù)雜電路是OK的，因?yàn)楣δ芟蛄康囊蠛芏啵珹TE做不到這一點(diǎn)，存儲(chǔ)深度也不能支撐復(fù)雜電路，“任何時(shí)期的ATE都不能支撐復(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。”陳大為說到，“對(duì)于復(fù)雜電路一定要進(jìn)行功能驗(yàn)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(cè)試就沒戲，必須要做EVB(板極)測(cè)試做功能演算，或是用ATE+臺(tái)式儀器。”測(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)，主要包括加速環(huán)境應(yīng)力測(cè)試、加速生命周期模擬測(cè)試、封裝組裝完整性測(cè)試、芯片制造可靠性測(cè)試、電性驗(yàn)證測(cè)試和缺陷篩選測(cè)試分析。

5、實(shí)際應(yīng)用工況環(huán)境驗(yàn)證，包括PCB在不同頻率、電壓、溫度下以及高覆蓋率測(cè)試向量、EMC的測(cè)試。在汽車當(dāng)中，測(cè)試項(xiàng)包括電壓、溫度、EMC，最后是整車路測(cè)。車規(guī)的實(shí)際應(yīng)用工況驗(yàn)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(jì)、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(zhǎng)時(shí)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?dú)夤駜?chǔ)存。

EMC是車規(guī)重中之重，

但對(duì)于芯片沒有判別標(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(hào)比較低，一旦電磁信號(hào)超過30兆后，干擾信號(hào)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(gè)區(qū)域的電磁輻射情況，再對(duì)應(yīng)樣品本身的設(shè)計(jì)圖就知道哪一部分對(duì)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(yàn)，TEM小室法與大電流注入法輻射抗擾度試驗(yàn)及直接射頻功率注入發(fā)傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)。總結(jié)起來，MCU EMC測(cè)試方法可按國(guó)際和國(guó)內(nèi)EMC標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)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)用過于廣泛，且屬于中間過程，并不能直接面對(duì)用戶，加之其不斷迭代，因此目前國(guó)際上尚無是否達(dá)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(gè)方法，對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行評(píng)估得到結(jié)果A，下一代要進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)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(jìn)是成功的――至少?gòu)腅MC這方面來說是如此。”

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(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;最后是關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的問題，至今為止國(guó)內(nèi)還沒有自己的汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)，“接下來我們有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作委員會(huì)會(huì)推動(dòng)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。”