微控制器(MCU)在汽車中的應用非常廣泛，是汽車電子中最重要的芯片之一。從高端的預控制器，到最簡單的門窗控制，全部都要用到MCU。跟消費類、工業類甚至軍品MCU相比，車規MCU具有以下特點：

高可靠性，對在室外環境下的EMC要求非常嚴苛;

高安全，尤其是在自動輔助駕駛逐漸普及的今天，復雜電路的功能安全尤其重要;

零缺陷率，不能有錯，十全十美，通過設計、管理、工藝等方面來達到這樣的目標;

批一致性，對工藝、材料穩定性要求極高;

長期供貨，保證10-15年供貨期。

根據汽車產業鏈特點，并圍繞上述國際車企基本需求，車規芯片需滿足相關規范。其中包括ISO26262這一電子電器產品設計階段應遵守的國際安全可靠標準，2008年以后還專門對芯片作了規定；流片與封裝階段所需要遵守的AEC-Q001-004和TS16949不僅適合汽車零部件廠商而且對流片產業提出了相同的需求；認證測試階段應遵守的AEC-Q100/Q104；成品分發后應用校驗的AEC100和其他標準要求模擬多種車內的實際運行條件，如在極端外環境中進行高低溫試驗。

另外，我國相關部門還在加快可靠性基礎標準的制訂和執行，以使得各方對于汽車芯片需求的認識趨于統一，以免混淆。

中國電子技術標準化研究院副總工程師兼研究員陳大為近日在“2021靈動MM32協作大會”中介紹了人們所關注的汽車領域MCU問題，包括車規對集成電路的規范要求，并對車規MCU芯片進行了檢測和驗證。作為一個智能化計算平臺將越來越廣泛地在汽車上實現應用，因此國內MCU廠商若要將產品制作到汽車平臺上，有必要提前計劃，根據汽車芯片需求創建自己的設計，制造，測試和供貨流程，唯有滿足以上車規，以確保在未來10年汽車電子大潮中成為合格車規級集成電路供應商。

大名鼎鼎的AEC-Q系列標準

說到汽車電子，不得不提AEC，它全稱汽車電子協會（Automotive Electronics Council），它由美國三巨頭克萊斯勒，福特與通用于1993年共同倡議成立了一個可靠優質電子元器件標準規范組織，其目的就是要制定出可靠優質電子元器件通用標準規范。符合上述準則的元器件可以應用到汽車環境中最低要求而不需要附加元器件級鑒定試驗，如人們普遍認可的集成電路失效機理應力試驗條件AEC-Q100。其他還包括：

◆ AEC Q101 “基于失效機理的車用半導體分立器件應力測試條件”;

◆ AEC Q102 “基于失效機理的車 用半導體發光器件應力測試條件”;

◆ AEC Q103* “基于失效機理的車用 MEMS 壓力器件應力測試條件”;

◆ AEC Q104 “基于失效機理的車用 MCM 器件應力測試條件”;

◆ AEC Q200 “無源器件應力測試條件”

AEC機構的會員有技術會員和永久會員之分，技術會員通常為芯片企業而永久會員則通常為車機公司。（圖自：中國電子技術標準化研究院，下同）

芯片的工況環境確定了芯片的溫度等級，AEC-Q100的測試都是按照該溫度下完成的。陳大為介紹到，新版AEC-Q100最高工作溫度范圍（Level 0）是-40°C~150°C，最低范圍（Level 3）是-40°C~85°C，中間還有兩個級別分別是Level 1：工作溫度范圍-40°C~125°C（一般等級）、Level 2：工作溫度范圍-40°C~105°C。在AEC-Q100的標準中并無其他規定，其中以溫度的不同為多。

車規集成電路產業鏈各個階段的要求具體如下：

請注意AEC-Q100標準文本和其他標準文本一樣都遵循使用通用數據。比如某個國產MCU系列產品，其中一個通過了所有AEC-Q100認證，則同一系列別的產品只需要相似的材料，相似的工藝即可，只是有一些地方做了擴展，“在此情況下，可采用結構相似性原理對擴展后的內容再進行部分測試，其他內容可沿用原數據，不重復驗證。”陳大為說。

其中對于無鉛工藝產品認定，由于環境保護要求越來越嚴，電子零部件應實現無鉛化將導致可靠性下降問題，因此當前國家對軍品不存在無鉛化需求。陳大為解釋說，因為在無鉛后，還會暴露出其他問題，因此AEC-Q100標準特別對無鉛內容進行了特別鑒定，廠家可借此篩選出方案會否存在可靠性。

AEC-Q100可靠性項目

AEC-Q100可靠性的項目包括：

加速環境應力測試

◆預處理(PC)

◆有偏溫度或有偏高加速應力試驗 (THB)(HAST)

◆ 高壓或無偏高加速應力試驗或無偏溫濕度(AC )(UHST)(TH)

◆ 溫度循環(TC)

◆ 功率溫度循環(PTC)

◆ 高溫貯藏壽命 (HTSL)

加速生命周期模擬測試

◆ 高溫工作壽命(HTOL)

◆ 早期壽命失效率(ELFR)

◆ 非易失性存儲器耐久性、數據保持性，工作壽命(EDR)

封裝組裝完整性測試

◆ 邦線剪切(WBS)

◆ 邦線拉力(WBP)

◆ 可焊性(SD)

◆ 物理尺寸(PD)

◆ 錫球剪切(SBS)

◆ 引線完整性(LI)

芯片制造可靠性測試

◆ 電遷移 (EM)

◆ 電介質擊穿(TDDB)

◆ 熱載流子注入效應(HCL)

◆ 負偏壓溫度不穩定性(NBTI)

◆ 應力遷移(SM)

電性驗證測試

◆ 應力測試和試驗前后功能/ 參數(TEST)

◆ 靜電放電人體模型/ 機械模式(HBM/MM)

◆ 靜電放電帶電期間模式(CDM)

◆ 閂鎖效應(LU)

◆ 電分配(ED)

◆ 故障等級(FG)

◆ 特性描述(CHAR)

◆ 熱電效應引起閘極漏電(GL)

◆ 電磁兼容(EMC)

◆ 短路特性描述(SC)

◆ 軟誤差率(SER)

缺陷篩選測試分析

◆ 過程平均測試和試驗(PAT)

◆ 統計式良率分析(SBA)

腔封裝完整性測試

◆ 機械沖擊(MS)

◆ 變頻振動(VFV)

◆ 恒加速(CA)

◆ 粗/ 細檢漏測試和試驗(GFL)

◆ 包裝跌落(DROP)

◆ 蓋板扭力測試和試驗(LT)

◆ 芯片剪切試驗(DS)

◆ 內部水汽含量測試和試驗(IWV)

其中上面標注紅色的，可以根據不同器件特點，做不同的刪減。根據DUT，至少有28項實驗是必須要做的，否則不能聲稱你的物料通過了AEC-Q100認證。

上表是具體的分組，其中注明了樣品組別、個數要求。樣品批數要求從3個連續批次中抽取，每個批次抽取77顆料。所有的項目加起來需要大量樣品，一項實驗就需要近2500顆左右，并且這2500顆的料分別屬于不同批次。“用于消費類的芯片是沒有這樣要求的，可見做車規芯片前期的成本是相當高的。”陳大為說到。

車規MCU芯片測試與認證

具體到車規MCU芯片測試與認證，有以下幾個方面的考慮：

1、在測試策略上，要求對MCU有一個全方位，無死角和多維度的全面，嚴謹和詳細的解析。包括基本電參數的測試，基本功能的驗證，可靠性的試驗驗證，實際使用條件的驗證以及供貨保障等。尤其在供貨保障方面，汽車需要15年供貨期，而對于普通芯片不能一粒材料連續生產15年，因此不是繼續生產就不行，或者是一次性生產完再搞庫存，在此又出現了一個倉儲問題。

2、基本電氣參數設計，包括靜態，動態參數指標三溫ATE試驗等，應參考幾個標準。產品平均測試指南AEC-Q001主要針對晶圓階段PPAT內容進行研究；產品統計分析指南AEC-Q002中，可以看到某一參數特性化即曲線變化情況，以往國內廠商對此都有較多研究；AEC-Q003、IC電氣性能特性化在國外引進MCU產品中，除給出參數表外，還給出以上變化曲線，對于汽車車機設計師來說是很有借鑒意義的，比如改變多種溫度（Temp），電壓（Vcc），頻率（Freq）等條件下的參數；AEC-Q004，零缺陷指導原則告訴大家在生產過程中如何做到零缺陷。這幾項測試參數是根據《產品手冊》中的關鍵指標+特定用戶要求制定的，測試環境溫度分別是-40°C、25°C、85°C（105°C、125°C、150°C）。

上圖為上文提到PPAT中的臨近原則，SBL 根據生產標準故障率檢查料倉分布，包括電子特征分布(Electrical Signature distribution)、失效模式分布(Failure mode distribution)。

3、基本功能驗證，MCU是復雜電路，芯片里帶有微程序控制工作的產品稱為復雜電路。復雜電路采用ATE做靜/動態參數測試，當中包括功能的向量，所以即便基礎測試合格也不認為復雜電路是OK的，因為功能向量的要求很多，ATE做不到這一點，存儲深度也不能支撐復雜電路，“任何時期的ATE都不能支撐復雜電路的發展要求，簡單ATE的測試也不能判斷復雜電路的完整性。”陳大為說到，“對于復雜電路一定要進行功能驗證，比如說復雜電路有很多高速接口、協議完整性跟電器物理參數靠ATE測試就沒戲，必須要做EVB(板極)測試做功能演算，或是用ATE+臺式儀器。”測試溫度環境：- 40℃ 、 25℃ 、85℃( 105℃ 、 125℃ 、 150℃ )。

4、MCU 可靠性試驗驗證。采用AEC-Q100和AEC-Q104標準，主要包括加速環境應力測試、加速生命周期模擬測試、封裝組裝完整性測試、芯片制造可靠性測試、電性驗證測試和缺陷篩選測試分析。

5、實際應用工況環境驗證，包括PCB在不同頻率、電壓、溫度下以及高覆蓋率測試向量、EMC的測試。在汽車當中，測試項包括電壓、溫度、EMC，最后是整車路測。車規的實際應用工況驗證，跟過去的標準已經不太一樣。

6、供貨保障，要求批一致性及15年供貨保障，要求制程、設計、工藝、材料和過程都不變，批周期性檢查確保一致性。要保障如此長時間的供貨，一般有兩種方法，一是再次流片，二是大量生產后真空包封、氮氣柜儲存。

EMC是車規重中之重，

但對于芯片沒有判別標準

在車規 MCU 芯片測試與認證中，陳大為重點介紹了電磁兼容(EMC)，這對于整車、整機或部件的電子兼容考慮得比較多。到目前為止，IEC標準體系包括：電磁發射(IEC61967系列)、電磁抗擾度(IEC61967系列)、脈沖抗擾度(IEC62215系列)、CAN收發器EMC評估(IEC62228系列)、集成電路電磁兼容建模(IEC62433系列)等，可以為國內MCU提供典型測試標準。

對于MCU，典型的6種測試方法包括：
電磁(EMI)發射：TEM小室法，1Ω/150Ω直接耦合法，表面掃描法;法拉第籠法，磁場探頭法，IC帶狀線法;

電磁(EMS)抗擾度：TEM小室法，直接射頻功率注入法，大電流注入法;法拉第籠法，IC帶狀線法，表面掃描法;

脈沖抗擾度：同步瞬態注入法和非同步瞬態注入法，這兩者注入的脈沖波形有ESD、EFT和浪涌。

舉例而言，TEM小室法就是將芯片置于10×10硬紙板中，一側為屏蔽，另一側放置片，片工作時外圍電路位于另一側，將該芯片倒置扣入小型方艙當中，添加電磁信號時，將產生平行電磁波，該平行電磁波分布均勻且能作用于樣品。輻射發射為倒裝，工作時，默認情況下，高片芯片向外部發出信號，該信號與腔體內產生共振，該共振加載于一頭，另一頭可預置于頻譜儀上。

隨后，用30K到1G甚至是更高的頻率來掃描腔體發生額外的電磁干擾，這些電磁干擾就來自于這一顆MCU。如上圖所示，MCU正常工作后，前面干擾信號比較低，一旦電磁信號超過30兆后，干擾信號就上去了。

輻射發射的另外一種方法是表面掃描法。芯片在底下工作，上面用小型探頭掃描，這樣能掃出樣品各個區域的電磁輻射情況，再對應樣品本身的設計圖就知道哪一部分對外輻射較大。

陳大為接著又介紹了1歐姆/150歐姆直接耦合法傳導發射試驗，TEM小室法與大電流注入法輻射抗擾度試驗及直接射頻功率注入發傳導抗擾度試驗。總結起來，MCU EMC測試方法可按國際和國內EMC標準執行。但是最為重要的一點就是整車，醫療和信息處理設備都有一個標準，即某一頻段內電磁兼容值大于多少才算合格；且芯片應用過于廣泛，且屬于中間過程，并不能直接面對用戶，加之其不斷迭代，因此目前國際上尚無是否達標判據標準。

陳大為舉例說到：“上一代芯片利用某一個方法，對電磁信號進行評估得到結果A，下一代要進行改進，改進后得到結果B。結果B必須優于結果A，表明芯片的改進是成功的――至少從EMC這方面來說是如此。”

芯片電磁兼容改進工作十分冗長、耗時、費錢，由于其成本在持續迭代，而在迭代過程中又存在著持續流片現象，這一成本將十分高昂。目前，各大車規MCU公司正在研究使用電磁兼容極限值，車輛芯片能否滿足車輛使用要求，還需要對車輛現場工況環境進行EMI采集，在電磁兼容方面，這些都是十分重要和至關重要的基礎工作。

要做合車規芯片，先把車規放心里

最后，陳大為給出了關于國產MCU通過車規認證的思考和建議。首先是芯片可靠性設計技術，要遵循ISO26262標準，從源頭上設計出高可靠的MCU;流片、封測上，汽車零部件廠要滿足TS16949的要求，流片產線也不例外;最后是關于標準的問題，至今為止國內還沒有自己的汽車芯片標準，“接下來我們有一個標準工作委員會會推動這方面的工作，包括集成電路、功率模塊、傳感器等等的汽車標準工作組。”