半导体(储存芯片)进入汽车产业的回忆(朱池山)

编辑:缅华网 文章类型:科学 发布于2022-04-07 15:03:15 共2624人阅读
文章导读

半导体(储存芯片)进入汽车产业的回忆

(朱池山)

车用芯片:

由于车用芯片是利基型的产品(利基产品=特殊定制产品)(niche products)

,通常需要提前一年做规划,加上汽车业为了更高效的管控成本,通常采取精实生产,库存并不多。因此在2021年,当车市迎来反转向上的强劲需求后,芯片供不应求导致的生产阻碍,就显得更加严重。

汽车半导体元件主要包含MCU、功率半导体如IGBT、MOSFET等、传感器和各类类比元件,而自驾车还包括ADAS辅助类芯片、CIS、AI芯片、(Lidar)雷达、毫米波雷达和MEMS等一系列产品;目前产能受排挤最主要集中于八吋与十二吋成熟制程所涵盖的MCU、功率半导体、CIS等芯片。

汽车半导体可以分为四类集成电路 (1.微控制器、2.模拟 IC、3.逻辑 IC、4.储存芯片),用在 1.分立器件。2.传感器。3.执行器。4.光电子器件共四大类。

储存芯片:主要用于资料储存功能,具体包含 DRAM(动态储存芯片)SRAM (静态储存芯片),FLASH(快闪存储芯片)等。

汽车存储器在功能上与商用存储器相似,但操作形式不同。它们更接近 ECC(error correcting code) (纠错码)存储器,其中重要的是来自存储器的存取结果是正确的,并且存储的信息是正确的。随着越来越多的微处理器在汽车中使用,信号原来的分布式 DRAM 、信息处理SRAM 和Flash存储器被用于在汽车功能之间传输信息。

汽车的新架构是有一个主要中央处理器,具有类似于标准计算机的内存配置。该单元根据来自所有驾驶员辅助系统、发动机和传动系统子系统的信息处理并做出系统决策。(当驾驶员起动汽车后,中央处理器就检查全部系统,如有问题马上会在仪表显示器出现黄色的故障讯号)。

汽车计算机与一般家用计算机和商用计算机不同,(家用和商用只有2至5年使用寿命)但是汽车的使用周期是10年到20年,所以,汽车计算机和存储器每天需要运行,一直用10年至20年。同典型的计算存储器相比,生命周期长很多,所以车用芯片的耐久周期需要很长的。汽车的计算机,上电和断电循环每天多次,平均运行时间较短(不到2小时)。(比如上班和下班开车的时间)这导致,与传统消费类存储器不同的可靠性和设计模型,,这些设备的许多方面都需要进行设计更改,以提高性能和可靠性。

 

汽车电子一般分为五个主要领域--车身body、连接connectivity、安全 fusion/safety、信息娱乐infotainment和动力系统power train。Body包括车身控 制,如门禁、照明和窗户。connectivity包括cellular、WiFi和相关功能。 fusion/safety安全包括摄像头、LiDAR雷达。信息娱乐包括驾驶员信息和 娱乐。power train动力系统包括engine control和变速器。有些人将底盘 chassis,如刹车和转向brakes /steering也归类于此。

 

车用电子对半导体的要求:

 

车用半导体通常不需要最先进的制程,大部份还是在8吋晶圆上制造,但须严守 严格的可靠性和测试要求,并需要 IC 制造商承诺满足汽车厂客户的长生命周期 需求。

当前全球多数汽车半导体的晶圆生产,都是130/180奈米及以上制程,采尖端制 程技术者非常稀少。

 

所有的车用半导体元件都要通过

1.AEC-Q100 with capabilities for each temperature grade 可靠度验证。

(AEC-Q100 的规范, Please see the photo.)

 

2.要符合零失效(Zero manufacturing defects)。

 

3.另外生产车用半导体公司一定要得到

ISO TS 16949 certified 质量管理系统认证。

 

 

将储存芯片推进汽车工业的经历:

我(朱池山)二十年前,在一家储存芯片设计公司工作,当时公司决定将公司的存储半导体产品推进汽车工业。我负责封装工程和生产运营,所以,我同品管部主管一起去参加专门为汽车生产音响和别的计算机系统生产公司开会,了解汽车工业对半导体的要求。在美国的汽车重鎭,开了多次会议后,我又到墨西哥汽车工业生产线去实地考察,回来后,就开始预订计划去生产汽车半导体。

 

车用半导体多为导线架封装,芯片外殻1毫米(1mm )的厚度,因为它必须在-40C和+150C的低温和高温都能运作,所以我们一定要用膨胀系数低的塑胶材料,因为汽车在不同的地方,不同的气候行驶,不同的温度会使塑胶材料会对芯片表面,产生强大的材料应力(Stress 抓力),所以用低膨胀系数的塑胶,产生的应力(抓力)比较小,芯片上的积成电路是可以承受的。因为封装体型很簿,所以选择strength module 模块强度比较高一点的塑胶材质。可以承受比较高的压力。


另外要符合零失效的要求(全部都是好的).

我们会加入半导体加速老化过程(Burn-in process) ,加上测试,可以将不良芯片,全部拿掉(removed early failures)。因为半导体的可靠度失效率)(Reliability Failure Rate)具有“浴盆”曲线(Bathtub curve)的特征。只要将早期失效产品挑选出来,(infant mortality )剩下的产品,就可以用很长的时间(十多年到二十多年)。我们又加入高温测试和低温测试,最后加一次品管测试,再烘烤几个小时将水份蒸发,放入真空袋内外面用防水塑料袋包装,才能送给汽车组装厂。


汽车工业要求凡是帮我们生产的产商公司都要得到ISO TS 16949 certified 质量管理系统认证, 加上他们认証, 通过测试后,我们就固定用这家公司,汽车工业为了保持高质量的半导体,所以不批准我们换生产的公司。他们担心新的生产缐,会产生质量下降的情况。


另外我们也做很多的Reliability test 可靠性测试,高温,低温,高压湿度测试,高温储存测试,长期老化测试等,种种的资料显示出,对汽车工业的要求,都可以达到后,才送出我们的储存半导体样品给他们做试验。经过严格的汽车工业测试, 试验后,我们的产品通过了,成功进入汽车工业。因为汽车工业持续下去的,不像其他计算机,电话,每六个月就有新产品推出,旧产品就逐渐被淘汰了。所以当产品过关,进入汽车工业,就可以继续十年以上的定单,奠定了固定的收入来源。到目前为止,我已经退休,公司的产品还继续生产。感到十分欣慰。

 

结论:

目前可见全球主要汽车OEM厂商宣布的未来5年电动车投资金额,合计超过 2,500亿美元规模,主要车厂将面临必须发展全面电动化的浪潮压力,未来几年全球汽车产业,电动化,将需要相当多的半导体。

在运算技术、地图信息,影像处理、自驾芯片甚至是作业系统,都需要半导体。所以在未来汽车工业,每年都会增加对半导体的需求。希望下一代的海外侨胞对半导体和汽车工业上发扬光大,造福大众。

上图是半导体占未来汽车成本的20%

上图是车用电子对半导体的要求

车用半导体,各种不同的封装

汽车电子五个主要领域

bathtub curve 浴缸曲线。

上图 所示的浴缸曲线代表了许多产品中的故障模式。纵轴是每个时间点的故障率,横轴是测试时间(或产品上市后的时间)。浴缸曲线分为三个区域:早期失效、使用寿命和磨损

 
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