车规级芯片技术

汽车工业在过去130多年的发展历程中，前100年主要集中在内燃发动机和各种机械部分的发展上。从20世纪90年代开始，随着集成电路技术的飞速发展，汽车使用的电子元器件和芯片越来越多。特别是进入21世纪后，随着汽车朝着智能化、网联化、电动化方向发展，汽车采用的芯片数量也爆炸式增长。单台电动汽车的芯片数量已经超过1000颗，芯片种类已超过150种。汽车芯片已经成为继20世纪90年代个人计算机和21世纪移动互联网之后的第三次半导体芯片的增长推动力。在作者编写本书之时正值全球车企遭遇 “汽车芯片荒” ，据统计，2022年全球汽车因汽车芯片紧缺而减产超420万辆。为了迎接汽车芯片化时代的到来，推动汽车芯片人才的培养，助力汽车产业发展，特编写本书。

车规级芯片和工业级、消费级芯片最大的不同在于车规级芯片的高可靠性。车规级芯片的高可靠性体现在满足AEC Q系列应力测试的封装集成电路故障机制测试方法标准、汽车电力电子模块认证标准AQG 324，以及为了满足自动驾驶安全而引入的功能安全标准ISO 26262和预期功能安全SOTIF，为了满足这些严苛的标准，汽车芯片在设计、制造、封装、测试等全过程也要满足IATF 16949的质量管理体系认证。这对汽车芯片从业人员提出了更高的要求，也在可靠性物理机理、可靠性生产管理中形成了一套完整的方法学内容。本书将全面、完整、系统性地介绍该方法学的全部内容。

本书共11章，主要内容包括车规级芯片产业介绍、汽车电子与芯片、汽车电子可靠性要求、车规级芯片标准介绍、芯片设计基础、车规级芯片功能安全设计、芯片可靠性问题、车规级芯片可靠性设计、车规级芯片工艺与制造、车规级芯片的可靠性生产管理、车规级芯片与系统测试认证。

本书可作为高等学校集成电路、电子工程、汽车电子、电力电子等相关专业的研究生教材，也可作为汽车芯片相关领域工程技术人员的参考书。

在本书的编写过程中得到了苏炎召、何一新、许宇航、解志峰、李惠乾、宋碧娅、董盛慧、张博维、薛兴宇、李星宇、魏星宇、杨登科、金楚丰、刘旭东、陈怀郁、朱菁菁、陆禹尧、胡若飞、王莹、母欣荣、蔡琳、梁四海、潘之昊、钱秋晓、黎嘉阳、朱春林、何荣华的协助，以及清华大学集成电路学院、清华大学车辆与运载学院和安世半导体公司的大力支持，在此表示衷心的感谢。

由于作者水平有限，加之时间仓促，书中不当之处在所难免，欢迎广大同行和读者批评指正。

作者
2023年8月

当前，以智能化、电动化为重要特征的“新四化”趋势给全球汽车产业带来了重大的变革，也使各类汽车芯片的需求量有不同程度的提高。芯片行业是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，我国是车规级芯片需求最大的市场，但绝大多数芯片需要依赖进口。车规级芯片对产品的可靠性、一致性、安全性、稳定性和长效性要求较高，随之带来行业的资金壁垒、技术壁垒、人才壁垒进一步提高，是我国“十四五”期间的重要发展方向和关注焦点之一。

本书是国内迄今为止相当全面、系统介绍车规级芯片产业发展、相关标准及设计技术的图书，也是首本从汽车行业和芯片行业两个视角对车规级芯片进行介绍的图书。本书首先从汽车电子的角度出发，介绍汽车电子与芯片、汽车电子可靠性要求、车规级芯片标准等； 然后聚焦于车规级芯片设计，内容涵盖芯片设计基础、车规级芯片功能安全设计、芯片可靠性问题、车规级芯片可靠性设计、车规级芯片工艺与制造、车规级芯片的可靠性生产管理、车规级芯片与系统测试认证等。

本书可作为高等学校集成电路、电子工程、汽车电子、电力电子等相关专业的研究生教材，也可作为汽车芯片相关领域工程技术人员的参考书。

第1章车规级芯片产业介绍

1．1芯片概述

1．1．1芯片的定义和分类

1．1．2芯片技术的发展历程

1．1．3芯片产业的发展现状

1．1．4芯片产业的发展趋势

1．2车规级芯片概述

1．2．1车规级芯片的发展历程

1．2．2车规级芯片的高标准和高门槛

1．2．3车规级芯片的分类和应用

1．3车规级芯片产业的发展状况

1．3．1车规级芯片产业的发展现状

1．3．2车规级芯片产业链介绍

1．3．3车规级芯片产业发展趋势

参考文献

第2章汽车电子与芯片

2．1汽车电子电气系统概述

2．1．1汽车电子技术发展概况

2．1．2汽车电子电气系统的组成

2．1．3汽车电子电气架构概述

2．2汽车电子分类的介绍

2．2．1汽车电子的类别

2．2．2汽车电子的功能介绍

2．3车载电子与芯片的分类

2．3．1车载电子与芯片概述

2．3．2按汽车应用场景分类

2．3．3按使用功能分类

参考文献

第3章汽车电子可靠性要求

3．1汽车可靠性要求

3．1．1汽车可靠性的定义

3．1．2汽车可靠性的评价指标

3．1．3汽车可靠性的测试场所

3．1．4汽车可靠性的测试方法

3．1．5汽车可靠性的常用测试标准

3．1．6汽车电子电气的可靠性管理工作

3．2汽车电子的可靠性要求

3．2．1汽车电子进行环境可靠性测试的重要意义

3．2．2汽车电子的使用环境

3．2．3汽车电子可靠性的常用测试标准

3．2．4汽车电子环境测试项目

3．2．5发展动态

参考文献

  车规级芯片技术

目录 

第4章车规级芯片标准介绍

4．1车规级芯片标准综述

4．1．1国内外汽车芯片相关标准的发展分析

4．1．2汽车芯片在标准及测试认证方面面临的形势

4．2美国车规级芯片标准

4．2．1AECQ标准概述

4．2．2AECQ100标准

4．2．3AECQ101标准

4．2．4AECQ102标准

4．2．5AECQ103标准

4．2．6AECQ104标准

4．3欧洲车规级芯片标准——AQG 324

4．4中国车规级芯片试验标准

4．4．1中国车规级芯片试验标准的现状

4．4．2中国车规级芯片试验标准的思考

参考文献

第5章芯片设计基础

5．1芯片功能与组成

5．1．1计算与控制处理器

5．1．2半导体存储器

5．1．3半导体传感器

5．1．4数据转换器

5．1．5电源管理芯片

5．1．6功率半导体器件

5．1．7射频前端芯片

5．2芯片设计方法

5．2．1SoC设计方法

5．2．2半导体存储器设计

5．2．3半导体传感器的设计

5．2．4混合信号电路设计

5．2．5电源管理芯片的设计

5．2．6功率半导体器件的设计

5．3电子设计自动化(EDA)工具

5．3．1数字电路

5．3．2模拟电路

5．3．3半导体器件

参考文献

第6章车规级芯片功能安全设计

6．1车辆功能安全

6．1．1各主要国家的功能安全标准

6．1．2安全管理生命周期

6．1．3ASIL

6．1．4功能安全要求

6．1．5功能安全性和可靠性的区别与联系

6．2车规级芯片功能的安全分析

6．2．1芯片级功能安全分析方法

6．2．2数字芯片和存储器的功能安全

6．2．3模拟和混合芯片的功能安全

6．2．4可编程逻辑元素的功能安全

6．2．5传感器和换能器元素的功能安全

6．3车规级芯片功能安全设计

6．3．1功能安全设计案例

6．3．2基于软件的安全机制——STL

6．4车规级芯片软件安全设计

6．4．1软件安全设计的简介

6．4．2AUTOSAR简介

6．4．3软件体系结构功能安全设计

6．4．4软件功能安全测试

6．4．5符合功能安全标准的软件开发流程

参考文献

第7章芯片可靠性问题

7．1芯片可靠性问题简介

7．1．1可靠性问题的分类

7．1．2可靠性的经验、统计和物理模型

7．1．3加速老化实验与可靠性模型

7．2缺陷的特征

7．2．1晶体里的缺陷

7．2．2无定形态固体里的缺陷

7．2．3边界的缺陷

7．3晶圆级可靠性问题

7．3．1负偏置温度不稳定性理论

7．3．2栅极电介质击穿

7．3．3热载流子注入退化

7．3．4电迁移

7．4封装端的可靠性问题

7．4．1芯片焊接的可靠性

7．4．2引线键合的可靠性

7．4．3热应力引起的可靠性问题

7．4．4湿气引起的可靠性问题

参考文献

第8章车规级芯片可靠性设计

8．1设计、布局、制造和可靠性之间的交互

8．1．1颗粒污染造成的缺陷

8．1．2光刻

8．1．3化学机械抛光

8．1．4STI应力和阱邻近效应

8．1．5晶体管老化

8．1．6外在可靠性故障

8．2针对高良率和可靠性设计准则

8．2．1利于光刻的版图设计

8．2．2模拟区域的设计和版图

8．3晶圆制造前道工序的版图设计指南

8．3．1扩散区域版图设计指南

8．3．2多晶硅版图设计指南 

8．3．3扩散区接触孔的版图设计指南 

8．3．4多晶硅接触孔版图设计指南

8．4晶圆制造后道工序的详细版图设计指南

8．4．1金属连线版图设计

8．4．2通孔版图设计

8．4．3填充密度和冗余填充结构

参考文献

第9章车规级芯片工艺与制造

9．1芯片制造

9．1．1CMOS芯片的制造工艺

9．1．2功率半导体芯片的制造工艺

9．1．3MEMS传感器芯片制造工艺

9．2芯片封装

9．2．1CMOS封装

9．2．2功率半导体封装

9．2．3传感器芯片封装

参考文献

第10章车规级芯片的可靠性生产管理

10．1基本介绍

10．2质量管控工具

10．2．1产品质量先期策划

10．2．2失效模式和效果分析

10．2．3测量系统分析

10．2．4统计过程控制

10．2．5生产批准程序

10．3车规生产特殊管控内容

10．3．1更严苛的监控

10．3．2优选或指定设备

10．3．3生产中的异常批次管理 

10．3．4安全量产投放

10．3．5客户投诉处理 

10．3．6质量体系和流程审核

参考文献

第11章车规级芯片与系统测试认证

11．1车规级芯片测试认证

11．1．1车规级芯片测试认证概述

11．1．2车规级芯片测试认证方法

11．2汽车电子模组测试认证

11．2．1汽车电子模组测试认证概述

11．2．2汽车电子模组测试方法

11．2．3整车测试流程

参考文献

附录缩写词

当前，以智能化、电动化为重要特征的“新四化”趋势给全球汽车产业带来了重大的变革，也使各类汽车芯片的需求量有不同程度的提高。芯片行业是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，我国是车规级芯片需求最大的市场，但绝大多数芯片需要依赖进口。车规级芯片对产品的可靠性、一致性、安全性、稳定性和长效性要求较高，随之带来行业的资金壁垒、技术壁垒、人才壁垒进一步提高，是我国“十四五”期间的重要发展方向和关注焦点之一。

本书是国内迄今为止相当全面、系统介绍车规级芯片产业发展、相关标准及设计技术的图书，也是首本从汽车行业和芯片行业两个视角对车规级芯片进行介绍的图书。本书首先从汽车电子的角度出发，介绍汽车电子与芯片、汽车电子可靠性要求、车规级芯片标准等； 然后聚焦于车规级芯片设计，内容涵盖芯片设计基础、车规级芯片功能安全设计、芯片可靠性问题、车规级芯片可靠性设计、车规级芯片工艺与制造、车规级芯片的可靠性生产管理、车规级芯片与系统测试认证等。

本书可作为高等学校集成电路、电子工程、汽车电子、电力电子等相关专业的研究生教材，也可作为汽车芯片相关领域工程技术人员的参考书。

本书凝结了多位行业大牛与学界精英的经验与智慧，深入介绍车规级芯片的发展历程、关键技术与发展趋势。除车规级芯片设计领域的最新成果外，还融入许多工业界案例，可以帮助读者了解工业界实用的解决方案，快速提升对汽车芯片的理解，掌握汽车芯片设计的关键技术。
本书作者阵容强大。姜克博士曾在华为技术有限公司魏尔海姆制造技术中心担任首席战略官，在英飞凌汽车业务集团担任VCT主管，累计在半导体行业有长达15年的跨文化企业管理经验，具备深厚的芯片技术积累与产业经验。吴华强教授系清华大学集成电路学院院长，黄晋系清华大学车辆与运载学院副研究员，具备将芯片技术的产学研深度融合的丰富研究与实践经验。