两大难关!先进封装在车用可靠度的挑战与解法

2019-08-02 媒体垂询 76515次阅读 

随着车联网发展,先进智慧车用电子产品成为近年来发展的主要趋势,尤其对半导体产业而言,车用电子更是下一个新兴战场。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。

在传统汽车产业,以往不会将最先进的技术、製程等放入最畅销的车款上,而是把最成熟、可靠度品质最佳的产品导入,「稳定度」一直是最重要考量,此一考量至今仍然存在。不过随着车联网、AI 等各种技术的导入,「效能需求」也开始浮现,此一趋势也将对 IC 封装形式带来改变。

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(蜂窝车联网,Cellular V2X) 、DSRC(专用短程通讯,Dedicated Short Range Communication)等车联网通讯标準技术,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,多晶片模组(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「品质」、「安全」与「可靠度」等 3 大挑战。

在「品质」与「安全」上,目前在汽车产业都已有完整规範,品质方面主要是 IATF 16949(延伸阅读:了解三大面向,顺利取得 IATF 16949 汽车品质管理系统证书),部分欧洲车厂会要求 VDA6.3,量产阶段也有新标準 AQP,安全性方面则是 ISO 26262。(延伸阅读: 进入AI智慧汽车供应链必备-国际可靠度品质车规五步骤一次解析)

而在「可靠度」上,必须从 2R 阶段强化-CLR(元件可靠度 Component Level Reliability)、BLR(板阶可靠度 Board Level Reliability)。这 2 个阶段代表 IC 从元件到元件上板阶段。若这 2 个阶段都可通过考验,就适于应用在汽车环境。本文将从 CLR 与 BLR,带各位了解先进封装在此两阶段的挑战与解决之道。

一、先进封装在 CLR 阶段三大挑战

在元件方面,国际汽车电子协会(Automotive Electronics Council,简称 AEC)早已针对 IC 晶片、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 等车用规範(参见图一),元件要符合这些规範,必须克服「散热」(Heat Dissipation)、翘曲(Warpage)与连续性测试(Sequential Stress Tests)3 大问题。

图一:AEC-Q 系列家族成员

(一) 散热 (Heat Dissipation)

「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,是车电 IC 设计重点。

(二) 翘曲(Warpage)

另一个现在最常见也是最严重的问题是 IC 封装体的翘曲。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,由于多晶片封装整合了多种晶片及主被动零件/PCB,各种材质所组合出的複杂的热膨胀係数(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,进而产生可靠度问题,而且此一状况不只出现在 IC 元件,电路板也会遇到。

特别是高频,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 的温度时膨胀係数(CTE)会高达到 4 倍,翘曲问题会非常严重。

(三) 连续性测试(Sequential Stress Tests)

最后的挑战则来自于新规範 AEC-Q104(延伸阅读: 六大重点,秒懂车用多晶片模组 AEC-Q104 规範),此规範的其一重点在于连续性测试(Sequential Stress Tests),连续性测试在模组端已行之有年,不过在 2018 年,AEC 将此规範延伸到元件端。AEC-Q104 的考量点在于车子运作时,所有的状况都是连续发生,车体系统必须承受複合应用,因此元件部分也必须具备因应连续环境的能力。

过去大多以单一晶片进行封装,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,在车体运作时,有可能会因连续状况导致晶片失效,AEC-Q104 即是规定晶片在测试过程中,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,通过后紧接着做温度冲击,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,仍必须通过此规範。

二、先进封装在 BLR 阶段的挑战

(一) 翘曲(Warpage)

多晶片模组、系统级封装与 Fan-in/Fan-out 等先进封装透过推叠两个或更多不同功能晶片,并以雷射垂直导通孔(Through Silicon Via; TSV)进行结合,这样的元件使用的材料相当複杂且多元,当遇到温度的变化因材料本身热膨胀係数不同(CTE)就会产生翘曲(Warpage),若选择不好的材料有可能翘曲过大而导致后续 SMT 电路板的结合异常。

另一方面,5G 技术针对较高频电路板材料也是挑战之一。电路板应用于车载中除了必须考量讯号衰减的因素外,更需要关心的是在高温的环境中是否也有翘曲的状况发生。

图二:元件与电路板都有可能有翘曲发生 进而影响后续 SMT 焊接品质。

不正常的翘曲的确会造成可靠度验证的风险,导致元件与电路板在实际验证时会有极大落差。过去的作法是先按规範实作,设计出电路板,客户端有问题再逐一调整修正,直到做出可实际应用的电路板,而这种作法势必耗费大量的人力与时间资源。

三、先进封装在车用可靠度的解决之道

翘曲,是先进封装在车用可靠度共通遇到的难题。为解决车用系统中元件与电路板的各种问题,在翘曲(Warpage)上,宜特特别建置翘曲测试设备,未来能为客户在表面黏着技术(SMT)前,就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品质(参见图三),如此可避免因不良焊接品质导致影响可靠度验证以及不必要的成本开销。

图三:SMT 上板前,可针对元件与 PCB 进行模拟分析,预先了解 Warpage 情形

另外,宜特与美国 DFR Solutions(简称 DFR)公司合作导入模拟软体,DFR 是汽车产业着名的顾问公司,所设计的 Sherlock 软体已被欧美大型车厂採用,而宜特就以此软体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(参见图四)。Sherlock 是可靠度测试前的分析工具,可针对材料热膨胀係数、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 软体进行接合,大幅降低分析时间。

图四:藉由 CAR 软体,了解产品的应力分布与形变量,可在测试前,预先了解产品可能会有什幺风险。

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,不过车用系统无论是设计思维、产业生态或标準规範,都与消费性产品不同,尤其在验证部分更有极大差异,宜特在汽车电子领域有多年经验,藉由过去所建立的经验,将可有效协助客户导正产品研发方向,同时缩短产品上市时间,强化自身的市场竞争力。

(首图来源:宜特科技)

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