[車用電子] 品質至上安全第一的車用電子標準
Adam Prengler、Nathan John．美國恩益禧電子NEC Electronics America
編譯：柳林緯
身為消費者，沒有一個人會希望自己買到的商品是差勁且靠不住的爛東西。對於需要保障生命安全的汽車來說，這樣的要求絕對會遠大於其他商品。畢竟，買車可不像是買錯了衣服，穿不慣頂多丟掉，要是車子一旦有什麼狀況，這可是會把命給丟掉的。
正因為如此，汽車工業對於零組件供應商一直以來都抱持著嚴格的標準來看待。美國汽車電子協會（AEC：Automotive Electronics Council）（譯註：其網址為http://www.aecouncil.com/）目前已經有一套標準，用來給業界作為建立品質系統的準繩。同時，該標準還定義了身為供應商所需具備的資格與申請步驟，以便業者能符合上述規範，並成為合格的個別產品供應來源。在此，本文就是要為各位讀者解析該標準的意涵，以利需要的廠商對其有初步的認識。
圖一：（圖／http://www.aecouncil.com/）
汽車內部的系統就好比電腦網路的「主從架構」
隨著汽車電子技術的進步，今天的汽車裏都有很多繁複的數據管理控制系統，並透過許多各自獨立的電路，來傳遞每個模組間所需要的訊號。舉例來說，這種繁複的控制系統，就好比電腦網路理所謂的「主從架構」（server/client system），伺服器是控制系統的主要核心，透過內部的網路來傳遞序號給終端機或其他周邊模組（如：門鎖、窗戶控制器），這些內部的線路可以是串接的一般線纜，也可以是像「區域互連網路」（LIN：Local Interconnect Network）的連線系統。在主體控制單元與每個周邊模組中，其內在幾乎都有一個微控制器（microcontroller）。因此，對於這些小小心臟，製造商們無不以最認真最嚴格的態度來看待，並確保這些微控制器符合汽車安全的最高標準。
美國汽車電子協會的標準「AEC-Q100」，係以微控制器與積體電路為標的所設計出的一套標準，其規範了半導體供應商所必須達成的產品品質與可靠度。儘管目前半導體製程技術已經是爐火純青而且到達各方普遍能接受的水準，但為了樹立更低失誤率的目標，此標準對於供應商來說，無疑是對於自身在產品大小、合格次數、成本控制等全方位的挑戰。
值得一提的是，這些規範中對於每一個申請的個案，都會依照製造商所提出的產品資料表、使用目的、功能說明等一一予以確認，不僅要確定該個案產品（或裝置）是否符合當初所宣稱的功能（即品質），以及在多次使用後是否能始終如一（也就是可靠度）。
對於品質的理想：零瑕疵
所有的品質標準，其最終目的不外乎確保產品在設計開發的初期就能預防各種可能的失誤，以便產品在使用壽命（lifetime）結束前，都能充分能達到當初所設計的功能、以及始終如一的合格效果。對於汽車製造商來說，這樣的品質要求，其理想應該是零缺點零瑕疵。在一些關鍵個案上，製造商甚至還把失誤率由業界慣用的百萬分之一（PPM：parts per million）件瑕疵品，提升到每十億分之一（PPB：parts per billion）件瑕疵品，以期能符合零缺點零瑕疵的最終理想。從這樣的嚴格態度來看，無疑是想把整個品質管理系統拉到更高的境界。
從半導體工藝的角度來看，現今的積體電路產品，不論是複雜度還是精密度，都堪稱是人類歷史上的奇蹟。同樣地，其背後負責製造生產的機器設備與製程技術，想當然也具有如此的優異程度。舉個例子來說，每一個單一的積體電路，都是在矽晶圓上經過好幾層蒸鍍、濺鍍、長晶、增膜等方式處理之後，再透過切割、封裝、導線架、測試等，才製造出一顆顆你我平常看到的積體電路。
而在這些繁複冗長的製程裏，其實隱藏著一連串各式各樣的失誤機會，對於積體電路裏的不同部分像是晶片或封裝，都會有不同的威脅。好比失誤的機會發生在封裝時潮濕侵襲，水氣就會跑到該零件或裝置裏晶片內部的電路。假使失誤是發生在晶片本身所受到的電力衝擊、靜電放電（ESD：Electrostatic Discharge）破壞、或受到超過設計容忍範圍值的過高的電壓電流襲擊，該裝置在某些狀況下將有可能會出現難以預料的誤動作反應。
AEC-Q100標準
美國汽車電子協會所推出的這項AEC-Q100標準，其實代表了許多汽車製造業者以及供應商對於產品安全的要求。條文中規範了對於積體電路的各項規定，以預防各種可能的狀況，或潛在的失誤機會，並引導供應商在開發的過程裏，對於出產到美國的汽車零組件，能完全符合這些標準。
在AEC-Q100標準目前的版本中，羅列了鉅細靡遺的裝置測試規定，以及通過標準所需的品質測試。這些測試包括以下幾大類：
＊測試群組Ａ：環境壓力加速測試Accelerated Environment Stress（Test group A）
＊測試群組Ｂ：使用壽命模擬測試Accelerated Lifetime Simulation（Test group B）
＊測試群組Ｃ：封裝組裝整合測試Package Assembly Integrity（Test group C）
＊測試群組Ｄ：晶片晶圓可靠度測試Die Fabrication Reliability（Test group D）
＊測試群組Ｅ：電氣特性確認測試Electrical Verification（Test group E）
＊測試群組Ｆ：瑕疵篩選監控測試Defect Screening（Test group F）
＊測試群組Ｇ：封裝凹陷整合測試Cavity Package Integrity（Test group G）
針對不同的測試項目，必須提供一定數量的樣品並進行一連串的測試程序，以便一一檢視其是否符合所需的要求。此外，AEC-Q100內文中還包括了對於品質計畫與結果有一些基本的要求。
測試群組與項目
不用說，這樣嚴格的高標準，即使是向來律己甚嚴的半導體業者，要達成還是得花費一番工夫才行。不同的測試群組與項目，背後就需要有相對應的機制來配合，其所需投入的資源也不容小覷。
對此，有些具備創新能力的供應商，就以通過測試為前提，導入了一些作法，來降低衍生的成本開銷。「內建測試模式」（Built-in test modes）雖然不是為了最終使用者而來，但卻讓測試技師們可以快速地評定裝置中的諸多功能。「內建自我測試」（BIST：built-in self-test）則是設計用來提供特定的巨集測試，以便快速地測出硬體的功能。同時，一些功能像是額外的探針板（probe pads），可用來進行晶片級（wafer-level）的測試，或者像是在微控制器裏整併了JTAG（Joint Test Action Group）介面（譯註：即IEEE 1149.1標準），以增進測試的效能。
除了為測試所必須投入的資源外，與成本互為關連的另一項障礙就是通過測試所需花費的時間。與其他產業一樣，汽車產業也希望供應商能在新科技問世後，就要馬上把這些技術給充分實現。也就是說，供應商除了要忙著把這些新科技、新技術落實到產品裏，並推出到市場上，還要花許多時間與工夫來通過車用電子的標準測試。這對於分秒必爭的市場競爭而言，只會讓產品推出延後了幾個星期甚或是幾個月。
是故，為了減輕負面的影響，供應商只好想出一些為了在最短時間裏通過測試所需的對策。最常見的作法，是採行所謂「產品家族資料」（family data）最大化的方式。由於AEC-Q100所定義的合格標準，是以產品家族為一個組合，舉凡使用相同製程、相同材料的所有裝置，都可以視為一體，除了特殊用途的裝置需求外，只要其中一個成員通過了，其他家族成員也連帶合格過關。同時，鑑於許多裝置都以相同的製程技術來製造，在這樣的情形下，只要先前的製程標準合格了，要在第一時間取得相同製程之新產品的合格機會也就非常高了。很多公司都會以消費性產品的製程技術為基礎，並將其改良之，以便適用到需要成熟表現的汽車裝置產品的製程中。因此，若以這樣的方式來進行，要在第一時間合格應該就不難了。
圖二：NEC在日前的英特爾發展論壇（IDF：Intel Developer Forum）亦有相關展出。（攝影／柳林緯）
產品資料家族與各種合格創新手法
電子業多年來累積的寶貴經驗告訴我們，品質不單單只靠測試就能建立的。要從設計的一開始，就要有對品質的思維。微控制器的製造商，業已透過一些不同的方式，來改善其在設計給汽車客戶所需產品上的品質與可靠度。這些手法包含了晶片架構方面的改善，以及在製程方面的改善。接下來，將介紹一些獨到的創新手法。
目前已有微控制器的製造業者，開始導入了九十奈米（90nm）的製程技術，以生產車用電子裝置所需的晶片。而透過如此細微的電路中，以物理學中量子大小的程度，就要能做出各式各樣的元件。既然這樣，在製程上其所需控制的變數勢必更為複雜，而且還要更加小心處理。因此，製造廠商就用改良過的製程，設計出可以在處理能力以及處理效果間取得平衡的方法，來掌握所有的控制變數。為了符合嚴格的車用電子要求，目前大都以增加粒子檢測（particle checks）以及線內監測（inline monitoring）的方式，來持續改善製程的品質。
另一項對於微控制器可靠度來說非常重要的方式，就是對於內建記憶體整合的處理。目前，汽車應用的趨勢已經朝「全快閃記憶體」努力。儘管當前的製程技術，可以透過減少快閃記憶體少部分的電路，來做到等量齊觀的結果，但這樣的妥協對於車用電子元件來說卻無法接受。半導體製造商都被要求在記憶體電路中，加入錯誤校正碼（ECC：error correction coding）的電路，而這樣的電路架構可以強化對於單一位元的偵錯能力，並提供整個產品的系統可靠度。
公司人事物對於品質的整體落實
最後，除了電路設計與新一代製程的導入，製造商本身的公司營運策略、管理方式，以及組織架構等對於產品的品質也有很大的關連。一般人可能會小看這些因素對於產品品質的影響，但對於產品運送、處理、失誤分析等，其從設計、製造到測試，所牽扯的人事物，其實是有非常深遠的影響。雖然AEC-Q100標準中，提到了許多在製造產品過程中所牽扯的品管觀念，對於業者來說不能僅僅將其視為白紙黑字的教條，反而應該找尋自己提升品質的方法與作法，並能建立一套完善的品管系統，以製造零瑕疵的產品為職志。如果不能有這樣的大徹大悟，並把人員、製程、以及對產品品質的承諾給落實，那麼就算有再好的技術也很難長久。
作者簡介：兩位作者均任職於美國恩益禧電子公司（NEC Electronics America Inc.
編譯：柳林緯
身為消費者，沒有一個人會希望自己買到的商品是差勁且靠不住的爛東西。對於需要保障生命安全的汽車來說，這樣的要求絕對會遠大於其他商品。畢竟，買車可不像是買錯了衣服，穿不慣頂多丟掉，要是車子一旦有什麼狀況，這可是會把命給丟掉的。
正因為如此，汽車工業對於零組件供應商一直以來都抱持著嚴格的標準來看待。美國汽車電子協會（AEC：Automotive Electronics Council）（譯註：其網址為http://www.aecouncil.com/）目前已經有一套標準，用來給業界作為建立品質系統的準繩。同時，該標準還定義了身為供應商所需具備的資格與申請步驟，以便業者能符合上述規範，並成為合格的個別產品供應來源。在此，本文就是要為各位讀者解析該標準的意涵，以利需要的廠商對其有初步的認識。
圖一：（圖／http://www.aecouncil.com/）
汽車內部的系統就好比電腦網路的「主從架構」
隨著汽車電子技術的進步，今天的汽車裏都有很多繁複的數據管理控制系統，並透過許多各自獨立的電路，來傳遞每個模組間所需要的訊號。舉例來說，這種繁複的控制系統，就好比電腦網路理所謂的「主從架構」（server/client system），伺服器是控制系統的主要核心，透過內部的網路來傳遞序號給終端機或其他周邊模組（如：門鎖、窗戶控制器），這些內部的線路可以是串接的一般線纜，也可以是像「區域互連網路」（LIN：Local Interconnect Network）的連線系統。在主體控制單元與每個周邊模組中，其內在幾乎都有一個微控制器（microcontroller）。因此，對於這些小小心臟，製造商們無不以最認真最嚴格的態度來看待，並確保這些微控制器符合汽車安全的最高標準。
美國汽車電子協會的標準「AEC-Q100」，係以微控制器與積體電路為標的所設計出的一套標準，其規範了半導體供應商所必須達成的產品品質與可靠度。儘管目前半導體製程技術已經是爐火純青而且到達各方普遍能接受的水準，但為了樹立更低失誤率的目標，此標準對於供應商來說，無疑是對於自身在產品大小、合格次數、成本控制等全方位的挑戰。
值得一提的是，這些規範中對於每一個申請的個案，都會依照製造商所提出的產品資料表、使用目的、功能說明等一一予以確認，不僅要確定該個案產品（或裝置）是否符合當初所宣稱的功能（即品質），以及在多次使用後是否能始終如一（也就是可靠度）。
對於品質的理想：零瑕疵
所有的品質標準，其最終目的不外乎確保產品在設計開發的初期就能預防各種可能的失誤，以便產品在使用壽命（lifetime）結束前，都能充分能達到當初所設計的功能、以及始終如一的合格效果。對於汽車製造商來說，這樣的品質要求，其理想應該是零缺點零瑕疵。在一些關鍵個案上，製造商甚至還把失誤率由業界慣用的百萬分之一（PPM：parts per million）件瑕疵品，提升到每十億分之一（PPB：parts per billion）件瑕疵品，以期能符合零缺點零瑕疵的最終理想。從這樣的嚴格態度來看，無疑是想把整個品質管理系統拉到更高的境界。
從半導體工藝的角度來看，現今的積體電路產品，不論是複雜度還是精密度，都堪稱是人類歷史上的奇蹟。同樣地，其背後負責製造生產的機器設備與製程技術，想當然也具有如此的優異程度。舉個例子來說，每一個單一的積體電路，都是在矽晶圓上經過好幾層蒸鍍、濺鍍、長晶、增膜等方式處理之後，再透過切割、封裝、導線架、測試等，才製造出一顆顆你我平常看到的積體電路。
而在這些繁複冗長的製程裏，其實隱藏著一連串各式各樣的失誤機會，對於積體電路裏的不同部分像是晶片或封裝，都會有不同的威脅。好比失誤的機會發生在封裝時潮濕侵襲，水氣就會跑到該零件或裝置裏晶片內部的電路。假使失誤是發生在晶片本身所受到的電力衝擊、靜電放電（ESD：Electrostatic Discharge）破壞、或受到超過設計容忍範圍值的過高的電壓電流襲擊，該裝置在某些狀況下將有可能會出現難以預料的誤動作反應。
AEC-Q100標準
美國汽車電子協會所推出的這項AEC-Q100標準，其實代表了許多汽車製造業者以及供應商對於產品安全的要求。條文中規範了對於積體電路的各項規定，以預防各種可能的狀況，或潛在的失誤機會，並引導供應商在開發的過程裏，對於出產到美國的汽車零組件，能完全符合這些標準。
在AEC-Q100標準目前的版本中，羅列了鉅細靡遺的裝置測試規定，以及通過標準所需的品質測試。這些測試包括以下幾大類：
＊測試群組Ａ：環境壓力加速測試Accelerated Environment Stress（Test group A）
＊測試群組Ｂ：使用壽命模擬測試Accelerated Lifetime Simulation（Test group B）
＊測試群組Ｃ：封裝組裝整合測試Package Assembly Integrity（Test group C）
＊測試群組Ｄ：晶片晶圓可靠度測試Die Fabrication Reliability（Test group D）
＊測試群組Ｅ：電氣特性確認測試Electrical Verification（Test group E）
＊測試群組Ｆ：瑕疵篩選監控測試Defect Screening（Test group F）
＊測試群組Ｇ：封裝凹陷整合測試Cavity Package Integrity（Test group G）
針對不同的測試項目，必須提供一定數量的樣品並進行一連串的測試程序，以便一一檢視其是否符合所需的要求。此外，AEC-Q100內文中還包括了對於品質計畫與結果有一些基本的要求。
測試群組與項目
不用說，這樣嚴格的高標準，即使是向來律己甚嚴的半導體業者，要達成還是得花費一番工夫才行。不同的測試群組與項目，背後就需要有相對應的機制來配合，其所需投入的資源也不容小覷。
對此，有些具備創新能力的供應商，就以通過測試為前提，導入了一些作法，來降低衍生的成本開銷。「內建測試模式」（Built-in test modes）雖然不是為了最終使用者而來，但卻讓測試技師們可以快速地評定裝置中的諸多功能。「內建自我測試」（BIST：built-in self-test）則是設計用來提供特定的巨集測試，以便快速地測出硬體的功能。同時，一些功能像是額外的探針板（probe pads），可用來進行晶片級（wafer-level）的測試，或者像是在微控制器裏整併了JTAG（Joint Test Action Group）介面（譯註：即IEEE 1149.1標準），以增進測試的效能。
除了為測試所必須投入的資源外，與成本互為關連的另一項障礙就是通過測試所需花費的時間。與其他產業一樣，汽車產業也希望供應商能在新科技問世後，就要馬上把這些技術給充分實現。也就是說，供應商除了要忙著把這些新科技、新技術落實到產品裏，並推出到市場上，還要花許多時間與工夫來通過車用電子的標準測試。這對於分秒必爭的市場競爭而言，只會讓產品推出延後了幾個星期甚或是幾個月。
是故，為了減輕負面的影響，供應商只好想出一些為了在最短時間裏通過測試所需的對策。最常見的作法，是採行所謂「產品家族資料」（family data）最大化的方式。由於AEC-Q100所定義的合格標準，是以產品家族為一個組合，舉凡使用相同製程、相同材料的所有裝置，都可以視為一體，除了特殊用途的裝置需求外，只要其中一個成員通過了，其他家族成員也連帶合格過關。同時，鑑於許多裝置都以相同的製程技術來製造，在這樣的情形下，只要先前的製程標準合格了，要在第一時間取得相同製程之新產品的合格機會也就非常高了。很多公司都會以消費性產品的製程技術為基礎，並將其改良之，以便適用到需要成熟表現的汽車裝置產品的製程中。因此，若以這樣的方式來進行，要在第一時間合格應該就不難了。
圖二：NEC在日前的英特爾發展論壇（IDF：Intel Developer Forum）亦有相關展出。（攝影／柳林緯）
產品資料家族與各種合格創新手法
電子業多年來累積的寶貴經驗告訴我們，品質不單單只靠測試就能建立的。要從設計的一開始，就要有對品質的思維。微控制器的製造商，業已透過一些不同的方式，來改善其在設計給汽車客戶所需產品上的品質與可靠度。這些手法包含了晶片架構方面的改善，以及在製程方面的改善。接下來，將介紹一些獨到的創新手法。
目前已有微控制器的製造業者，開始導入了九十奈米（90nm）的製程技術，以生產車用電子裝置所需的晶片。而透過如此細微的電路中，以物理學中量子大小的程度，就要能做出各式各樣的元件。既然這樣，在製程上其所需控制的變數勢必更為複雜，而且還要更加小心處理。因此，製造廠商就用改良過的製程，設計出可以在處理能力以及處理效果間取得平衡的方法，來掌握所有的控制變數。為了符合嚴格的車用電子要求，目前大都以增加粒子檢測（particle checks）以及線內監測（inline monitoring）的方式，來持續改善製程的品質。
另一項對於微控制器可靠度來說非常重要的方式，就是對於內建記憶體整合的處理。目前，汽車應用的趨勢已經朝「全快閃記憶體」努力。儘管當前的製程技術，可以透過減少快閃記憶體少部分的電路，來做到等量齊觀的結果，但這樣的妥協對於車用電子元件來說卻無法接受。半導體製造商都被要求在記憶體電路中，加入錯誤校正碼（ECC：error correction coding）的電路，而這樣的電路架構可以強化對於單一位元的偵錯能力，並提供整個產品的系統可靠度。
公司人事物對於品質的整體落實
最後，除了電路設計與新一代製程的導入，製造商本身的公司營運策略、管理方式，以及組織架構等對於產品的品質也有很大的關連。一般人可能會小看這些因素對於產品品質的影響，但對於產品運送、處理、失誤分析等，其從設計、製造到測試，所牽扯的人事物，其實是有非常深遠的影響。雖然AEC-Q100標準中，提到了許多在製造產品過程中所牽扯的品管觀念，對於業者來說不能僅僅將其視為白紙黑字的教條，反而應該找尋自己提升品質的方法與作法，並能建立一套完善的品管系統，以製造零瑕疵的產品為職志。如果不能有這樣的大徹大悟，並把人員、製程、以及對產品品質的承諾給落實，那麼就算有再好的技術也很難長久。
作者簡介：兩位作者均任職於美國恩益禧電子公司（NEC Electronics America Inc.
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