原创 【匠歆汽车】汽车芯片设计考量因素

文章来源：https://www.electronicsweekly.com/news/considerations-when-designing-chips-for-automotive-use-2024-08/

Paul Martin指出，汽车芯片设计者面临的挑战包括：远超普通芯片的预期使用寿命要求，以及严格的功能安全标准。

汽车芯片设计的关键考量

绝大多数芯片的预期寿命通常仅为几年，但汽车芯片的预期使用寿命需达到 10至15年（与汽车的平均寿命相匹配），且供应周期需维持 15至20年。设计人员需满足从宽松到严苛的不同标准——例如，信息娱乐系统芯片的标准相对宽松，而关键任务组件则需符合极为严格的要求。

芯片故障的两种类型

芯片故障主要分为两类：

1. 系统性故障（设计缺陷）：由设计错误导致，可通过功能验证过程检测并消除；
2. 随机性故障：由多种原因引发，例如外部辐射或电磁干扰（EMI）导致晶体管状态翻转等。若此类瞬态故障风险较高，可通过屏蔽防护和芯片内置检测机制来缓解，确保故障发生时能采取相应措施。

然而，随机性故障的最大根源在于制造缺陷或老化磨损。如图1中的红色“浴盆曲线”所示，半导体产品的故障率可分为三个阶段，每个阶段的主导因素共同构成了这一典型曲线形态。

初始阶段以早期失效为主，故障率居高但会快速下降——通过老化测试（绿色部分显示）淘汰不良器件后，合格器件将进入第二阶段。典型诱因包括尘埃污染、光刻掩模错位、凸点缺失等。另一种情况是"测试漏网"：当自动化测试设备程序覆盖率未达100%时，极少数通过检测的器件可能仍存在制造缺陷。这类问题通常不会被压力测试发现，但可能通过产品功能测试暴露。

可测试性设计
在芯片项目启动的架构设计阶段，必须将可测试性设计作为核心要素统筹规划，而非事后补救。关键任务包括生成测试模式，用于在此高故障率阶段筛除缺陷器件。晶圆代工厂可采用高强度测试方案（需额外成本）最大限度剔除潜在故障芯片，台积电将此称为"安全启动方案"。

随着明显缺陷器件被清除，故障率会急剧下降，但部分隐患未被检出导致早期失效持续发生。这类故障发生频率将随时间推移持续降低——通常在第一年内就会显著减少。

第二阶段为随机失效期（图1蓝色部分），此阶段故障率保持相对稳定，故亦称服役寿命期。故障率采用单位时间失效数或平均故障间隔时间（MTBF）衡量。此类随机失效毫无征兆且难以预测，其诱因包括：器件在超预期高温下工作引发的热应力（会缩短使用寿命），或制造缺陷的突然显现。

第三阶段为损耗失效期（图1紫色部分），产品因老化磨损机制导致故障率急剧攀升。这些失效机制高度依赖于任务剖面（如结温、纹波电流等参数）。设计师需通过优化设计降低元件应力，例如采用散热装置有效降温以延长元器件乃至整个系统的寿命。根据经验法则，温度每升高10℃，器件寿命将减半。

因此，必须重点考虑芯片的任务剖面（即工作条件）。长期高温运行会显著缩短MTBF，在确保满足正常寿命参数时需纳入考量。现有众多标准定义了特定认证测试，旨在激发特定可靠性失效机制。半导体领域最常用的标准是JEDEC与AEC标准。

工作温度范围

大多数消费级芯片的工作温度范围为0°C至85°C，而车规级芯片则扩展至-40°C到150°C——因为汽车需要适应北半球极寒与沙漠酷暑的极端环境。位于乘客舱的芯片（如信息娱乐系统和卫星导航模块）无需承受发动机舱内的高温，因此任务剖面数据对设计过程至关重要。

任务剖面记录了器件在整个预期寿命周期内承受的应力，通常以温度-时间对照表的形式呈现（也可包含机械应力、湿度等其他参数）。通过该数据可评估所有器件是否能在设计寿命内保持足够的可靠性，以维持产品标定性能。

根据实际应用中温度变化的任务剖面数据，可通过数学建模构建加速测试方案：在压缩的时间框架内模拟芯片整个生命周期所面临的热应力挑战。

功能安全
随机失效主要发生在浴盆曲线的中间阶段。由于其本质上的不可预测性，功能安全设计需确保器件失效时进入安全状态——即器件能够自我检测故障，或通过系统其他部件识别故障并执行相应措施。这是功能安全设计的核心要义，要求设计师跳出常规思维，构建各种故障场景与安全隐患模型，并制定对应解决方案。

这种设计考量绝非简单的因果关系分析，还需预判两种及以上事件并发时可能触发的复合型故障。工程师必须尽可能测试所有单一事件及组合事件对系统的影响。当然，穷尽所有可能性并不现实，因此针对"未知的未知因素"制定应急预案，才是维持系统安全的关键。

ISO 26262是汽车安全系统的通用标准（不仅限于芯片），其规范涵盖芯片设计与测试全流程。虽然可通过第三方机构（如TÜV）付费获取认证，但多数车企的内部质保部门执行的严格审查往往超出该标准要求。设计公司应提供完整记录，供客户核查其芯片设计与制造全过程是否符合ISO 26262标准。

AEC-Q1标准体系
当前AEC-Q系列包含五大核心应力测试标准，分别适用于不同元器件：AEC-Q100针对集成电路应力测试认证，AEC-Q101适用于分立半导体器件，AEC-Q102规范光电子元件，AEC-Q200约束被动元件，AEC-Q104则面向多芯片模块。

AEC-Q100还根据任务剖面的工作温度范围划分等级：Grade 3（-40°C至85°C）、Grade 2（-40°C至105°C）、Grade 1（-40°C至125°C），以及适用于发动机舱芯片的Grade 0（-40°C至150°C）。

该标准体系更涵盖生产、组装与测试方案等全方位要求。设计服务商需向客户提供完整文档，证明其符合相关标准规范。

在复杂车规芯片的架构设计阶段，与客户紧密协作可实现功耗、性能与面积（PPA）的最佳平衡，同时满足功能安全与任务剖面需求。设计方还需通盘考量从晶圆到成品的全价值链，将标准测试方案、日益重要的封装技术等关键要素纳入设计——针对发动机舱严苛环境的高端封装成本，甚至可能超过芯片本身。

符合ISO 26262的汽车专用参考架构能加速项目落地。模块化设计的参考架构可根据需求灵活扩展，并基于终端应用场景与客户软件要求，高效配置算力与功耗方案。

其他关键考量包括：采用先进半导体制程节点，以及通过设计-供应交钥匙服务使整车厂规避多阶段、多供应商的供应链风险。与主要晶圆厂及封测企业建立直接合作，可实现IP选型的平台中立性，从而为每个项目选择最合适的IP组合、制程节点和代工厂，最终交付符合PPA要求的解决方案。