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宜特新RA平台助廠商掌握市場先機

宜特科技協理曾劭鈞(右)與板階可靠度工程部經理莊家豪(左)均指出,台灣業者投入車用領域發展,必須拋棄過去的消費性產品思維。

車聯網議題持續發燒,過去幾年仍在紙上談兵階段的ADAS,在2018年已有部分車廠的中階車款開始配備,2019年預計會進一步普及,根據車輛中心產業發展處的報告指出,目前單一車輛的半導體元件成本已超過330美元,如果是純電動車更接近1千美元。

不過相較於台灣IC廠商過去熟悉的消費性電子市場,汽車是截然不同的領域,宜特科技協理曾劭鈞就指出,車用系統不但對穩定度有高度要求,近年來效能需求也開始浮現,因此要跨入發展,必須特別注意這兩大重點。

穩定度一直是車用電子的優先考量,此一考量至今仍然存在,近年來車聯網、AI技術等各種技術不斷被導入,汽車所應用的IC元件效能也開始被要求,此一趨勢也對IC設計帶來改變。

曾劭鈞表示,過去半導體的封裝無非是用現已穩定成熟的BGA、QFP、SOP等包裝,不過在自駕車市場需求驅動下所延伸出的AI、HPC需求及C-V2X(Cellular V2X;蜂窩車聯網) 、DSRC(Dedicated Short Range Communication;專用短程通訊)等車聯網通訊標準技術,這些封裝技術已難已滿足新世代高速運算及高速傳輸速度需求,多晶片模組(Multi-Chip Module;MCM)、系統級封裝(System in Package;SiP) 或Fan-in/Fan-out等先進封裝成為必然趨勢,而這些先進封裝技術也必須面臨品質、安全與可靠度等3大挑戰。

品質與安全,目前在汽車產業都已有完整規範,品質方面主要是IATF 16949,部分歐洲車廠會要求VDA6.3,量產階段也有新標準AQP,安全性方面則是ISO 26262,至於可靠度,曾劭鈞表示必須從元件、板階與模組3個階段強化,這3個階段代表IC封裝在設計中從小至大的每一環節,如果這3個環節都可通過考驗,就適於應用在汽車環境。

車用元件3大挑戰

在元件方面,國際汽車電子協會(Automotive Electronics Council;AEC)早已針對IC晶片、離散元件、離散光電元件、被動元件制定出AEC-Q100、AEC-Q101、AEC-Q102與AEC-Q200等車用規範,元件要符合這些規範,必須克服散熱、材質翹曲與連續性測試3大問題。

「熱」永遠是可靠度的第一殺手,而車用系統近年來對效能的需求增加,高運算帶來高耗能,再加上車內的嚴苛環境,IC的可靠度將大受威脅,因此如何在效能與耗電中取得平衡,就成為設計重點。

另一個現在最常見也是最嚴重的問題是IC封裝體的翹曲(Warpage),為因應高速傳輸需求,車用IC的封裝方式逐漸由BGA轉變為MCM/SiP,由於多晶片封裝整合了多種晶片及主被動零件/PCB,各種材質所組合出複雜的熱膨脹係數(CTE) ,且在溫度劇變的汽車應用環境下,其封裝體及焊接點非常容易產生翹曲變形,進而影響可靠度,而且此一狀況不只出現在IC元件,電路板也會遇到。

宜特科技板階可靠度工程部經理莊家豪指出,高頻是現在車用系統常見的設計,未來5G上路後更會成為必要需求,高頻系統的電路板必須選用特殊材質,不過此一材質在超過Tg的溫度時膨脹係數(CTE)會高達到4倍,翹曲問題會非常嚴重。

最後的挑戰則來自於新規範AEC-Q104,此規範的特色是Sequential Stress Tests(連續性測試),連續性測試在模組端已行之有年,不過在2018年,AEC將此規範延伸到元件端。AEC-Q104的考量點在於車子運作時,所有的狀況都是連續發生,車體系統必須承受複合應用,因此元件部分也必須具備因應連續環境的能力。

過去大多以單一晶片進行封裝,材質與結構較為單純,只要逐一測試即可,但在新世代的先進封裝MCM、SiP中,所包含的IC種類多,組合起來的特性也不一樣,在車體運作時,有可能會因連續狀況導致晶片失效,AEC-Q104即是規定晶片在測試過程中,每一連續性的環節都必須通過。

舉例來說,以往高溫壽命試驗(HTOL)與溫度衝擊(Thermal Shock)這兩個項目都是分開測試,AEC-Q104則是要先做高溫壽命試驗,通過後緊接著做溫度衝擊,全部都測完後才算通過,這不但拉長了驗證時間,也讓驗證難度再提升,雖然AEC-Q104並非強制性,不過曾劭鈞表示,絕大多數車廠都會要求,因此有意投入車用領域的廠商,仍必須通過此規範。

車用電路板的挑戰

車用電路板所面臨的挑戰,如同元件一樣會遇到散熱、翹曲等環境因素,導致一般按照規範研發的電路板,真正實際運用到車用產品上會有極大的落差。傳統作法是與客戶端來來回回多次的調整修正,直到製作出可實際應用的電路板。而這種作法勢必耗費大量人力與時間資源,曠日廢時。

軟硬兼具  打造完整驗證測試平台

為了解決車用系統中元件與電路板的各種問題,宜特科技在軟硬體兩端都導入新工具,在元件封裝與電路板翹曲(Warpage)測試部分已進行建置,未來能為客戶在表面黏著技術(SMT)前針對元件與電路板進行翹曲量測,確保在SMT過程中能保有良好的焊接品質。

至於電路板的模擬軟體,宜特科技則與美國DFR Solutions(簡稱DFR)公司合作,DFR是汽車產業著名的顧問公司,所設計的Sherlock軟體已被歐美大型車廠採用,而宜特就以此軟體運行過去累積的大量數據,找出各種實際應力參數,讓電路板設計更接近實際應用狀況。Sherlock是可靠度測試前的分析工具,可針對材料熱膨脹係數、翹曲延展性以及外界產生應力進行驗證,另外Sherlock也能與產業中常用的CAE軟體進行接合,大幅降低分析時間。

從2018年開始,ADAS的普及速度加快,這也衍生出半導體產業的新商機,目前台灣高科技業者也開始投入發展,不過曾劭鈞提醒台灣業者,車用系統無論是設計思維、產業生態或標準規範,都與消費性產品不同,尤其在驗證部分更有極大差異,對此他建議業者可借助外部力量,例如宜特科技在此領域就已有多年經驗,善用其過去所建立的經驗,將可有效導正產品研發方向,同時縮短產品上市時間,強化自身的市場競爭力。

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