进入电动车供应链必备，国际可靠度品质车规，五步骤一次解析

2022 年 Honda 将在欧洲停售纯燃油车、2030 年 Volvo 目标完全转型成纯电动车品牌、2030 年 Ford 提出欧洲停售燃油车的目标，您準备好了吗？

近年来欧美日各家重点车厂宣布十年内转型电动车，然而当车厂做出如此重大决定时，又遇上 2020 年第四季车用晶片市场 V 型反转导致大缺货，使得半导体需求爆炸性成长。

车用半导体需求会如此庞大主要分成两类，一是上述提及的电动车，使用到的功率半导体是过去车用的 7~10 倍之多。另一类则是自驾车系统或是我们较常听到的 Level 2 到 Level 5，这类是以感测元件为主。现今的国际着名车厂如：M-Benz、BMW、TOYOTA 等均已开发出多款 AI 无人驾驶智慧汽车。其功能包含自动驾驶、自动停车、碰撞警示、自动煞车等多项功能。

而这些装置的内部电子元件在安装之前，必须经过一连串严苛的可靠度测试来确保产品品质是无故障或损坏的，以保障使用者的人身安全。

汽车产业原本为一个非常封闭的环境，国际车厂并不会将产品 Cost Down 视为重要的任务，因为汽车是与人类生命财产有关的行业，产品设计的不良或可靠度的缺陷将会造成车厂巨大的赔偿，因此车厂不会轻易的去更换供应商。但近年来"AI 智慧电动车"与"ADAS"的崛起，汽车电子佔车价的比重逐步提升到 40-50%（多达8,000个半导体 IC），这两个汽车新发展面向，使得车厂必须开始跳脱既有的供应链，开始寻找合适的电子产品供应链。然而，当人们对电子系统反馈的倚重程度越高，更需着重于功能安全问题，且将故障风险对人员影响最大限度地降低。因此汽车製造商（Vehicle Maker）和一级系统供应商（Tier 1）为提高电子产品的品质和可靠性，要求电子元件故障率的等级降至十亿分之一（Parts Per Billion；ppb），也在供应链中推行零缺陷 （Zero Defect）的概念。

在消费性电子产品的产业中，产品的生命週期通常不长，3~5 年内就会有汰旧换新的情况发生，这也造就了 Time to Market 的能力与优势，许许多多的新创产业就在此中萌芽发展。然而转换到汽车产业，新技术往往不会放入最畅销的车款上，而是把最成熟、可靠度品质最佳的产品导入。宜特认为，如果你是刚萌芽求生存的公司，应该将产品朝向副厂零组件（AM, After Marketing）努力；如果你的目标客户或是终端客户为车厂 / Tier 1，那么提高产品的可靠度将会是唯一路径。

该如何提升电子产品可靠度? 本文将从国际规範 SAE J1211 与 ISO 26262 都强调的规格需求与验证结果 – V 型曲线（参见图一）来探讨，解析汽车电子零件 / 元件设计与验证要点，并加入在宜特与德凯宜特实验室的实战经验，期望协助将加入智慧汽车供应链的厂商能够掌握要点。

▲ 图一：汽车电子零件 / 元件设计与验证流程（Source：SAE J1211）

一、国际可靠度品质车规验证五大步骤

当车厂要开发一个产品与功能时，将会定义系统功能→子系统功能→该採用的电子控制单元（ECU）→需要使用的半导体元件，规格由左至右、由上而下；但在进行验证时则需由下而上，一步一步完成验证需求，正所谓"基础不牢，地动山摇"，从最源头确认品质起，将会是产品达到高可靠度的不二法门。如不遵循 V 型曲线，当产品发生失效状态下，就无法釐清是上一段产品问题，还是製程问题，或是自己设计不良所导致。

Step 1：Component level – 主动元件（IC）符合 AEC-Q100 需求、离散元件符合 AEC-Q101、LED符合 AEC-Q102（2021年新版）、MEMS 符合 AEC-Q103、多晶片模组 MCM 符合 AEC-Q104 要求、被动元件符合 AEC-Q200Step 2：PCB level -印刷电路板（以下简称 PCB）通过 IPC-6012DA 验证Step 3：PCB Assembly Level – 考量元件上板后的焊点可靠度（BLR, Board Level Reliability）Step 4：Board level – PCBA 製程品质验证确认Step 5：System level -从系统模组到 Tier 1 / 品牌车厂的标準规範Step 1：Component level AEC-Q 系列

对车用 ICs 可靠度验证而言，美国在 1994 年即由克莱斯勒（Chrysler）、福特（Ford）以及通用汽车（GM）三大汽车厂发起成立汽车电子委员会（Automotive Electronics Council – 简称 AEC）。AEC 建立车用电子零组件的品质控制标準，符合 AEC 规範的零组件均可被 Chrysler、Ford 与 GM 三家车厂同时採用，因而促进了零组件製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，为汽车零组件市场的快速成长打下基础。

近年来国际车厂于安全相关的 ECU 上，将 AEC-Q100 制定为强制性的主动元件需求，AEC-Q200 因终端客户的询问度亦逐步提高，未来也会转化为强制性的需求，宜特呼吁厂商可提早因应。对于 LEDs Component， AEC 也于 2017 年颁布了 AEC-Q102，已成为车用 LED 的圣经。

另外，对于符合 AEC-Q 系列的电子零件产品，AEC-Q004 零缺陷（Zero Defect）提供一个策略架构，目标是将业界最佳的製程、方法和工具，或是元件供应商内部专属的缺陷筛检手法，运用在製程设计、产品设计、生产、以及产品/製造改善等阶段，以达到缺陷减少。

Step 2：PCB level- PCB 板通过 IPC-6012DA 验证

印刷电路板（Printed circuit board，简称 PCB）是主被动元件的沟通桥樑，当元件故障时可透过 Re-work 更换，但不可能移除所有元件后再更换 PCB，因此不得不说 PCB 为汽车电子零元件中的关键零件。

车用 PCB 以往并无特殊的验证手法，多遵照 IPC-6012 进行验证，由于车用电子市场的崛起，PCB 製造业者积极抢食这块大饼，IPC（国际电子工业联接协会，简称 IPC）不得不重视此问题，特别于  2016 年颁布了首份针对车用 PCB 的验证及允收规範 IPC-6012DA，其中包含了温度冲击耐久试验（Thermal shock endurance Testing）、高温耐久试验（High Temperature Endurance Testing）、高温高湿储存试验（High Temperature & Humidity Storage Testing）、阳极细丝导通试验（Conductive Anodic Filament，简称 CAF Testing）、表面绝缘电阻试验（Surface Insulation Resistance，简称 SIR Testing）…等。这份也成为车厂与 Tier 1 对于 PCB 可靠度验证的重要参考法规。

Step3：Board level – 车用元件上板后的焊点可靠度（板阶可靠度测试，Board Level Reliability，简称 BLR）

板阶可靠度（BLR），是国际间常用来验证 IC 元件上板至 PCB 之焊点强度的测试方式，是目前手持式装置常规的测试项目。而随着汽车电子系统的複杂度提升，更多的 IC 元件被运用在汽车内，BLR 遂逐步成为车电重要测试项目之一，不仅 Tier 1 车厂 BOSCH、Continental、TRW 对此制定专属验证手法，令人注意的是 AEC 汽车电子协会于 2018 年出炉的 AEC-Q104，明确定义了车用电子的板阶可靠度试验（Board Level Reliability）项目，虽然项目仅有 BLR TCT（温度循环）、Drop（落下）等，但只针对 MCM（Multi-Chip Modules），并未将较普及的封装形式一同纳入，较未能完全贴近 Tier 1 的客户规範，但却是车用板阶可靠性通用标準发展的一大步，相较于今年车市的火热，AEC 汽车电子协会是否有更进一步更新 AEC-Q104，是值得我们期待的。下列表格为 Tier 1 大厂针对 Board Level 的测试需求（表一）。

▲ 表一：汽车 Tier 1 大厂 Board Level 测试需求 

归纳在宜特与德凯宜特实验室中，常见车电晶片 Board Level 焊点失效五大主因：

（1）焊点大小与排列方式（2）焊点合金成分（3）PCB 设计方式与材料选择（4）Reflow 温度与 Flux 残留（5）焊点周围的填充物。（参见图二）

其中的（2）、（3）、（5）项会延伸到另一个问题，就是热膨胀係数（Coefficient of Thermal Expansion）。车用晶片在运作中可能产生很高的温度，不同材料热膨胀係数不同，会产生不同的变形量，除上述提到的振动应力外，温度产生热胀冷缩会对于焊点有拉扯与挤压的破坏能力，如果晶片材料能选择较相近的热膨胀係数越接近，温度产生的应力将大大减少。电脑与手机等产品的保固期间大约是 2~5 年，由于一般车用晶片使用年限会长达 10~20 年，测试条件须谨慎评估，所以在晶片规划初期，可先将这几个因子考量进去，汽车产业要求的安全与可靠度标準远比电脑和手机等产品严格，除可提高晶片寿命之外，对于失效分析后的改善时程与费用皆能有所提升。

▲ 图二：汽车电子 Board Level 焊点失效五大关键因素

相较于消费型电子产品 Board Level 测试条件，是否可以参考或沿用至车用产品？

以上是在宜特与德凯宜特实验室时，客户最常询问的问题之一。答案是不行的。因为这些系统模组导入车辆设计之中，车载平台使用的环境与结构大不相同，汽车在启动后，所有晶片都会开始承受振动、机械的应力与外在恶劣环境，若使用消费型电子产品测试条件后，在真实使用环境可能会发生所谓的早夭现象。

以振动测试说明，手持式产品振动模式以一般运输为主，大致上包含陆、海、空运模拟。而车用振动测试，因晶片会长时间暴露在外在环境，必须考量温度与湿度的耐用程度，寒带国家与热带国家使用的环境就不一样，密闭空间在太阳照射下可能达到 100℃，引擎周围温度更高达 150℃，必须确认晶片是否能抵御温度与震动的能力。所以为了模拟更真实的环境，振动过程会将环境条件加入测试，这就是我们常听到的複合式振动测试。除振动与温度之外，还有针对晶片焊点接合强度进行分析，例如:晶片推力、拉力、循环式弯曲等等，这些都是要确保所有焊点能保障驾驶者的安全。

Step 4：Board level – PCBA 製程品质验证确认

欧盟 2006 年 7 月开始实施 RoHS，在电子产品上限制使用铅（Pb），含量需小于 1000 ppm。在当时电子产品使用锡铅銲锡已经超过 50 年以上历史，导入无铅製程中，无论设备、测试方法、产品品质与可靠度等议题必须重新进行检视与确认。焊接材料从锡铅转为无铅锡膏后熔点由 183℃ 提升至 217℃，温度的提升导致焊点硬度变硬、变脆、耐疲劳性差，焊点缺陷多容易造成锡鬚等问题，因此掌控製程良率的难度大幅提升。当时因医疗、国防、车用电子的应用上，对于可靠度需求极高，所以导入的脚步较消费性的电子产业慢很多。

在 2007 年版的 AEC-Q100 Version G 尚未有无铅（Pb Free）的验证需求，不过 AEC 在 2009 年发布了 Q005（PB-FREE TEST REQUIREMENTS），正式面对了无铅製程的转换；且 2014 年在进行 AEC-Q100 的改版作业中（Version G -> H），加入了无铅测试的验证要求包含了焊锡性测试（Solderability）、焊锡耐热试验（Solder Heat Resistance）以及锡鬚试验（Tin Whisker），从此汽车电子毅然而然跟上环保的脚步。

而厂商在消费性电子产品导入无铅过程中，累积了非常多的经验，克服了各式各样的难关，因此在进入车用的阶段相对有经验，下图三为车用无铅验证流程图（取自德凯宜特实验室）。

▲ 图三：车用无铅验证流程图。（Source：德凯宜特实验室）

近年来不只车载资讯系统导入无铅的製程，宜特与德凯宜特实验室也接获国际 Tier 1 厂商送出 ABS、SRS 的安全功能关键 ECU 进行验证，这也代表站在最高可靠度殿堂上的汽车产业，对于人身安全核心的电子零组件已将无铅製程的可靠度达到另外一个境界了。

在宜特与德凯宜特实验室与 Tier 1 接触经验上，可以发现各区域的要求会有不同的重点：

欧/美车厂与 Tier 1 重视产品使用的寿命，用产品生命週期与加速测试手法来拟订测试计画，如高温加速模型（Arrhenius）、高温高湿加速模型（Hallberg-Peck）、温度循环加速模型（Coffin-Manson）。美系特别要求高加速寿命试验（High Accelerated Life Testing，简称 HALT），利用 Test to Failure 来找出产品的设计缺陷，在设计验证阶段就先将设计的缺陷改善（参见图四）。亚洲（日韩）要求离子迁移（Migration）与锡鬚的验证（Tin Whisker）。我们推测，亚洲对于这类电化学的验证，都是透过长时数的测试来进行，而非採用加速的方式进行验证，因此这样的测试结果让人感受到实际产品拥有较长的车用电子产品使用寿命。而欧系讲究环保议题，使得产品寿命上的实际感受不如亚洲车厂与 Tier 1。

▲ 图四：美系车厂高加速寿命（HALT）试验图

Step 5：System level – 从系统模组到 Tier1 / 品牌车厂的标準规範

系统模组的验证需求大致可区分为三个阶段：

求生存：此时公司正面临生死存亡的关键时刻，能将产品用最低价最快速的方式投入市场才能足以生存，在这个阶段并无品质与可靠度可言。副厂品牌：公司已有所规模，想要逐步建立品牌价值，这时多参考国际车用规範进行品质验证，而业界最普遍且通用性最广的则为 ISO 16750（繁体版 CNS 15481、简体版 GB / T 28046、日文版 JASO D014），内含四大类的验证，电性负载、机械负载、气候负载、耐化学溶剂负载。车用正厂零组件：此时唯有通过车厂厂规或是 Tier 1 厂规，并无其他二路可选。二、结语

以宜特与德凯宜特实验室所接触的汽车供应链实战经验中建议，要在汽车这个产业长久生存，需跳脱既有的消费性电子产业思维，对于品质与可靠度的要求是没有任何妥协的余地，价格是放在最后的考量，车厂对于新的产品导入可能有长达 3~5 年验证期，对于产品的售后维修备料，更可能要求达 20 年之久，当决定跨入汽车产业之路，经营者必须更有耐心与决心。若您对汽车电子验证有相关需求，请洽 +886-3-579-9909 分机 1068 邱小姐 Email: marketing_tw@istgroup.com

　（图片来源：宜特科技）