OSAT視角：汽車(chē)半導體市場(chǎng)及其制造所面臨的挑戰

汽車(chē)保修索賠中的半導體問(wèn)題

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

圖 8：半導體器件在制造工藝中的質(zhì)保缺陷分類(lèi)^[3]。

OSAT在封裝和測試中面臨的挑戰

表3比較了汽車(chē)電子器件和消費類(lèi)產(chǎn)品在一些關(guān)鍵高級需求之間的差異。對業(yè)務(wù)產(chǎn)生重大影響的一些關(guān)鍵差異是認證時(shí)間過(guò)長(cháng)，導致需要約24至48個(gè)月才能開(kāi)始生產(chǎn)。

表3：汽車(chē)與消費半導體裝配和測試業(yè)務(wù)之間的關(guān)鍵高級差異。

資質(zhì)與可靠性。封裝是汽車(chē)半導體產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要組成部分。最佳的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程要求IDM在早期開(kāi)發(fā)階段與OSATS接觸，以確保產(chǎn)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(shí)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(jìn)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(kāi)發(fā)，需要遵循產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃（APQP）。其本質(zhì)上是一種階段關(guān)口開(kāi)發(fā)方法，設計目的是充分捕捉和解決開(kāi)發(fā)周期中出現或可能出現的任何問(wèn)題。

此外，在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)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(lèi)產(chǎn)品的標準鑒定程序相比，用于汽車(chē)封裝的AEC-Q100規范更加嚴格。

表4總結了消費類(lèi)產(chǎn)品與汽車(chē)電子器件資質(zhì)要求之間的一些基本區別。

表4：汽車(chē)與消費類(lèi)產(chǎn)品資質(zhì)鑒定方法之間的區別

根據Tech Search International關(guān)于汽車(chē)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(chē)電子器件分為0至4的四個(gè)等級。零級是最高級別，需要進(jìn)行最嚴格的可靠性測試。每一項可靠性測試以及汽車(chē)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(chē)等級可靠性試驗中的兩項重要測試，即溫度循環(huán)（TC）和高溫貯存（HTS）試驗。

表5：用于汽車(chē)電子器件資質(zhì)鑒定的溫度循環(huán)和高溫貯存壽命可靠性測試條件。來(lái)源：TechSearch International

同樣，這些測試也顯示出對汽車(chē)電子器件的嚴格要求。圖9顯示了汽車(chē)等級產(chǎn)品要求的示例，這些要求取決于產(chǎn)品的應用領(lǐng)域和具體用途。例如，在更惡劣條件下運行的動(dòng)力總成模塊需要達到1級或0級，而汽車(chē)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(pán)和安全	1級	-40℃至+125℃
	ADAS
	車(chē)身
	動(dòng)力系統	1級和0級	-40℃至+150℃

圖9：基于應用領(lǐng)域的汽車(chē)半導體產(chǎn)品不同等級示例。來(lái)源：TechSearch International

核準至量產(chǎn)。一旦汽車(chē)電子器件完全合格，在開(kāi)始大規模生產(chǎn)之前，需要大量與產(chǎn)品設計和資質(zhì)鑒定相關(guān)的各種文件。美國汽車(chē)工業(yè)行動(dòng)小組（AIGA）創(chuàng )建了這個(gè)文件程序，既生產(chǎn)件批準程序，簡(jiǎn)稱(chēng)PPAP。PPAP用于確保制造商和供應商在大規模量產(chǎn)之前和期間能夠就生產(chǎn)設計和流程進(jìn)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(lái)越多的汽車(chē)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(gè)簡(jiǎn)短的基本了解。文件要求在整個(gè)封裝開(kāi)發(fā)和資質(zhì)鑒定過(guò)程中跟蹤和記錄某些數據。

表6總結了完整的汽車(chē)PPAP檢查單^[4]。 在資質(zhì)鑒定和核準過(guò)程的不同階段，需要提交五個(gè)不同級別的PPAP文件和數據。重點(diǎn)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(jìn)行設計和工序方面失效模式和效果分析（FMEA），但對于生產(chǎn)非汽車(chē)電子器件的OSATS來(lái)說(shuō)，這未必是標準做法。

表6：AIAG用于汽車(chē)電子器件PPAP程序的檢查單^[4]。

用于大多數汽車(chē)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(jìn)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(dòng)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(shí)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(gè)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(chē)電子器件客戶(hù)還要求提供預燒測試服務(wù)（以消除早期失效）。這時(shí)面臨的任務(wù)就是由此產(chǎn)生的預燒基礎設施（預燒爐和預燒板）資本支出。由于汽車(chē)電子器件都具有使用壽命長(cháng)的特點(diǎn)，因此投資回報通常不成問(wèn)題。

物流與資源。如表4所述，汽車(chē)電子器件用戶(hù)的需求與大多數OSATS所熟悉的傳統應用領(lǐng)域有很大不同。因為汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)要求每一套設備都符合質(zhì)量標準，這就會(huì )使規劃過(guò)程缺少靈活性。OSATS越來(lái)越多地使用“指定”流水線(xiàn)方法來(lái)代替“專(zhuān)用”流水線(xiàn)來(lái)制造汽車(chē)電子器件?！爸付ā绷魉€(xiàn)方法能夠在每道工序都獲得多套合格設備，從而確保汽車(chē)電子器件的加載靈活性。

所有這些做法都是為了開(kāi)發(fā)一個(gè)以生產(chǎn)更高質(zhì)量產(chǎn)品為目標的六西格瑪程序。來(lái)自這些開(kāi)發(fā)過(guò)程的相關(guān)文檔構成了PPAP文件的一部分。圖10展示了PPAP所要求的汽車(chē)電子器件開(kāi)發(fā)所有關(guān)鍵環(huán)節之間的聯(lián)系。如今，大多數OSATS并不熟悉PPAP過(guò)程，因為它與汽車(chē)電子器件封裝和測試開(kāi)發(fā)相關(guān)。OSATS的關(guān)鍵是要與IDM密切合作，以確保從項目一開(kāi)始就清楚地了解需要做什么以滿(mǎn)足PPAP的要求。否則，如果在大規模生產(chǎn)之前沒(méi)有準備所需的文件，OSATS會(huì )發(fā)現自己處于PPAP的“噩夢(mèng)”之中。

圖10： PPAP程序所要求的汽車(chē)電子器件開(kāi)發(fā)所有關(guān)鍵環(huán)節之間的聯(lián)系 ^[4]。

大規模量產(chǎn)。如圖11所示，汽車(chē)電子器件和標準產(chǎn)品之間的封裝和測試制造流程有很大不同。汽車(chē)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(chǎn)，運營(yíng)團隊需要保持警惕，以確保在封裝工序整個(gè)周期中的質(zhì)量穩定。 

生產(chǎn)運營(yíng)團隊將需要確保在封裝和資質(zhì)鑒定測試中最終確定的所有工藝參數都已鎖定，且未經(jīng)允許不得更改。這將意味著(zhù)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(chē)電子器件客戶(hù)要求持續改進(jìn)以將缺陷降低為零。這通常需要生產(chǎn)汽車(chē)電子器件的操作人員具有更高的技能水平。例如，我們會(huì )使用經(jīng)過(guò)特殊認證的操作人員來(lái)應對汽車(chē)電子器件封裝和測試過(guò)程。許可汽車(chē)電子器件還需要通過(guò)可靠性監測程序（RMP）來(lái)確保在持續生產(chǎn)的基礎上達到質(zhì)量目標。圖12顯示了一個(gè)典型的RMP流程。RMP允許在加速條件下監控關(guān)鍵晶圓制造和封裝過(guò)程的可靠性。對任何失效進(jìn)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(lái)生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量始終保持警惕，就產(chǎn)品變更通知（PCN）的核準流程達成一致。

圖11：汽車(chē)電子器件和標準產(chǎn)品（非汽車(chē)）封裝工序工藝流程對比。

總結

參與汽車(chē)電子器件封裝和測試業(yè)務(wù)的市場(chǎng)競爭并非易事，也面臨著(zhù)不少挑戰。不同于其通常提供的標準封裝和測試服務(wù)，如何滿(mǎn)足一整套存在差異的嚴格需求，對OSATS來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一項挑戰。汽車(chē)半導體產(chǎn)品的較長(cháng)資質(zhì)認證周期和明顯較長(cháng)的獲利時(shí)效有時(shí)會(huì )成為許多OSATS進(jìn)入這一市場(chǎng)的阻礙。如今，那些試圖打入市場(chǎng)的OSATS可能會(huì )發(fā)現自己已經(jīng)落后于競爭對手很多年，而后者多年來(lái)已經(jīng)將自身打造成汽車(chē)電子器件級供應商。

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

最后需要注意的是，頂級汽車(chē)電子器件客戶(hù)經(jīng)常要求在他們的服務(wù)協(xié)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(jià)格環(huán)比下降5%，而每年價(jià)格環(huán)比降低5%已經(jīng)變得相當普遍。降低汽車(chē)電子器件成本的最大挑戰是，客戶(hù)不允許在沒(méi)有產(chǎn)品變更通知（PCN）的情況下進(jìn)行任何更改，而在對變更（工序或物料清單[BOM]）進(jìn)行資質(zhì)認證后，這一過(guò)程還需要18至30個(gè)月時(shí)間。對于消費者，甚至工業(yè)封裝和測試應用領(lǐng)域，主要是通過(guò)工序簡(jiǎn)化和整合來(lái)實(shí)現成本降低，同時(shí)在保持相同質(zhì)量的同時(shí)采用降低成本的物料清單（BOM）。

 然而，對于沒(méi)有長(cháng)期資質(zhì)和產(chǎn)品變更通知（PCN）周期的汽車(chē)電子器件而言，這是不可能做到的。另一方面，汽車(chē)電子器件客戶(hù)在多數情況下都希望OSATS引入新的過(guò)程控制步驟（而不是最初商定的那些步驟），這會(huì )產(chǎn)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(jià)格。這使得每年降低成本變得更加困難。一些關(guān)鍵工序的自動(dòng)化，如外觀(guān)檢測和X光檢測，不僅可以降低成本，還通過(guò)減少人工操作提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

雖然可能聽(tīng)起來(lái)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(chē)電子器件財務(wù)模型的報價(jià)請求（RFQ）進(jìn)行前期盡職調查。從RFQ流程一開(kāi)始就商定降價(jià)路線(xiàn)圖和實(shí)現成本削減的途徑對雙方都有好處。在資質(zhì)認定過(guò)程中，針對潛在的工藝流程和BOM更改在各種假設場(chǎng)景中進(jìn)行評估，同時(shí)充分理解降價(jià)路線(xiàn)圖并運行相應的成本模型，這樣就可以為可能實(shí)現的業(yè)務(wù)成果提供深刻見(jiàn)解和商業(yè)信息。

 汽車(chē)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(kāi)發(fā)時(shí)間和資源。通過(guò)多年辛苦工作和努力，可能需要長(cháng)達四年時(shí)間才能取得實(shí)際收入。然而，一旦取得資質(zhì)認證并成功進(jìn)入汽車(chē)產(chǎn)品市場(chǎng)，回報將是持續超過(guò)十年的穩定收入。在其他行業(yè)不斷波動(dòng)的情況下，這無(wú)疑能為企業(yè)提供良好保護。

圖12：汽車(chē)電子器件在大批量生產(chǎn)過(guò)程中的批量允收可靠性測試。

鳴謝

作者感謝來(lái)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(yè)；https:// www.infineon.com/dgdl/2019-02- 05+Q1+FY19+Investor+Presentati on.pdf?fileId=5546d4616885f5c501 68b9b983120016

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

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

4.   生產(chǎn)件批準程序（PPAP）；第四版；2006年3月。