【導(dǎo)讀】汽車是近兩年被高頻提及的產(chǎn)業(yè),2022年至2029年,預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車(EV)占比將增長近一倍,同時(shí)L2級(jí)別及以上的自動(dòng)駕駛汽車占比也在逐漸增加。中國則處于“彎道超車”的市場地位,到去年為止,電動(dòng)汽車占比已經(jīng)超過了一半。
汽車是近兩年被高頻提及的產(chǎn)業(yè),2022年至2029年,預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車(EV)占比將增長近一倍,同時(shí)L2級(jí)別及以上的自動(dòng)駕駛汽車占比也在逐漸增加。中國則處于“彎道超車”的市場地位,到去年為止,電動(dòng)汽車占比已經(jīng)超過了一半。
對汽車來說,電動(dòng)汽車的功率轉(zhuǎn)換需要大功率分立半導(dǎo)體,電池管理IC負(fù)責(zé)電池平衡和監(jiān)控,ADAS(以及最終的無人駕駛)需要RF、激光雷達(dá)、超聲波和圖像傳感器以及高端處理能力,MCU/SoC則負(fù)責(zé)控制車內(nèi)功能,在車輛安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
這將不斷驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體在汽車中的數(shù)量和金額占比增加。據(jù)測算,2023年芯片在整車中的占比在800~1000美元,5年后可能會(huì)達(dá)到1500美元。反觀過去一年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展,消費(fèi)類產(chǎn)品相對疲軟,且到現(xiàn)在仍未有明顯復(fù)蘇跡象,因此汽車會(huì)是過去一年芯片產(chǎn)業(yè)最大驅(qū)動(dòng)力之一。
增長之下,滿是挑戰(zhàn)。汽車產(chǎn)品的質(zhì)量與人的生命財(cái)產(chǎn)安全有著直接的關(guān)系,一旦出現(xiàn)問題,可能會(huì)帶來毀滅性的打擊。因此,車規(guī)級(jí)產(chǎn)品對整體質(zhì)量的把控相對更為嚴(yán)格,加之ADAS級(jí)別提升,芯片測試的復(fù)雜程度也呈指數(shù)級(jí)增長。
此外,對汽車芯片來說,越早能夠發(fā)現(xiàn)問題,就越能將成本前移,從而獲得更好的市場競爭力。泰瑞達(dá)(Teradyne)作為自動(dòng)測試設(shè)備行業(yè)(ATE)關(guān)鍵領(lǐng)導(dǎo)者,最近分享了先進(jìn)節(jié)點(diǎn)下,汽車芯片所面臨的挑戰(zhàn)與良策,同時(shí)分享了如何助力國產(chǎn)芯片解決測試難題。
策略、流程、工具,實(shí)現(xiàn)零質(zhì)量缺陷的三大要點(diǎn)
“無論是AEC-Q100還是ISO26262,其本質(zhì)目標(biāo)都是零質(zhì)量缺陷(0 DPPM,即每百萬分之零的缺陷),要完成零缺陷,任何一個(gè)環(huán)節(jié)都不能掉鏈子,因?yàn)榄h(huán)節(jié)太多,哪怕任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)千分之一、萬分之一的問題,疊加起來都會(huì)是非常大的質(zhì)量缺陷?!碧┤疬_(dá)中國區(qū)總經(jīng)理Felix Huang這樣解釋道。
對泰瑞達(dá)來說,零缺陷是永遠(yuǎn)的目標(biāo),目前國內(nèi)頂尖的ADAS公司已在泰瑞達(dá)平臺(tái)上做到10 DPPM,但同時(shí)也付出了很高的成本。正常來說,一顆芯片測試成本占芯片售價(jià)5%~10%,最多不超過15%,而該公司的產(chǎn)品則接近30%,超過大芯片封裝的成本。
因此,想要更好地實(shí)現(xiàn)零質(zhì)量缺陷的目標(biāo),有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。一是策略,關(guān)鍵點(diǎn)是在設(shè)計(jì)階段就考慮到如何做好測試;二是流程,關(guān)鍵點(diǎn)做好協(xié)作和自動(dòng)化;三是工具,關(guān)鍵點(diǎn)是實(shí)時(shí)、預(yù)測和智能。
1. 策略:用靈活的測試方案實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化
首先,在測試策略方面,在芯片設(shè)計(jì)開始時(shí),就要考慮到如何達(dá)到零質(zhì)量缺陷的效果,這需要在初期考慮測試方案的設(shè)計(jì)和策略,以平衡成本。
雖然用在汽車中的芯片都叫車規(guī)芯片,但其實(shí)每種芯片要求標(biāo)準(zhǔn)和成本不同。實(shí)際上,質(zhì)量與成本相關(guān)聯(lián),質(zhì)量等級(jí)越高,失效成本就會(huì)降低,但相應(yīng)的就要做一些預(yù)防性的提前檢測,從而拉高前期成本。此外,因質(zhì)量問題而帶來的客退、測試成本等顯性成本之外,庫存成本、運(yùn)輸成本、人員變動(dòng)成本等隱性成本的影響要比顯性成本大得多。
最終,整體成本會(huì)呈現(xiàn)“浴盆曲線”,其最低點(diǎn)就是兩種成本的交界點(diǎn),不同芯片的權(quán)衡都有所不同。比如說,自動(dòng)駕駛芯片與汽車行駛直接相關(guān),一旦出問題,就是人員安全問題,所以要求質(zhì)量等級(jí)更高。再比如,座艙芯片可以通過后裝市場來增級(jí),質(zhì)量要求也沒有那么高。
芯片測試主要分為Wafer Sort(WS,晶圓測試)、Partial Assembly(PA,部分封裝)、Final Test(FT,成品測試)、System Level Test(SLT,系統(tǒng)級(jí)測試)四個(gè)階段,當(dāng)然晶圓測試、成品測試完成后并不代表結(jié)束,測試是貫穿汽車電子全產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。
對芯片來說,如果很多問題在晶圓測試階段就能檢測出來,到了成品測試時(shí)就不需要再去檢測,這種測試前移和后移就指的就是“FLEX Test”。
對汽車芯片來說,一顆芯片售價(jià)中,測試成本始終與封裝、工藝成本相比占比較小,發(fā)現(xiàn)問題越早,就能把測試項(xiàng)從最終測試前置,省掉封裝成本?!耙虼耍瑥某杀窘嵌葋碚f,能不能前移多一點(diǎn),這就要求機(jī)臺(tái)本身有非常好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性,同時(shí)測試能力和覆蓋率能夠達(dá)到這樣的要求,才有可能實(shí)現(xiàn)FLEX Test?!盕elix Huang如是說。
當(dāng)然,測試本身也沒有那么簡單,整個(gè)流程需要不斷測量和分析數(shù)據(jù)才能知道哪些項(xiàng)目能夠前移,F(xiàn)LEX Test背后擁有不同的邏輯,從來沒有固定的答案,必須考慮哪個(gè)階段測量什么測試項(xiàng)才能形成最優(yōu)解,針對不同公司、不同芯片做不同分析。
但實(shí)際,多數(shù)情況IC設(shè)計(jì)人員與ATE測試人員隔行如隔山,溝通過程或許存在不可避免的代溝。泰瑞達(dá)的專用軟件工具PortBridge就是解決這種問題,為雙方搭建起溝通橋梁,一面是測試機(jī),另一面是EDA工具;IC設(shè)計(jì)人員操作EDA工具,即可直接控制測試機(jī)進(jìn)行晶圓測試或者成品測試,根據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)在線調(diào)優(yōu),同時(shí)也可以藉由PortBridge工具通過ATE直接訪問每個(gè)IP并進(jìn)行調(diào)試,加速IP與整個(gè)芯片融合。
2. 流程:用自動(dòng)化、智能化的工具減少人為問題
從1995年到2020年,芯片功能愈加復(fù)雜,測試程序復(fù)雜度隨之增大,早期一顆SoC芯片可能擁有200個(gè)測試項(xiàng),代碼量約一兩千行,一個(gè)或幾個(gè)測試工程師就能完成測試工作。而現(xiàn)在則至少擁有2萬行代碼,代碼量達(dá)到幾個(gè)到幾十個(gè)Giga的水平,開發(fā)測試程序基本都是由團(tuán)隊(duì)協(xié)作開發(fā),最后整合調(diào)試。
因此,在這樣的進(jìn)化過程中,為了減少開開發(fā)周期,加速產(chǎn)品上市,就需要整個(gè)流程擁有自動(dòng)化、智能化的工具,減少因?yàn)槿藶橐蛩貛淼膯栴}。
泰瑞達(dá)則有不同的軟件支持,其中IG-XL軟件則是ATE行業(yè)中口碑最好的開發(fā)軟件之一,該軟件兼具實(shí)用性、易用性和穩(wěn)定性。
基于IG-XL軟件,泰瑞達(dá)還擁有一款輔助工具Oasis,可以幫助檢測開發(fā)代碼質(zhì)量,比如在Offline階段運(yùn)行Oasis工具,可以自動(dòng)檢測不同工程師的代碼有沒有寫錯(cuò),有沒有冗余。
多人開發(fā)方面,泰瑞達(dá)內(nèi)部擁有全流程管理系統(tǒng)DevOps(Development Operation),該系統(tǒng)自2020年開始引入,這是一個(gè)完全自動(dòng)化的系統(tǒng),比如說,工程師開始開發(fā)一個(gè)測試程序時(shí),從Offline階段就會(huì)自動(dòng)調(diào)用Oasis中的Offline檢測工具,生成報(bào)告,將問題發(fā)到相關(guān)工程師郵箱,直到把報(bào)告中問題全部修復(fù)以后,才會(huì)進(jìn)入到下一個(gè)階段。
3. 工具:實(shí)時(shí)、可預(yù)測、智能的分析
對測試整個(gè)流程來說,流動(dòng)在其中的“血液”便是數(shù)據(jù),不同工藝中,不同的控制按鈕、不同的變量和不同的參數(shù)都會(huì)流向ATE測試機(jī),除了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)(一般來說有兩種格式STDF和TEMS),F(xiàn)ab可以根據(jù)實(shí)際反饋的數(shù)據(jù),來調(diào)整工藝參數(shù),優(yōu)化工藝流程。
歸根結(jié)底,零質(zhì)量缺陷的支撐點(diǎn)就是海量數(shù)據(jù),要想讓這些數(shù)據(jù)真正產(chǎn)生作用,就要做到實(shí)時(shí)性、可預(yù)測性、智能性的分析。尤其對車規(guī)芯片來說,數(shù)據(jù)則更為重要。
泰瑞達(dá)的UltraEDGE便是配套的服務(wù)器,它內(nèi)部既包含自建的FDE(故障檢測引擎,F(xiàn)ault Detect Engine)工具,也可安裝第三方數(shù)據(jù)分析軟件,如OptimalPlus、PDF數(shù)據(jù)管理軟件,在其中進(jìn)行加密和機(jī)器學(xué)習(xí),對抓到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,把潛在缺陷反饋給Foundry,最終提升良率,降低成本。
FDE是泰瑞達(dá)已經(jīng)推出的一款大數(shù)據(jù)分析軟件,它可以將前面測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并比較原有測試結(jié)果。早期,它采用的是Static PAT(SPAT),現(xiàn)在車規(guī)更多采用的是Dynamic PAT(DPAT),即動(dòng)態(tài)分析。
值得一提的是,泰瑞達(dá)在3年前就成立了專門的研究團(tuán)隊(duì),研究AI怎樣加速測試結(jié)果分析,同時(shí)在Ultra EDGE Server、FD Engine、Oasis輔助工具中都使用了AI技術(shù)。
解決車規(guī)芯片的測試難題
如今芯片密度在跟隨摩爾定律不斷膨脹,極速的制程演進(jìn)也會(huì)為汽車芯片測試帶來更多挑戰(zhàn)。根據(jù)泰瑞達(dá)亞太區(qū)銷售副總裁Richard Hsieh的分享,過去半導(dǎo)體測試設(shè)備發(fā)展,可以分為三個(gè)階段。
1990年~2000年,是功能時(shí)代,制程工藝集中在0.8μm~0.13μm,芯片搭載功能越來越多,傳統(tǒng)測試平臺(tái)逐漸被淘汰;2000年~2015年,是效率時(shí)代,隨著工藝從0.13μm發(fā)展到14nm,并行測試需求擴(kuò)大,4工位、8工位測試成為標(biāo)配;2015年至今,是新興時(shí)代,制程工藝步入3nm,此時(shí)單純的芯片測試只是基礎(chǔ)性功能,trim(微調(diào))等更多復(fù)雜性功能成為標(biāo)配,這些功能可以有效減少設(shè)計(jì)時(shí)間、提高產(chǎn)品良率。
現(xiàn)在,行業(yè)正向1nm演進(jìn),也在探索如何在CMOS的制程里制造出數(shù)字或“數(shù)字+混合信號(hào)+RF”,相對應(yīng)的,也向測試端提出更快的測試速度、更低的測試成本和更快的上市時(shí)間等要求。
“測試產(chǎn)業(yè)是一個(gè)重資本投資的產(chǎn)業(yè),怎樣在投資上獲得很好的回報(bào)是關(guān)鍵問題。”Richard Hsieh表示,多數(shù)人在做資本采購時(shí),都會(huì)算固定折舊,當(dāng)直接成本被折舊抵消,其中大部分就是間接成本。所以對機(jī)臺(tái)來說,怎樣設(shè)計(jì)讓它能夠提高它的產(chǎn)品生命周期,以及利用率都是重要的課題。
泰瑞達(dá)針對汽車電子市場進(jìn)行了多元化布局。公司旗下的J750、UltraFLEX、EAGLE等產(chǎn)品可以幫助客戶降低工程成本,提升系統(tǒng)魯棒性,同時(shí)用更少的測試單元提供更高產(chǎn)出,并加大良率把控,為客戶提供質(zhì)量保障和成本有優(yōu)勢。
泰瑞達(dá)從1990年到2025年都推出了不同的平臺(tái),令人驚喜的是,一些客戶現(xiàn)在都還在用在90年代推出的機(jī)臺(tái),尤其1995年推出的J750,現(xiàn)在還有很多客戶都在使用量產(chǎn)。
當(dāng)然,這也并非說明J750一成不變,20年以來,它已經(jīng)經(jīng)過了三代升級(jí),每一代板卡密度都在翻番,與此同時(shí),電源模塊也在不斷跟進(jìn),隨著需求不同增長,升級(jí)速度也開始逐漸縮短。為什么J750如此經(jīng)久耐用,實(shí)際上,它自推出設(shè)計(jì)指標(biāo)覆蓋就非常廣泛,穩(wěn)定性指標(biāo)MTBF(Mean Time Between Failure)也非常好,可以做到運(yùn)行一年一塊板卡也不壞。按照利用率來推算時(shí)間,可以達(dá)到8760個(gè)小時(shí)。
UltraFLEXplus平臺(tái)于2019年推出,其設(shè)計(jì)生命周期是20年,中間小版本升級(jí)是5年,當(dāng)然其大框架方向是不變的,泰瑞達(dá)在設(shè)計(jì)平臺(tái)之初,就按照一個(gè)開放、可升級(jí)、可進(jìn)化的框架進(jìn)行。
對于測試來說,實(shí)質(zhì)上無論車載芯片、工業(yè)芯片,對于測試機(jī)供應(yīng)商的廠商來說,測試本質(zhì)并沒有發(fā)生變化,那么車規(guī)芯片測試究竟有有什么不同?
Felix Huang表示,對泰瑞達(dá)來說,車規(guī)芯片和工業(yè)芯片測試設(shè)備都類似,唯一不一樣是后面的數(shù)據(jù)處理,比如UltraEDGE、FD Engine統(tǒng)計(jì)分析,芯片測試要求提高了,不只是看性能規(guī)格測試,而是要看它的統(tǒng)計(jì)分布、每個(gè)晶圓上的物理分布、最低良率要求、每個(gè)溫度下的要求,這些都需要大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行支持。
目前為止,泰瑞達(dá)已經(jīng)利用FD Engine幫助國內(nèi)幾家國產(chǎn)芯片設(shè)計(jì)公司,包括細(xì)分領(lǐng)域龍頭,實(shí)時(shí)監(jiān)控測試過程變化。泰瑞達(dá)已扎根中國20多年,未來,除了持續(xù)在國內(nèi)大方向上發(fā)展,汽車也是重要方向。
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