1 引言

目前汽車電子委員會 (AEC ) 發布的 AEC Q101《基于失效機理的汽車用分立器件應力試驗鑒定要求》已得到行業的廣泛認可和應用。通過汽車 AEC Q101 鑒定的分立器件，是目前可靠性最高的民用分立器件，其應用已逐步擴展到醫療、航空、航天等高可靠裝備中。國内對車規級分立器件質量保證要求研究不多，現有研究也主要側重鑒定考核項目。2021 年 3 月 AEC 發 布 了 AEC Q101E 版， 本 文 結 合AEC Q101E 版相對 D 版的修訂情況，從鑒定考核要求、鑒定擴展、關鍵檢驗項目試驗應力的确定原則以及局限性和應對策略 4 個方面對車規級分立器件的質量保證要求進行研究。

2 鑒定考核要求

汽車屬于預期壽命較長的産品，汽車在工作過程中會經受高溫、高濕、低溫、溫度迅速變化以及劇烈的振動等惡劣的自然環境，而汽車對關鍵組件( 如安全氣囊控制系統、刹車系統等 ) 的可靠性要求極高，以上因素導緻汽車廠商對車規級分立器件提出了極高的可靠性要求，鑒定考核項目衆多且試驗應力嚴酷。AEC Q101D 版将所有的鑒定考核項目都列在一個檢驗表中，缺乏條理性。此次修訂，AECQ101E 版将檢驗項目分為加速環境應力試驗、加速壽命試驗、封裝完整性試驗、芯片制造可靠性試驗和電性能驗證試驗 5 個群組，共包括 57 項檢驗。分立器件的封裝形式分為氣密封裝和非氣密封裝 ( 塑封 ) 兩種，目前民用産品的封裝以非氣密封裝為主，AEC Q101 規定的大部分檢驗也是針對塑封封裝器件制定的。

2.1 加速環境應力試驗

加速環境應力試驗主要考核器件承受高溫、高濕、溫度變化等環境應力的能力，主要包括預處理、帶偏置的強加速穩态濕熱試驗、不帶偏置的強加速穩态濕熱試驗、溫度循環試驗和功率循環試驗，具體項目和要求見表 1。該分組每項試驗的樣品需從 3個非連續生産批中抽取，每批抽取 77 隻器件，不允許出現任何失效。

AEC Q101 規定的加速環境應力試驗主要考核器件耐環境應力的能力。

(1) 預處理僅針對表面安裝分立器件。表面安裝器件引出端距離本體很近，焊接時會受到較大的熱應力作用，如果器件的材料吸收潮氣，可能導緻出現爆米花現象。預處理模拟器件在安裝時受到的熱應力，主要步驟包括電測試、外部目檢、溫度循環 (5次 )、烘焙、吸潮、模拟回流焊 (3 次 ) 和終點電測試。進行 3 次回流焊是模拟器件進行雙面安裝并進行一次返工的情況。

(2) 帶偏置的強加速穩态濕熱試驗是通過施加嚴酷的溫度、濕度和偏置條件加速潮氣穿透外部保護材料 ( 塑封料 )。GB/T 4937.4-2012《半導體器件 機械和氣候試驗方法 第 4 部分 ：強加速穩态濕熱試驗 (HAST)》 規 定“130 ℃，96 h 的 HAST 試 驗 産 生的失效機理與相對濕度 85%，85 ℃，1 000 h 的高溫高濕反偏 (H3TRB) 試驗相同”。HAST 試驗使用了超出正常使用條件的環境應力，加速系數較大，可能誘發正常條件下不會發生的失效。AEC Q101 規定HAST 試驗的電壓不超過 42 V，H3TRB 試驗的電壓不超過 100 V，主要原因是試驗時濕度較高，較高的電壓容易導緻試驗箱内産生電火花。随着試驗設備的進步以及碳化矽等高壓器件對施加較高偏置電壓的需求，今後器件承制方需要根據實際情況提高試驗時施加的偏置電壓。

(3) 溫度循環試驗模拟溫度劇烈變化對器件的影響，考核器件承受由于不同材料熱膨脹系數的差異而産生的内部剪切應力的能力。AEC Q101 規定試驗最低溫度為 -55 ℃，最高溫度為器件的最高結溫，循環次數為 1 000 次，遠遠嚴于普通民用産品。例如，GB/T 12560:1999《半導體器件 分立器件分規範》規定的循環次數為 500 次循環。AEC Q101E 規定試驗後可以選擇 ：進行 125 ℃下全部電參數的測試之後進行開封并選取 5 隻器件進行鍵合強度測試，或者進行超聲掃描，如果出現分層，則選取分層最嚴重的 5隻器件進行開封并進行鍵合強度試驗，如果通過鍵合強度試驗，則器件通過該分組試驗。

(4) 間歇工作壽命試驗是通過間歇地對器件加電 /斷電實現器件溫度的變化，考核器件結構和材料耐受由于溫度變化帶來的内部剪切應力的能力。與溫度循環相比，間歇工作壽命是通過器件自身發熱實現溫度變化的，試驗時器件内部存在溫度梯度，對器件的考核更為嚴酷。

間歇工作壽命試驗有兩個關鍵的考核條件，一是加電 / 斷電實現的結溫或殼溫的溫度變化，另一個是加電 / 斷電的循環次數。對于傳統的金屬陶瓷封裝，容易判斷殼溫的變化，因此一般規定殼溫的變化量。對于塑封分立器件，由于塑料是熱的不良導體，因此很多封裝形式很難監測殼溫變化量。因此 AEC Q101 規定通過監測結溫的變化控制加電和斷電，并給出了結溫變化 100 ℃和 125 ℃兩個條件。

對于循環次數，AEC Q101D 版和 AEC Q101E 版規定需要進行的循環次數，同時又提供了計算循環次數的公式。以結溫溫升 100 ℃條件下的循環次數為例，循環次數為 15 000 次，計算公式為 60 000/(x y)，x、y 為實現結溫變化所需最短加電和斷電時間。以加電 2 min，斷電 4 min 為例，循環次數為 60 000/(2 4)=10 000 次循環。調查發現，AEC Q101C 版是根據封裝體積确定循環次數要求的 ：小體積器件 ( 例如 TO-220 封裝 )加電和斷電時間分别為 2 min，需要 15 000 次循環 ；中等體積器件 ( 例如 TO-3、TO-247 封裝 ) 加電和斷電時間分别為 3.5 min，需要 8 572 次循環 ；大體積器件加電和斷電時間分别為 5 min，需要 6 000 次循環 ；無引線器件需要按照 60 000/(x y) 進行計算，最多不超過 15 000 次循環。由于封裝形式越來越多，不易區分，因此 AEC Q101D 版和 AEC Q101E 版對以上原則進行了簡化，這也導緻部分内容不易理解。

2.2 加速壽命試驗

加速壽命試驗是通過加電的方式加速器件的退化，評價器件的壽命是否滿足規定的要求具體項目和要求見表 2。AEC Q101E 版規定的加速壽命試驗包

括高溫反偏和高溫栅偏兩個分組，每項試驗的時間都是 1 000 h，閘流晶體管的高溫反偏用交流阻斷試驗代替，齊納二極管的高溫反偏用穩态工作試驗代替。高溫栅偏僅适用于場效應晶體管。該分組每項試驗的樣品需從 3 個非連續生産批中抽取，每批抽取 77 隻器件，不允許出現任何失效。

2.3 封裝完整性試驗

AEC Q101E 版規定的封裝完整性試驗主要考核器件的機械特性，包括對鍵合工藝、芯片粘接工藝、耐受焊接時熱量的能力、耐機械應力的考核，具體項目和要求見表 3。其中，恒定加速度、掃頻振動、機械沖擊和密封試驗僅适用于氣密封裝器件，且需要串序進行。該分組的樣品從 1 個生産批中抽取。

2.4 芯片制造可靠性試驗

該分組試驗适用于 MOSFET 和 IGBT，具體内容是通過檢驗栅極氧化層絕緣完整性評估芯片制造工藝對器件可靠性的影響。芯片制造工藝發生變化前、後需要進行該試驗。

2.5 電特性驗證

電特性驗證的主要目的是驗證器件的電特性是否符合規定，具體項目和要求見表 4。一般民用器件僅要求驗證常溫下的電參數指标，而 AEC Q101 規定需要驗證器件在高溫、常溫和低溫下的所有電參數指标。非嵌位感性負載開關試驗考核 MOS 和 IGBT在系統應用中遭遇極端電熱應力的能力，通過這種測試，我們可以得到 MOS 器件耐受能量的能力。

2.6 銅絲鍵合器件的鑒定

随着銅絲鍵合的生産工藝不斷地進步，銅絲鍵合器件的市場占有率在不斷地增長，但是銅絲鍵合器件的可靠性水平與金絲鍵合器件相比，仍然存在一定的差距。銅絲鍵合還存在以下 2 個方面的問題 ：一是銅絲容易被氧化，從而影響鍵合的質量 ；二是銅絲的硬度和屈服強度比金絲的高，鍵合時需要更高的超聲功率與鍵合壓力，容易損傷芯片。此次修訂，AEC Q101E 版增加了對采用銅鍵合絲的器件的考核要求，檢驗項目為溫度循環、HAST、間歇工作壽命試驗和高溫反偏，提高了試驗的應力，并增加了試驗強度和試驗前、後的檢驗和分析項目。

2.7 失效判定

電子元器件在進行各項試驗 ( 特别是壽命試驗 )後，電參數一般會出現一定的漂移。電參數變化率的多少反映了産品一緻性的好壞，可以從一定程度上反映産品長期可靠性。汽車的最低設計壽命為 15年，因此，對電子元器件可靠性有較高的要求，不允許産品試驗後電參數出現較大變化。AEC Q101 規定試驗後電參數 ( 漏電流除外 ) 除應符合産品規範要求外，其變化量不得超過 ±20%。

AEC Q101E 版新增以下規定 ：

● 對于導通電阻 (RDS(on)) 小于等于 2.5 mΩ 的器件，間歇工作壽命、功率溫度循環和溫度循環試驗後允許導通電阻變化量不超過 0.5 mΩ ；

● 潮濕相關試驗後漏電流的測量值不得超過初始值的 10 倍，其他試驗後的測量值不得超過初始值的 5 倍。

2.8 其他說明事項

分立器件廠商的産品要進入車輛領域，打入一級汽車電子大廠的供應鍊，必須符合兩個條件，一是産品通過 AEC-Q101 要求的鑒定考核，二是質量管理體系通過 IATF16949《汽車質量管理體系标準》認證。AEC Q101 規定，器件順利通過了該标準規定的各項試驗，即可聲明該産品通過 AEC Q101 鑒定。由于汽車電子委員會不提供産品的認證服務，因此市場上不存在通過認證的車規級元器件。

3 鑒定擴展

AEC Q101 規定的鑒定考核項目多、應力高，因此試驗費用高、周期長。對每種型号的器件都進行鑒定考核既耗時又費力，會極大地增加最終産品的成本。為了降低産品鑒定考核的成本，AEC Q101 規定可以将結構相似的産品列入同一族系，利用族系中已鑒定合格産品的鑒定考核數據，将鑒定合格資質擴展到族系中其他器件。

3.1 鑒定擴展原則

實施鑒定擴展應符合以下原則 ：

(1) 對于沒有相似産品的試驗數據的新器件，按檢驗表的項目和抽樣方案進行檢驗 ；

(2) 對于族系中已有代表産品通過鑒定考核的其他器件，如果器件的複雜程度低于已通過鑒定的産品，這類器件僅需進行靜電放電敏感度試驗和電參數驗證；

(3) 對于有部分試驗數據的器件，根據具體情況确定需要進行的檢驗項目 ；

(4) 對于工藝過程進行變更的器件，按規範的要求補充相應的檢驗。

3.2 列入同一族系的原則

AEC Q101 從晶圓制造和組裝工藝兩個方面給出了列入統一族系的标準。

晶圓制造方面，列入同一族系的産品應是同一晶圓制造廠生産的器件門類和晶圓制造工藝相同的器件。AEC Q101 将器件分為功率場效應晶體管、小信号場效應晶體管、功率雙極型晶體管、小信号雙極型晶體管、IGBT、整流二極管等器件類型，同一族系的器件必須屬于同一門類。AEC Q101 将晶圓制造工藝細分為制造流程、芯片版圖設計規則、單元密度、掩膜的數量、光刻工藝、摻雜工藝、鈍化 / 玻璃化材料和厚度、氧化工藝和氧化層厚度、芯片正面金屬化和背面金屬化材料、厚度和層數等 10 個方面，同一族系的器件其晶圓制造工藝必須相同。組裝工藝方面，列入同一族系的産品應是同一組裝廠生産的封裝形式相近，組裝工藝相似的器件。

由于分立器件封裝形式衆多，AEC Q101 未能給出屬于同一門類器件的具體封裝形式。AEC Q101 将組裝工藝細分為引線框架材料、引線框架鍍覆、芯片安裝材料和安裝方式、鍵合絲材料、直徑和鍵合方式、塑封料等 6 個方面，同一族系的器件其組裝工藝必須相同。

4 關鍵檢驗項目試驗應力的确定原則

AEC Q101 規定的溫度循環試驗、間歇工作壽命試驗、高溫高濕反偏試驗等關鍵檢驗的試驗應力是依據汽車電子的典型任務剖面确定的。

AEC Q101D 給出了汽車電子需要滿足的典型的任務剖面 ：

● 15 年的使用壽命 ；

● 發動機工作時間 12 000 h ；

● 發動機待機時間 3 000 h ；

● 不工作時間 116 400 h ；

● 600 000 km 裡程 ；

● 發動機啟動次數 54 750 次。

AEC Q101E 版省略了以上具體信息，而是規定需要根據任務剖面 ( 使用壽命、發動機工作時間、發動機待機時間、不工作時間和發動機啟動次數 )确定具體的試驗條件。這是由于新能源汽車的工作模式和燃油車有很大不同，因此需要根據具體情況确定試驗條件。但是，省略典型任務剖面信息會對理解 AEC Q101E 版給出的關鍵考核應力的計算過程帶來困惑。

随着自動駕駛、新能源汽車的發展，整機廠商對汽車電子的要求也在不斷提高。汽車電子應用的任務剖面可能提出更嚴酷的環境适應性要求、更長的服役時間以及更低的失效率要求。新技術和新材料 ( 如銅絲鍵合技術以及碳化矽材料 ) 的采用可能導緻器件的失效機理發生改變，用戶需要根據具體的任務剖面确定檢驗項目的試驗應力。

因此，AEC Q101E 版在附錄 7 中給出了根據器件應用的任務剖面确定檢驗項目試驗應力的指南，并給出了高溫栅偏或高溫反偏試驗、溫度循環試驗、間歇工作壽命試驗等關鍵檢驗項目試驗應力的确定過程，可以指導器件的研制單位确定新型器件的考核應力或指導器件用戶對現有已認證器件對應用的适應性進行評估。

4.2 關鍵檢驗項目試驗應力的确定過程

4.2.1 高溫栅偏或高溫反偏試驗

根據汽車電子典型應用的任務剖面，15 年内器件的工作時間 tu 為 12 000 h，假設器件在使用環境中的平均結溫 Tu 為 100 ℃，高溫栅偏或高溫反偏試驗時器件的結溫 Tj 為 150 ℃。AEC Q101 版采用阿倫尼烏斯模型對高溫栅偏或高溫反偏試驗引發失效的機理進行建模，見公式 1。

AEC Q101 采用 0.7eV 作為激活能的典型值，玻爾茲曼常數 kB 取 8.61733×10-5eV/K。根據公式tt=tu/Af 計算出時間時間為 916 h，AECQ101 取 1 000 h 作為規範中規定的高溫栅偏或高溫反偏試驗時間。

研制單位或用戶可以根據具體的使用條件計算出具體應用條件下所需的試驗時間。

4.2.2 溫度循環試驗

根據汽車電子典型應用的任務剖面，15 年内器件要承受 54 750 次開關循環，假設器件在使用環境中受外部因素影響而引發的溫度的變化平均值 ΔTu為 70 ℃，溫度循環試驗時器件的溫度變化 ΔTt 為205 ℃ ( 低溫 -55 ℃，高溫 125 ℃ )。AEC Q101 采用Coffin-Manson 模型對溫度循環引發的失效的機理進行建模，見公式 2。

AEC Q101 取 m=4 計算溫度循環試驗的加速系數，并根據公式nt=nu/nt計算出的需要進行的溫度循環的次數為 744 次循環，通過取整，AEC Q101 規定鑒定時需進行 1 000 次溫度循環試驗。

研制單位或用戶可以根據具體的使用條件計算出具體應用條件下所需的溫度循環次數。

4.2.3 功率循環

根據汽車電子典型應用的任務剖面，15 年内器件要承受 54 750 次開關循環，假設器件在使用環境中的由于自身發熱而引發的溫度的變化的平均值ΔTu 為 55 ℃，功率循環試驗時器件的溫度變化 ΔTt為 100 ℃ ( 常 溫 25 ℃， 加 電 後 結 溫 達 到 125 ℃ )。AEC Q101 采用 Coffin-Manson 模型對功率循環引發的失效的機理進行建模，見公式 2。

AEC Q101 取 m=2.5 計算功率循環試驗的加速系數，并根據公式nt=nu/nt計算出的需要進行的功率循環的次數為 12 283 次循環，通過取整，AEC Q101 規定鑒定時需進行 15 000 次功率循環試驗。

研制單位或用戶可以根據具體的使用條件計算出具體應用條件下所需的功率循環次數。

5 局限性及應對策略

車規級分立器件屬于民用産品，對航空、航天等應用領域有一定的局限性，具體體現在以下 2 個方面。

(1) 設計和材料經常變更，例如，将鍵合絲由金絲、鋁絲調整為銅絲，不同批次産品可靠性存在較大差異，用戶購買的産品可能并非最初進行評價的産品。雖然變更後器件的可靠性仍能滿足規範要求，但其可靠性确實有變化，能否滿足具體應用需求需要重新确認。

(2) 車規級分立器件的考核是針對汽車壽命周期内的任務剖面制定的，未考慮航空、航天應用的任務需求，考核項目具有一定的局限性。針對車規級分立器件在高可靠應用中的局限性，筆者提出相應的應對策略 ：

(1) 針對車規級分立器件設計和材料經常變更的情況，建議用戶批量采購同一批次的産品，避免不同批次産品設計和材料不一緻帶來的影響 ；

(2) 針對車規級分立器件考核項目的局限性，建議用戶針對具體任務剖面提出需要補充的考核項目，例如鹽氣試驗、低氣壓試驗、耐輻照試驗等。

6 結語

車規級分立器件的鑒定考核項目和應力針對汽車壽命周期的任務剖面制定，具有考核項目全面、試驗應力嚴酷等特點，已廣泛應用在航空、航天等高可靠領域。建議用戶在評估車規級分立器件的适用性時，根據應用的任務要求确定評估試驗的項目和試驗應力。

來源：中國電子技術标準化研究院  作者：張秋 闫美存

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