可靠性成为汽车行业最关注的问题

在半导体最热门的增长市场，包括汽车、工业和云计算，可靠性正成为最优先考虑的问题。但是，与每两到四年更换一次芯片不同，其中一些设备预计可以使用长达20年，即使在有时极端的环境条件下使用频率更高。

这种优先级的转变对整个电子供应链产生了广泛的影响，从材料的纯度到架构，一直到验证、制造、测试和制造后的验证和监控。虽然性能、功率和面积(PPA)仍然是关键因素，但这些因素需要在整个预期生命周期内保持一致。

这个公式也有一些新的缺陷。可靠性越来越多地由系统的总可靠性来衡量，在许多情况下涉及系统的系统，并且在不同区域之间可能有很大差异。因此，虽然美国或欧洲的自动驾驶汽车可能会在5G可用时使用5G，但在中国，数据是集中的，因此5G系统与汽车内的通信系统一样重要。

此外，ISO 26262的基本要求之一是能够优雅地失败。这需要一个冗余系统，这将使电子设备的成本翻倍，或者能够利用其他不是为特定工作设计的电路。因此，虽然信息娱乐系统在设计时可能不被认为是安全的关键，但在紧急情况下，它可能必须表现得像关键系统一样好。

然而，这带来了一个潜在的问题。根据J.D. Power 2017年的一份报告，音频、通信、娱乐和导航(ACEN)类别是质量投诉中问题最多的领域。它占所有报告问题的22%。该公司指出，AECN问题去年也是投诉最多的问题。

作为回应，汽车原始设备制造商去年开始要求电子元件的使用寿命为18年零故障。这在一定程度上是因为，如果汽车反复出现故障，消费者就不太可能从同一家公司购买下一辆车，而汽车中芯片和电子元件的数量正在迅速增加，这一事实使问题变得更糟。奥迪报告称，其高端车型上约有7000个半导体器件，每天生产约4000辆汽车。百万分之一的故障范围相当于每天24辆有缺陷的汽车。对于宝马(BMW)来说，这相当于54辆有缺陷的汽车。宝马的电子元件使用量约为前者的一半，但每天生产1万辆汽车。

这还只是个开始，因为汽车中电子产品的数量正在增加。

“电子产品将很快占到汽车成本的35%，”福特汽车公司的企业技术研究员迈克尔·舒登弗雷(Michael Schuldenfrei)说最优+．随着自动驾驶的到来，普华永道认为，到2030年，自动驾驶将占到汽车成本的50%。如果你考虑一下汽车今天在哪里，明天会在哪里，这就是一个问题。”

更糟糕的是，许多将用于汽车的部件的真实数据并不存在。

Schuldenfrei说:“1995年，汽车市场在成熟节点上使用半导体。“这些半导体设备被用于收音机或电动窗户，这些都是相对简单的系统。现在，一辆汽车需要拥有绝对最新和最好的技术来提供ADAS传感器所需的所有功能。对于汽车行业来说，知道他们使用的是五年前的技术，故障模式和问题已经是已知的，这已经不是什么舒适区了。他们现在正处于最前沿，没有人知道这些技术到底有多稳定，也不知道会出现什么问题。”

其他专家对此表示赞同。Dfr Solutions高级质量/可靠性咨询经理吉姆•麦克利什表示:“通常需要5到6年的时间，你才能知道是否存在问题。”“对于5nm到7nm技术，我们没有经验。我们不知道会有什么变化。”

要控制这个问题，需要在系统和电路层面都有深入的了解，但目前还没有足够的数据来得出关于问题可能在哪里爆发以及为什么爆发的良好结论。

该公司销售和营销高级副总裁Gert Jørgensen表示:“你在一开始使用这些组件，是为了建立对设备在使用寿命内正常工作的信心δASIC部门。“然后，当然，当他们变老时，他们会变老，他们会精疲力竭。这是组件的生命周期——所有组件。在汽车上，我们希望有更高的可靠性，因为如果该设备无法工作，这可能意味着很多。”

图1:零缺陷挑战。来源:优+

包装和测试
根据众多消息来源，汽车行业出现故障的地方之一是标准塑料或陶瓷包装，这些包装主要是基于成本而选择的。这种情况正在开始改变，特别是当汽车行业开始使用多年来一直是先进半导体设计的一部分的设计工具时。但这也表明，从未涉足汽车领域的芯片公司和汽车供应商和原始设备制造商在专业知识方面仍然存在差距，它们在先进节点芯片设计和制造方面的一些问题上没有经验。

双方都在努力缩小这些差距，在某些情况下，解决方案并不容易消化。

“现在的情况是，我们开始看到集成无源设备等产品在包装环境中进行测试，”该公司首席市场开发经理Joey Tun说国家仪器．“这与过去有很大不同，过去只有处理器或内存。集成被动式通常在放入包装之前进行测试。因此，像电感、电容器和电阻这样的东西都是在晶圆上制造的，并在晶圆水平上进行测试。但你不能在高通量和高容量的晶圆上非常容易地准确测量它们。”

在汽车和工业应用中，这包括偏差、温度不稳定性和阻抗等问题。被动式通常单独测试，但在安全关键应用或恶劣条件下，它们需要在其他应用附近进行测试，以防止机电耦合。这完全在当今测试设备的能力范围内，但它既不快速也不便宜。

在汽车应用中使用10/7nm芯片也使测试更具挑战性。

“考试时间越来越长，”阿德里安关，业务发展经理效果显著．“考验越来越大。在一个给定的区域有更多的晶体管。这需要更高的测试覆盖率，许多测试人员还处于将技术提升到可接受水平的初始阶段。”

据Advantest公司新概念产品计划副总裁Ira Leventhal说，总的来说，它还需要更多的测试来处理更复杂的问题。“这已经变得如此复杂，以至于晶圆排序和最终测试等工作已经不够用了。做高级芯片的公司依赖于系统级测试，所以现在你必须添加系统级测试插入以及与硬件和软件相关的深度学习。你需要足够的自我测试，因为你不能预测一切。对于硬件和软件，你需要进行功能测试，以确保你的开发符合规格。”

为失败做准备
尽管如此，无论原始设备制造商和一级供应商的要求多么严格，某种程度的失败是不可避免的。电子产品磨损的原因有很多。这可能是由于最后一刻的更改导致的设计缺陷，但也可能是由于薄膜中捕获的灰尘颗粒或芯片蚀刻时的气体流动问题造成的。当一个游离的阿尔法粒子击中一个7纳米晶体管时会发生什么，有很多研究。

“我们可以整天依赖统计数据进行生产，但如果有什么不同，那可能是在控制或规格范围内，”公司质量工程经理朱莉·普莱(Julie Ply)说布鲁尔科学．“这就像大海捞针一样。第一步是获取数据。下一步是理解数据的含义。然后你必须把它带回到这个过程中。它是在过程允许的范围内还是在范围之外?”

此外，人们并不总是清楚什么是致命缺陷，什么不是。一些潜在的缺陷可能永远不会导致故障，而另一些不太明显的缺陷在各种环境条件或过度振动下可能发展成更严重的问题，如下图1所示。

图2:潜在缺陷与致命缺陷。来源:解放军的

在努力预防和识别这些影响的同时，也在努力在问题出现时能够处理这些问题。因此，除了使部件更可靠之外，它们还必须更容易更换。

“当你到了电子控制单元开始磨损的时候，这将是一个问题，”杰·拉瑟特(Jay Rathert)说，该公司战略合作高级总监心理契约．“此外，所有的电缆线束都有重量。但如果你能摆脱它，把执行器连接到这些域控制器上，如果它们磨损了，你可以把它们像笔记本电脑一样换掉。最重要的是，软件更简单。”

更复杂的是，不同的技术有不同的参数，可以加速老化。

Delta的Jørgensen说:“温度是一个加速因素。“另一个探索因素是电压。如果一个设备被分配到12伏特工作(通常是汽车电池)，然后它工作在24伏特，那么它就很难在24伏特工作。还有不同的参数，比如湿度，电压，温度，机械冲击，这些都是加速度因子。这样，你就模拟了生命周期。现在问题来了——你能在多大程度上加速它的生命?当然，你想要模拟的是，一辆车的20年寿命。而且你想要做得快，所以通常三个月后就会有结果。如果你想在20年内看到一次失败，你可以计算一下。如果您希望在一个月内看到一次故障，那么需要使用很多组件。 If you want to see one failure in 20 years, you can add let’s say more components and then you get more operational hours. If you want to simulate that one device has a failure in 20 years, you take maybe 1,000 devices and run them for one hour. That is 1,000 operational hours. That’s why you take out more components and make lifetime testing, so that it happens faster, because what you actually want is to demonstrate how many failures you have in number of operational hours. That is called FIT. One failure in 109 hour is defined as one FIT.”

Jørgensen指出，不同的汽车级别有不同的故障时间质量测量方法。“消费者的质量标准可能是100 FIT，而安全关键级的质量标准可能是0.1 FIT。您必须根据设备的分类模拟使用寿命。汽车中也有一些电子设备不是很安全，比如控制电池充电的电子设备。接下来，您可以模拟您的设备达到这些不同的质量水平。要计算不同的加速度因子所产生的影响，可以使用阿仑尼乌斯方程．”

结论
最终，没有人能确定这一切将如何运作。在一辆汽车中有大量的变量，在高级节点设计芯片时也有很多变量，从工艺变化到微小的缺陷。关键是要理解和量化这些变量，然后使用双方积累的所有知识，从而能够预测缺陷并找到致命缺陷。

该公司高级经理Anil Bhalla表示:“随着我们更好地了解缺陷机制，安全关键型应用程序将需要额外的测试。天体电子学．“基于早期试验，业界认为这将会起作用。在更大范围内进行更多试验将支持这项新技术的逐步推广。自动驾驶的经济性激励着整个半导体生态系统在这一过渡期间不断发展。”

在这一点上，似乎还有很长的路要走。