车规芯片需求与日俱增,可靠性如何保证?

作为汽车智能化、网联化和电气化变革的关键支撑,芯片由于在智能汽车信息的收集和处理等环节具有不可替代的作用,目前在车内的应用正越来越广泛。根据Gartner的分析数据,2018年单辆汽车中的半导体价值约为400美元,预计到2024年无人驾驶汽车普及时,单车半导体的价值将超过1000美元。

然而,由于汽车电子本身使用环境较为复杂,一旦失效可能引发严重后果,要研发一款真正符合需求的车规芯片并不容易,往往需要进行各种严苛的测试及标准验证。作为国内领先的AEC实体化第三方实验室,苏试宜特及苏试集团多年来就一直致力于车规级模块、芯片可靠度标准与验证分析,迄今为止已累积超过8年的车规验证经验,服务国内将近40家客户,超过60个成功案例, 俨然成了本土汽车芯片企业踏进车用领域最重要的赋能者之一。

自动驾驶芯片需求激增,可靠性是第一要素

在自动驾驶从低阶的辅助驾驶向高阶的无人驾驶快速演进过程中,芯片作为一项关键的技术,正发挥着越来越大的作用。

纵观一套完整的自动驾驶系统,从先进感知系统进行数据收集,到车载计算平台在行驶过程中对传感器收集来的数据进行实时处理,再到将分析得出的结果快速传输至对应的执行机构,甚至还包括车与云端的互联,每一个环节都离不开先进芯片的支持。不仅如此,在新的“软件定义汽车”趋势下,芯片还是支撑下一代智能汽车软件架构开发,同时使硬件功能和性能得以最大化的关键技术,对于汽车产业迈向智能化未来具有重要战略意义。

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智能汽车催生大量芯片需求,图片来源:苏试宜特

故而当前除传统芯片企业,越来越多的整车厂和零部件企业纷纷开始将汽车芯片当做布局重点。与此同时,以地平线、黑芝麻智能、芯驰科技等为代表的新兴初创企业也在借道智能驾驶积极谋局“汽车芯”,以更好地参与汽车智能化变革。

“而大量先进芯片上车,势必将冲击传统汽车对可靠度的要求。”在近日由盖世汽车主办的“2021中国汽车半导体产业大会”上,苏试宜特汽车事业处资深经理陈韦良如是说。“这种趋势现在已经很明显了。如今整车厂和Teir1在选择芯片产品的时候,已经不再像以前那样首先考虑低功耗与性能,而是把可靠性放在了第一位,即可靠性 > 性能 > 低功耗。对于自动驾驶芯片而言,可靠性甚至已经成了建立车厂信心的第一要素。”

如前面所说,芯片在车内的应用越广泛,驱动的核心系统越多,对芯片相应的安全性和可靠性要求也会越高。由于汽车电子的使用环境复杂多变,在整个生命周期内会经历不同的温度、湿度环境,以及集成电路本身的电磁干扰,还有驾驶过程中的振动甚至撞击,一旦出现故障,十分危险。“车辆高速运行下,哪怕几个毫秒的资料断链,就很可怕”。陈韦良进一步指出。

因此汽车芯片在真正投入量产前,往往要经过一系列严格的测试验证,以保证产品的可靠性,达到车规要求。目前,业界常用的芯片车规认证标准有功能安全标准ISO 26262:2018、质量管理体系认证IATF16949、可靠性标准AEC-Q系列等。

其中ISO 26262是芯片企业从IC设计之初就应该遵循的标准。其中涵盖了芯片全生命周期的功能安全要求,包括安全需求规划、设计、实施、集成、验证、确认和配置等,可从安全架构设计、安全度量计算以及功能安全验证和确认等多个方面给芯片企业提供参考。虽然该标准并非全球强制性标准,但没有通过ISO 26262认证的产品或厂商,基本很难获得OEM、Tier1的认可,因此可谓汽车供应链厂商的“准入门票”。

IATF 16949则主要是对生产环节进行认证,是芯片从流片到规模化生产都必须遵循的质量管理体系。诸如晶圆厂和封测厂,只有获得该质量体系的认证,才能进入国内外汽车厂商的供应链。

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AEC-Q认证系列标准,图片来源:苏试宜特

而AEC-Q认证更多着眼于元器件产品本身,其中详细规定了一系列的汽车电子可靠性测试及认证标准,包括AEC-Q100 集成电路IC测试标准、AEC-Q101离散原件标准、AEC-Q102发光源器件标准、AEC-Q103 MEMS传感器标准、 AEC-Q104多芯片组件标准、AEC-Q200被动原件标准。

“另外,AEC-Q还有一个附属规范——Zero Defect(零缺陷),其中定义了怎么透过失效分析、FMEA及8DReport来达到接近‘零缺陷’的目标。” 陈韦良进一步补充道。

立足AEC验证,苏试宜特全生命周期为芯片安全护航

汽车芯片的高标准、严要求,注定了要打造一款真正的车规芯片并非易事。多重质量要求下,汽车芯片不仅在常规可靠性参数上比传统工业级和消费级产品标准更高,同时还有一些针对汽车复杂使用环境的特殊要求。“比如在性能方面,由于自动驾驶汽车本身的复杂性和较长的生命周期,使得汽车芯片的算力也越来越高,使用寿命更长。” 陈韦良表示。

正因为如此,直到现在自主车规芯片的规模依旧十分有限。据相关统计数据显示,2010年的时候,国内能提供车规芯片的企业大约只有几家,到2020年增加到了40家,截至今年6月底,相关企业数量进一步增至70家,准车规芯片种类达到了250种。 即便如此,依旧无法满足自动驾驶的迅猛发展需求。

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苏试宜特三位一体工程验证平台,图片来源:苏试宜特

为助力本土企业快速打造符合市场需要的车规芯片,苏试宜特自成立就致力于车规级模块、芯片之可靠度标准与验证分析需求,包括车用ECU的各类自然环境与机械动力环境之环境与可靠性试验,电磁兼容试验,车载芯片可靠性、寿命试验等。为此,苏试宜特专门建立了涵盖集成电路可靠度验证、失效分析和晶圆材料分析的三位一体工程验证平台,从芯片设计到晶圆制造,再到封装,均可为相关客户提供集成电路全方位一站式分析与验证技术服务。

发展到现在,苏试宜特拥有自主专利近百件,服务能力覆盖日本车厂已广泛应用的三自由度震动加温度、湿度、高地模拟复合环境试验项目,以及美系车厂广泛应用的高加速寿命试验与量产可靠性应力筛选服务等(HALT/HASA/HASS),服务客户已达1800家,其中AEC客户将近40家,很好地实现了AEC验证的自主可控。  

其中早在2016年,苏试宜特就协助国内首颗北斗芯片转车规级通过完整AEC可靠性验证,2018年又协助完成了国内首颗GNSS-射频基带芯片通过车规级AEC可靠性验证,2020年,先后协助国内首颗IEEE100 BaseT1标准物理层芯片和AI芯片完整通过完整AEC验证。

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AEC-Q100质量鉴定测试方法,图片来源:苏试宜特

特别值得一提的是AI芯片,作为自主芯片突围的重要赛道之一,已经成了本土企业布局的重点。但AI芯片毕竟是智能驾驶快速发展下的新兴产物,很多设计理念和技术都十分先进,如何确保这些先进的产品设计能够满足整车量产要求,获得车规认证,是亟待解决的问题。对此,苏试宜特藉由过去多年深耕汽车电子积累的经验,与众多AI芯片企业建立了良好的合作关系,助力自主AI芯片快速量产上车。

苏试宜特在汽车芯片可靠性验证方面的服务能力也获得了行业的一致认可。2020年,苏试宜特在智能联网汽车论坛上还获得了最佳AEC车规芯片验证检测技术奖,充分显示了业界对其全方位一站式集成电路分析与验证技术的肯定,也为苏试宜特未来进一步发力车载芯片可靠性验证提供了信心。

在陈韦良看来,芯片要想实现较高的可靠性,没有捷径可走,必须依赖可靠度验证,来提供一系列产品生产和工程验证相关的信息。即便在投入量产市场后,也必须凭借Production Monitoring & DPA持续保证芯片的高品质。

“所以这就要求企业的整体思维必须改变,而且必须是从上到下,秉持着Quality & Reliability First。”谈及对其他企业的建议,陈韦良总结道。

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