設計汽車電子設備的公司必須了解可變性是如何影響設計質(zhì)量和可靠性的。

雖然汽車銷售量通常只能保持個位數(shù)的年增長率，但隨著我們進入數(shù)字汽車時代，汽車內(nèi)部的電子系統(tǒng)在快速擴張。根據(jù)最新估算，電子系統(tǒng)的生產(chǎn)成本約占新汽車生產(chǎn)總成本的30%?，F(xiàn)在，典型的新汽車通常包含100多個微處理器，用于執(zhí)行各種任務，范圍涵蓋安全（制動控制和傳感器）、舒適（供熱、冷卻、座椅位置）、信息娛樂系統(tǒng)（導航和通信系統(tǒng)）以及先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)，該系統(tǒng)是使用率增長最快的系統(tǒng)之一。汽車電子設備的這種爆炸式增長是當今半導體行業(yè)的最大亮點之一，對于力圖擴張市場的半導體公司而言，這些設備成為一個極具誘惑力的市場。新涉足汽車市場的任何公司都面臨著一大挑戰(zhàn)：他們必須了解市場需求和性能標準，特別是在質(zhì)量和可靠性方面。安全、效率、連接是汽車電子元器件的主要發(fā)展動因。

擴展汽車市場

隨著越來越多的公司進入該市場，這些公司想要取得成功的關(guān)鍵要素是確保產(chǎn)品設計充分考慮到與汽車使用相關(guān)的環(huán)境可變性、他們必須遵守的嚴格的質(zhì)量和可靠性要求，以及消費者對性能和可靠性的期望。設計團隊必須了解這些條件，并應用適當?shù)募夹g(shù)來解決設計問題以及實現(xiàn)合規(guī)性。

驅(qū)動可靠性需求的因素有很多。首先，這些器件必須能在各種物理環(huán)境中工作，其中包括極端的天氣狀況和溫差較大的環(huán)境中。除了氣候之外，這些器件還必須耐受其他的一些環(huán)境條件，包括高溫環(huán)境、震動、超長時間工作以及頻繁啟停。要設計滿足這一系列要求的產(chǎn)品，對于近期才決定為汽車市場生產(chǎn)芯片的廠商而言，完全是全新的體驗。

對于大多數(shù)設計人員來說，另一個新的可靠性要求就是他們設計的產(chǎn)品要達到用戶期望的使用壽命。消費類產(chǎn)品通常只能工作幾年，而汽車器件的預期使用壽命需要達到至少10-15年。另外，汽車要創(chuàng)建自身的系統(tǒng)，而器件之間會有大量連接，這也使得器件可靠性變得尤為重要，因為多數(shù)情況下，如果一個器件發(fā)生故障，將會危及整個系統(tǒng)。如此一來，設計人員不得不考慮一些以前并不重要的設計應力，例如經(jīng)時介電質(zhì)擊穿(TDDB)，同時還需了解如何分析和計入這些影響。用戶期望電子器件具有很長的使用壽命，這也對尚未成熟的新技術(shù)帶來了壓力。

除了環(huán)境可變性和整體系統(tǒng)可靠性之外，設計之間的復雜度差異大小也存在可變性。在高端設計方面，我們要滿足車載信息娛樂系統(tǒng)(IVI)市場的需求，該系統(tǒng)可簡單定義為將信息和娛樂系統(tǒng)組合在一起，為駕駛員和乘客提供便利。IVI是集成視頻顯示、音頻、觸摸屏，以及其他器件（例如智能手機和媒體播放器）連接的完整系統(tǒng)。IVI內(nèi)部的控制系統(tǒng)或主處理器通常采用最新半導體技術(shù)來提供所需的功能。存儲器芯片，特別是NAND閃存，也是導航和IVI系統(tǒng)中的另一重要半導體元器件。

在低端設計方面，我們將大家熟悉且久經(jīng)驗證的成熟技術(shù)應用于各個組件，例如安全系統(tǒng)（例如氣囊）、制動系統(tǒng)、動力總成操作和點火系統(tǒng)控制。對這些芯片的需求是提高既定節(jié)點的容量的主要動因（另外還有物聯(lián)網(wǎng)）。在這種市場需求下，設計人員將背負巨大的壓力，他們必須確保自始至終地保持最高的良率和可靠性，甚至在這些傳統(tǒng)設計中也要做到這一點。

可靠性動因

在設計和驗證過程中，必須考慮可靠性的兩個主要方面——電氣性能和制造優(yōu)化。這兩個與可靠性相關(guān)的問題有其獨特的要求，但又互有重疊。其中最大的重疊就是用以提供完整設計解決方案所必不可少的生態(tài)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)涵蓋了晶圓代工廠、設計團隊、電子設計自動化(EDA)解決方案供應商。晶圓代工廠掌握了有關(guān)制造流程的深厚知識，能夠在規(guī)則集中應用這些知識，從而將版圖配置與良率/可靠性/穩(wěn)健性關(guān)聯(lián)起來。EDA供應商可提供自動化功能，讓設計人員能夠按照規(guī)則集來分析設計，以便發(fā)現(xiàn)在何處進行哪些更改能夠改進設計，包括在電氣性能或制造優(yōu)化方面。一旦設計人員擁有了幫助改進設計可靠性的自動化解決方案，他們就能將其很好地應用到設計中。除了改進所有設計的良率/可靠性/穩(wěn)健性之外，他們還可以利用此功能，在整個公司范圍內(nèi)建立最佳實踐。通過比較不同設計組的得分，他們可以確定今后使用哪些設計技術(shù)。另外，他們還可為公司設立標準化的最佳流程，從而有助于改進所有設計的質(zhì)量。

設計人員有責任在流片之前驗證電氣性能，從而確保他們設計的可靠性。AEC 電氣元器件質(zhì)量鑒定要求確定了磨耗可靠性測試，對多種失效機理的測試做出規(guī)定：

電遷移

經(jīng)時介電質(zhì)擊穿（或薄柵氧化層完整性測試）——適用于所有 MOS 技術(shù)

熱載流子注入效應——適用于 1 微米以下的所有 MOS 技術(shù)

負偏壓溫度不穩(wěn)定性

電應力遷移

針對這些失效因素進行設計驗證可確保實際器件電氣性能達到預期可靠性。但是，傳統(tǒng)的IC驗證流程采用了設計規(guī)則檢查（DRC）、版圖與電路圖比較和電氣規(guī)則檢查方法，而且這些工具僅側(cè)重于設計驗證的某個特定方面，因此在驗證這些要求時可能遇到問題。新型EDA 工具，例如 Mentor Graphics的Calibre PERC，不僅能夠在設計中考慮器件，而且還會考慮到使用它們的情景以及它們的物理實現(xiàn)，如此便有助于設計人員全面了解設計中的弱點。設計的“整體問題”視圖提供了可見性，設計人員利用這一功能可以發(fā)現(xiàn)在設計中使用的知識產(chǎn)權(quán)(IP)的互操作性問題。

使用俗稱為“可制造性設計”(DFM)的方法可以提高制造可靠性。DFM的作用是提取制造數(shù)據(jù)，并將其呈現(xiàn)給設計人員，讓他們能夠杜絕已知的制造問題，從而提高設計的良率/可靠性/穩(wěn)健性。實現(xiàn)這一目標的最有效方式是建立同種類型的生態(tài)系統(tǒng)以改進可靠性，這種生態(tài)系統(tǒng)的成員包括晶圓代工廠、設計人員和EDA供應商。制造可靠性檢查是規(guī)則集的擴展，例如三星和GLOBALFOUNDRIES開發(fā)的制造分析和評分(MAS)規(guī)則集，可與Mentor Graphics的Calibre YieldAnalyzer工具配合使用。創(chuàng)建功能生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素是提供來自實際制造結(jié)果的反饋，以便設計人員了解為什么某個版圖結(jié)構(gòu)無法滿足可靠性要求。對于新近進入汽車市場、不太了解附加可靠性要求的廠商而言，這種反饋尤為重要。高效解決方案遠非只是提供版圖的DFM得分，設計人員需要識別最重要且相關(guān)性強的幾何圖形，并確定哪些更改將顯著提高可靠性。要成功創(chuàng)造出具成本效益的設計，對設計工作進行優(yōu)先排序至關(guān)重要。

毫無疑問，電子系統(tǒng)正在對汽車市場產(chǎn)生重大影響，而且這種趨勢還將持續(xù)增長。隨著各家公司競相進入市場，以期充分把握汽車電子系統(tǒng)市場的商機，他們需要了解版圖可變性與設計質(zhì)量和可靠性要求的關(guān)系。晶圓代工廠能夠提供版圖和可靠性之間的關(guān)系，而EDA供應商則能提供工具，通過易于使用的自動化系統(tǒng)，向設計人員呈現(xiàn)這些數(shù)據(jù)。作為生態(tài)系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，設計人員必須了解這些要求和解決方案，從而確保設計滿足最嚴格的電子系統(tǒng)可靠性要求，同時讓制造商保持盈利。