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。

圖二 GPAT示意圖

■AEC-Q002

AEC-Q002是統計式良率分析的指導原則，它為元件製造商提供使用統計技巧來檢測和移除異常晶片元件的方法，讓製造商能在晶圓及裸晶的階段就及早發現錯誤，並將之剔除。AEC-Q002的統計性良率分析（Statistical yield analysis，SYA）又分為統計性良率限制（Statistical Yield Limit，SYL）和統計箱限制（Statistical Bin Limit，SBL）兩種。以SBL來說，它在電性晶圓測試（eletrical wafer sort，EWS）的階段在BIN上放置特殊的監控功能，各個區域會被取樣和分析。

圖三 SBL示意圖

這些方法透過對關鍵性測試參數/bin的量測來建立一套分析和控制生產變數的系統，可用來檢測出異常的材料區域，保證最終產品的品質和可靠性。所有新元件或技術，在其製造程序前後的不同地方，都可進行這些統計分析。也能在晶圓測試（wafer probe）及封裝最後測試的階段中，被用來進行電子參數測試。

■AEC-Q003

在開發新的晶片或對現有的晶片進行調整時，產品及製程的特性表現相當重要。對於元件、製程資料的收集與分析是為了了解此元件與製程的屬性、表現和限制。AEC-Q003即是針對晶片產品的電性表現所提出的特性化（characterization）指導原則，它用來產生產品、製程或封裝的規格與資料表。其目的是要檢查這些元件或設備的溫度、電壓、頻率等參數特性表現。

不論是位於製程邊緣所產生的特性化零件，或特別選出的極端參數值，都可以被應用來決定何處是敏感性的製程範圍，供應商可以改變或嚴格處理這部分的製程，或在測試階段將這部分的產品移除。當新的元件中涉及新設計技術及製程時，就會在晶圓測試或最後測試階段進行特性化的操作。透過決定出電性及製程參數和表現的限制，可以建立此產品的功能與參數表現特性，供應商也就能知道何處是能被妥善控制的製程區域（sweet spot）。

■AEC-Q004

這是一套零缺陷指導原則，定義出晶片供應商或用戶如何在產品的生命週期中，使用一些工具和製程來達成零缺陷的目標。不同的應用模式會需要不同的工具或生產方法，在此指導原則中有提出建議的作法。也就是說它並不是強制性的規範，而是提出用來降低缺陷的工具和方法。目前AEC-Q004仍是在草案階段，但即將推出正式版本。

AEC-Q004提出一系列的流程步驟，包括元件設計、製造、測試和使用，以及在這流程的各個階段中，適合採用何程零缺陷的工具或方法。這些方法涵蓋上述AEC的各種文件標準，以及廣泛的應用如JEDEC或AIAG等來自業界的品質控制技術或管理系統。當零件或製程已經最佳化，而且在經過一段時間後被證實相當成熟了，此時只需用較少的工具就能改善或維持品質和可靠性。

QS 9000/TS 16949規範

除了AEC定義的相關規範外，全球汽車電子業者必須重視的規範還包括QS 9000和TS 16949的品質管理系統認證。QS 9000由克萊斯勒，福特和通用汽車公司共同開發，最早發表於1994年，它是汽車供應商生產零件、材料和提供服務的基本品質管理系統，不過已在2006年12月15日被淘汰，取而代之的是由國際汽車專業組織（Internation Automotive Task Force，IATF）所制定與推行的ISO/TS 16949汽車產業驗證標準。

圖四 汽車產業驗證標準的演進

相較於QS 9000是基於ISO 9001：1994，TS16949標準則是以ISO 9001: 2000為基礎條文的汽車應用版本。此一汽車行業品質系統管理標準以客戶導向為主軸，並制定各項績效指標，讓管理者能找出異常點並執行改善動作。此一系統運作架構能強力推動組織持續改進，以保持領先同業的競爭力。

目前包括通用（GM）、福特（Ford）、克萊斯納（Daimler Chrysler）、標緻（Peugeot）、Renault、BMW、Nissan、Fiat、Volkswagen等世界級的車廠，都強制規定其供應

商之品質管理系統需符合TS 16949之要求，並要求擴展至2-3階之供應商。

在QS 9000與TS 16949規範當中，有一個相當受到重視的作法，就是生產零件批准程序（Production Parts Approval Process，PPAP）。此程序是用來確定供應商在零件實際量產的過程中，是否已經正確理解了顧客工程設計記錄和規格裏的所有要求，並評估是否具有能持續滿足這些要求的潛在能力。也就是要保證買方的品質風險。

PPAP要求用於汽車供應鏈中的所有零件皆須擁有詳細清楚的文檔資料，並在PPAP的文件中列出了晶片製造商需要採取的生產品質程序。這些文件能夠支援客戶的生產批准程序以及相關的危險評估。

高標準的汽車等級認證

由於汽車電子所要求的品質遠高於其他領域，因此需要發展出更可靠的量產技術，而這套技術也能用來提高消費性等其他應用領域的產品品質。為了達到此一生產目標，晶片供應商無不積極提升量產控管的技術與管理系統，例如ST即提出汽車等級認證（Automotive Grade Qualification）的內部嚴格規範。

這些汽車等級的產品必須符合AEC的各項規範，尤其是AEC-Q100、AEC-Q101、AEC-Q001/Q002/Q003等，同時也要滿足PPAP的要求程序。也就是必須堅守嚴格定義的設計、特性及製造程序，並具備專屬的產品識別，為客戶提供完整的文件和產品包裝等。因此，這些汽車等級的產品與其他類型的產品就產生了明顯的區分。

除了滿足上述的AEC及品質管理系統規範外，ST還發展出一些嚴格管控的作法，例如在製程中採用特殊的篩選（screening）和測試方法，以及專屬的高可靠性認證流程（High Reliability Certified Flow，HRCF）測試程式。

■產品篩選方法

ST為汽車等級認證導入了改良式的應力測試（stress testing）和篩選方法（screening method），並使用篩選結果來做為產品改善的方向，其目標就是要生產出零缺陷的汽車電子元件。在標準製程測試中被認為是好的產品，在汽車應用的某些特定狀況下卻可能存在故障的潛在危機。透過這種產品篩選方法，能夠做更進一步的嚴格篩選。

嚴格的測試把關往往意味著需要花掉更多的時間，產品才能上市。為了能在最短時間內通過這些測試，必須採用一些有效的方法，例如產品家族資料

（product-family data）最大化和技術依存性（technology dependent）的作法。由於AEC-Q100所定義的合格標準，是以產品家族為認定的對象，因此在使用相同

製程、相同材料的所有產品當中，只要有其中一個成員通過了，其他家族成員也連帶一起算是合格通過，這就是所謂的產品家族最大化原則。

所謂的技術依存性，則是以製程標準為審核對象，只要是採用已經合格的製程標準所生產的新產品，代表其合格的機會就非常的高。

■HRCF測試程式

高可靠性認證流程（HRCF）測試程式是ST針對汽車用EEPROM和快閃記憶體所開發的專屬性生產流程，這些產品往往需要滿足極嚴苛的生產良率以及可靠性需求。這項測試流程結合了統計箱限制（SBL）與零件平均測試（PAT）等統計工具，能夠篩選出晶圓和裸晶上的早期故障和離群點，達到汽車的零ppm缺陷率的可靠性目標。

HRCF在生產、測試及品質保證接受性流程中導入了額外的模組，以保證產品可操作在-40℃～125℃的汽車溫度範圍內。在生產模組中，EEPROM的裸晶必須要能在供應電壓上升的環境中做到3000次的抹/寫循環。在裸晶測試時，還得通過24小時在250°C下的高溫烘烤，而且在接下來的一秒鐘的電性測試中還完全不能出錯。最後測試的模組包括在130°C及室溫下的溫度循環和電性測試。

此外，HRCF的品質模組包括可靠性和電性的接受度閘門，用來在每個生產區域中進行取樣，以檢測此區域的產品是否能達到超過10萬次抹/寫循環的耐用性，以及高溫下的資料保存性，最後再進行在-40°C和+25°C下的電性測試。

結論

今日的汽車市場變得愈來愈複雜，產品類型也愈來愈多樣。汽車電子設備的大型製造商正在調整他們的供應鏈，以獲得更低的生產成本，以及由電子製造服務產業所提供的彈性能力。透過通路商採購元件的小型公司，也開始供應更多屬於汽車安全與可靠性應用領域的產品。

為了加速整個汽車產業鏈的供應狀況，同時確保裝配零件的高生產品質，必須有一套公認的品質管控規範及管理系統，如AEC及TS 16949等，以及由供應商所提出的自我要求作法，如ST的汽車等級認證。

符合汽車等級的產品有助於改善管線的可視度，也更容易追蹤客戶、汽車製造商和元件供應商之間的訂單狀況；此外，透過完善的供應鏈管理系統，也能對產能做出最有效的支援，並能立即掌握車廠在應用上所需要的技術狀況。（本文作者為意法半導體STMicroelectronics大中華區汽車電子部總監）