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宜特新RA平台助厂商掌握市场先机

宜特科技协理曾劭钧(右)与板阶可靠度工程部经理庄家豪(左)均指出,台湾业者投入车用领域发展,必须抛弃过去的消费性产品思维。

车联网议题持续发烧,过去几年仍在纸上谈兵阶段的ADAS,在2018年已有部分车厂的中阶车款开始配备,2019年预计会进一步普及,根据车辆中心产业发展处的报告指出,目前单一车辆的半导体元件成本已超过330美元,如果是纯电动车更接近1千美元。

不过相较于台湾IC厂商过去熟悉的消费性电子市场,汽车是截然不同的领域,宜特科技协理曾劭钧就指出,车用系统不但对稳定度有高度要求,近年来效能需求也开始浮现,因此要跨入发展,必须特别注意这两大重点。

稳定度一直是车用电子的优先考量,此一考量至今仍然存在,近年来车联网、AI技术等各种技术不断被导入,汽车所应用的IC元件效能也开始被要求,此一趋势也对IC设计带来改变。

曾劭钧表示,过去半导体的封装无非是用现已稳定成熟的BGA、QFP、SOP等包装,不过在自驾车市场需求驱动下所延伸出的AI、HPC需求及C-V2X(Cellular V2X;蜂窝车联网) 、DSRC(Dedicated Short Range Communication;专用短程通讯)等车联网通讯标准技术,这些封装技术已难已满足新世代高速运算及高速传输速度需求,多芯片模块(Multi-Chip Module;MCM)、系统级封装(System in Package;SiP) 或Fan-in/Fan-out等先进封装成为必然趋势,而这些先进封装技术也必须面临质量、安全与可靠度等3大挑战。

质量与安全,目前在汽车产业都已有完整规范,质量方面主要是IATF 16949,部分欧洲车厂会要求VDA6.3,量产阶段也有新标准AQP,安全性方面则是ISO 26262,至于可靠度,曾劭钧表示必须从元件、板阶与模块3个阶段强化,这3个阶段代表IC封装在设计中从小至大的每一环节,如果这3个环节都可通过考验,就适于应用在汽车环境。

车用元件3大挑战

在元件方面,国际汽车电子协会(Automotive Electronics Council;AEC)早已针对IC芯片、离散元件、离散光电元件、被动元件制定出AEC-Q100、AEC-Q101、AEC-Q102与AEC-Q200等车用规范,元件要符合这些规范,必须克服散热、材质翘曲与连续性测试3大问题。

「热」永远是可靠度的第一杀手,而车用系统近年来对效能的需求增加,高运算带来高耗能,再加上车内的严苛环境,IC的可靠度将大受威胁,因此如何在效能与耗电中取得平衡,就成为设计重点。

另一个现在最常见也是最严重的问题是IC封装体的翘曲(Warpage),为因应高速传输需求,车用IC的封装方式逐渐由BGA转变为MCM/SiP,由于多芯片封装集成了多种芯片及主被动零件/PCB,各种材质所组合出复杂的热膨胀系数(CTE) ,且在温度剧变的汽车应用环境下,其封装体及焊接点非常容易产生翘曲变形,进而影响可靠度,而且此一状况不只出现在IC元件,电路板也会遇到。

宜特科技板阶可靠度工程部经理庄家豪指出,高频是现在车用系统常见的设计,未来5G上路后更会成为必要需求,高频系统的电路板必须选用特殊材质,不过此一材质在超过Tg的温度时膨胀系数(CTE)会高达到4倍,翘曲问题会非常严重。

最后的挑战则来自于新规范AEC-Q104,此规范的特色是Sequential Stress Tests(连续性测试),连续性测试在模块端已行之有年,不过在2018年,AEC将此规范延伸到元件端。AEC-Q104的考量点在于车子运行时,所有的状况都是连续发生,车体系统必须承受复合应用,因此元件部分也必须具备因应连续环境的能力。

过去大多以单一芯片进行封装,材质与结构较为单纯,只要逐一测试即可,但在新世代的先进封装MCM、SiP中,所包含的IC种类多,组合起来的特性也不一样,在车体运行时,有可能会因连续状况导致芯片失效,AEC-Q104即是规定芯片在测试过程中,每一连续性的环节都必须通过。

举例来说,以往高温寿命试验(HTOL)与温度冲击(Thermal Shock)这两个项目都是分开测试,AEC-Q104则是要先做高温寿命试验,通过后紧接著做温度冲击,全部都测完后才算通过,这不但拉长了验证时间,也让验证难度再提升,虽然AEC-Q104并非强制性,不过曾劭钧表示,绝大多数车厂都会要求,因此有意投入车用领域的厂商,仍必须通过此规范。

车用电路板的挑战

车用电路板所面临的挑战,如同元件一样会遇到散热、翘曲等环境因素,导致一般按照规范研发的电路板,真正实际运用到车用产品上会有极大的落差。传统作法是与客户端来来回回多次的调整修正,直到制作出可实际应用的电路板。而这种作法势必耗费大量人力与时间资源,旷日废时。

软硬兼具  打造完整验证测试平台

为了解决车用系统中元件与电路板的各种问题,宜特科技在软硬件两端都导入新工具,在元件封装与电路板翘曲(Warpage)测试部分已进行建置,未来能为客户在表面黏著技术(SMT)前针对元件与电路板进行翘曲量测,确保在SMT过程中能保有良好的焊接质量。

至于电路板的模拟软件,宜特科技则与美国DFR Solutions(简称DFR)公司合作,DFR是汽车产业著名的顾问公司,所设计的Sherlock软件已被欧美大型车厂采用,而宜特就以此软件运行过去累积的大量数据,找出各种实际应力参数,让电路板设计更接近实际应用状况。Sherlock是可靠度测试前的分析工具,可针对材料热膨胀系数、翘曲延展性以及外界产生应力进行验证,另外Sherlock也能与产业中常用的CAE软件进行接合,大幅降低分析时间。

从2018年开始,ADAS的普及速度加快,这也衍生出半导体产业的新商机,目前台湾高科技业者也开始投入发展,不过曾劭钧提醒台湾业者,车用系统无论是设计思维、产业生态或标准规范,都与消费性产品不同,尤其在验证部分更有极大差异,对此他建议业者可借助外部力量,例如宜特科技在此领域就已有多年经验,善用其过去所建立的经验,将可有效导正产品研发方向,同时缩短产品上市时间,强化自身的市场竞争力。

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