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)新技術大部分得益于電子技術的進步。雖然現(xiàn)在大部分車輛上幾乎沒有什么功能不會受到電子器件的影響，但是電子器件的創(chuàng)新還是具有相當大的潛力，尤其是在駕乘舒適性和安全應用方面。據預測，電子器件對典型汽車的貢獻值將會繼續(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用數(shù)量的穩(wěn)步增長，以及，最重要的是，這些單元和應用的網絡化程度的不斷提高，從而使得系統(tǒng)級和車輛級的復雜度將不斷加大。

電子系統(tǒng)的日益復雜

　　隨著汽車電子系統(tǒng)的日益普及和日漸復雜，由電子器件造成的故障風險將明顯增加。根據德國汽車組織——德國汽車俱樂部 (ADAC) 2005年所做的一項調查，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、功率半導體以及其它半導體產品的缺陷引發(fā)的故障(其中由電池引起的故障最多)，從統(tǒng)計角度而言占車輛故障總數(shù)的比例幾乎可以忽略不計，但是半導體行業(yè)，作為汽車產業(yè)鏈中的第一個環(huán)節(jié)，仍然對車輛質量和可靠性負有特定的責任。半導體行業(yè)已經設法大大降低了芯片的缺陷率，但仍然需要進一步的改進——其目標缺陷率必須低于百萬分之一。每輛汽車中都有50個左右的電子控制單元，每個單元由大約300個電子元件組成，百萬分之一的缺陷率仍然相當于每一百萬部車輛上有15,000個潛在故障(雖然，實際上，一些電子元件導致的故障可以由系統(tǒng)制造商的冗余設計所避免)。

卓越汽車產品(Automotive Excellence)計劃

　　歸根結底，我們的目標是：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。英飛凌的長期計劃，如Automotive Excellence計劃，對生產流程及其管理進行了系統(tǒng)化的改進，有助于將半導體產品的質量提高到必要的水平(圖 1)。Automotive Excellence 計劃明確了四個主要方面：產品、生產、人員和流程，并且制定了非常遠大的目標。該計劃的目標是要將每一百萬顆芯片的故障率降低到零。本文將探討如何從生產和人員兩個層面入手，來實現(xiàn)這一目標。

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

　　生產和資質是流程鏈中的兩個環(huán)節(jié)，流程鏈從面向客戶的產品規(guī)范和開發(fā)開始，一直到最重要的最終測試和物流階段。平均而言，生產一枚芯片涉及400個步驟(圖 2)。較大的缺陷以及那些在整個系統(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。芯片要用幾個星期的時間檢查整個生產過程，糾正問題并從中汲取教訓，因此這是一個相當費力的過程。英飛凌已經引入了貫穿整個流程鏈的綜合性測試和補救措施，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 生產芯片的晶圓廠的無塵車間。平均而言，生產一枚芯片需要400個
步驟，從生產的第一步開始到最終的測試階段大約歷時三個月時間

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

英飛凌還在產品設計的起步階段，就開始模擬產品在實際應用中的使用情況。主要客戶密切參與產品技術設計階段。對故障源頭及其隱藏的危害進行分析和評估，并據此進行相應的開發(fā)。在這個過程中，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、生產過程中預期的效應，以及在實際應用環(huán)境中的預期影響等。

評估風險

　　產品開發(fā)流程也會根據汽車電子器件的質量要求的提高進行修改。英飛凌已經設立了一個設計變更控制工作組，其任務包括對在產品規(guī)范已經完成后進行修改會有哪些潛在的風險進行評估。英飛凌還設立了一個設計驗證工作組，它獨立于開發(fā)小組，主要任務是驗證產品設計是否符合產品規(guī)范。

　　風險評估也是其它流程步驟的一項關鍵工作。故障模式和效應分析是一種基于工具的風險分析方法，貫穿整個階段。對于芯片設計、生產與封裝，以及芯片面向的應用，都要進行潛在的風險分析，對發(fā)現(xiàn)的風險進行評估，然后采取相應措施來降低風險。

　　規(guī)定批次、晶圓和產品級的殘次品比率也有助于確保質量水準(圖 3)。英飛凌對所有產品進行檢驗，淘汰那些異常的批次。這種方法一開始可能會使成本增加，但事實并非如此：一旦某批材料被淘汰，就會實施補救措施，而實際獲得的好處，要超過這一措施一開始對產量造成的負面影響。

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。
根據晶圓的尺寸以及集成電路的復雜度—一個晶圓可同時生產100至2,000多枚芯片