汽車電子系統的可靠性

最近幾十年來，汽車行業的諸多創新技術大部分得益于電子技術的進步。雖然現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提高，由現在的20%左右增加至2030年的近40%。隨著電子控制單元和應用數量的穩步增長，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，從而使得系統級和車輛級的復雜度將不斷加大。

電子系統的日益復雜

　　隨著汽車電子系統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的故障(其中由電池引起的故障最多)，從統計角度而言占車輛故障總數的比例幾乎可以忽略不計，但是半導體行業，作為汽車產業鏈中的第一個環節，仍然對車輛質量和可靠性負有特定的責任。半導體行業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節，流程鏈從面向客戶的產品規范和開發開始，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組裝完畢之后才出現的缺陷，只能在制成品的最終測試中才能被發現，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(甚至在規范制訂和開發階段)發現缺陷。

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。盡可能早在產品規范制訂階段就完整、系統地記錄對產品的所有要求。這些要求在產品開發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。在這個過程中，英飛凌采用了系統化的方式，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，以及在實際應用環境中的預期影響等。

評估風險

　　產品開發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，它獨立于開發小組，主要任務是驗證產品設計是否符合產品規范。

　　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，對發現的風險進行評估，然后采取相應措施來降低風險。

　　規定批次、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