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深度解析汽车电子零部件质量管理系统与规范

来源:电动汽车资源网 浏览次数: 日期:2018年10月10日 17:29

随着新能源汽车的日益普及,汽车行业内对汽车电子的安全性要求提出了更高的要求。在这个产业链中,在汽车生产系统通常都是质量第一,功能第二。其中整车零部件与汽车操控系统的安全性息息相关。每个零部件都需要达到最高的质量与可靠性,甚至实现零缺陷(Zero Defect)的理想状态。

汽车零部件及相关产品的最大推动力往往不是先进的技术,而更多的是质量的水平;而质量的提升需要严格管控程序来实现。目前汽车产业的重要质量管理系统与相关规范包括由汽车电子设备委员会(Automotive Electronics Council, AEC)所提出的各项规范以及QS-9000和TS 16949等。另外零件提供商也会提出自己的规范,如ST的汽车等级认证(Automotive Grade Qualification)等。

一、AEC系列规范

克莱斯勒、福特和通用汽车/Delco Electronics为建立一套通用的零件资质及质量系统标准而设立了汽车电子委员会(AEC)。AEC建立了质量控制的标准,同时,由于符合AEC规范的零部件均可被上述三家车厂同时采用,促进了零部件制造商交换其产品特性数据的意愿,并推动了汽车零件通用性的实施,为汽车零件市场的快速成长打下基础。

专门用于芯片应力测试(Stress Test)的认证规范AEC-Q100是AEC的第一个标准。AEC-Q100于1994年6月首次发表,经过十多年的发展,AEC-Q100已经成为汽车电子系统的通用标准。在此文件的开发过程中,重要的芯片供应商都有机会提出他们的意见。

该规范能使汽车元件更快速地满足汽车市场的采购需求。汽车电子元件只要被认定为符合此规范要求即被认为具有高质量与可靠性,并可适合于汽车应用的复杂恶劣的环境中,而不再需要进行反复的循环认证测试。

AEC在AEC-Q100之后又陆续制定了针对离散组件的AEC-Q101和针对被动组件的AEC-Q200等规范,以及AEC-Q001/Q002/Q003/Q004等指导性原则(Guideline)。以下将分别做出简要介绍:

1. AEC-Q100

AEC-Q100标准主要在于预防产品各种可能发生的状况或潜在的失误机会,引导供货商在开发的过程中就能生产出符合此规范的芯片。AEC-Q100对每一个申请的个案进行严格的质量与可靠度确认,即确认制造商所提出的产品数据表、使用目的、功能说明等是否符合当初所宣称的功能,以及在多次使用后是否能始终如一。

此标准的最大目标是提高产品的良品率,这对芯片供货商来说,不论是在产品的尺寸、合格率及成本控制上都是很大的挑战。AEC-Q100详细规范了对于IC芯片的各项要求,其另一方面也代表了汽车制造商以及供货商对于产品安全的要求。

此标准详细规定了一系列的测试,同时定义了应力测试驱动型认证的最低要求以及IC认证的参考测试条件。这些测试包括7个测试群组:测试群组A(环境压力加速测试,Accelerated Environment Stress)、测试群组B(使用寿命模拟测试,Accelerated Lifetime Simulation)、测试群组C(封装组装整合测试,Package Assembly Integrity)、测试群组D(芯片晶圆可靠度测试,Die Fabrication Reliability)、测试群组E(电气特性确认测试,Electrical Verification)、测试群组F(瑕疵筛选监控测试,Defect Screening),和测试群组G(封装凹陷整合测试,Cavity Package Integrity)。

此外,为了达到汽车电子产品对工作温度、耐久性与可靠度的高标准要求,组件供货商必须采用更先进的技术和更苛刻的测试程序来达成最佳化的设计方法。因此,AEC-Q100又分为不同的产品等级,其中第一级标准的工作温度范围在-40℃至125℃之间;最严格的第0级标准工作温度范围可达到-40℃至150℃ 。

2. AEC-Q001

零缺陷是所有产业都在不断追求的目标,在对于安全性有更高要求的汽车电子产业,对质量的要求更加严格。

半导体组件的缺陷率用DPM(Defect Per Million)表示。在一些关键性的应用组件中,供货商甚至将缺陷率由一般常用的百万分之一(Parts Per Million, PPM)单位,提升到十亿分之一(Parts Per Billion, PPB),即每生产十亿个组件才可能出现有问题的产品。因此通过有效控制DPM可减少因为电子器件失常造成的汽车驾驶安全问题。

AEC-Q001规范中提出了所谓的参数零件平均测试(Parametric Part Average Testing, PPAT)方法。PPAT 是用来检测外缘(Outliers)半导体组件异常特性的统计方法,用以将异常组件从所有产品中剔除。

PPAT可分为静态PAT(Static PAT)、动态PAT(Dynamic PAT)和地域性PAT(Geographic PAT),所谓的地域性PAT,即是为所有在晶圆上的裸晶加入邻近性权重(Proximity Weighting ),因此一些被不良裸晶包围或邻近的良好裸晶,也可能会被移除。

一般AEC-Q001只要求通过静态PAT测试。不过,为了达到更高的质量,ST的汽车等级认证要求同时做到静态、动态及地域性PAT标准。此外,ST的地域性PAT还采用可重复性类型侦测(Repeatable pattern detection)和混合式分析(Composite Analysis)来提升管控质量。通过PPAT,在测试限制外的裸晶会被删除,即使这些裸晶能符合特性要求。这样既避免潜在风险,又能在供货商的阶段即可改善组件的质量和可靠性。

3. AEC-Q002

AEC-Q002基于统计原理,属于统计式良品率分析的指导原则。AEC-Q002的统计性良品率分析(Statistical Yield Analysis, SYA)分为统计性良品率限制(Statistical Yield Limit, SYL)和统计箱限制(Statistical Bin Limit, SBL)两种。以SBL来说,它在电性晶圆测试(Eletrical Wafer Sort, EWS)的阶段放置特殊的监控功能于BIN上,各个区域会被取样和分析。这些方法通过对关键性测试参数/ BIN的量测来建立一套分析和控制生产变量的系统,可用来检测出异常的材料区域,保证最终产品的质量和可靠性。

所有新组件或技术在制造程序前后的不同阶段都可进行统计分析,同时也能在晶圆测试(Wafer Probe)及封装最后测试的阶段被用来进行电子参数测试。AEC-Q002为组件制造商提供使用统计技巧来检测和移除异常芯片组件的方法,让制造商能在晶圆及裸晶的阶段就能及早发现错误并将之剔除。

4. AEC-Q003

产品及制程的特性表现对于开发新的芯片或对现有的芯片进行调整相当重要。无论是位于制程边缘所产生的特性化零件,或特别选出的极端参数值,都可以被应用来确定敏感性的制程范围。

供货商可以改变或严格处理这部分的制程,或在测试阶段将这部分的产品移除。当新的组件中涉及新的设计技术及制程时,就会在晶圆测试或最后测试阶段进行特性化的操作。同过确定电性及制程参数和表现的限制,可以建立此产品的功能与参数表现特性,供货商也就能够明确能被妥善控制的制程区域(Sweet Spot)。

AEC-Q003是针对芯片产品的电性表现所提出的特性化(Characterization)指导原则,其用来生成产品、制程或封装的规格与数据表,目的在于收集组件、制程的数据并进行分析,以了解此组件与制程的属性、表现和限制,和检查这些组件或设备的温度、电压、频率等参数特性表现。

AEC-Q004提出一系列的流程步骤,包括组件设计、制造、测试和使用,以及在这流程的各个阶段中采用何种程零缺陷的工具或方法。这些方法涵盖上述AEC的各种文件标准,以及JEDEC或AIAG等等来自业界的质量控制技术或管理系统的广泛应用。当零件或制程已实现最佳化,且成熟性在经过一段时间后被证实,此时只需用较少的工具就能改善或维持质量和可靠性。

AEC-Q004实质上是一套零缺陷指导原则,其定义出芯片供货商或用户如何在产品生命周期中使用一些工具和制程来达成零缺陷的目标。AEC-Q004并不是强制性的规范,而是提出用来降低缺陷的工具和方法。不同的应用模式会需要不同的工具或生产方法,因此在此指导原则中提出了建议的作法。AEC-Q004目前仍处于在草案阶段,即将推出正式的版本。

二、QS 9000/TS 16949规范

QS 9000和TS 16949的质量管理系统认证体系是汽车电子供应商除AEC之外需要重视的另一套规范。

QS9000曾是汽车供货商生产零件、材料和提供服务的基本质量管理系统,主要基于ISO 9001:1994体系,由克莱斯勒、福特和通用汽车公司于1994年共同开发。其于2006年12月15日被国际汽车专业组织(Internation Automotive Task Force, IATF)所制定与推行的ISO/TS 16949汽车产业验证标准所取代。

TS16949标准是以ISO 9001: 2000为基础开发的针对汽车行业质量系统管理标准。目前包括通用(GM)、福特(Ford)、克莱斯勒(Daimler Chrysler)、标致(Peugeot)、雷诺(Renault)、BMW、尼桑(Nissan)、菲亚特(Fiat)、大众(Volkswagen)等世界级的车厂,都强制规定其供货商之质量管理系统需符合TS 16949的要求,并要求扩展至2-3级供货商。

TS16949突出了客户导向的主轴并制定各项绩效指标。其系统运作架构能强力推动组织持续改进,以保持领先同业的竞争力,让管理者能有效找到异常点并进行相应改善。

PPAP

PPAP全称为生产零件批准程序(Production Parts Approval Process),是QS 9000与TS 16949规范当中较受重视的作法。PPAP要求用于汽车供应链中的所有零件皆需拥有详细完整的数据和文件,并在PPAP的文件中列出了芯片制造商所需要采取的生产和质量保证程序。这些文件能够支持客户的生产批准程序以及相关的危险评估。

PPAP用来确定供货商在零件实际量产的过程已经正确理解了客户的工程设计记录和规格中的所有要求,并保证买方的质量风险,评估其是否具有能持续满足这些要求的潜在能力。

ST的汽车等级认证

车载产品的质量和可靠性远高于其它普通消费类产品,为了实现该市场的独特需求,芯片供货商都在积极致力于提升量产控管的技术与管理系统,发展出更可靠的量产技术,此外还力求此套技术也能用来提高消费性等其它应用领域的产品质量。

AEC(尤其是AEC-Q100、AEC-Q101、AEC-Q001/Q002/Q003等)和PPAP的各项要求是车载产品需要遵循的设计规范,因此也就产生了车载产品与其它产品的明显区别:其必须严格遵守定义的产品特性、设计和制造程序等,并为用户提供完整的文件和产品包装。

ST提出了严格的汽车等级认证(Automotive Grade Qualification)规范。其除了满足上述的AEC及质量管理系统规范外,ST还发展出如在制程中采用特殊的筛选(Screening)和测试方法,以及专属的高可靠性认证流程(High Reliability Certified Flow, HRCF)测试程序等一套严格的管控方法。

1. 产品筛选法

改良式的应力测试(Stress Testing)和筛选方法(Screening)是ST汽车等级认证规范的重要部分。其筛选的结果将被作为产品改善的方向,目标即是零缺陷的汽车电子元件。

由于车载系统的特殊性,一般在标准制程测试中被认为是良好的产品,在汽车应用的某些特定状况下却可能存在潜在的故障危险。通过产品筛选的方法,能够用来做更进一步的严格筛选。严格的产品测试往往需要花费更多的时间和成本才能上市。为了能在最短的时间内通过这些测试,必须采用一些有效的方法,例如产品家族数据(Product-Family Data)最大化和技术依存性(Technology Dependent)的作法。

AEC-Q100所定义的合格标准以产品家族(Product Family)为认定的对象。所谓的产品家族最大化原则即在使用相同制程和材料的所有产品当中,只要其中一个成员通过测试,则其它产品家族成员即可通过;技术依存性则是以制程标准为审核对象,只要是采用已经合格的制程标准所生产的新产品,代表其合格的概率就非常高。

2. HRCF测试程序

汽车元件的温度范围一般为-40℃~125℃,因此EEPROM和闪存等产品往往需要满足极严格的生产良品率以及可靠性要求。 ST针对汽车电子应用的EEPROM和闪存开发了名为高可靠性认证流程(HRCF)的测试程序。HRCF属于专属性生产流程,其在生产、测试及质量保证接受性流程中导入了额外的模块,以保证产品可操作在汽车应用的温度范围内。在生产模块中,EEPROM的裸晶必须要能在供应电压上升的环境中做到3000次的循环擦写。在裸晶测试时,还要通过24小时在250°C下的高温烘烤,而且在接下来的一秒钟的电性测试中仍需保证完全通过。最后测试的模块包括在130°C及室温下的温度循环和电性测试。

HRCF测试流程结合了统计箱限制(SBL)与零件平均测试(PAT)等统计工具,能够筛选出晶圆和裸晶上的早期故障和离群点,达到汽车零缺陷率的可靠性目标。

结论

目前的汽车电子市场发展迅速,产品类型也越来越多样化,因此为了保证车载零件和电子产品的通用性和质量,需要严格的质量管控规范及管理系统来保证。质量规范可以是AEC及TS 16949等一套公认的规范,也可以是与ST的汽车等级认证类似的由供货商提出的定制化管理体系。

合理的管理规范除了能保证产品质量,也能加速整个汽车产业链的供应状况。其有助于改善管线的可视度,客户追踪,以及汽车制造商和组件供货商之间的订单状况跟踪也能变得更容易。此外,为获得更低的制造成本和汽车电子产品供应商更灵活的设计能力,除了开拓小型公司的供货渠道外,对产能做出的最有效的支持和快速掌握车厂在应用上所需要的技术状况十分重要,而这些工作也可以通过完善的供应链管理系统得到实现。


 

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该资讯的关键词为:质量  管理  零缺陷