還記得90年代風靡一時的電視影集《霹靂遊俠》(Knight Rider)與他的搭檔——霹靂車夥計(KITT),以及它的經典台詞:

「霹靂車,尖端科技的結晶,是一部人性化的萬能電腦車。出現在我們這個無奇不有的世界,刀槍不入,無所不能。」

在當時的時空環境背景下,許多人都認為,這只是單純的科幻片憑空想像出來的。而隨著科技的日新月異,當時所不能實現的科技產物在當今國際著名車廠如特斯拉(Tesla)、賓士汽車(M-Benz)、BMW、豐田(TOYOTA)的推動下已開發出多款人工智慧(AI)無人駕駛車,提供包含自動駕駛、自動停車、碰撞警示、自動煞車等多項功能。

然而,這些裝置內部的電子元件在安裝之前,必須經過一連串嚴苛的可靠度測試,確保產品品質是無故障或損壞的,以保障使用者的人身安全。

汽車產業原本為一個非常封閉的環境,國際車廠並不會將產品降低成本視為重要的任務,因為汽車是與人類生命財產有關的產業,產品設計不良或可靠度的缺陷將會對於車廠造成巨大賠償的損失,因此,車廠並不會輕易地更換供應商。但是,隨著近年來「AI智慧電動車」與「自動駕駛輔助系統」(ADAS)的崛起,汽車電子佔車價的比重逐步提升到40-50%,這兩項汽車新發展面向,使得車廠不得不開始跳脫既有的供應鏈,開始尋找合適的電子產品供應鏈。

從2017年全球汽車銷售量排行榜來看,前七大車廠的銷售量已經佔全球60%的比重,這代表市場是非常集中的,如何超越競爭者搶進國際車廠的供應鏈,是現今電子廠商面臨的重要課題。

在消費性電子產業中,產品的生命週期通常不長,3-5年內就會汰舊換新,從而造就了上市時程的能力與優勢,許多的新創產業就在此時萌芽發展。然而,轉進汽車產業後,新技術往往不會加進最暢銷的車款,而是把最成熟、可靠度與品質最佳的產品導入車子。如果是剛萌芽、求生存的新創公司,應該將產品朝向副廠零組件(After Marketing;AM)的方向努力;而如果目標客戶或是終端客戶為Tier 1/車廠,那麼提高產品的可靠度將是唯一路徑。

那麼,如何提升產品的可靠度?本文將從國際規範SAE J1211與ISO 26262都強調重視的規格需求與驗證結果——V型曲線(參見圖1)來探討,解析汽車電子元件設計與驗證要點,並加入在宜特科技(iST)與德凱宜特(Dekra IST)實驗室的實戰經驗,期望協助欲加入智慧汽車供應鏈的廠商掌握要點。

20180518_iST_TA31P1 圖1:汽車電子零組件/元件設計與驗證流程(來源:SAE J1211、Mobileye)

國際可靠度車規驗證的五大步驟

當車廠要開發一個產品與功能時,將會依序定義系統功能、子系統功能、該採用的電子控制單元(ECU),以及需要使用的半導體元件,規格由左至右由上而下;但在進行驗證時則需由下而上,一步一步完成驗證需求,正所謂「基礎不牢,地動山搖」,從最源頭確認品質做起,將會是產品達到高可靠度的不二法門。如不遵循V型曲線,當產品發生失效狀態時,就無法釐清是上一段產品的問題,還是製程問題,或是設計不良所致。以下討論國際可靠度品質車規驗證的五大步驟:

20180518_iST_TA31P2 表1:國際可靠度車規驗證五大步驟(來源:宜特科技)

步驟一:零件/元件級——AEC Q

對車用IC的可靠度驗證,美國在1994年即由克萊斯勒(Chrysler)、福特(Ford)以及通用汽車(GM)三大車廠發起成立「汽車電子委員會」(Automotive Electronics Council;AEC)。AEC建立車用電子零件的品質控制標準,符合AEC規範的零件均可被Chrysler、Ford和GM三家車廠同時採用,因而促進零件製造商交換其產品特性數據的意願,並推動汽車零件通用性的實施,為汽車零件市場的快速成長打下基礎。

近年來國際車廠於安全相關的ECU上,將AEC Q100制定為強制性的主動元件需求,AEC Q200詢問度亦逐步提高,未來也可能轉化為強制性的需求,筆者呼籲廠商可提早因應。對於LED元件,AEC也於2017年頒佈AEC Q102,並成為車用LED的聖經。

步驟二:PCB級——PCB通過IPC-6012DA驗證

印刷電路板(PCB)是主、被動元件的溝通橋樑,當元件故障時可透過修改或更換,但不可能移除所有元件後再更換PCB,因此,PCB可是汽車電子元件中的關鍵零件。

車用PCB以往並無特殊的驗證手法,多遵照IPC-6012進行驗證;而隨著車用電子市場的崛起,PCB製造業者積極搶食這塊大餅,國際電子工業聯接協會(IPC)不得不重視這個問題,特別於2016年頒佈首項針對車用PCB的驗證與允收規範IPC-6012DA,其中包含溫度衝擊耐久試驗(Thermal shock endurance Testing)、高溫耐久試驗(High Temperature Endurance Testing)、高溫高濕儲存試驗(Humidity Storage Testing)、陽極細絲導通試驗(CAF Testing)、表面絕緣電阻試驗(SIR Testing)…等。這項規範也成為車廠與Tier 1對於PCB可靠度驗證的重要參考法規。

步驟三:板階可靠度測試——車用元件上板後的焊點可靠度

板階可靠度(Board Level Reliability;BLR),是國際間常用於驗證IC元件上板至PCB之焊點強度的測試方式,也是目前手持式裝置常規的測試項目。隨著汽車電子系統的複雜度提升,更多的IC元件被運用在汽車內,BLR遂逐步成為車電重要測試項目之一,不僅Tier 1車廠如Bosch、Continental、ZF TRW對此制定專屬驗證手法,AEC最新出爐的AEC-Q104也明確定義了車用電子的板階可靠性試驗項目,雖然僅有溫度循環(TCT)、落下(Drop)、低溫保存壽命測試(Low Temperature Storage Life;LTSL)、Start up & Temperature Steps(STEP)等測試,尚未能完全貼近Tier 1的客戶規範要求,但卻是車用板階可靠性通用標準發展的一大步。以下表格為Tier 1大廠針對板階的測試需求(表2)。

20180518_iST_TA31P6 表2:汽車Tier 1大廠的板階可靠度驗證測試需求

在宜特與德凱宜特實驗室中,常見的車電晶片板階焊點失效可歸納為以下五大主因(圖2): (1) 焊點大小與排列方式; (2) 焊點合金成份; (3) PCB設計方式與材料選擇; (4) 迴流焊(Reflow)溫度與助焊劑(Flux)殘留; (5) 焊點周圍的填充物。

其中的(2)、(3)、(5)項會延伸到另一個熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion)的問題。車用晶片在運作中可能產生很高的溫度,不同材料的熱膨脹係數不同,會產生不同的變形量,除了上述提到的振動應力外,溫度產生熱漲冷縮會對於焊點造成拉扯與擠壓的破壞力,如果晶片材料所能選擇的熱膨脹係數越接近,溫度產生的應力就會大大地減少。電腦與手機等產品的保固期間大約是2~5年,由於一般車用晶片使用年限長達10~20年,測試條件必須謹慎評估,所以在晶片規劃初期先考慮這幾個因素,汽車產業要求的安全與可靠度標準遠比電腦和手機等產品嚴格,除了可提高晶片壽命之外,對於失效分析後在改善時程與費用方面皆能有所提升。

20180518_iST_TA31P3 圖2:汽車電子板階測試焊點失效五大關鍵因素

那麼,消費性電子產品的板階測試條件,是否可以參考或沿用至車用產品?這是筆者在宜特與德凱宜特實驗室的經驗中,客戶最常詢問的問題之一。答案是不行的。因為這些系統模組導入車輛設計之中,車載平台使用的環境與結構大不相同,汽車在啟動後,所有的晶片都會開始承受振動、機械的應力與外在惡劣環境,如果直接沿用消費性電子產品的測試條件,在實際的使用環境中可能發生所謂的早夭現象。

以振動測試說明,手持式產品振動模式以一般運輸為主,大致上包含陸、海、空運模擬。而車用振動測試,因晶片會長時間暴露於外在環境,必須考量溫度與濕度的耐用程度,寒帶國家與熱帶國家使用的環境就不一樣,密閉空間在太陽照射下可能達到100℃,引擎周圍溫度更高達150℃,必須確認晶片是否能抵禦溫度與振動的能力。所以為了模擬更真實的環境,振動過程會將環境條件加入測試,這就是我們常聽到的複合式振動測試。除了振動與溫度之外,還有針對晶片焊點接合強度進行分析,例如:晶片推力、拉力、循環式彎曲等等,這些都是要確保所有焊點能保障駕駛者的安全。

步驟四:板階測試——PCBA製程品質驗證

歐盟(EU)於2006年7月開始實施RoHS,在電子產品上限制使用鉛(Pb),含量需小於1,000 ppm。在當時電子產品使用錫鉛銲錫已經有超過50年以上的歷史,導入無鉛(Pb Free)製程後,無論是設備、測試方法、產品品質與可靠度等議題都必須重新進行檢視與確認。

然而,焊接材料從錫鉛轉為無鉛錫膏後由於熔點由183℃提升至217℃,溫度升高導致焊點硬度變硬、變脆、耐疲勞性差,焊點缺陷多容易造成錫鬚等問題,因此掌控製程良率的難度大幅提升。當時由於醫療、國防、車用電子等應用對於可靠度需求極高,所以導入無鉛製程的腳步較消費性電子產業更慢得多。

2007年版的AEC Q100 Version G尚未出現無鉛的驗證需求,不過AEC在2009年發佈了Q005 (Pb-Free Test Requirements),正式面對無鉛製程的轉換;接著,2014年在進行AEC Q100的改版作業中(Version G->H),加入了無鉛測試的驗證要求,其中包含焊錫測試、焊錫耐熱試驗以及錫鬚(Whisker)試驗,從此汽車電子毅然而然跟上環保的腳步。

由於業界廠商在消費性電子產品導入無鉛過程中累積了非常多的經驗,克服了各種難關,因此在進入車用領域後也相對較成熟;圖3為車用無鉛驗證流程圖。

20180518_iST_TA31P4 圖3:車用無鉛驗證流程圖(來源:德凱宜特實驗室)

近年來,不僅車載資訊系統導入無鉛製程,宜特與德凱宜特實驗室也陸續接獲國際Tier 1廠商提出對於ABS、SRS等安全功能關鍵ECU進行驗證的需求,象徵站在最高可靠度殿堂上的汽車產業,對於人身安全核心的電子零組件經由無鉛製程的可靠度而提升至更高的層次了。

在宜特與德凱宜特實驗室與Tier 1 接觸經驗中,可以發現各區域的要求會有不同的重點:

  1. 歐美車廠與Tier 1重視產品使用的壽命,以產品生命週期與加速測試手法來擬訂測試計劃,如高溫加速模型(Arrhenius)、高溫高濕加速模型(Hallberg-Peck)、溫度循環加速模型(Coffin-Manson)等。
  2. 美系特別要求高加速壽命試驗(High Accelerated Life Testing;HALT),利用產品失效測試(Test to Failure)來找出產品的設計缺陷,在設計驗證階段就先將設計的缺陷改善(如圖4)。
  3. 亞洲(日韓)業者要求離子遷移(Migration)與錫鬚的驗證。筆者推測,亞洲對於這類電化學的驗證,都是透過長時數的測試來進行,而非採用加速的方式進行驗證,因此這樣的測試結果讓人感受到實際產品擁有較長的車用電子產品使用壽命。而歐系講究環保議題,使得產品壽命上的實際感受不如亞洲車廠與Tier 1。

20180518_iST_TA31P5 圖4:美系車廠高加速壽命(HALT)試驗圖

步驟五:系統級——從系統模組到Tier1/品牌車廠的標準規範

系統模組的驗證需求大致可區分為三個階段:

  1. 求生存:此時公司正面臨生死存亡的關鍵時刻,能將產品用最低價最快速的方式投入市場才能足以生存,在這個階段並無品質與可靠度可言。
  2. 副廠品牌:公司已有所規模,想要逐步建立品牌價值,這時多參考國際車用規範進行品質驗證,而業界最普遍且通用性最廣的則為ISO 16750(繁體版CNS 15481、簡體版GB/T 28046、日文版JASO D014),內含四大類的驗證,電性負載、機械負載、氣候負載、耐化學溶劑負載。
  3. 車用正廠零件:此時唯有通過車廠廠規或是Tier 1廠規,並無其他二路可選。

從宜特與德凱宜特實驗室接觸汽車供應鏈的實戰經驗顯示,為了在汽車產業中長久生存,相關業者必須跳脫既有的消費性電子產業思維,對於品質與可靠度的要求絕對沒有任何妥協餘地,價格必須放在最後的考量,車廠對於新的產品導入可能有長達3~5年驗證期,對於產品的售後維修備料,更可能要求達20年之久,當決定跨入汽車產業之路,經營者必須更有耐心與決心。