侯 青 蔡巧娟
西安芯派电子科技有限公司 陕西省西安市 710077
摘要：本文从新能源汽车使用功率器件的市场现状及发展前景，结合使用环境的特殊性，分析讲述了汽车级功率器件要具有更好的性能、更强的温度适应能力和抗干扰能力，就必须要从设计、选材、生产工艺、测试等方面进行考虑与严格控制，甚至对设备、人员、管理等也要有严格的要求，确保产品制造过程及每个环节都是稳定、可靠的，最终按汽车电子委员会制定的标准AEC-Q101的要求进行认证，成功通过测试后，便认为符合汽车使用要求，并可进入新能源汽车产业链。
关键词：新能源汽车 汽车级功率器件 AEC-Q101
0 引言
随着全球经济发展，汽车产销量的日益增长，随之而来的环境污染、燃油紧缺问题也日趋严重，目前全球的二氧化碳排放中25%来源于汽车，而这也成为我国城市大气污染的主要因素，而新能源汽车在能源来源、尾气排放等方面具有明显优势，因此发展新能源汽车已成为迫切需求，是汽车业发展、实现节能减排、可持续发展的必然战略措施。2012年国务院出台《节能与新能源汽车产业发展规划（2012―2020年）》，提出了新能源汽车行业具体的产业化目标：到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆。
在新能源汽车中，功率半导体大概占到半导体用量的50%，例如电动汽车控制系统、车载空调控制系统、逆变器和DC-DC转化器、充电桩等方面,产品类型包括二极管、硅基MOSFET、以及在Si基础上发展的IGBT、第三代半导体功率器件SiC、GaN等。随着需求的增长以及可观的市场前景，各个厂家大力发展汽车级产品，那么什么样的功率器件才能供给新能源汽车客户？和消费级、工业级产品又有什么区别呢？本文从设计、材料、生产工艺、测试及可靠性认证等方面来予以说明。
1 汽车级功率器件与消费级、工业级器件的区别及要求
汽车级功率器件和消费级、工业级产品主要的区别在于工作温度范围，一般消费级工作温度范围是0?C~70?C，工业级工作温度范围是-45?C~85?C，而汽车级是-40?C~125?C；其次汽车级功率器件比工业级要有着更好的性能、更强的温度适应能力和抗干扰能力；最后汽车级器件要有更加严格的质量管控、要求更高的稳定性、可靠性及更长的寿命。
生产汽车级功率器件的前提，是企业要通过IATF16949汽车行业管理体系审核，并严格按照要求进行生产过程管理，要有详细完整的数据和文件，确保器件的质量。
2 汽车级功率器件从设计到成品的要求
当决定要做汽车级功率器件时，那么上到研发设计、晶圆制造，下到封装工艺、质量检验、测试能力都需要进行考量与评估，甚至对于生产设备状态，操作人员能力也要予以考虑。
首先从设计与选材方面来讲，消费级器件设计寿命是3-5年，而汽车级器件的设计寿命是至少15年，那么相应的就需要选用更优质的产品架构及芯片源胞结构；器件生产过程中用到的主要材料有晶圆、引线框架、焊料或银胶，键合线以及塑封料，考虑到汽车级器件的高要求，就要选用更优质的材料、更先进可靠的封装工艺和技术流程。也有厂家是将表现好的工业级产品转产为汽车级产品，而前提是芯片技术成熟，工艺稳定，数据一致性、可靠性良好。
其次从生产工艺及测试方面来讲，其实功率器件的来料质量检查、生产流程、测试参数、方法都是一样的，生产流程都是Die Saw---Die attach—Wire bond--- Mold--- Trim&Form---Test, 但是由于汽车级器件要有更高的温度适应能力、产品一致性及可靠性等要求，而这些主要体现在制造过程的每道工序的质量管控及检验流程，例如Wire bond之后必须进行拉力剪力测试以及去掉wire观察打线位置是否存在异常，在监控制程能力的同时确保该工序的质量；在Mold和Trim工序之后进行C-SAM超声波扫描，观察芯片是否完好、塑封料内部是否存在空洞及分层，并100%目检，看是否存在漏铜、塑封体开裂、毛刺等外观异常情况。
以某工厂TO247封装的MOSFET汽车产品在Trim&Form工序后的C-SAM检查为例：
Die Attach
T-Post
从上图可看出，1#产品的芯片和塑封料之间存在少许分层，其它产品芯片表面、T-post都是正常的，这是不能通过的，那么就需要查找分析分层的原因并改善，避免后续认证失败或者在客户端失效的风险。经过调查与验证，确认为塑封料问题，评估并更换后再次进行C-SAM检查，结果正常。
更换塑封料后 Die Attach
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更换塑封料后 T-Post
所以在生产过程中进行加严检查对汽车级产品是非常有必要的，可以及时发现异常规避风险、节省成本，并提高产品的可靠性。
而生产设备尽量选用性能稳定、精度高的，并且前期通过评估，可以实现汽车级器件要求的；对于操作人员，根据不同工艺阶段都需要进行相关的培训及测试，通过考核即可上岗，但是每年都需要再进行培训并考核。
再次就是测试，功率器件测试都是按产品规格书参数要求为标准进行测试，工业级、汽车级可使用相同的测试设备，但是不同的是工业级器件为常温测试，测试完成后，对合格的产品进行包装并进入库房，而对于汽车级产品，除了要进行常温测试，还需要进行高温环境、低温环境下的电参数测试，确保产品在高低温情况下参数是符合要求的。
3 汽车级功率器件的认证要求
按照上面的要求生产出的成品就是汽车级产品了吗？答案是否定的。还需要按照汽车电子委员会制定的标准AEC-Q101的要求进行产品认证，如果成功通过所有测试项目，那么厂家可在产品规格书内标注“Automotive”，附认证报告，才可进入汽车供应链。
表1是以西安芯派某款MOSFET汽车级认证为例，所列的试验项目是所有功率器件认证都会进行的，其中有个别项目的试验条件是不同的，例如HTRB试验，汽车级产品一般要求加100%电压，试验周期比其它产品要长并且要求无失效，因为汽车级产品要求使用寿命至少为15年。
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表1 汽车级功率器件与其它产品认证相同的试验项目
表2是按AEC-Q101标准规定的，汽车级功率器件和其它产品比起来必须要进行的测试项目：
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表2 汽车级功率器件与其它产品认证不同的试验项目
汽车级功率器件和其它功率器件认证区别在参考标准不同、样品需求量大，测试项目多，试验条件严苛，认证及判定更为严格。
4 结论
本文通过对新能源汽车级功率器件市场需求及发展前景的分析，结合使用环境及特殊要求，从设计、材料、生产工艺、测试、认证等方面进行了分析。未来新能源汽车对功率器件需求量是较大的，但是进入供应链并占有市场份额是需要质量来决定的。所以不但要在选材、设计考虑优质、可靠的因素，在生产过程中要严格按照IATF16949体系管理，严格把控每个工序,确保工艺稳定、质量可靠，发现问题及时处理并分析改善；严格按照AEC-Q101要求进行产品认证测试，这样才可以成为合格的新能源汽车功率器件供应商。
参考文献
[1]《电子元器件可靠性试验工程》
罗雯/魏建中/阳辉等编 出版社：电子工业出版社
[2]《可靠性工程基础》
（美）Michael G.Pecht (美) Kailash C.Kapur 康锐 张叔农 编著
出版社：电子工业出版社
[3]《电子元器件可靠性技术教程》
付桂翠/陈颖/张素娟/高成/孙宇峰 编著 出版社：北京航空航天大学出版社