設(shè)計汽車電子設(shè)備的公司必須了解可變性是如何影響設(shè)計質(zhì)量和可靠性的。

雖然汽車銷售量通常只能保持個位數(shù)的年增長率，但隨著我們進(jìn)入數(shù)字汽車時代，汽車內(nèi)部的電子系統(tǒng)在快速擴(kuò)張。根據(jù)最新估算，電子系統(tǒng)的生產(chǎn)成本約占新汽車生產(chǎn)總成本的30%。現(xiàn)在，典型的新汽車通常包含100多個微處理器，用于執(zhí)行各種任務(wù)，范圍涵蓋安全（制動控制和傳感器）、舒適（供熱、冷卻、座椅位置）、信息娛樂系統(tǒng)（導(dǎo)航和通信系統(tǒng)）以及先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)，該系統(tǒng)是使用率增長最快的系統(tǒng)之一。汽車電子設(shè)備的這種爆炸式增長是當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)的最大亮點(diǎn)之一，對于力圖擴(kuò)張市場的半導(dǎo)體公司而言，這些設(shè)備成為一個極具誘惑力的市場。新涉足汽車市場的任何公司都面臨著一大挑戰(zhàn)：他們必須了解市場需求和性能標(biāo)準(zhǔn)，特別是在質(zhì)量和可靠性方面。安全、效率、連接是汽車電子元器件的主要發(fā)展動因。

擴(kuò)展汽車市場

隨著越來越多的公司進(jìn)入該市場，這些公司想要取得成功的關(guān)鍵要素是確保產(chǎn)品設(shè)計充分考慮到與汽車使用相關(guān)的環(huán)境可變性、他們必須遵守的嚴(yán)格的質(zhì)量和可靠性要求，以及消費(fèi)者對性能和可靠性的期望。設(shè)計團(tuán)隊必須了解這些條件，并應(yīng)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)來解決設(shè)計問題以及實(shí)現(xiàn)合規(guī)性。

驅(qū)動可靠性需求的因素有很多。首先，這些器件必須能在各種物理環(huán)境中工作，其中包括極端的天氣狀況和溫差較大的環(huán)境中。除了氣候之外，這些器件還必須耐受其他的一些環(huán)境條件，包括高溫環(huán)境、震動、超長時間工作以及頻繁啟停。要設(shè)計滿足這一系列要求的產(chǎn)品，對于近期才決定為汽車市場生產(chǎn)芯片的廠商而言，完全是全新的體驗(yàn)。

對于大多數(shù)設(shè)計人員來說，另一個新的可靠性要求就是他們設(shè)計的產(chǎn)品要達(dá)到用戶期望的使用壽命。消費(fèi)類產(chǎn)品通常只能工作幾年，而汽車器件的預(yù)期使用壽命需要達(dá)到至少10-15年。另外，汽車要創(chuàng)建自身的系統(tǒng)，而器件之間會有大量連接，這也使得器件可靠性變得尤為重要，因?yàn)槎鄶?shù)情況下，如果一個器件發(fā)生故障，將會危及整個系統(tǒng)。如此一來，設(shè)計人員不得不考慮一些以前并不重要的設(shè)計應(yīng)力，例如經(jīng)時介電質(zhì)擊穿(TDDB)，同時還需了解如何分析和計入這些影響。用戶期望電子器件具有很長的使用壽命，這也對尚未成熟的新技術(shù)帶來了壓力。

除了環(huán)境可變性和整體系統(tǒng)可靠性之外，設(shè)計之間的復(fù)雜度差異大小也存在可變性。在高端設(shè)計方面，我們要滿足車載信息娛樂系統(tǒng)(IVI)市場的需求，該系統(tǒng)可簡單定義為將信息和娛樂系統(tǒng)組合在一起，為駕駛員和乘客提供便利。IVI是集成視頻顯示、音頻、觸摸屏，以及其他器件（例如智能手機(jī)和媒體播放器）連接的完整系統(tǒng)。IVI內(nèi)部的控制系統(tǒng)或主處理器通常采用最新半導(dǎo)體技術(shù)來提供所需的功能。存儲器芯片，特別是NAND閃存，也是導(dǎo)航和IVI系統(tǒng)中的另一重要半導(dǎo)體元器件。

在低端設(shè)計方面，我們將大家熟悉且久經(jīng)驗(yàn)證的成熟技術(shù)應(yīng)用于各個組件，例如安全系統(tǒng)（例如氣囊）、制動系統(tǒng)、動力總成操作和點(diǎn)火系統(tǒng)控制。對這些芯片的需求是提高既定節(jié)點(diǎn)的容量的主要動因（另外還有物聯(lián)網(wǎng)）。在這種市場需求下，設(shè)計人員將背負(fù)巨大的壓力，他們必須確保自始至終地保持最高的良率和可靠性，甚至在這些傳統(tǒng)設(shè)計中也要做到這一點(diǎn)。

可靠性動因

在設(shè)計和驗(yàn)證過程中，必須考慮可靠性的兩個主要方面——電氣性能和制造優(yōu)化。這兩個與可靠性相關(guān)的問題有其獨(dú)特的要求，但又互有重疊。其中最大的重疊就是用以提供完整設(shè)計解決方案所必不可少的生態(tài)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)涵蓋了晶圓代工廠、設(shè)計團(tuán)隊、電子設(shè)計自動化(EDA)解決方案供應(yīng)商。晶圓代工廠掌握了有關(guān)制造流程的深厚知識，能夠在規(guī)則集中應(yīng)用這些知識，從而將版圖配置與良率/可靠性/穩(wěn)健性關(guān)聯(lián)起來。EDA供應(yīng)商可提供自動化功能，讓設(shè)計人員能夠按照規(guī)則集來分析設(shè)計，以便發(fā)現(xiàn)在何處進(jìn)行哪些更改能夠改進(jìn)設(shè)計，包括在電氣性能或制造優(yōu)化方面。一旦設(shè)計人員擁有了幫助改進(jìn)設(shè)計可靠性的自動化解決方案，他們就能將其很好地應(yīng)用到設(shè)計中。除了改進(jìn)所有設(shè)計的良率/可靠性/穩(wěn)健性之外，他們還可以利用此功能，在整個公司范圍內(nèi)建立最佳實(shí)踐。通過比較不同設(shè)計組的得分，他們可以確定今后使用哪些設(shè)計技術(shù)。另外，他們還可為公司設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)化的最佳流程，從而有助于改進(jìn)所有設(shè)計的質(zhì)量。

設(shè)計人員有責(zé)任在流片之前驗(yàn)證電氣性能，從而確保他們設(shè)計的可靠性。AEC 電氣元器件質(zhì)量鑒定要求確定了磨耗可靠性測試，對多種失效機(jī)理的測試做出規(guī)定：

電遷移

經(jīng)時介電質(zhì)擊穿（或薄柵氧化層完整性測試）——適用于所有 MOS 技術(shù)

熱載流子注入效應(yīng)——適用于 1 微米以下的所有 MOS 技術(shù)

負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性

電應(yīng)力遷移

針對這些失效因素進(jìn)行設(shè)計驗(yàn)證可確保實(shí)際器件電氣性能達(dá)到預(yù)期可靠性。但是，傳統(tǒng)的IC驗(yàn)證流程采用了設(shè)計規(guī)則檢查（DRC）、版圖與電路圖比較和電氣規(guī)則檢查方法，而且這些工具僅側(cè)重于設(shè)計驗(yàn)證的某個特定方面，因此在驗(yàn)證這些要求時可能遇到問題。新型EDA 工具，例如 Mentor Graphics的Calibre PERC，不僅能夠在設(shè)計中考慮器件，而且還會考慮到使用它們的情景以及它們的物理實(shí)現(xiàn)，如此便有助于設(shè)計人員全面了解設(shè)計中的弱點(diǎn)。設(shè)計的“整體問題”視圖提供了可見性，設(shè)計人員利用這一功能可以發(fā)現(xiàn)在設(shè)計中使用的知識產(chǎn)權(quán)(IP)的互操作性問題。

使用俗稱為“可制造性設(shè)計”(DFM)的方法可以提高制造可靠性。DFM的作用是提取制造數(shù)據(jù)，并將其呈現(xiàn)給設(shè)計人員，讓他們能夠杜絕已知的制造問題，從而提高設(shè)計的良率/可靠性/穩(wěn)健性。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最有效方式是建立同種類型的生態(tài)系統(tǒng)以改進(jìn)可靠性，這種生態(tài)系統(tǒng)的成員包括晶圓代工廠、設(shè)計人員和EDA供應(yīng)商。制造可靠性檢查是規(guī)則集的擴(kuò)展，例如三星和GLOBALFOUNDRIES開發(fā)的制造分析和評分(MAS)規(guī)則集，可與Mentor Graphics的Calibre YieldAnalyzer工具配合使用。創(chuàng)建功能生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素是提供來自實(shí)際制造結(jié)果的反饋，以便設(shè)計人員了解為什么某個版圖結(jié)構(gòu)無法滿足可靠性要求。對于新近進(jìn)入汽車市場、不太了解附加可靠性要求的廠商而言，這種反饋尤為重要。高效解決方案遠(yuǎn)非只是提供版圖的DFM得分，設(shè)計人員需要識別最重要且相關(guān)性強(qiáng)的幾何圖形，并確定哪些更改將顯著提高可靠性。要成功創(chuàng)造出具成本效益的設(shè)計，對設(shè)計工作進(jìn)行優(yōu)先排序至關(guān)重要。

毫無疑問，電子系統(tǒng)正在對汽車市場產(chǎn)生重大影響，而且這種趨勢還將持續(xù)增長。隨著各家公司競相進(jìn)入市場，以期充分把握汽車電子系統(tǒng)市場的商機(jī)，他們需要了解版圖可變性與設(shè)計質(zhì)量和可靠性要求的關(guān)系。晶圓代工廠能夠提供版圖和可靠性之間的關(guān)系，而EDA供應(yīng)商則能提供工具，通過易于使用的自動化系統(tǒng)，向設(shè)計人員呈現(xiàn)這些數(shù)據(jù)。作為生態(tài)系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，設(shè)計人員必須了解這些要求和解決方案，從而確保設(shè)計滿足最嚴(yán)格的電子系統(tǒng)可靠性要求，同時讓制造商保持盈利。