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性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智慧汽车」与「ADAS」的崛起，汽车电子占车价的比重逐步提升到40-50%，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。从2017年全球汽车销售量排行榜来看，前七大车厂的销售量已经占了全球60%的比重，这代表市场是非常集中的，如何击退竞争者进入国际车厂的供应链，无非是现今电子厂商所面临的重要课题。
在消费性电子产品的产业中，产品的生命周期通常不长，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、可靠性质量最佳的产品导入。
该如何提升电子产品可靠度?本文将从国际规范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，并加入笔者实际在宜特与德凯宜特实验室服务的实战经验，期望协助将加入智慧汽车供应链的厂商能够掌握要点。
汽车电子元件/零部件设计与验证流程 (数据源: SAE J1211)
图一: 汽车电子元件/零部件设计与验证流程 (数据源: SAE J1211)
国际可靠性质量车规验证五大步骤
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->该采用的电子控制单元(ECU)->需要使用的半导体组件元件，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」，从最源头确认质量起，将会是产品达到高可靠性的不二法门。如不遵循V型曲线，当产品发生失效状态下，就无法厘清是上一段产品问题，还是制程问题，或是自己设计不良所导致。
- Step 1：Component level -– 集成电路IC符合AEC-Q100要求、离散元件符合AEC-Q101需求、LED符合AEC-Q102要求(2017年新版)、多芯片元件MCM符合AEC-Q104要求(2018年新版) 、被动元件符合AEC-Q200要求
- Step 2：PCB level -印刷电路板(以下简称PCB)通过IPC-6012DA验证
- Step 3：Board level - 考虑元件上板后的焊点可靠性(BLR, Board Level Reliability)
- Step 4：Board level - PCBA制程质量验证确认
- Step 5：System level -从系统模块到Tier 1 / 品牌车厂的标准规范
(一) Step 1: Component level: AEC-Q系列
对车用ICs可靠性验证而言， 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建立车用电子元件的质量控制标准，符合AEC规范的元件均可被Chrysler、Ford与 GM三家车厂同时采用，因而促进了元件制造商交换其产品特性数据的意愿，并推动了汽车电子元件通用性的实施，为汽车电子元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询问热度逐步提高，未来也可能会转化为强制性的需求，笔者呼吁厂商需提早因应。对于LEDs Component， AEC也于2017年颁布了AEC-Q102，已成为车用LED的圣经。
(二) 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梁，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为汽车电子零组件中的关键零件。
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制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的验证及允收规范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可靠性验证的重要参考法规。
(三)* Step3 :Board level-车用组件上板后的焊点可靠性(板阶可靠性测试，Board Level Reliability，简称BLR)
板阶可靠性(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复杂度提升，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，不仅汽车Tier 1主要供应链对此制定专属验证手法，令人注意的是AEC汽车电子协会近期最新出炉的AEC-Q104，明确定义了车用电子的板阶可靠性试验(Board Level Reliability)项目，虽然项目仅有BLR TCT(温度循环)、Drop(落下)、Low Temperature Storage Life(简称LTSL)、Start Up & Temperature Steps(简称STEP)等，尚未能完全贴近Tier 1的客户规范，但却是车用板阶可靠性通用标准发展的一大步。下列表格为Tier 1大厂针对Board Level的测试需求(表一)。
| Test Item | A Company | B Company | C Company | | RTC TMCL (BLR TCT) | ◆ -40~125℃ @ 2,000~4,000 cyc.
◆ 30 mins. dwell time
◆ Dual chamber(Air to Air) | ◆ -40~125℃, @ min 2,000 cyc
◆ 10 mins. dwell time.
◆ 10 ≤ ∆T/∆t ≤ 20 K/min. | ◆ -40~125℃ / -40~150℃ @ 3,000 cyc.
◆ 10 mins. dwell time.
◆ 30 mins transfer time | | PTC | ◆ -40~105℃ @ 2,600 cyc
◆ T on/off = 5mins. 10mins./cyc. | NA | NA | | Vibration | ◆ 100Hz~2,000Hz @ 5.02 PSD
◆ RMS acceleration : 97.7m/s2.
◆ Random Vibration + Temp. | ◆ 20Hz~2,000Hz @ 0.1 PSD,
◆ RMS acceleration :189.4~818m/s2.
◆ Sine sweep or random VIB. | NA | | Drop | NA | ◆ Direction C+/C-
◆ 1,000G @ 1.4ms | ◆ Direction C-
◆ 1500G, 0.5ms, 60 drop | | Bending | ◆ Deflection d=1,0mm, 20sec
◆ Bend to fail | NA | ◆ Displacement d=2.0mm, 100cyc.
◆ Displacement d=4.0mm, 100cyc. |
表一: 汽车Tier 1大厂Board Level测试需求
1. 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:
- 焊点大小与排列方式
- 焊点合金成分
- PCB设计方式与材料选择
- Reflow温度与Flux残留
- 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，就是热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion)。车用晶片在运作中可能产生很高的温度，不同材料热膨胀系数不同，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系数越接近，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准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。
2.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？
以上笔者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复合式振动测试。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。
(四) Step 4：Board level - PCBA制程质量验证确认
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焊锡已经超过50年以上历史，导入无铅制程中，无论 设备、测试方法、产 品质量与可靠性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须等问题，因此掌控制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，对于可靠性需求极高，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)，正式面对了无铅制程的转换；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)以及锡须试验(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。
车用无铅验证流程图
图三:车用无铅验证流程图
近年来不只车载信息系统导入无铅的制程，也包含国际Tier 1厂商开始针对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制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，用产品生命周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)与锡须的验证(Tin Whisker)。笔者推测，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，而非采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。
美系车厂高加速寿命(HALT)试验图
(五) Step 5：System level – 从系统模块到Tier1 / 品牌车厂的标准规范
系统模块的验证需求大致可区分为三个阶段：
1. 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，在这个阶段并无质量与可靠性可言。
2. 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范进行质量验证，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。
3. 车用正厂零组件：此时唯有通过车厂的厂规或是Tier 1厂规，并无其他二路可选。
二、结语
以笔者在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。
作者：宜特科技可靠度工程处板阶可靠度工程部经理庄家豪、德凯宜特技术行销室资深技术经理陈旺助 | 
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