作者：刘于苇
EET电子工程专辑原创
微控制器(MCU)在汽车中的应用非常广泛，是汽车电子中最重要的芯片之一。从高端的预控制器，到最简单的门窗控制，全部都要用到MCU。跟消费类、工业类甚至军品MCU相比，车规MCU具有以下特点：
高可靠性，对在室外环境下的EMC要求非常严苛;
高安全，尤其是在自动辅助驾驶逐渐普及的今天，复杂电路的功能安全尤其重要;
零缺陷率，不能有错，十全十美，通过设计、管理、工艺等方面来达到这样的目标;
批一致性，对工艺、材料稳定性要求极高;
长期供货，保证10-15年供货期。
针对汽车产业链的特点，围绕国际车企的这些基本要求，车规芯片需要符合相关标准。包括在设计阶段要遵循的国际上对于电子电器产品的安全可靠标准ISO26262，在2008年后也特别针对芯片提出了要求;在流片和封装阶段要遵循的AEC-Q001-004以及TS16949，不单适用于汽车零部件厂商，也对流片产业有同样的要求;在认证测试阶段要遵循的AEC-Q100\Q104;成品分发之后应用验证的AEC100等标准，需要模拟各种车内真实工况，例如极端外部环境下的高低温测试。
此外，国内有关部门也正在加速制定可靠性基础标准并实施，使各方对汽车芯片的要求理解一致，避免混乱。
中国电子技术标准化研究院副总工程师及研究员陈大为在日前举办的“2021灵动MM32协作大会”上，介绍了大家关心的汽车领域MCU议题，包括车规集成电路标准要求以及车规MCU芯片的测试与认证。作为智能化的计算平台，将会越来越多的应用在汽车里得以实现，所以国产MCU厂商如果想把产品做进汽车平台当中，需要提早规划，按照汽车芯片的要求来打造自己的设计、生产、检测、供货流程，只有符合上述几个方面的车规要求，才能保证在今后10年汽车电子大潮爆发时，成为一家合格的车规级集成电路供应商。
大名鼎鼎的AEC-Q系列标准
说到汽车电子，不得不提AEC，它全称汽车电子协会(Automotive Electronics Council)，是1993年美国三大公司克莱斯勒、福特和通用发起建立的可靠、高质量电子元器件标准的标准化机构，旨在建立可靠、高质量电子元器件的通用标准。满足这些标准的元器件能适用于汽车环境的最低要求，无需进行额外的元器件级鉴定测试，例如大家广泛接受的于集成电路失效机理的应力测试条件的AEC-Q100。其他还包括：
◆ AEC Q101 “基于失效机理的车用半导体分立器件应力测试条件”; ◆ AEC Q102 “基于失效机理的车 用半导体发光器件应力测试条件”; ◆ AEC Q103* “基于失效机理的车用 MEMS 压力器件应力测试条件”; ◆ AEC Q104 “基于失效机理的车用 MCM 器件应力测试条件”; ◆ AEC Q200 “无源器件应力测试条件”
AEC机构成员分为技术成员和永久成员，技术成员一般是芯片企业，永久成员一般是车机公司。(图自：中国电子技术标准化研究院，下同)
芯片工况环境决定其温度等级，并所有AEC-Q100试验按此温度条件进行。陈大为介绍到，新版AEC-Q100最高工作温度范围(Level 0)是- 40℃～150℃，最低范围(Level 3)是- 40℃～85℃，中间还有两个级别分别是Level 1 ：工作温度范围 - 40℃～125℃(一般等级)、Level 2 ：工作温度范围 - 40℃～105℃。AEC-Q100标准当中没有别的要求，主要是温度不一样。
车规集成电路产业链各个阶段的要求具体如下：
需要注意的是，AEC-Q100标准文本跟其他标准的文本一样，遵循通用数据的采用。例如某国产MCU系列产品中，有一颗经过了全部的AEC-Q100认证，那么同系列的其他产品只要材料、工艺差不多，只是有一些地方做了扩展，“这种情况下，就可以利用结构相似性的原理，把扩展的内容重新做一部分的测试，而其他的内容可以沿用原来的数据，不再重复进行验证。”陈大为说到。
其中关于无铅工艺产品的鉴定，随着环境保护要求日益严格，电子零部件要无铅化会带来可靠性降低的问题，所以目前国家在军品方面没有无铅化的要求。陈大为解释道，由于无铅之后，会暴露一些其他的问题，所以AEC-Q100标准中专门针对无铅的内容做了专门识别，厂商可以以此甄别方案是否会有可靠性问题。
AEC-Q100可靠性项目
AEC-Q100可靠性的项目包括：
加速环境应力测试
◆预处理(PC) ◆有偏温度或有偏高加速应力试验 (THB)(HAST) ◆ 高压或无偏高加速应力试验或无偏温湿度(AC )(UHST)(TH) ◆ 温度循环(TC) ◆ 功率温度循环(PTC) ◆ 高温贮藏寿命 (HTSL)
加速生命周期模拟测试
◆ 高温工作寿命(HTOL) ◆ 早期寿命失效率(ELFR) ◆ 非易失性存储器耐久性、数据保持性，工作寿命(EDR)
封装组装完整性测试
◆ 邦线剪切(WBS) ◆ 邦线拉力(WBP) ◆ 可焊性(SD) ◆ 物理尺寸(PD) ◆ 锡球剪切(SBS) ◆ 引线完整性(LI)
芯片制造可靠性测试
◆ 电迁移 (EM) ◆ 电介质击穿(TDDB) ◆ 热载流子注入效应(HCL) ◆ 负偏压温度不稳定性(NBTI) ◆ 应力迁移(SM)
电性验证测试
◆ 应力测试和试验前后功能/ 参数(TEST) ◆ 静电放电人体模型/ 机械模式(HBM/MM) ◆ 静电放电带电期间模式(CDM) ◆ 闩锁效应(LU) ◆ 电分配(ED) ◆ 故障等级(FG) ◆ 特性描述(CHAR) ◆ 热电效应引起闸极漏电(GL) ◆ 电磁兼容(EMC) ◆ 短路特性描述(SC) ◆ 软误差率(SER)
缺陷筛选测试分析
◆ 过程平均测试和试验(PAT) ◆ 统计式良率分析(SBA)
腔封装完整性测试
◆ 机械冲击(MS) ◆ 变频振动(VFV) ◆ 恒加速(CA) ◆ 粗/ 细检漏测试和试验(GFL) ◆ 包装跌落(DROP) ◆ 盖板扭力测试和试验(LT) ◆ 芯片剪切试验(DS) ◆ 内部水汽含量测试和试验(IWV)
其中上面标注红色的，可以根据不同器件特点，做不同的删减。根据DUT，至少有28项实验是必须要做的，否则不能声称你的物料通过了AEC-Q100认证。
上表是具体的分组，其中注明了样品组别、个数要求。样品批数要求从3个连续批次中抽取，每个批次抽取77颗料。所有的项目加起来需要大量样品，一项实验就需要近2500颗左右，并且这2500颗的料分别属于不同批次。“用于消费类的芯片是没有这样要求的，可见做车规芯片前期的成本是相当高的。”陈大为说到。
车规MCU芯片测试与认证
具体到车规MCU芯片测试与认证，有以下几个方面的考虑：
1、测试策略，需要全方位、无死角、多维度地对MCU进行彻底、严格细致的分析。包括基本电参数测试、基本功能验证、可靠性实验验证、实际应用工况验证和供货保障。特别是供货保障，汽车要求15年的供货期，对一般芯片来说不可能一颗料连续做15年，所以要么就是持续生产，要么就是一次性生产后做库存，这里又会有仓储的问题。
2、基础电参数设计，包括静、动态参数指标三温ATE测试等，要参考几个标准。AEC-Q001，产品平均测试指南，主要是晶圆阶段的PPAT的内容;AEC-Q002，产品统计分析指南，能看出某个参数的特性化，也就是曲线的变化，国内的厂家在这方面过去做得比较好;AEC-Q003，IC电气性能特性化，国外进口的MCU产品当中，除了提供参数表之外，还会提供上述变化曲线，为汽车车机设计师提供了非常好的参考，例如在各种温度(Temp)、电压(Vcc)、频率(Freq)下参数的变化;AEC-Q004，零缺陷指导原则，告诉你生产过程当中怎么做才能零缺陷。这几项测试参数是根据《产品手册》中的关键指标 + 特定用户要求制定的，测试环境温度分别是- 40℃ 、25℃ 、85℃( 105℃ 、 125℃ 、 150℃ )。
上图为上文提到PPAT中的临近原则，SBL 根据生产标准故障率检查料仓分布，包括电子特征分布(Electrical Signature distribution)、失效模式分布(Failure mode distribution)。
3、基本功能验证，MCU是复杂电路，芯片里带有微程序控制工作的产品称为复杂电路。复杂电路采用ATE做静/动态参数测试，当中包括功能的向量，所以即便基础测试合格也不认为复杂电路是OK的，因为功能向量的要求很多，ATE做不到这一点，存储深度也不能支撑复杂电路，“任何时期的ATE都不能支撑复杂电路的发展要求，简单ATE的测试也不能判断复杂电路的完整性。”陈大为说到，“对于复杂电路一定要进行功能验证，比如说复杂电路有很多高速接口、协议完整性跟电器物理参数靠ATE测试就没戏，必须要做EVB(板极)测试做功能演算，或是用ATE+台式仪器。”测试温度环境：- 40℃ 、 25℃ 、85℃( 105℃ 、 125℃ 、 150℃ )。
4、MCU 可靠性试验验证。采用AEC-Q100和AEC-Q104标准，主要包括加速环境应力测试、加速生命周期模拟测试、封装组装完整性测试、芯片制造可靠性测试、电性验证测试和缺陷筛选测试分析。
5、实际应用工况环境验证，包括PCB在不同频率、电压、温度下以及高覆盖率测试向量、EMC的测试。在汽车当中，测试项包括电压、温度、EMC，最后是整车路测。车规的实际应用工况验证，跟过去的标准已经不太一样。
6、供货保障，要求批一致性及15年供货保障，要求制程、设计、工艺、材料和过程都不变，批周期性检查确保一致性。要保障如此长时间的供货，一般有两种方法，一是再次流片，二是大量生产后真空包封、氮气柜储存。
EMC是车规重中之重，但对于芯片没有判别标准
在车规 MCU 芯片测试与认证中，陈大为重点介绍了电磁兼容(EMC)，这对于整车、整机或部件的电子兼容考虑得比较多。到目前为止，IEC标准体系包括：电磁发射(IEC61967系列)、电磁抗扰度(IEC61967系列)、脉冲抗扰度(IEC62215系列)、CAN收发器EMC评估(IEC62228系列)、集成电路电磁兼容建模(IEC62433系列)等，可以为国内MCU提供典型测试标准。
对于MCU，典型的6种测试方法包括：
电磁(EMI)发射：TEM小室法，1Ω/150Ω直接耦合法，表面扫描法;法拉第笼法，磁场探头法，IC带状线法;
电磁(EMS)抗扰度：TEM小室法，直接射频功率注入法，大电流注入法;法拉第笼法，IC带状线法，表面扫描法;
脉冲抗扰度：同步瞬态注入法和非同步瞬态注入法，这两者注入的脉冲波形有ESD、EFT和浪涌。
举例来说，TEM小室法是把芯片放在10×10的硬纸板上，一边是屏蔽的，另一边放这颗芯片，这颗芯片工作的外围电路在另外一边，把这个芯片倒过来扣在小的方舱当，加入电磁信号后会形成平行的电磁波，平行的电磁波是均匀的，能够作用到样品上。辐射发射是倒过来，这颗芯片在工作的时候默认会向外发射信号，信号在腔体里形成共振，共振在一端负载，另一端就可以预放到频谱仪。
随后，用30K到1G甚至是更高的频率来扫描腔体发生额外的电磁干扰，这些电磁干扰就来自于这一颗MCU。如上图所示，MCU正常工作后，前面干扰信号比较低，一旦电磁信号超过30兆后，干扰信号就上去了。
辐射发射的另外一种方法是表面扫描法。芯片在底下工作，上面用小型探头扫描，这样能扫出样品各个区域的电磁辐射情况，再对应样品本身的设计图就知道哪一部分对外辐射较大。
随后，陈大为还介绍了采用1欧姆/150欧姆直接耦合法的传导发射测试、用TEM小室法和大电流注入法测试辐射抗扰度，以及直接射频功率注入发测试传导抗扰度。小结下来，MCU EMC的测试方法可以按照国际、国内的EMC标准进行。但最重要的一点是，整车、医疗、信息处理设备有一个判别标准，在某个频段超过多少电磁兼容值是合格的;而芯片应用范围太广，而且是一个中间过程，不直接面向用户，再加上它是不断迭代的过程，所以国际上至今没有合格与否的判据标准的。
陈大为举例说到：“上一代芯片采用某一个方法，对电磁信号评估得到结果A，下一代要进行改进，改进之后得到了结果B。结果B一定要好于结果A，这说明芯片改进成功了——至少在EMC这一方面。”
芯片电磁兼容改进是一件非常漫长，耗费时间和金钱的事情，因为它的代价是不断的迭代，迭代的背后则是不断的流片，这个费用会很高。目前各大车规MCU企业都在研究用电磁兼容的极限值，汽车芯片能不能满足汽车用，还要进行汽车现场的工况环境EMI采集，这都是电磁兼容中非常重要也非常关键的基础性工作。
要做合车规芯片，先把车规放心里
最后，陈大为给出了关于国产MCU通过车规认证的思考和建议。首先是芯片可靠性设计技术，要遵循ISO26262标准，从源头上设计出高可靠的MCU;流片、封测上，汽车零部件厂要满足TS16949的要求，流片产线也不例外;最后是关于标准的问题，至今为止国内还没有自己的汽车芯片标准，“接下来我们有一个标准工作委员会会推动这方面的工作，包括集成电路、功率模块、传感器等等的汽车标准工作组。”
下图是中国电子标准化院一个简单的车规MCU测试现场环境。
最后关于AEC-Q100的总结，陈大为表示，国内想要做车规芯片的企业首先要对这个标准有很好的理解。首先不一定要找第三方测试，自己如果有条件也是可以测的，但需要明确AEC-Q100 测试数据是为了证明芯片符合标准，没有秘密，更没必要作假。测试总共7个大类41项项目，其中几项是可选测的。同系列产品可以用通用数据来提高测试效率，可靠性前后要进行三温电性测试，每年或每季还要做批一致性核测。另外，有一些实验项目的判据，要和用户(车机、Tier 1厂商)一起讨论决定是否合格，如EMC。
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