OSAT视角：汽车半导体市场及其制造所面临的挑战

汽车保修索赔中的半导体问题

目前一辆汽车每年保修成本中约有4%与半导体产品有关^[3]。考虑到如今汽车中的半导体产品数量不断增加，这一比例不足为奇。在这4%与半导体相关的故障中，超过50%与封装和最终测试有关。图8显示了半导体故障的分类。因此，对于包括OSATS在内的汽车供应链而言，持续提高质量以实现“零缺陷”的压力无处不在。

图 8：半导体器件在制造工艺中的质保缺陷分类^[3]。

OSAT在封装和测试中面临的挑战

表3比较了汽车电子器件和消费类产品在一些关键高级需求之间的差异。对业务产生重大影响的一些关键差异是认证时间过长，导致需要约24至48个月才能开始生产。

表3：汽车与消费半导体装配和测试业务之间的关键高级差异。

资质与可靠性。封装是汽车半导体产品质量的一个重要组成部分。最佳的产品开发过程要求IDM在早期开发阶段与OSATS接触，以确保产生正确的设备封装相互作用。这就需要OSATS在IDM调整其设备设计或制程时运行几组可靠性测试。

此外，特别是对于传感器设备，OSATS可能必须运行多组封装设计和材料试验设计（DOE）测试，以便对封装设备的相互作用进行微调。例如，对于MEMS传感器尤为如此。对于新的封装和工序开发，需要遵循产品质量先期策划（APQP）。其本质上是一种阶段关口开发方法，设计目的是充分捕捉和解决开发周期中出现或可能出现的任何问题。

此外，在整个开发过程中需要建立、处理和更新设计与工序的失效模式和效果分析（FMEA）。

与用于消费类产品的标准鉴定程序相比，用于汽车封装的AEC-Q100规范更加严格。

表4总结了消费类产品与汽车电子器件资质要求之间的一些基本区别。

表4：汽车与消费类产品资质鉴定方法之间的区别

根据Tech Search International关于汽车半导体封装的报告，AEC-Q100根据所接触的操作温度范围将汽车电子器件分为0至4的四个等级。零级是最高级别，需要进行最严格的可靠性测试。每一项可靠性测试以及汽车电子器件的样本量和CpK都要求采用更高的标准。

表5总结了用于各种汽车等级可靠性试验中的两项重要测试，即温度循环（TC）和高温贮存（HTS）试验。

表5：用于汽车电子器件资质鉴定的温度循环和高温贮存寿命可靠性测试条件。来源：TechSearch International

同样，这些测试也显示出对汽车电子器件的严格要求。图9显示了汽车等级产品要求的示例，这些要求取决于产品的应用领域和具体用途。例如，在更恶劣条件下运行的动力总成模块需要达到1级或0级，而汽车仪表板涉及的组件则需要达到3级。

	DIS	3级和2级	40℃至+105℃
	底盘和安全	1级	-40℃至+125℃
	ADAS
	车身
	动力系统	1级和0级	-40℃至+150℃

图9：基于应用领域的汽车半导体产品不同等级示例。来源：TechSearch International

核准至量产。一旦汽车电子器件完全合格，在开始大规模生产之前，需要大量与产品设计和资质鉴定相关的各种文件。美国汽车工业行动小组（AIGA）创建了这个文件程序，既生产件批准程序，简称PPAP。PPAP用于确保制造商和供应商在大规模量产之前和期间能够就生产设计和流程进行沟通和核准。

PPAP文件通常不要求由OSATS提交，但需要由IDM提供给一级供应商。

然而，越来越多的汽车制造商要求OSATS提供封装和测试数据。

数据集的内容比较广泛，因此有必要对PPAP流程有一个简短的基本了解。文件要求在整个封装开发和资质鉴定过程中跟踪和记录某些数据。

表6总结了完整的汽车PPAP检查单^[4]。 在资质鉴定和核准过程的不同阶段，需要提交五个不同级别的PPAP文件和数据。重点是要确保所有项目都记录在案，特别是设计或工序中的任何更改。如前所述，需要进行设计和工序方面失效模式和效果分析（FMEA），但对于生产非汽车电子器件的OSATS来说，这未必是标准做法。

表6：AIAG用于汽车电子器件PPAP程序的检查单^[4]。

用于大多数汽车电子器件的晶圆拣选测试和最终测试都需要在三种温度条件下进行，即室温、低温（达到-40℃）和高温（达到150℃）。这种操作需要能够推动晶圆制造资本支出的特殊处理人员。此外，许多IDM需要对晶圆拣选采用零件平均测试（PAT）法，以实现零缺陷的目标。PAT的目的是检测晶圆内的离群值。PAT能捕捉到晶圆中每一个超出严格西格玛限制的裸片。图13显示了对晶圆采用零件平均测试（PAT）法的统计箱限制示例。此外，一些汽车电子器件客户还要求提供预烧测试服务（以消除早期失效）。这时面临的任务就是由此产生的预烧基础设施（预烧炉和预烧板）资本支出。由于汽车电子器件都具有使用寿命长的特点，因此投资回报通常不成问题。

物流与资源。如表4所述，汽车电子器件用户的需求与大多数OSATS所熟悉的传统应用领域有很大不同。因为汽车生产线要求每一套设备都符合质量标准，这就会使规划过程缺少灵活性。OSATS越来越多地使用“指定”流水线方法来代替“专用”流水线来制造汽车电子器件。“指定”流水线方法能够在每道工序都获得多套合格设备，从而确保汽车电子器件的加载灵活性。

所有这些做法都是为了开发一个以生产更高质量产品为目标的六西格玛程序。来自这些开发过程的相关文档构成了PPAP文件的一部分。图10展示了PPAP所要求的汽车电子器件开发所有关键环节之间的联系。如今，大多数OSATS并不熟悉PPAP过程，因为它与汽车电子器件封装和测试开发相关。OSATS的关键是要与IDM密切合作，以确保从项目一开始就清楚地了解需要做什么以满足PPAP的要求。否则，如果在大规模生产之前没有准备所需的文件，OSATS会发现自己处于PPAP的“噩梦”之中。

图10： PPAP程序所要求的汽车电子器件开发所有关键环节之间的联系 ^[4]。

大规模量产。如图11所示，汽车电子器件和标准产品之间的封装和测试制造流程有很大不同。汽车电子器件流程需要额外的工艺步骤，如等离子清洗，额外的检查步骤以及温控测试。一旦投入生产，运营团队需要保持警惕，以确保在封装工序整个周期中的质量稳定。 

生产运营团队将需要确保在封装和资质鉴定测试中最终确定的所有工艺参数都已锁定，且未经允许不得更改。这将意味着以数字化方式降低了意外改变每件制造设备任何工艺参数的可能性。除此之外，汽车电子器件客户要求持续改进以将缺陷降低为零。这通常需要生产汽车电子器件的操作人员具有更高的技能水平。例如，我们会使用经过特殊认证的操作人员来应对汽车电子器件封装和测试过程。许可汽车电子器件还需要通过可靠性监测程序（RMP）来确保在持续生产的基础上达到质量目标。图12显示了一个典型的RMP流程。RMP允许在加速条件下监控关键晶圆制造和封装过程的可靠性。对任何失效进行验证和分析，并利用失效分析结果建立纠正措施，消除未来生产批次的失效机制。

 OSATS需要采用“整理、整顿、清扫、清洁、修养”的5S（sort, set, shine, standardize, sustain）方法对产品质量始终保持警惕，就产品变更通知（PCN）的核准流程达成一致。

图11：汽车电子器件和标准产品（非汽车）封装工序工艺流程对比。

总结

参与汽车电子器件封装和测试业务的市场竞争并非易事，也面临着不少挑战。不同于其通常提供的标准封装和测试服务，如何满足一整套存在差异的严格需求，对OSATS来说无疑是一项挑战。汽车半导体产品的较长资质认证周期和明显较长的获利时效有时会成为许多OSATS进入这一市场的阻碍。如今，那些试图打入市场的OSATS可能会发现自己已经落后于竞争对手很多年，而后者多年来已经将自身打造成汽车电子器件级供应商。

并保证提供十年以上的持续服务和数据保存。此外，任何质量偏差都需要坚持不懈地采用“8原则”（8D）等问题解决方法以及故障树分析法（FTA）等科学规范的故障分析方法进行纠正。 汽车电子器件客户对任何质量偏差都要求给予快速响应。为确保汽车电子器件开发和制造所需的支持水平，OSATS在研发、运营、供应链，当然还有质量等所有关键职能都将需要经过培训的人力资源。

最后需要注意的是，顶级汽车电子器件客户经常要求在他们的服务协议中加入更严格的保修条款。如果出现这种情况，OSATS需要仔细权衡这种保修索赔条款的潜在影响。

成本管理。最终，按照IDM和一级供应商的预期管理降低成本是一项严峻挑战。一些一级供应商预期每季度价格环比下降5%，而每年价格环比降低5%已经变得相当普遍。降低汽车电子器件成本的最大挑战是，客户不允许在没有产品变更通知（PCN）的情况下进行任何更改，而在对变更（工序或物料清单[BOM]）进行资质认证后，这一过程还需要18至30个月时间。对于消费者，甚至工业封装和测试应用领域，主要是通过工序简化和整合来实现成本降低，同时在保持相同质量的同时采用降低成本的物料清单（BOM）。

 然而，对于没有长期资质和产品变更通知（PCN）周期的汽车电子器件而言，这是不可能做到的。另一方面，汽车电子器件客户在多数情况下都希望OSATS引入新的过程控制步骤（而不是最初商定的那些步骤），这会产生额外成本。 但是大多数IDM和一级供应商都不愿意相应地调整价格。这使得每年降低成本变得更加困难。一些关键工序的自动化，如外观检测和X光检测，不仅可以降低成本，还通过减少人工操作提高了产品质量。

虽然可能听起来是老生常谈，但成功的OSAT都需要确保对最终制造工艺流程、BOM以及详细分析了各种汽车电子器件财务模型的报价请求（RFQ）进行前期尽职调查。从RFQ流程一开始就商定降价路线图和实现成本削减的途径对双方都有好处。在资质认定过程中，针对潜在的工艺流程和BOM更改在各种假设场景中进行评估，同时充分理解降价路线图并运行相应的成本模型，这样就可以为可能实现的业务成果提供深刻见解和商业信息。

 汽车电子器件封装的设计、认证和推出花费了许多宝贵的工程开发时间和资源。通过多年辛苦工作和努力，可能需要长达四年时间才能取得实际收入。然而，一旦取得资质认证并成功进入汽车产品市场，回报将是持续超过十年的稳定收入。在其他行业不断波动的情况下，这无疑能为企业提供良好保护。

图12：汽车电子器件在大批量生产过程中的批量允收可靠性测试。

鸣谢

作者感谢来自Prismark的Brandon Prior、TechSearch International的Jan Vardaman、UTAC新加坡的Carol Chiang、UTAC美国的Lee Smith以及UTAC泰国的Somchai Nondhasitthichai对一些数据和图表所做的重要贡献。

图13：该图显示了零件平均测试（PAT）如何检测晶圆内的异常值。

参考文献

1.   英飞凌（Infineon）2019财年第一季度季报第35页；https:// www.infineon.com/dgdl/2019-02- 05+Q1+FY19+Investor+Presentati on.pdf?fileId=5546d4616885f5c501 68b9b983120016

2.   《汽车电子器件封装市场趋势》（Trends in Automotive Packaging）2018年（节选）；Yole Développement。

3.   “汽车电子器件封装的新前沿”（New Frontiers in Automotive Electronics Packaging），TechSearch International，2018年

4.   生产件批准程序（PPAP）；第四版；2006年3月。