半導體組件是汽車中的電子產品總成的核心, 按照汽車製造廠商和型號的不同, 現代的汽車可能需要多達8,000個晶片, 並且這個數字只會隨著自主駕駛汽車的普及而增加, 額外的電子子系統及其所採用的整合電路將為無人駕駛汽車提供其所需的感測器, 雷達和人工智慧.
汽車和輕型卡車的年產量是8,800多萬輛, 每輛車中安裝數千個晶片產品, 汽車行業對半導體製造業的影響已經開始顯現. 一個簡單的事實就是汽車裡所採用的數千個晶片都不可以失靈.
汽車半導體零件的可靠性至關重要, 任何在車輛行駛過程中出現故障的晶片都可能導致昂貴的保修維修和產品召回, 並且可能會損壞汽車製造商的品牌形象, 在極端情況下可能會導致人身傷害甚至危及生命.
如果一輛普通汽車中有5,000個晶片, 汽車製造商每天生產2.5萬輛汽車, 那麼即使是百萬分之一(ppm)的晶片故障率也會導致每天超過125輛汽車因為晶片質量出現可靠性問題.
由於半導體是汽車製造商故障排列圖中的首要問題, 一級的汽車系統供貨商現在要求半導體質量可以達到十億分之一(ppb)的級別, 並且目前的趨勢是無論晶片數量多少, 越來越多的供貨商開始限定 '最多允許的故障數目' .
目前發現可靠性故障的方法過度依賴於測試和老化試驗, 結果是質量目標無法實現並且相去甚遠. 同時, 審計標準越來越具有挑戰性, 推動晶圓廠在晶片製造的源頭就發現這些可靠性問題, 因為這時發現問題並採取糾正措施的成本最為低廉. 要進入這個不斷增長的市場領域, 或者簡單地保持市場佔有率, 整合電路製造商必須積極應對這種對於晶片可靠性要求的變化.
幸運的是, 對於半導體製造商來說, 晶片的可靠性與他們所熟知的東西高度相關: 隨機缺陷.
事實上, 對於設計良好的製程和產品而言, 早期的晶片可靠性問題(外在可靠性)以隨機缺陷為主. 殺手缺陷(影響良率的缺陷)是導致組件在時間t=0(最終測試)失敗的缺陷. 潛在的缺陷(影響晶片可靠性的缺陷)是導致組件在t﹥0(在老化之後)發生故障的缺陷.
發現殺手缺陷(良率)與潛在缺陷(可靠性)之間的關係是通過觀察到影響良率的同一缺陷類型也影響可靠性. 這兩者主要根據缺陷的大小以及它們在組件結構上出現的位置來區分. 圖1顯示了導致開路和短路的殺手和潛在缺陷的例子.
圖1 影響良率的同一缺陷類型也會影響可靠性. 主要根據缺陷的大小以及它們在圖案結構上的位置來區分.
良率和可靠性缺陷之間的關係並不局限於一些特定的缺陷類型; 任何可能導致良率損失的缺陷類型也可能導致可靠性問題. 故障分析表明, 事實上大多數可靠性缺陷是製程相關的缺陷, 並可溯源到晶圓廠. 由於良率和可靠性缺陷具有相同的根本原因, 因此提高良率(通過減少與良率相關的缺陷)將會提高可靠性.
圖2中的A曲線顯示了典型的良率曲線. 如果我們只考慮晶片良率, 那麼在某個時候, 在這個製程中進一步的投資可能不具備成本效益, 因此隨著時間的推移良率趨於平穩. 圖2中的B虛線顯示了製造相同產品的同一工廠的曲線. 但是, 如果他們想要為汽車行業供貨, 那麼他們也必須考慮到可靠性不足的成本. 在這種情況下, 需要進一步的投資來進一步降低缺陷密度, 這既能提高良率, 又能提升汽車供貨商所需的可靠性.
圖2 不同類型晶圓廠的收益率曲線(收益率相對於時間). A曲線適用於非汽車工業的晶圓廠, 主要考慮的是晶圓廠的盈利能力. 在某一時刻, 收益率已經足夠高, 繼續試圖減低缺陷率並不實際. B虛線也是包括了可靠性的收益率曲線. 對於汽車供應鏈中使用的整合電路產品, 必須進行額外的投資, 以確保高可靠性, 這與收益密切相關.
由普通級晶片供貨商轉型成為汽車供貨商需要晶圓廠管理層面的模式轉變. 成功的汽車行業半導體製造商早已採取以下策略: 降低潛在(可靠性)缺陷的最佳方法是降低晶圓廠的總體隨機缺陷水平. 這意味著要有一個世界一流的減低缺陷的策略, 包括: 基線良率提升, 減低異常發生率, 出現異常時能迅速發現並線上修複, 以及使用晶粒篩選剔除可疑的晶粒.
