OSAT視角：汽車半導(dǎo)體市場及其制造所面臨的挑戰(zhàn)

汽車保修索賠中的半導(dǎo)體問題

目前一輛汽車每年保修成本中約有4%與半導(dǎo)體產(chǎn)品有關(guān)^[3]?？紤]到如今汽車中的半導(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50%與封裝和最終測試有關(guān)。圖8顯示了半導(dǎo)體故障的分類。因此，對于包括OSATS在內(nèi)的汽車供應(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^[3]。

OSAT在封裝和測試中面臨的挑戰(zhàn)

表3比較了汽車電子器件和消費(fèi)類產(chǎn)品在一些關(guān)鍵高級需求之間的差異。對業(yè)務(wù)產(chǎn)生重大影響的一些關(guān)鍵差異是認(rèn)證時間過長，導(dǎo)致需要約24至48個月才能開始生產(chǎn)。

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

資質(zhì)與可靠性。封裝是汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要組成部分。最佳的產(chǎn)品開發(fā)過程要求IDM在早期開發(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)或制程時運(yùn)行幾組可靠性測試。

此外，特別是對于傳感器設(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）測試，以便對封裝設(shè)備的相互作用進(jìn)行微調(diào)。例如，對于MEMS傳感器尤為如此。對于新的封裝和工序開發(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)口開發(fā)方法，設(shè)計(jì)目的是充分捕捉和解決開發(fā)周期中出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的任何問題。

此外，在整個開發(fā)過程中需要建立、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)類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)鑒定程序相比，用于汽車封裝的AEC-Q100規(guī)范更加嚴(yán)格。

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

表4：汽車與消費(fèi)類產(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電子器件分為0至4的四個等級。零級是最高級別，需要進(jìn)行最嚴(yán)格的可靠性測試。每一項(xiàng)可靠性測試以及汽車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)了用于各種汽車等級可靠性試驗(yàn)中的兩項(xiàng)重要測試，即溫度循環(huán)（TC）和高溫貯存（HTS）試驗(yàn)。

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

同樣，這些測試也顯示出對汽車電子器件的嚴(yán)格要求。圖9顯示了汽車等級產(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)行的動力總成模塊需要達(dá)到1級或0級，而汽車儀表板涉及的組件則需要達(dá)到3級。

	DIS	3級和2級	40℃至+105℃
	底盤和安全	1級	-40℃至+125℃
	ADAS
	車身
	動力系統(tǒng)	1級和0級	-40℃至+150℃

圖9：基于應(yīng)用領(lǐng)域的汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品不同等級示例。來源：TechSearch International

核準(zhǔn)至量產(chǎn)。一旦汽車電子器件完全合格，在開始大規(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。美國汽車工業(yè)行動小組（AIGA）創(chuàng)建了這個文件程序，既生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序，簡稱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提供給一級供應(yīng)商。

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

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

表6總結(jié)了完整的汽車PPAP檢查單^[4]。 在資質(zhì)鑒定和核準(zhǔn)過程的不同階段，需要提交五個不同級別的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），但對于生產(chǎn)非汽車電子器件的OSATS來說，這未必是標(biāo)準(zhǔn)做法。

表6：AIAG用于汽車電子器件PPAP程序的檢查單^[4]。

用于大多數(shù)汽車電子器件的晶圓揀選測試和最終測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晶圓制造資本支出的特殊處理人員。此外，許多IDM需要對晶圓揀選采用零件平均測試（PAT）法，以實(shí)現(xiàn)零缺陷的目標(biāo)。PAT的目的是檢測晶圓內(nèi)的離群值。PAT能捕捉到晶圓中每一個超出嚴(yán)格西格瑪限制的裸片。圖13顯示了對晶圓采用零件平均測試（PAT）法的統(tǒng)計(jì)箱限制示例。此外，一些汽車電子器件客戶還要求提供預(yù)燒測試服務(wù)（以消除早期失效）。這時面臨的任務(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。由于汽車電子器件都具有使用壽命長的特點(diǎn)，因此投資回報(bào)通常不成問題。

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

所有這些做法都是為了開發(fā)一個以生產(chǎn)更高質(zhì)量產(chǎn)品為目標(biāo)的六西格瑪程序。來自這些開發(fā)過程的相關(guān)文檔構(gòu)成了PPAP文件的一部分。圖10展示了PPAP所要求的汽車電子器件開發(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過程，因?yàn)樗c汽車電子器件封裝和測試開發(fā)相關(guān)。OSATS的關(guān)鍵是要與IDM密切合作，以確保從項(xiàng)目一開始就清楚地了解需要做什么以滿足PPAP的要求。否則，如果在大規(guī)模生產(chǎn)之前沒有準(zhǔn)備所需的文件，OSATS會發(fā)現(xiàn)自己處于PPAP的“噩夢”之中。

圖10： PPAP程序所要求的汽車電子器件開發(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，汽車電子器件和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品之間的封裝和測試制造流程有很大不同。汽車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試。一旦投入生產(chǎn)，運(yùn)營團(tuán)隊(duì)需要保持警惕，以確保在封裝工序整個周期中的質(zhì)量穩(wěn)定。 

生產(chǎn)運(yùn)營團(tuán)隊(duì)將需要確保在封裝和資質(zhì)鑒定測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，汽車電子器件客戶要求持續(xù)改進(jìn)以將缺陷降低為零。這通常需要生產(chǎn)汽車電子器件的操作人員具有更高的技能水平。例如，我們會使用經(jīng)過特殊認(rèn)證的操作人員來應(yīng)對汽車電子器件封裝和測試過程。許可汽車電子器件還需要通過可靠性監(jiān)測程序（RMP）來確保在持續(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程的可靠性。對任何失效進(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：汽車電子器件和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（非汽車）封裝工序工藝流程對比。

總結(jié)

參與汽車電子器件封裝和測試業(yè)務(wù)的市場競爭并非易事，也面臨著不少挑戰(zhàn)。不同于其通常提供的標(biāo)準(zhǔn)封裝和測試服務(wù)，如何滿足一整套存在差異的嚴(yán)格需求，對OSATS來說無疑是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品的較長資質(zhì)認(rèn)證周期和明顯較長的獲利時效有時會成為許多OSATS進(jìn)入這一市場的阻礙。如今，那些試圖打入市場的OSATS可能會發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)落后于競爭對手很多年，而后者多年來已經(jīng)將自身打造成汽車電子器件級供應(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）等問題解決方法以及故障樹分析法（FTA）等科學(xué)規(guī)范的故障分析方法進(jìn)行糾正。 汽車電子器件客戶對任何質(zhì)量偏差都要求給予快速響應(yīng)。為確保汽車電子器件開發(fā)和制造所需的支持水平，OSATS在研發(fā)、運(yùn)營、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)過培訓(xùn)的人力資源。

最后需要注意的是，頂級汽車電子器件客戶經(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)。一些一級供應(yīng)商預(yù)期每季度價格環(huán)比下降5%，而每年價格環(huán)比降低5%已經(jīng)變得相當(dāng)普遍。降低汽車電子器件成本的最大挑戰(zhàn)是，客戶不允許在沒有產(chǎn)品變更通知（PCN）的情況下進(jìn)行任何更改，而在對變更（工序或物料清單[BOM]）進(jìn)行資質(zhì)認(rèn)證后，這一過程還需要18至30個月時間。對于消費(fèi)者，甚至工業(yè)封裝和測試應(yīng)用領(lǐng)域，主要是通過工序簡化和整合來實(shí)現(xiàn)成本降低，同時在保持相同質(zhì)量的同時采用降低成本的物料清單（BOM）。

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

雖然可能聽起來是老生常談，但成功的OSAT都需要確保對最終制造工藝流程、BOM以及詳細(xì)分析了各種汽車電子器件財(cái)務(wù)模型的報(bào)價請求（RFQ）進(jìn)行前期盡職調(diào)查。從RFQ流程一開始就商定降價路線圖和實(shí)現(xiàn)成本削減的途徑對雙方都有好處。在資質(zhì)認(rèn)定過程中，針對潛在的工藝流程和BOM更改在各種假設(shè)場景中進(jìn)行評估，同時充分理解降價路線圖并運(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)成果提供深刻見解和商業(yè)信息。

 汽車電子器件封裝的設(shè)計(jì)、認(rèn)證和推出花費(fèi)了許多寶貴的工程開發(fā)時間和資源。通過多年辛苦工作和努力，可能需要長達(dá)四年時間才能取得實(shí)際收入。然而，一旦取得資質(zhì)認(rèn)證并成功進(jìn)入汽車產(chǎn)品市場，回報(bào)將是持續(xù)超過十年的穩(wěn)定收入。在其他行業(yè)不斷波動的情況下，這無疑能為企業(yè)提供良好保護(hù)。

圖12：汽車電子器件在大批量生產(chǎn)過程中的批量允收可靠性測試。

鳴謝

作者感謝來自Prismark的Brandon Prior、TechSearch International的Jan Vardaman、UTAC新加坡的Carol Chiang、UTAC美國的Lee Smith以及UTAC泰國的Somchai Nondhasitthichai對一些數(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試（PAT）如何檢測晶圓內(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；https:// www.infineon.com/dgdl/2019-02- 05+Q1+FY19+Investor+Presentati on.pdf?fileId=5546d4616885f5c501 68b9b983120016

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

3.   “汽車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。