汽車(chē)電子系統的可靠性

最近幾十年來(lái)，汽車(chē)行業(yè)的諸多創(chuàng )新技術(shù)大部分得益于電子技術(shù)的進(jìn)步。雖然現在大部分車(chē)輛上幾乎沒(méi)有什么功能不會(huì )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(chē)的貢獻值將會(huì )繼續提高，由現在的20%左右增加至2030年的近40%。隨著(zhù)電子控制單元和應用數量的穩步增長(cháng)，以及，最重要的是，這些單元和應用的網(wǎng)絡(luò )化程度的不斷提高，從而使得系統級和車(chē)輛級的復雜度將不斷加大。

電子系統的日益復雜

　　隨著(zhù)汽車(chē)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(fēng)險將明顯增加。根據德國汽車(chē)組織——德國汽車(chē)俱樂(lè )部 (ADAC) 2005年所做的一項調查，電氣和電子系統問(wèn)題仍然是汽車(chē)故障最常見(jiàn)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(chǎn)品的缺陷引發(fā)的故障(其中由電池引起的故障最多)，從統計角度而言占車(chē)輛故障總數的比例幾乎可以忽略不計，但是半導體行業(yè)，作為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈中的第一個(gè)環(huán)節，仍然對車(chē)輛質(zhì)量和可靠性負有特定的責任。半導體行業(yè)已經(jīng)設法大大降低了芯片的缺陷率，但仍然需要進(jìn)一步的改進(jìn)——其目標缺陷率必須低于百萬(wàn)分之一。每輛汽車(chē)中都有50個(gè)左右的電子控制單元，每個(gè)單元由大約300個(gè)電子元件組成，百萬(wàn)分之一的缺陷率仍然相當于每一百萬(wàn)部車(chē)輛上有15,000個(gè)潛在故障(雖然，實(shí)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(chē)產(chǎn)品(Automotive Excellence)計劃

　　歸根結底，我們的目標是：必須從一開(kāi)始就避免缺陷，而不僅僅是通過(guò)故障溯源方法來(lái)降低故障率。英飛凌的長(cháng)期計劃，如Automotive Excellence計劃，對生產(chǎn)流程及其管理進(jìn)行了系統化的改進(jìn)，有助于將半導體產(chǎn)品的質(zhì)量提高到必要的水平(圖 1)。Automotive Excellence 計劃明確了四個(gè)主要方面：產(chǎn)品、生產(chǎn)、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(wàn)顆芯片的故障率降低到零。本文將探討如何從生產(chǎn)和人員兩個(gè)層面入手，來(lái)實(shí)現這一目標。

圖1 英飛凌的 Automotive Excellence 計劃主要涵蓋產(chǎn)品、生產(chǎn)、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(zhì)量管理方法

　　生產(chǎn)和資質(zhì)是流程鏈中的兩個(gè)環(huán)節，流程鏈從面向客戶(hù)的產(chǎn)品規范和開(kāi)發(fā)開(kāi)始，一直到最重要的最終測試和物流階段。平均而言，生產(chǎn)一枚芯片涉及400個(gè)步驟(圖 2)。較大的缺陷以及那些在整個(gè)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(fā)現，這一缺陷必須追溯到流程鏈的開(kāi)始階段。芯片要用幾個(gè)星期的時(shí)間檢查整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，糾正問(wèn)題并從中汲取教訓，因此這是一個(gè)相當費力的過(guò)程。英飛凌已經(jīng)引入了貫穿整個(gè)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(kāi)發(fā)階段)發(fā)現缺陷。

圖 2 生產(chǎn)芯片的晶圓廠(chǎng)的無(wú)塵車(chē)間。平均而言，生產(chǎn)一枚芯片需要400個(gè)
步驟，從生產(chǎn)的第一步開(kāi)始到最終的測試階段大約歷時(shí)三個(gè)月時(shí)間

　　原則上講，產(chǎn)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(gè)統一措施，如今已成為Automotive Excellence 計劃的組成部分。盡可能早在產(chǎn)品規范制訂階段就完整、系統地記錄對產(chǎn)品的所有要求。這些要求在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的每個(gè)階段都要進(jìn)行審核，從而確保全面滿(mǎn)足這些要求。

英飛凌還在產(chǎn)品設計的起步階段，就開(kāi)始模擬產(chǎn)品在實(shí)際應用中的使用情況。主要客戶(hù)密切參與產(chǎn)品技術(shù)設計階段。對故障源頭及其隱藏的危害進(jìn)行分析和評估，并據此進(jìn)行相應的開(kāi)發(fā)。在這個(gè)過(guò)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(chǎn)過(guò)程中預期的效應，以及在實(shí)際應用環(huán)境中的預期影響等。

評估風(fēng)險

　　產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程也會(huì )根據汽車(chē)電子器件的質(zhì)量要求的提高進(jìn)行修改。英飛凌已經(jīng)設立了一個(gè)設計變更控制工作組，其任務(wù)包括對在產(chǎn)品規范已經(jīng)完成后進(jìn)行修改會(huì )有哪些潛在的風(fēng)險進(jìn)行評估。英飛凌還設立了一個(gè)設計驗證工作組，它獨立于開(kāi)發(fā)小組，主要任務(wù)是驗證產(chǎn)品設計是否符合產(chǎn)品規范。

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

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

圖 3 晶圓廠(chǎng)是芯片制造的源頭。晶圓是圓形的硅盤(pán)，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(gè)晶圓可同時(shí)生產(chǎn)100至2,000多枚芯片