OSAT視角：汽車半導體市場及其制造所面臨的挑戰

汽車保修索賠中的半導體問題

目前一輛汽車每年保修成本中約有4%與半導體產品有關^[3]。考慮到如今汽車中的半導體產品數量不斷增加，這一比例不足為奇。在這4%與半導體相關的故障中，超過50%與封裝和最終測試有關。圖8顯示了半導體故障的分類。因此，對于包括OSATS在內的汽車供應鏈而言，持續提高質量以實現“零缺陷”的壓力無處不在。

圖 8：半導體器件在制造工藝中的質保缺陷分類^[3]。

OSAT在封裝和測試中面臨的挑戰

表3比較了汽車電子器件和消費類產品在一些關鍵高級需求之間的差異。對業務產生重大影響的一些關鍵差異是認證時間過長，導致需要約24至48個月才能開始生產。

表3：汽車與消費半導體裝配和測試業務之間的關鍵高級差異。

資質與可靠性。封裝是汽車半導體產品質量的一個重要組成部分。最佳的產品開發過程要求IDM在早期開發階段與OSATS接觸，以確保產生正確的設備封裝相互作用。這就需要OSATS在IDM調整其設備設計或制程時運行幾組可靠性測試。

此外，特別是對于傳感器設備，OSATS可能必須運行多組封裝設計和材料試驗設計（DOE）測試，以便對封裝設備的相互作用進行微調。例如，對于MEMS傳感器尤為如此。對于新的封裝和工序開發，需要遵循產品質量先期策劃（APQP）。其本質上是一種階段關口開發方法，設計目的是充分捕捉和解決開發周期中出現或可能出現的任何問題。

此外，在整個開發過程中需要建立、處理和更新設計與工序的失效模式和效果分析（FMEA）。

與用于消費類產品的標準鑒定程序相比，用于汽車封裝的AEC-Q100規范更加嚴格。

表4總結了消費類產品與汽車電子器件資質要求之間的一些基本區別。

表4：汽車與消費類產品資質鑒定方法之間的區別

根據Tech Search International關于汽車半導體封裝的報告，AEC-Q100根據所接觸的操作溫度范圍將汽車電子器件分為0至4的四個等級。零級是最高級別，需要進行最嚴格的可靠性測試。每一項可靠性測試以及汽車電子器件的樣本量和CpK都要求采用更高的標準。

表5總結了用于各種汽車等級可靠性試驗中的兩項重要測試，即溫度循環（TC）和高溫貯存（HTS）試驗。

表5：用于汽車電子器件資質鑒定的溫度循環和高溫貯存壽命可靠性測試條件。來源：TechSearch International

同樣，這些測試也顯示出對汽車電子器件的嚴格要求。圖9顯示了汽車等級產品要求的示例，這些要求取決于產品的應用領域和具體用途。例如，在更惡劣條件下運行的動力總成模塊需要達到1級或0級，而汽車儀表板涉及的組件則需要達到3級。

	DIS	3級和2級	40℃至+105℃
	底盤和安全	1級	-40℃至+125℃
	ADAS
	車身
	動力系統	1級和0級	-40℃至+150℃

圖9：基于應用領域的汽車半導體產品不同等級示例。來源：TechSearch International

核準至量產。一旦汽車電子器件完全合格，在開始大規模生產之前，需要大量與產品設計和資質鑒定相關的各種文件。美國汽車工業行動小組（AIGA）創建了這個文件程序，既生產件批準程序，簡稱PPAP。PPAP用于確保制造商和供應商在大規模量產之前和期間能夠就生產設計和流程進行溝通和核準。

PPAP文件通常不要求由OSATS提交，但需要由IDM提供給一級供應商。

然而，越來越多的汽車制造商要求OSATS提供封裝和測試數據。

數據集的內容比較廣泛，因此有必要對PPAP流程有一個簡短的基本了解。文件要求在整個封裝開發和資質鑒定過程中跟蹤和記錄某些數據。

表6總結了完整的汽車PPAP檢查單^[4]。 在資質鑒定和核準過程的不同階段，需要提交五個不同級別的PPAP文件和數據。重點是要確保所有項目都記錄在案，特別是設計或工序中的任何更改。如前所述，需要進行設計和工序方面失效模式和效果分析（FMEA），但對于生產非汽車電子器件的OSATS來說，這未必是標準做法。

表6：AIAG用于汽車電子器件PPAP程序的檢查單^[4]。

用于大多數汽車電子器件的晶圓揀選測試和最終測試都需要在三種溫度條件下進行，即室溫、低溫（達到-40℃）和高溫（達到150℃）。這種操作需要能夠推動晶圓制造資本支出的特殊處理人員。此外，許多IDM需要對晶圓揀選采用零件平均測試（PAT）法，以實現零缺陷的目標。PAT的目的是檢測晶圓內的離群值。PAT能捕捉到晶圓中每一個超出嚴格西格瑪限制的裸片。圖13顯示了對晶圓采用零件平均測試（PAT）法的統計箱限制示例。此外，一些汽車電子器件客戶還要求提供預燒測試服務（以消除早期失效）。這時面臨的任務就是由此產生的預燒基礎設施（預燒爐和預燒板）資本支出。由于汽車電子器件都具有使用壽命長的特點，因此投資回報通常不成問題。

物流與資源。如表4所述，汽車電子器件用戶的需求與大多數OSATS所熟悉的傳統應用領域有很大不同。因為汽車生產線要求每一套設備都符合質量標準，這就會使規劃過程缺少靈活性。OSATS越來越多地使用“指定”流水線方法來代替“專用”流水線來制造汽車電子器件。“指定”流水線方法能夠在每道工序都獲得多套合格設備，從而確保汽車電子器件的加載靈活性。

所有這些做法都是為了開發一個以生產更高質量產品為目標的六西格瑪程序。來自這些開發過程的相關文檔構成了PPAP文件的一部分。圖10展示了PPAP所要求的汽車電子器件開發所有關鍵環節之間的聯系。如今，大多數OSATS并不熟悉PPAP過程，因為它與汽車電子器件封裝和測試開發相關。OSATS的關鍵是要與IDM密切合作，以確保從項目一開始就清楚地了解需要做什么以滿足PPAP的要求。否則，如果在大規模生產之前沒有準備所需的文件，OSATS會發現自己處于PPAP的“噩夢”之中。

圖10： PPAP程序所要求的汽車電子器件開發所有關鍵環節之間的聯系 ^[4]。

大規模量產。如圖11所示，汽車電子器件和標準產品之間的封裝和測試制造流程有很大不同。汽車電子器件流程需要額外的工藝步驟，如等離子清洗，額外的檢查步驟以及溫控測試。一旦投入生產，運營團隊需要保持警惕，以確保在封裝工序整個周期中的質量穩定。 

生產運營團隊將需要確保在封裝和資質鑒定測試中最終確定的所有工藝參數都已鎖定，且未經允許不得更改。這將意味著以數字化方式降低了意外改變每件制造設備任何工藝參數的可能性。除此之外，汽車電子器件客戶要求持續改進以將缺陷降低為零。這通常需要生產汽車電子器件的操作人員具有更高的技能水平。例如，我們會使用經過特殊認證的操作人員來應對汽車電子器件封裝和測試過程。許可汽車電子器件還需要通過可靠性監測程序（RMP）來確保在持續生產的基礎上達到質量目標。圖12顯示了一個典型的RMP流程。RMP允許在加速條件下監控關鍵晶圓制造和封裝過程的可靠性。對任何失效進行驗證和分析，并利用失效分析結果建立糾正措施，消除未來生產批次的失效機制。

 OSATS需要采用“整理、整頓、清掃、清潔、修養”的5S（sort, set, shine, standardize, sustain）方法對產品質量始終保持警惕，就產品變更通知（PCN）的核準流程達成一致。

圖11：汽車電子器件和標準產品（非汽車）封裝工序工藝流程對比。

總結

參與汽車電子器件封裝和測試業務的市場競爭并非易事，也面臨著不少挑戰。不同于其通常提供的標準封裝和測試服務，如何滿足一整套存在差異的嚴格需求，對OSATS來說無疑是一項挑戰。汽車半導體產品的較長資質認證周期和明顯較長的獲利時效有時會成為許多OSATS進入這一市場的阻礙。如今，那些試圖打入市場的OSATS可能會發現自己已經落后于競爭對手很多年，而后者多年來已經將自身打造成汽車電子器件級供應商。

并保證提供十年以上的持續服務和數據保存。此外，任何質量偏差都需要堅持不懈地采用“8原則”（8D）等問題解決方法以及故障樹分析法（FTA）等科學規范的故障分析方法進行糾正。 汽車電子器件客戶對任何質量偏差都要求給予快速響應。為確保汽車電子器件開發和制造所需的支持水平，OSATS在研發、運營、供應鏈，當然還有質量等所有關鍵職能都將需要經過培訓的人力資源。

最后需要注意的是，頂級汽車電子器件客戶經常要求在他們的服務協議中加入更嚴格的保修條款。如果出現這種情況，OSATS需要仔細權衡這種保修索賠條款的潛在影響。

成本管理。最終，按照IDM和一級供應商的預期管理降低成本是一項嚴峻挑戰。一些一級供應商預期每季度價格環比下降5%，而每年價格環比降低5%已經變得相當普遍。降低汽車電子器件成本的最大挑戰是，客戶不允許在沒有產品變更通知（PCN）的情況下進行任何更改，而在對變更（工序或物料清單[BOM]）進行資質認證后，這一過程還需要18至30個月時間。對于消費者，甚至工業封裝和測試應用領域，主要是通過工序簡化和整合來實現成本降低，同時在保持相同質量的同時采用降低成本的物料清單（BOM）。

 然而，對于沒有長期資質和產品變更通知（PCN）周期的汽車電子器件而言，這是不可能做到的。另一方面，汽車電子器件客戶在多數情況下都希望OSATS引入新的過程控制步驟（而不是最初商定的那些步驟），這會產生額外成本。 但是大多數IDM和一級供應商都不愿意相應地調整價格。這使得每年降低成本變得更加困難。一些關鍵工序的自動化，如外觀檢測和X光檢測，不僅可以降低成本，還通過減少人工操作提高了產品質量。

雖然可能聽起來是老生常談，但成功的OSAT都需要確保對最終制造工藝流程、BOM以及詳細分析了各種汽車電子器件財務模型的報價請求（RFQ）進行前期盡職調查。從RFQ流程一開始就商定降價路線圖和實現成本削減的途徑對雙方都有好處。在資質認定過程中，針對潛在的工藝流程和BOM更改在各種假設場景中進行評估，同時充分理解降價路線圖并運行相應的成本模型，這樣就可以為可能實現的業務成果提供深刻見解和商業信息。

 汽車電子器件封裝的設計、認證和推出花費了許多寶貴的工程開發時間和資源。通過多年辛苦工作和努力，可能需要長達四年時間才能取得實際收入。然而，一旦取得資質認證并成功進入汽車產品市場，回報將是持續超過十年的穩定收入。在其他行業不斷波動的情況下，這無疑能為企業提供良好保護。

圖12：汽車電子器件在大批量生產過程中的批量允收可靠性測試。

鳴謝

作者感謝來自Prismark的Brandon Prior、TechSearch International的Jan Vardaman、UTAC新加坡的Carol Chiang、UTAC美國的Lee Smith以及UTAC泰國的Somchai Nondhasitthichai對一些數據和圖表所做的重要貢獻。

圖13：該圖顯示了零件平均測試（PAT）如何檢測晶圓內的異常值。

參考文獻

1.   英飛凌（Infineon）2019財年第一季度季報第35頁；https:// www.infineon.com/dgdl/2019-02- 05+Q1+FY19+Investor+Presentati on.pdf?fileId=5546d4616885f5c501 68b9b983120016

2.   《汽車電子器件封裝市場趨勢》（Trends in Automotive Packaging）2018年（節選）；Yole Développement。

3.   “汽車電子器件封裝的新前沿”（New Frontiers in Automotive Electronics Packaging），TechSearch International，2018年

4.   生產件批準程序（PPAP）；第四版；2006年3月。