漫谈车规MCU之何为车规？

2.8 Bonding与封装

1. 焊线键合（Wire Bonding）：这是最常见的芯片bonding技术。它使用金属线（通常是金或铝）将芯片的引脚与封装基板上的焊盘连接起来。焊线键合可以分为球形焊线键合（Ball Bonding）和楔形焊线键合（Wedge Bonding）两种。

2. 无线键合（Wireless Bonding）：与焊线键合不同，无线键合使用无线连接器（Wireless Interconnects）将芯片的引脚与封装基板上的焊盘连接起来。无线键合通常使用微弹簧或弹性接触器来实现。

3. 直接焊接（Flip Chip Bonding）：这种bonding技术将芯片的引脚直接与封装基板上的焊盘相连接。芯片被翻转放置，使其引脚与焊盘对齐，并使用焊料将其连接起来。直接焊接可以提供更短的信号路径和更好的电气性能。

4. 涂覆键合（Underfill Bonding）：这是一种在焊线键合或直接焊接后使用的补充技术。涂覆键合使用特殊的填充材料（通常是环氧树脂）填充芯片和封装基板之间的空隙，以提供额外的机械支撑和保护。

1. 保护芯片：封装可以提供物理保护，防止芯片受到机械损伤、湿气、灰尘等外部环境的影响。

2. 引脚连接：封装提供了芯片引脚与外部电路的连接接口，使芯片能够与其他器件和系统进行通信和交互。

3. 散热：封装通常包含散热结构，可以有效地散发芯片产生的热量，保持芯片的温度在安全范围内。

4. 尺寸调整：封装可以根据芯片的尺寸和要求进行调整，使芯片适应不同的应用场景和设备。
5. 标识和标签：封装可以在外部标注芯片的型号、序列号和其他重要信息，方便识别和管理。
   常见的芯片封装类型包括：
   1. DIP封装（Dual Inline Package）：双列直插封装，引脚通过两行排列在封装底部，适用于插入式安装。
   2. QFP封装（Quad Flat Package）：四边平封装，引脚通过四个边缘排列，适用于表面贴装安装。
   3. BGA封装（Ball Grid Array）：球栅阵列封装，引脚通过底部的球形焊球排列，适用于高密度连接和散热要求较高的芯片。
   4. CSP封装（Chip Scale Package）：芯片尺寸封装，封装尺寸与芯片尺寸相近，适用于小型化和高集成度的芯片。
   5. LGA封装（Land Grid Array）：焊盘阵列封装，引脚通过底部的焊盘排列，适用于高密度连接和散热要求较高的芯片。
   
   不同的芯片封装类型适用于不同的应用场景和需求，选择适合的封装类型对于芯片的性能、可靠性和生产成本都有重要影响。

   2.9 FT测试与老化测试(Burn-In)

   芯片的FT测试（Final Test）是在芯片制造完成后的最后阶段进行的测试，通常由ATE设备完成，用于验证芯片的电气特性和功能是否符合设计规格和要求。FT测试通常包括以下几个方面：

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   1. 电气特性测试：通过向芯片引脚发送测试信号，并读取响应信号，来检测芯片的电气特性，如电压、电流、频率等。
   2. 功能测试：通过向芯片发送不同的输入信号，检测芯片的各个功能模块是否正常工作，如逻辑门、存储器、模拟电路等。
   3. 时序测试：测试芯片的时序特性，如时钟频率、信号传输延迟等，以确保芯片在正常工作频率下能够正确运行。
   4. 温度测试：在不同温度条件下测试芯片的性能和可靠性，以评估芯片在各种工作环境下的表现。
   5. 可靠性测试：测试芯片在长时间持续工作或特定工作条件下的可靠性，如温度循环测试、湿热循环测试等。
   根据著名的硅基半导体器件使用生命周期的失效率的浴盆曲线，老化测试（Burn-In）是对芯片进行一定时间的高温和高负载运行，以模拟芯片在实际使用中的工作环境，以提前筛选出潜在的故障和可靠性问题。老化测试可以帮助排除芯片制造过程中的缺陷和问题，提高芯片的可靠性和寿命。
   
   老化测试通常包括以下几个步骤：
   1. 加热：将芯片放置在高温环境中，通常温度范围为80℃至125℃，持续时间通常为几十小时至几百小时。
   2. 负载运行：在高温环境下，给芯片施加高负载，使其在高温和高压力下工作，以加速潜在故障的发生。
   3. 测试：在老化过程中，定期对芯片进行测试，检测是否出现故障或性能下降。
   4. 故障分析：如果出现故障或性能下降，进行故障分析，找出问题的原因，并进行修复或淘汰。
   老化测试对于芯片的可靠性评估和质量控制起着重要作用，可以提前发现潜在的故障和可靠性问题，降低芯片在实际使用中的故障率。
   对于车规芯片，特别是车规MCU芯片来说，要保证其10~15年的使用寿命，Burn-In老化测试是必须要做的。

   2.10 AEC-Q100可靠性测试

   AEC-Q100是由汽车电子委员会（Automotive Electronics Council）制定的一项可靠性测试标准，用于评估和验证汽车电子芯片的可靠性和适应性。这项标准包括了多个测试项目和要求，以确保芯片在汽车环境中的长期可靠性和稳定性。
   AEC-Q100可靠性测试通常包括以下几个方面：
   1. 温度循环测试（Temperature Cycling）：将芯片在高温和低温之间循环变化，以模拟汽车在不同气候条件下的工作环境。测试过程中，芯片需要在不同温度下进行正常工作，并检测是否出现性能下降或故障。
   2. 湿热循环测试（Humidity Testing）：将芯片暴露在高温和高湿度的环境中，以模拟汽车在潮湿和高温环境下的工作条件。测试过程中，芯片需要在高湿度环境下进行正常工作，并检测是否出现性能下降或故障。
   3. 静电放电测试（Electrostatic Discharge Testing）：通过向芯片施加静电放电，模拟人体静电放电对芯片的影响。测试过程中，芯片需要能够承受一定程度的静电放电，并不出现性能下降或故障。
   4. 电压波动测试（Voltage Variation Testing）：在芯片正常工作的电压范围内，模拟电源电压的波动和变化。测试过程中，芯片需要能够正常工作，并不出现性能下降或故障。
   5. 机械冲击和振动测试（Mechanical Shock and Vibration Testing）：通过施加机械冲击和振动，模拟汽车在不同道路条件下的工作环境。测试过程中，芯片需要能够承受一定程度的冲击和振动，并不出现性能下降或故障。
   6. 可靠性评估和故障分析：对于经过上述测试的芯片，进行可靠性评估和故障分析，找出潜在的问题和故障原因，并进行修复或淘汰。
   AEC-Q100可靠性测试对于汽车芯片的可靠性评估和质量控制起着重要作用，确保芯片在汽车环境中的长期可靠性和稳定性，提高汽车电子系统的性能和安全性。

   2.11 小批量出货(SOP)

   小批量出货（Small Volume Production）指的是以小规模的数量进行芯片生产和出货。相对于大规模生产，小批量出货通常适用于市场需求较小或新产品的初期阶段。小批量出货可以帮助厂商在产品开发和市场验证阶段进行测试和调整，同时降低库存风险和成本。
   在芯片的小批量出货过程中，厂商会根据客户的需求和订单量，进行相应的生产和组装。这包括芯片的制造、封装、测试和质量控制等环节。小批量出货的周期通常较短，可以更快地满足客户的需求。
   需要注意的是，小批量出货相对于大规模生产来说，成本较高。这是因为在小批量生产中，生产设备的利用率较低，而且没有大规模生产的经济规模效应。因此，小批量出货的价格可能会较高，但可以提供更灵活和定制化的服务。
   芯片的小批量出货是指以较小规模的数量进行芯片生产和出货，适用于市场需求较小或新产品的初期阶段。这可以帮助厂商进行产品测试和调整，同时降低库存风险和成本。

   2.12 量产

   芯片量产是指在经过开发、验证和小批量生产后，将芯片进行大规模生产和出货的过程。量产阶段是将芯片从实验室和小规模生产转变为商业化产品的重要阶段。
   在芯片量产之前，通常需要进行以下几个步骤：
   1. 设计验证和测试：在小批量生产之前，需要对芯片的设计进行验证和测试，确保其功能和性能符合要求。这包括电气测试、功能测试、时序测试等。
   2. 工艺开发和优化：在量产之前，需要对芯片的制造工艺进行开发和优化，以确保生产过程的稳定性和可靠性。这包括制造流程的优化、工艺参数的调整等。
   3. 设备采购和准备：量产需要大量的生产设备和工具，包括芯片制造设备、封装设备、测试设备等。在量产之前，需要进行设备的采购和准备工作。
   4. 生产规划和调度：在量产之前，需要进行生产规划和调度，包括生产线的布局、生产工艺的流程设计、生产资源的分配等。这有助于确保生产过程的高效性和稳定性。
   5. 质量控制和测试：在量产过程中，需要进行质量控制和测试，以确保芯片的品质符合要求。这包括过程控制、出货检测、可靠性测试等。
   一旦以上步骤完成，芯片就可以进入量产阶段。在量产过程中，芯片将按照客户的需求进行大规模生产和出货。这包括芯片的制造、封装、测试、质量控制等环节。量产的周期通常较长，可以满足市场的大规模需求。
   芯片量产是将芯片从小规模生产转变为大规模生产和出货的过程。在量产之前，需要进行设计验证、工艺开发、设备准备、生产规划和质量控制等工作。量产阶段将按照客户需求进行大规模生产和出货。

   2.13 售后质量分析(FA)

   芯片的售后质量分析（Failure Analysis，简称FA）是一种通过对故障芯片进行分析和调查，以确定故障原因并提供解决方案的过程。FA通常在芯片出现故障后进行，旨在帮助厂商和客户解决芯片质量问题，并改进产品设计和制造过程。
   在进行FA之前，通常需要进行以下几个步骤：
   1. 故障检测和定位：首先需要对故障芯片进行检测和定位，以确定故障的具体位置和范围。这可以通过电气测试、物理分析和故障模式分析等方法来实现。
   2. 故障分析和调查：一旦确定了故障的位置和范围，就需要进行故障分析和调查，以确定故障的原因。这包括物理分析、化学分析、电路分析等方法，可以通过显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能谱分析仪（EDS）等仪器来支持分析。
   3. 数据分析和统计：在进行故障分析和调查时，还需要对相关数据进行分析和统计，以确定故障的频率、分布和影响范围。这有助于了解故障的根本原因和潜在问题。
   4. 解决方案提供：根据故障分析和调查的结果，可以提供相应的解决方案。这可能包括产品设计的改进、制造工艺的优化、测试方法的改进等。解决方案的目标是避免类似故障的再次发生，并提高产品的可靠性和质量。
   芯片的售后质量分析是通过对故障芯片进行分析和调查，以确定故障原因并提供解决方案的过程。这包括故障检测和定位、故障分析和调查、数据分析和统计、解决方案提供等步骤。FA的目标是解决芯片质量问题，并改进产品设计和制造过程。
   对于车规MCU芯片，每次FA，整车厂和Tier-1客户都要求提供完整详细8D报告，一点都不能马虎！

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   2.14 DFT与DFM

   DFT（Design for Testability）和DFM（Design for Manufacturing）是芯片设计中两个重要的概念，它们旨在提高芯片的测试性和制造性。
   DFT（Design for Testability）是指在芯片设计阶段考虑测试的可行性和效率。DFT的目标是设计出易于测试和故障定位的芯片，以提高测试的覆盖率和效率，减少测试成本和时间。在DFT中，设计工程师会采用一些特殊的设计技术和结构，如扫描链（Scan Chain）、边界扫描（Boundary Scan）、故障模式注入（Fault Model Injection）等，以方便测试人员对芯片进行测试和故障定位。
   DFM（Design for Manufacturing）是指在芯片设计阶段考虑制造的可行性和效率。DFM的目标是设计出易于制造和生产的芯片，以提高生产效率和降低制造成本。在DFM中，设计工程师会考虑到制造过程中的一些限制和要求，如工艺容差、布局规则、材料选择等，以确保芯片的可制造性和可靠性。此外，DFM还包括对设计规则、设计布局和材料选择等方面的优化，以减少制造过程中的缺陷和不良。
   DFT和DFM是芯片设计中的两个重要概念，尤其是对于车规MCU这样的高复杂度和高集成度芯片设计。DFT旨在提高芯片的测试性能和效率，减少测试成本和时间；DFM旨在提高芯片的制造性能和效率，降低制造成本。通过考虑DFT和DFM，设计工程师可以设计出更易于测试和制造的芯片，提高产品的质量和竞争力。

   3. 车规MCU芯片的软件开发生态

   3.1 汽车软件开发流程--ASPICE与CMMI

   CMMI是“能力成熟度模型集成”（Capability Maturity Model Integration）的缩写，是一种用于评估和改进组织的软件和系统工程能力的模型。CMMI最初由美国国防部软件工程研究所（SEI）开发，旨在帮助组织提高其软件开发和工程管理的能力，并提供一种评估和改进的框架。
   
   CMMI模型包括五个不同的成熟度级别，从初始级别（Level 1）到优化级别（Level 5）。每个级别代表了组织在软件和系统工程能力方面的不同水平和成熟度。通过使用CMMI模型，组织可以评估其当前的能力水平，并采取适当的措施来改进和提高其工程过程和实践。
   
   CMMI模型涵盖了各个方面的软件和系统工程能力，包括需求管理、项目管理、配置管理、过程管理、度量和分析等。它提供了一套标准的最佳实践，帮助组织建立可重复和可持续的工程过程，并提供了一种评估和改进的方法，以确保组织能够按时、按质地交付高质量的软件和系统。
   ASPICE是“汽车软件过程改进与能力确定”（Automotive SPICE）的缩写，是一种用于评估和改进汽车软件开发过程的国际标准。ASPICE旨在提供一种评估和改进汽车软件开发过程的框架，以确保高质量和可靠性的汽车软件。
   ASPICE是由国际汽车工程师协会（INCOSE）和国际汽车制造商协会（AIAG）共同开发的，它基于CMMI（能力成熟度模型集成）和ISO 15504（过程能力评估）的概念，专门针对汽车行业的软件开发进行了定制。
   
   ASPICE模型包括六个不同的能力级别，从Level 0到Level 5。每个级别代表了软件开发过程的不同成熟度和能力水平。通过使用ASPICE模型，汽车制造商和供应商可以评估其当前的软件开发过程，并采取相应的措施来改进和提高其能力。
   
   ASPICE模型涵盖了软件开发过程的各个方面，包括需求管理、软件架构、软件测试、配置管理、问题解决等。它提供了一套标准的最佳实践，帮助组织建立可重复和可持续的软件开发过程，并提供了一种评估和改进的方法，以确保汽车软件的高质量和安全性。

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   3.2 汽车开放系统架构--AUTOSAR MCAL

   AUTOSAR是“汽车开放系统架构”（Automotive Open System Architecture）的缩写，是一种用于汽车电子系统开发的标准化架构。AUTOSAR旨在提供一种统一的方法和规范，使汽车制造商和供应商能够更加高效地开发和集成电子控制单元（ECU）。
   AUTOSAR的目标是实现汽车电子系统的模块化、可重用性和互操作性。它定义了一套标准化的软件组件、通信协议、接口和架构，以支持不同供应商的软件和硬件的集成。通过采用AUTOSAR，汽车制造商可以更容易地组装和配置各种ECU，同时减少开发时间和成本。
   
   AUTOSAR架构包括三个主要层次：应用层(ASW)、运行时环境层(RTE)和基础软件层（BSW）。应用层定义了汽车功能和应用软件的规范，运行时环境层提供了运行和管理应用软件的基础设施，基础软件层提供了与硬件和底层操作系统的接口。
   
   通过采用AUTOSAR，汽车制造商可以实现软件的模块化和可重用性，提高开发效率和质量，并支持更快速的创新和功能扩展。此外，AUTOSAR还为汽车行业提供了一种开放的标准化平台，促进了供应商之间的合作和互操作性。
   AUTOSAR BSW中的微控制器抽象层(MCAL)通常由车规MCU芯片公司提供，以作为MCU的外设的底层驱动使用：

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   3.3 软件开发工具链(Toolchain)

   MCU（Microcontroller Unit）软件开发工具链是用于开发嵌入式系统的一系列工具和软件。它包括以下几个主要组成部分：

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   1. 集成开发环境（IDE）：IDE是开发嵌入式系统的核心工具，提供了代码编辑、编译、调试和部署等功能。常见的MCU软件开发IDE包括Keil MDK、IAR Embedded Workbench、Eclipse等。
   2. 编译器：编译器将高级语言（如C、C++）编写的代码转换为机器语言，以便在MCU上执行。常见的MCU编译器有ARM GCC、Keil C Compiler、IAR C/C++ Compiler等。
   3. 调试器/仿真器：调试器/仿真器用于连接MCU并进行调试和仿真操作。它提供了断点调试、变量监视、寄存器查看等功能，帮助开发人员定位和解决问题。常见的MCU调试器/仿真器有J-Link、ST-Link、Segger等。
   4. 代码生成工具：代码生成工具是一种可以自动生成部分代码的工具，可以提高开发效率。例如，CubeMX是STMicroelectronics提供的一个代码生成工具，可以自动生成初始化代码和驱动程序。
   5. 静态分析工具：静态分析工具用于检查代码质量和发现潜在的问题，如代码规范违规、内存泄漏、未初始化变量等。常见的MCU静态分析工具有Lint、Coverity等。
   6. 特定MCU的软件库和驱动程序：MCU厂商通常提供特定MCU的软件库和驱动程序，用于简化开发过程。这些库和驱动程序提供了各种功能，如GPIO控制、定时器、串口通信等。
   以上是MCU软件开发工具链的一些主要组成部分，不同的开发项目和需求可能会有所不同。开发人员可以根据自己的需求选择适合的工具和软件，以提高开发效率和质量。

   3.4 各种中间件软件(Middleware)

   针对汽车电子ECU和域控制器的应用软件开发，除了上面提到的SDK/AUTSOAR MCAL底层驱动软件，车规MCU厂家需要给整车厂和Tier-1客户提供各种中间件软件(Middleware)，包括但不限于：
   • D-Flash模拟EEPROM软件
   • 信息安全固件(HSM Firmware)和安全启动(Secure Boot)
   • 基于LIN/CAN(FD)/FlexRay车载通信总线的传输层协议(TP)/统一诊断服务(UDS)/参数标定协议(XCP) stack
   • 基于车载总线的应用软件升级(bootlodaer/FOTA)
   • 基于车载以太网通信的时间敏感网络(TSN)、DoIP诊断协议栈、面向服务架构(SOA)
   • 多核通信和同步(IPC)软件
   • 电机控制库和参数标定软件
   当然，这其中很多中间件软件也可以通过与第三方合作伙伴(3rd Partner)建立软件生态的方式提供。比如NXP的软件生态合作伙伴如下：
   

   总结

   本文只是抛砖引玉地概述了车规芯片的行业标准和为了保证可靠性和质量所需的设计、研发、生产制造、封装测试、应用软件开发生态、售后失效分析各个环节的要求。后续我的《漫谈车规MCU》系列公众号文章将针对本文提到的每个车规芯片相关topic具体展开介绍更多细节，希望对大家和中国车规芯片的发展有所帮助。
   Enwei Hu(胡恩伟)
   2023年8月17日于山城·重庆