汽車(chē)保修索賠中的半導(dǎo)體問(wèn)題

目前一輛汽車(chē)每年保修成本中約有4%與半導(dǎo)體產(chǎn)品有關(guān)^[3]。考慮到如今汽車(chē)中的半導(dǎo)體產(chǎn)品數(shù)量不斷增加，這一比例不足為奇。在這4%與半導(dǎo)體相關(guān)的故障中，超過(guò)50%與封裝和最終測(cè)試有關(guān)。圖8顯示了半導(dǎo)體故障的分類(lèi)。因此，對(duì)于包括OSATS在內(nèi)的汽車(chē)供應(yīng)鏈而言，持續(xù)提高質(zhì)量以實(shí)現(xiàn)“零缺陷”的壓力無(wú)處不在。

圖 8：半導(dǎo)體器件在制造工藝中的質(zhì)保缺陷分類(lèi)^[3]。

OSAT在封裝和測(cè)試中面臨的挑戰(zhàn)

表3比較了汽車(chē)電子器件和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品在一些關(guān)鍵高級(jí)需求之間的差異。對(duì)業(yè)務(wù)產(chǎn)生重大影響的一些關(guān)鍵差異是認(rèn)證時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致需要約24至48個(gè)月才能開(kāi)始生產(chǎn)。

表3：汽車(chē)與消費(fèi)半導(dǎo)體裝配和測(cè)試業(yè)務(wù)之間的關(guān)鍵高級(jí)差異。

資質(zhì)與可靠性。封裝是汽車(chē)半導(dǎo)體產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要組成部分。最佳的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程要求IDM在早期開(kāi)發(fā)階段與OSATS接觸，以確保產(chǎn)生正確的設(shè)備封裝相互作用。這就需要OSATS在IDM調(diào)整其設(shè)備設(shè)計(jì)或制程時(shí)運(yùn)行幾組可靠性測(cè)試。

此外，特別是對(duì)于傳感器設(shè)備，OSATS可能必須運(yùn)行多組封裝設(shè)計(jì)和材料試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）測(cè)試，以便對(duì)封裝設(shè)備的相互作用進(jìn)行微調(diào)。例如，對(duì)于MEMS傳感器尤為如此。對(duì)于新的封裝和工序開(kāi)發(fā)，需要遵循產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃（APQP）。其本質(zhì)上是一種階段關(guān)口開(kāi)發(fā)方法，設(shè)計(jì)目的是充分捕捉和解決開(kāi)發(fā)周期中出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的任何問(wèn)題。

此外，在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要建立、處理和更新設(shè)計(jì)與工序的失效模式和效果分析（FMEA）。

與用于消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)鑒定程序相比，用于汽車(chē)封裝的AEC-Q100規(guī)范更加嚴(yán)格。

表4總結(jié)了消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品與汽車(chē)電子器件資質(zhì)要求之間的一些基本區(qū)別。

表4：汽車(chē)與消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品資質(zhì)鑒定方法之間的區(qū)別

根據(jù)Tech Search International關(guān)于汽車(chē)半導(dǎo)體封裝的報(bào)告，AEC-Q100根據(jù)所接觸的操作溫度范圍將汽車(chē)電子器件分為0至4的四個(gè)等級(jí)。零級(jí)是最高級(jí)別，需要進(jìn)行最嚴(yán)格的可靠性測(cè)試。每一項(xiàng)可靠性測(cè)試以及汽車(chē)電子器件的樣本量和CpK都要求采用更高的標(biāo)準(zhǔn)。

表5總結(jié)了用于各種汽車(chē)等級(jí)可靠性試驗(yàn)中的兩項(xiàng)重要測(cè)試，即溫度循環(huán)（TC）和高溫貯存（HTS）試驗(yàn)。

表5：用于汽車(chē)電子器件資質(zhì)鑒定的溫度循環(huán)和高溫貯存壽命可靠性測(cè)試條件。來(lái)源：TechSearch International

同樣，這些測(cè)試也顯示出對(duì)汽車(chē)電子器件的嚴(yán)格要求。圖9顯示了汽車(chē)等級(jí)產(chǎn)品要求的示例，這些要求取決于產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域和具體用途。例如，在更惡劣條件下運(yùn)行的動(dòng)力總成模塊需要達(dá)到1級(jí)或0級(jí)，而汽車(chē)儀表板涉及的組件則需要達(dá)到3級(jí)。

	DIS	3級(jí)和2級(jí)	40℃至+105℃
	底盤(pán)和安全	1級(jí)	-40℃至+125℃
	ADAS
	車(chē)身
	動(dòng)力系統(tǒng)	1級(jí)和0級(jí)	-40℃至+150℃

圖9：基于應(yīng)用領(lǐng)域的汽車(chē)半導(dǎo)體產(chǎn)品不同等級(jí)示例。來(lái)源：TechSearch International

核準(zhǔn)至量產(chǎn)。一旦汽車(chē)電子器件完全合格，在開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)之前，需要大量與產(chǎn)品設(shè)計(jì)和資質(zhì)鑒定相關(guān)的各種文件。美國(guó)汽車(chē)工業(yè)行動(dòng)小組（AIGA）創(chuàng)建了這個(gè)文件程序，既生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序，簡(jiǎn)稱(chēng)PPAP。PPAP用于確保制造商和供應(yīng)商在大規(guī)模量產(chǎn)之前和期間能夠就生產(chǎn)設(shè)計(jì)和流程進(jìn)行溝通和核準(zhǔn)。

PPAP文件通常不要求由OSATS提交，但需要由IDM提供給一級(jí)供應(yīng)商。

然而，越來(lái)越多的汽車(chē)制造商要求OSATS提供封裝和測(cè)試數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)集的內(nèi)容比較廣泛，因此有必要對(duì)PPAP流程有一個(gè)簡(jiǎn)短的基本了解。文件要求在整個(gè)封裝開(kāi)發(fā)和資質(zhì)鑒定過(guò)程中跟蹤和記錄某些數(shù)據(jù)。

表6總結(jié)了完整的汽車(chē)PPAP檢查單^[4]。 在資質(zhì)鑒定和核準(zhǔn)過(guò)程的不同階段，需要提交五個(gè)不同級(jí)別的PPAP文件和數(shù)據(jù)。重點(diǎn)是要確保所有項(xiàng)目都記錄在案，特別是設(shè)計(jì)或工序中的任何更改。如前所述，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和工序方面失效模式和效果分析（FMEA），但對(duì)于生產(chǎn)非汽車(chē)電子器件的OSATS來(lái)說(shuō)，這未必是標(biāo)準(zhǔn)做法。

表6：AIAG用于汽車(chē)電子器件PPAP程序的檢查單^[4]。

用于大多數(shù)汽車(chē)電子器件的晶圓揀選測(cè)試和最終測(cè)試都需要在三種溫度條件下進(jìn)行，即室溫、低溫（達(dá)到-40℃）和高溫（達(dá)到150℃）。這種操作需要能夠推動(dòng)晶圓制造資本支出的特殊處理人員。此外，許多IDM需要對(duì)晶圓揀選采用零件平均測(cè)試（PAT）法，以實(shí)現(xiàn)零缺陷的目標(biāo)。PAT的目的是檢測(cè)晶圓內(nèi)的離群值。PAT能捕捉到晶圓中每一個(gè)超出嚴(yán)格西格瑪限制的裸片。圖13顯示了對(duì)晶圓采用零件平均測(cè)試（PAT）法的統(tǒng)計(jì)箱限制示例。此外，一些汽車(chē)電子器件客戶(hù)還要求提供預(yù)燒測(cè)試服務(wù)（以消除早期失效）。這時(shí)面臨的任務(wù)就是由此產(chǎn)生的預(yù)燒基礎(chǔ)設(shè)施（預(yù)燒爐和預(yù)燒板）資本支出。由于汽車(chē)電子器件都具有使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此投資回報(bào)通常不成問(wèn)題。

物流與資源。如表4所述，汽車(chē)電子器件用戶(hù)的需求與大多數(shù)OSATS所熟悉的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域有很大不同。因?yàn)槠?chē)生產(chǎn)線要求每一套設(shè)備都符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這就會(huì)使規(guī)劃過(guò)程缺少靈活性。OSATS越來(lái)越多地使用“指定”流水線方法來(lái)代替“專(zhuān)用”流水線來(lái)制造汽車(chē)電子器件。“指定”流水線方法能夠在每道工序都獲得多套合格設(shè)備，從而確保汽車(chē)電子器件的加載靈活性。

所有這些做法都是為了開(kāi)發(fā)一個(gè)以生產(chǎn)更高質(zhì)量產(chǎn)品為目標(biāo)的六西格瑪程序。來(lái)自這些開(kāi)發(fā)過(guò)程的相關(guān)文檔構(gòu)成了PPAP文件的一部分。圖10展示了PPAP所要求的汽車(chē)電子器件開(kāi)發(fā)所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系。如今，大多數(shù)OSATS并不熟悉PPAP過(guò)程，因?yàn)樗c汽車(chē)電子器件封裝和測(cè)試開(kāi)發(fā)相關(guān)。OSATS的關(guān)鍵是要與IDM密切合作，以確保從項(xiàng)目一開(kāi)始就清楚地了解需要做什么以滿(mǎn)足PPAP的要求。否則，如果在大規(guī)模生產(chǎn)之前沒(méi)有準(zhǔn)備所需的文件，OSATS會(huì)發(fā)現(xiàn)自己處于PPAP的“噩夢(mèng)”之中。

圖10： PPAP程序所要求的汽車(chē)電子器件開(kāi)發(fā)所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系 ^[4]。

大規(guī)模量產(chǎn)。如圖11所示，汽車(chē)電子器件和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品之間的封裝和測(cè)試制造流程有很大不同。汽車(chē)電子器件流程需要額外的工藝步驟，如等離子清洗，額外的檢查步驟以及溫控測(cè)試。一旦投入生產(chǎn)，運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)需要保持警惕，以確保在封裝工序整個(gè)周期中的質(zhì)量穩(wěn)定。 

生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)將需要確保在封裝和資質(zhì)鑒定測(cè)試中最終確定的所有工藝參數(shù)都已鎖定，且未經(jīng)允許不得更改。這將意味著以數(shù)字化方式降低了意外改變每件制造設(shè)備任何工藝參數(shù)的可能性。除此之外，汽車(chē)電子器件客戶(hù)要求持續(xù)改進(jìn)以將缺陷降低為零。這通常需要生產(chǎn)汽車(chē)電子器件的操作人員具有更高的技能水平。例如，我們會(huì)使用經(jīng)過(guò)特殊認(rèn)證的操作人員來(lái)應(yīng)對(duì)汽車(chē)電子器件封裝和測(cè)試過(guò)程。許可汽車(chē)電子器件還需要通過(guò)可靠性監(jiān)測(cè)程序（RMP）來(lái)確保在持續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上達(dá)到質(zhì)量目標(biāo)。圖12顯示了一個(gè)典型的RMP流程。RMP允許在加速條件下監(jiān)控關(guān)鍵晶圓制造和封裝過(guò)程的可靠性。對(duì)任何失效進(jìn)行驗(yàn)證和分析，并利用失效分析結(jié)果建立糾正措施，消除未來(lái)生產(chǎn)批次的失效機(jī)制。

 OSATS需要采用“整理、整頓、清掃、清潔、修養(yǎng)”的5S（sort, set, shine, standardize, sustain）方法對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量始終保持警惕，就產(chǎn)品變更通知（PCN）的核準(zhǔn)流程達(dá)成一致。

圖11：汽車(chē)電子器件和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（非汽車(chē)）封裝工序工藝流程對(duì)比。

總結(jié)

參與汽車(chē)電子器件封裝和測(cè)試業(yè)務(wù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)并非易事，也面臨著不少挑戰(zhàn)。不同于其通常提供的標(biāo)準(zhǔn)封裝和測(cè)試服務(wù)，如何滿(mǎn)足一整套存在差異的嚴(yán)格需求，對(duì)OSATS來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。汽車(chē)半導(dǎo)體產(chǎn)品的較長(zhǎng)資質(zhì)認(rèn)證周期和明顯較長(zhǎng)的獲利時(shí)效有時(shí)會(huì)成為許多OSATS進(jìn)入這一市場(chǎng)的阻礙。如今，那些試圖打入市場(chǎng)的OSATS可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)落后于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手很多年，而后者多年來(lái)已經(jīng)將自身打造成汽車(chē)電子器件級(jí)供應(yīng)商。

并保證提供十年以上的持續(xù)服務(wù)和數(shù)據(jù)保存。此外，任何質(zhì)量偏差都需要堅(jiān)持不懈地采用“8原則”（8D）等問(wèn)題解決方法以及故障樹(shù)分析法（FTA）等科學(xué)規(guī)范的故障分析方法進(jìn)行糾正。 汽車(chē)電子器件客戶(hù)對(duì)任何質(zhì)量偏差都要求給予快速響應(yīng)。為確保汽車(chē)電子器件開(kāi)發(fā)和制造所需的支持水平，OSATS在研發(fā)、運(yùn)營(yíng)、供應(yīng)鏈，當(dāng)然還有質(zhì)量等所有關(guān)鍵職能都將需要經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的人力資源。

最后需要注意的是，頂級(jí)汽車(chē)電子器件客戶(hù)經(jīng)常要求在他們的服務(wù)協(xié)議中加入更嚴(yán)格的保修條款。如果出現(xiàn)這種情況，OSATS需要仔細(xì)權(quán)衡這種保修索賠條款的潛在影響。

成本管理。最終，按照IDM和一級(jí)供應(yīng)商的預(yù)期管理降低成本是一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。一些一級(jí)供應(yīng)商預(yù)期每季度價(jià)格環(huán)比下降5%，而每年價(jià)格環(huán)比降低5%已經(jīng)變得相當(dāng)普遍。降低汽車(chē)電子器件成本的最大挑戰(zhàn)是，客戶(hù)不允許在沒(méi)有產(chǎn)品變更通知（PCN）的情況下進(jìn)行任何更改，而在對(duì)變更（工序或物料清單[BOM]）進(jìn)行資質(zhì)認(rèn)證后，這一過(guò)程還需要18至30個(gè)月時(shí)間。對(duì)于消費(fèi)者，甚至工業(yè)封裝和測(cè)試應(yīng)用領(lǐng)域，主要是通過(guò)工序簡(jiǎn)化和整合來(lái)實(shí)現(xiàn)成本降低，同時(shí)在保持相同質(zhì)量的同時(shí)采用降低成本的物料清單（BOM）。

 然而，對(duì)于沒(méi)有長(zhǎng)期資質(zhì)和產(chǎn)品變更通知（PCN）周期的汽車(chē)電子器件而言，這是不可能做到的。另一方面，汽車(chē)電子器件客戶(hù)在多數(shù)情況下都希望OSATS引入新的過(guò)程控制步驟（而不是最初商定的那些步驟），這會(huì)產(chǎn)生額外成本。 但是大多數(shù)IDM和一級(jí)供應(yīng)商都不愿意相應(yīng)地調(diào)整價(jià)格。這使得每年降低成本變得更加困難。一些關(guān)鍵工序的自動(dòng)化，如外觀檢測(cè)和X光檢測(cè)，不僅可以降低成本，還通過(guò)減少人工操作提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

雖然可能聽(tīng)起來(lái)是老生常談，但成功的OSAT都需要確保對(duì)最終制造工藝流程、BOM以及詳細(xì)分析了各種汽車(chē)電子器件財(cái)務(wù)模型的報(bào)價(jià)請(qǐng)求（RFQ）進(jìn)行前期盡職調(diào)查。從RFQ流程一開(kāi)始就商定降價(jià)路線圖和實(shí)現(xiàn)成本削減的途徑對(duì)雙方都有好處。在資質(zhì)認(rèn)定過(guò)程中，針對(duì)潛在的工藝流程和BOM更改在各種假設(shè)場(chǎng)景中進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)充分理解降價(jià)路線圖并運(yùn)行相應(yīng)的成本模型，這樣就可以為可能實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)成果提供深刻見(jiàn)解和商業(yè)信息。

 汽車(chē)電子器件封裝的設(shè)計(jì)、認(rèn)證和推出花費(fèi)了許多寶貴的工程開(kāi)發(fā)時(shí)間和資源。通過(guò)多年辛苦工作和努力，可能需要長(zhǎng)達(dá)四年時(shí)間才能取得實(shí)際收入。然而，一旦取得資質(zhì)認(rèn)證并成功進(jìn)入汽車(chē)產(chǎn)品市場(chǎng)，回報(bào)將是持續(xù)超過(guò)十年的穩(wěn)定收入。在其他行業(yè)不斷波動(dòng)的情況下，這無(wú)疑能為企業(yè)提供良好保護(hù)。

圖12：汽車(chē)電子器件在大批量生產(chǎn)過(guò)程中的批量允收可靠性測(cè)試。

鳴謝

作者感謝來(lái)自Prismark的Brandon Prior、TechSearch International的Jan Vardaman、UTAC新加坡的Carol Chiang、UTAC美國(guó)的Lee Smith以及UTAC泰國(guó)的Somchai Nondhasitthichai對(duì)一些數(shù)據(jù)和圖表所做的重要貢獻(xiàn)。

圖13：該圖顯示了零件平均測(cè)試（PAT）如何檢測(cè)晶圓內(nèi)的異常值。

參考文獻(xiàn)

1.   英飛凌（Infineon）2019財(cái)年第一季度季報(bào)第35頁(yè)；https:// www.infineon.com/dgdl/2019-02- 05+Q1+FY19+Investor+Presentati on.pdf?fileId=5546d4616885f5c501 68b9b983120016

2.   《汽車(chē)電子器件封裝市場(chǎng)趨勢(shì)》（Trends in Automotive Packaging）2018年（節(jié)選）；Yole Développement。

3.   “汽車(chē)電子器件封裝的新前沿”（New Frontiers in Automotive Electronics Packaging），TechSearch International，2018年

4.   生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序（PPAP）；第四版；2006年3月。