汽车电子嵌入式系统设计(7)零缺陷的汽车等级元件

汽車零件首重品質

一台汽車是由許許多的零件組成，這些零件雖然有大有小，但由汽車的行駛與生命安全息息相關，因此每個零件都被要求能達到最高的品質與可靠性，甚至能做到零缺陷（Zero Defect）的理想境界。在汽車產業中，汽車零件品質管控的重要性往往凌駕於零件的功能特性，這與消費性電子的需求就形成很大的對比。也就是說，對於汽車零件而言，產品的最大推動力往往不是「先進技術」，而是「品質水準」。

為了達到對品質要求的提升，就得靠一系列的嚴格管控程序來把關。目前汽車產業中已發展出幾個重要的品質管理系統與相關規範，包括由汽車電子設備委員會（Automotive Electronics Council，AEC）所提出的各項規範，以及QS-9000和TS 16949等。此外，元件供應商也會基於這些規範提出自己的一套管控作法，如ST的汽車等級認證（Automotive Grade Qualification）。本文將介紹這些管理方法的重要內容。

AEC系列規範

汽車電子委員會（AEC）在一開始時是由克萊斯勒、福特和通用汽車 / Delco Electronics所共同成立，目的是要建立通用零件資格及品質系統標準，一方面除了控制品質外，也推動汽車電子零件的通用性，以加速此市場的成長。只要是符合AEC規範的零件，就意味著可同時被上述三家車廠所採用，這也讓零件製造商更願意交換其產品特性資料。

AEC的第一個標準是專門用於晶片應力測試（Stress Test）的認證規範：

AEC-Q100，在此文件的開發過程中，重要的晶片供應商都有機會提出他們的意見。AEC-Q100首次發表於1994年6月，經過十多年的發展後，AEC-Q100已成為汽車電子系統的通用標準，只要被認定為符合此規範要求的電子元件，就被接受是適用於使用環境複雜的汽車應用當中，具備高品質與可靠性的產品。這些元件不需再反覆進行循環式的認證測試，因而能更快速的滿足汽車市場的採購需求。

在AEC-Q100之後，該組織又陸續制定了針對離散元件的AEC-Q101和針對被動元件的AEC-Q200等規範，以及AEC-Q001/Q002/Q003/Q004等指導原則（Guideline）。以下介紹其中幾項重要規範：

■AEC-Q100

AEC-Q100標準代表了許多汽車製造業者以及供應商對於產品安全的要求。此標準的最大目標是降低產品的不良率，其條文中詳細規範了對於IC晶片的各項規定，以預防各種可能的狀況，或潛在的失誤機會，並引導供應商在開發過程中生

產出符合此規範的元件。對晶片供應商來說，符合此標準不論是對產品尺寸、良率或成本控制，都是很大的挑戰。

AEC-Q100會對每一個申請的個案進行嚴格的品質與可靠度確認動作，也就是確認製造商所提出的產品資料表、使用目的、功能說明等資料是否符合當初所宣稱的功能（即品質），以及在多次使用後是否能始終如一（也就是可靠度）。在測試方法上，此標準詳細規定了一系列的測試，同時定義了應力測試驅動型認證的最低要求以及IC認證的參考測試條件。這些測試包括以下幾大類：

‧測試群組A：環境壓力加速測試（Accelerated Environment Stress）

‧測試群組B：使用壽命模擬測試（Accelerated Lifetime Simulation）

‧測試群組C：封裝組裝整合測試（Package Assembly Integrity）

‧測試群組D：晶片晶圓可靠度測試（Die Fabrication Reliability）

‧測試群組E：電氣特性確認測試（Electrical Verification）

‧測試群組F：瑕疵篩選監控測試（Defect Screening）

‧測試群組G：封裝凹陷整合測試（Cavity Package Integrity）

此外，AEC-Q100又分為不同的產品等級，其中第一級標準的工作溫度範圍是在-40℃至125℃之間，而最嚴格的第0級標準，其工作溫度範圍便可達到-40℃至150℃。為了達到汽車電子對工作溫度、耐久性與可靠度的高標準要求，元件供應商必須採用更先進的技術、更嚴苛的測試程序來達成最佳化的設計。

■AEC-Q001

半導體產業不斷在追求零缺陷的目標，汽車產業更是如此。透過降低半導體元件的缺陷率（defect per million，DPM），能夠有效降低電子元件失常所導致的責任問題，也進一步提升汽車駕駛的安全性。在一些關鍵元件中，供應商甚至將缺陷率由一般常用的百萬分之一（parts per million，ppm）單位，提升到每十億分之一（parts per billion，ppb）單位，也就是每生產十億個元件才可能出現瑕疵品。

在AEC-Q001規範中即提出所謂的參數零件平均測試（Parametric Part Average Testing，PPAT）方法，用來將異常元件從所有的元件當中剔除掉，進而能從供應商的階段來改善元件的品質和可靠性。PPAT是用來檢測外緣（outliers）半導體元件異常特性的統計方法，在測試限制外的裸晶就會被刪除，即使這些裸晶能符合特性要求也是一樣，也避免潛在的風險。

圖一 PPAT示意圖

PPAT又可分為靜態PAT（Static PAT）、動態PAT（Dynamic PAT）和地域性PAT （Geographic PAT），AEC-Q001只要求做到靜態PAT，不過，有些元件供應商為了達到更高的品質，會自發性地提高認定標準，例如ST的汽車等級認證要求同時做到靜態、動態及地域性PAT標準。所謂的地域性PAT，即是為所有在晶圓上的裸晶加入鄰近性權重（Proximity weighting），如此一來，一些被不良裸晶包圍或鄰近的良好裸晶，也可能會被移除。此外，ST的地域性PAT還採用可重覆性類型偵測（Repeatable pattern detection）和混合式分析（Composite Analysis）來提升品質的管控。