汽車電子系統(tǒng)的可靠性

最近幾十年來，汽車行業(yè)的諸多創(chuàng)新技術(shù)大部分得益于電子技術(shù)的進(jìn)步。雖然現(xiàn)在大部分車輛上幾乎沒有什么功能不會(huì)受到電子器件的影響，但是電子器件的創(chuàng)新還是具有相當(dāng)大的潛力，尤其是在駕乘舒適性和安全應(yīng)用方面。據(jù)預(yù)測(cè)，電子器件對(duì)典型汽車的貢獻(xiàn)值將會(huì)繼續(xù)提高，由現(xiàn)在的20%左右增加至2030年的近40%。隨著電子控制單元和應(yīng)用數(shù)量的穩(wěn)步增長(zhǎng)，以及，最重要的是，這些單元和應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化程度的不斷提高，從而使得系統(tǒng)級(jí)和車輛級(jí)的復(fù)雜度將不斷加大。

電子系統(tǒng)的日益復(fù)雜

　　隨著汽車電子系統(tǒng)的日益普及和日漸復(fù)雜，由電子器件造成的故障風(fēng)險(xiǎn)將明顯增加。根據(jù)德國(guó)汽車組織——德國(guó)汽車俱樂部 (ADAC) 2005年所做的一項(xiàng)調(diào)查，電氣和電子系統(tǒng)問題仍然是汽車故障最常見的原因。雖然由微控制器、傳感器、功率半導(dǎo)體以及其它半導(dǎo)體產(chǎn)品的缺陷引發(fā)的故障(其中由電池引起的故障最多)，從統(tǒng)計(jì)角度而言占車輛故障總數(shù)的比例幾乎可以忽略不計(jì)，但是半導(dǎo)體行業(yè)，作為汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，仍然對(duì)車輛質(zhì)量和可靠性負(fù)有特定的責(zé)任。半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)設(shè)法大大降低了芯片的缺陷率，但仍然需要進(jìn)一步的改進(jìn)——其目標(biāo)缺陷率必須低于百萬(wàn)分之一。每輛汽車中都有50個(gè)左右的電子控制單元，每個(gè)單元由大約300個(gè)電子元件組成，百萬(wàn)分之一的缺陷率仍然相當(dāng)于每一百萬(wàn)部車輛上有15,000個(gè)潛在故障(雖然，實(shí)際上，一些電子元件導(dǎo)致的故障可以由系統(tǒng)制造商的冗余設(shè)計(jì)所避免)。

卓越汽車產(chǎn)品(Automotive Excellence)計(jì)劃

　　歸根結(jié)底，我們的目標(biāo)是：必須從一開始就避免缺陷，而不僅僅是通過故障溯源方法來降低故障率。英飛凌的長(zhǎng)期計(jì)劃，如Automotive Excellence計(jì)劃，對(duì)生產(chǎn)流程及其管理進(jìn)行了系統(tǒng)化的改進(jìn)，有助于將半導(dǎo)體產(chǎn)品的質(zhì)量提高到必要的水平(圖 1)。Automotive Excellence 計(jì)劃明確了四個(gè)主要方面：產(chǎn)品、生產(chǎn)、人員和流程，并且制定了非常遠(yuǎn)大的目標(biāo)。該計(jì)劃的目標(biāo)是要將每一百萬(wàn)顆芯片的故障率降低到零。本文將探討如何從生產(chǎn)和人員兩個(gè)層面入手，來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

圖1 英飛凌的 Automotive Excellence 計(jì)劃主要涵蓋產(chǎn)品、生產(chǎn)、人員和流程，
支撐這一計(jì)劃的包括管理制度、零缺陷文化，以及各種工具和基本的質(zhì)量管理方法

　　生產(chǎn)和資質(zhì)是流程鏈中的兩個(gè)環(huán)節(jié)，流程鏈從面向客戶的產(chǎn)品規(guī)范和開發(fā)開始，一直到最重要的最終測(cè)試和物流階段。平均而言，生產(chǎn)一枚芯片涉及400個(gè)步驟(圖 2)。較大的缺陷以及那些在整個(gè)系統(tǒng)組裝完畢之后才出現(xiàn)的缺陷，只能在制成品的最終測(cè)試中才能被發(fā)現(xiàn)，這一缺陷必須追溯到流程鏈的開始階段。芯片要用幾個(gè)星期的時(shí)間檢查整個(gè)生產(chǎn)過程，糾正問題并從中汲取教訓(xùn)，因此這是一個(gè)相當(dāng)費(fèi)力的過程。英飛凌已經(jīng)引入了貫穿整個(gè)流程鏈的綜合性測(cè)試和補(bǔ)救措施，以便能夠盡早(甚至在規(guī)范制訂和開發(fā)階段)發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖 2 生產(chǎn)芯片的晶圓廠的無(wú)塵車間。平均而言，生產(chǎn)一枚芯片需要400個(gè)
步驟，從生產(chǎn)的第一步開始到最終的測(cè)試階段大約歷時(shí)三個(gè)月時(shí)間

　　原則上講，產(chǎn)品的可靠性早在設(shè)計(jì)階段就已注定，因此，需求管理作為英飛凌的一個(gè)統(tǒng)一措施，如今已成為Automotive Excellence 計(jì)劃的組成部分。盡可能早在產(chǎn)品規(guī)范制訂階段就完整、系統(tǒng)地記錄對(duì)產(chǎn)品的所有要求。這些要求在產(chǎn)品開發(fā)的每個(gè)階段都要進(jìn)行審核，從而確保全面滿足這些要求。

英飛凌還在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的起步階段，就開始模擬產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的使用情況。主要客戶密切參與產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)階段。對(duì)故障源頭及其隱藏的危害進(jìn)行分析和評(píng)估，并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)。在這個(gè)過程中，英飛凌采用了系統(tǒng)化的方式，涵蓋芯片、與芯片封裝的電氣連接、封裝、芯片和封裝的交互、生產(chǎn)過程中預(yù)期的效應(yīng)，以及在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的預(yù)期影響等。

評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)

　　產(chǎn)品開發(fā)流程也會(huì)根據(jù)汽車電子器件的質(zhì)量要求的提高進(jìn)行修改。英飛凌已經(jīng)設(shè)立了一個(gè)設(shè)計(jì)變更控制工作組，其任務(wù)包括對(duì)在產(chǎn)品規(guī)范已經(jīng)完成后進(jìn)行修改會(huì)有哪些潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。英飛凌還設(shè)立了一個(gè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作組，它獨(dú)立于開發(fā)小組，主要任務(wù)是驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否符合產(chǎn)品規(guī)范。

　　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也是其它流程步驟的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。故障模式和效應(yīng)分析是一種基于工具的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，貫穿整個(gè)階段。對(duì)于芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與封裝，以及芯片面向的應(yīng)用，都要進(jìn)行潛在的風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，然后采取相應(yīng)措施來降低風(fēng)險(xiǎn)。

　　規(guī)定批次、晶圓和產(chǎn)品級(jí)的殘次品比率也有助于確保質(zhì)量水準(zhǔn)(圖 3)。英飛凌對(duì)所有產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，淘汰那些異常的批次。這種方法一開始可能會(huì)使成本增加，但事實(shí)并非如此：一旦某批材料被淘汰，就會(huì)實(shí)施補(bǔ)救措施，而實(shí)際獲得的好處，要超過這一措施一開始對(duì)產(chǎn)量造成的負(fù)面影響。

圖 3 晶圓廠是芯片制造的源頭。晶圓是圓形的硅盤，直徑一般為200mm或300mm。
根據(jù)晶圓的尺寸以及集成電路的復(fù)雜度—一個(gè)晶圓可同時(shí)生產(chǎn)100至2,000多枚芯片