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汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南
發(fā)布時(shí)間: 2024-03-21 09:00:36 瀏覽數(shù):
《汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》技術(shù)解讀與功率芯片測量概覽
一．《汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》概覽
《指南》根據(jù)汽車芯片技術(shù)現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需要及未來發(fā)展趨勢，提出到2025年，制定30項(xiàng)以上汽車芯片重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，明確環(huán)境及可靠性、電磁兼容、功能安全及信息安全等基礎(chǔ)性要求，制定控制、計(jì)算、存儲、功率及通信芯片等重點(diǎn)產(chǎn)品與應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，形成整車及關(guān)鍵系統(tǒng)匹配試驗(yàn)方法，滿足汽車芯片產(chǎn)品安全、可靠應(yīng)用和試點(diǎn)示范的基本需要；到2030年，制定70項(xiàng)以上汽車芯片相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步完善基礎(chǔ)通用、產(chǎn)品與技術(shù)應(yīng)用及匹配試驗(yàn)的通用性要求，實(shí)現(xiàn)對于前瞻性、融合性汽車芯片技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)的有效支撐，基本完成對汽車芯片典型應(yīng)用場景及其試驗(yàn)方法的全覆蓋，滿足構(gòu)建安全、開放和可持續(xù)汽車芯片產(chǎn)業(yè)生態(tài)的需要。下圖是汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)體系框圖，其中包括了各個(gè)工作組職能。
圖：汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)體系框圖，摘錄自《指南》
二．汽車芯片類型與功能概述
產(chǎn)品與技術(shù)應(yīng)用類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在汽車上應(yīng)用的各類芯片所應(yīng)符合的技術(shù)要求及試驗(yàn)方法。此類標(biāo)準(zhǔn)涵蓋控制芯片、計(jì)算芯片、傳感芯片、通信芯片、存儲芯片、安全芯片、功率芯片、驅(qū)動(dòng)芯片、電源管理芯片和其他類芯片 10 個(gè)類別，如下示意圖：
• 控制芯片標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范汽車上各類控制器、動(dòng)力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)等控制芯片技術(shù)要求及試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)建設(shè)方向包括通用要求和動(dòng)力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)控制芯片等。
• 計(jì)算芯片標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范汽車用于人機(jī)交互、智能座艙、視覺融合處理、智能規(guī)劃、決策控制等領(lǐng)域執(zhí)行復(fù)雜邏輯運(yùn)算和 大量數(shù)據(jù)處理任務(wù)的芯片技術(shù)要求及試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)建設(shè)方向包括智能座艙和智能駕駛計(jì)算芯片等。
• 通信芯片標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范汽車用于內(nèi)部設(shè)備之間及汽車與外界其他設(shè)備進(jìn)行信息交互和處理的芯片技術(shù)要求及試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)建設(shè)方向包括車載無線通信和車內(nèi)通信芯片等。其中，將優(yōu)先制定蜂窩通信、直連通信、衛(wèi)星定位、藍(lán)牙、專用無線短距傳輸、WLAN、UWB、NFC、ETC等車載。
• 無線通信芯片：以及 LIN、CAN、以太網(wǎng)PHY、以太網(wǎng)交換機(jī)、中央網(wǎng)關(guān)、串行器和解串器、音視頻總線等車內(nèi)通信芯片相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
• 存儲芯片標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范汽車用于數(shù)據(jù)存儲的芯片技術(shù)要求及試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)建設(shè)方向包括易失性和非易失性存儲器芯片。其中，將優(yōu)先推進(jìn) DRAM、SRAM、NOR FLASH、NAND FLASH、EEPROM 等芯片標(biāo)準(zhǔn)制定。
• 安全芯片標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范汽車用于提供信息安全服務(wù)的芯片技術(shù)要求及試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)建設(shè)方向?yàn)槠嚢踩酒a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等。
• 功率芯片標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范汽車用于處理高電壓、大電流工況的芯片技術(shù)要求及試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)建設(shè)方向包括電動(dòng)汽車用 IGBT模塊、功率模塊、功率分立器件等。
• 驅(qū)動(dòng)芯片標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范汽車用于驅(qū)動(dòng)各系統(tǒng)主芯片、電路或部件進(jìn)行工作的芯片技術(shù)要求及試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)建設(shè)方向包括驅(qū)動(dòng)芯片、功率驅(qū)動(dòng)芯片、顯示驅(qū)動(dòng)芯片等。
• 電源管理芯片標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范汽車用于內(nèi)部電路電能轉(zhuǎn)換、配電、檢測、電源信號（電流、電壓）整形及處理的芯片技術(shù)要求及試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)建設(shè)方向包括電源管理芯片、模 擬前端芯片、數(shù)字隔離器芯片等。
• 其他類芯片標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范不屬于上述各類的汽車芯片技術(shù)要求及試驗(yàn)方法。一般為暫無明確分類的新技術(shù)、新產(chǎn)品。
三．汽車芯片測試面臨的挑戰(zhàn)
標(biāo)準(zhǔn)的建立，有助于幫助OEM，Tier 1 及測試機(jī)構(gòu)有統(tǒng)一的方案來驗(yàn)證整車及零部件的性能及可靠性測試。在實(shí)際測試過程中，汽車芯片測試面臨許多挑戰(zhàn)，特別是在當(dāng)前全球芯片短缺的背景下，包括：
復(fù)雜性：現(xiàn)代汽車芯片集成了許多功能，如處理器、傳感器、通信模塊等。測試這些復(fù)雜的集成電路需要高度專業(yè)的知識和技能。
可靠性：汽車芯片必須在極端條件下運(yùn)行，如高溫、低溫、濕度和振動(dòng)。因此，測試必須確保芯片在各種環(huán)境下都能可靠地工作。
安全性：汽車芯片的安全性至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兛刂浦S多關(guān)鍵系統(tǒng)，如制動(dòng)、駕駛輔助和通信。測試必須檢測潛在的安全漏洞和風(fēng)險(xiǎn)。
時(shí)間壓力：汽車制造商通常需要大量芯片，以滿足市場需求。測試必須在緊迫的時(shí)間表下完成，以確保芯片的及時(shí)交付。
成本：測試設(shè)備和人力資源的成本可能很高。汽車制造商需要在保持質(zhì)量的同時(shí)控制測試成本。
總之，汽車芯片測試需要高度專業(yè)的技術(shù)、嚴(yán)格的質(zhì)量控制和靈活的方法，以應(yīng)對不斷變化的需求和挑戰(zhàn)。
四．功率芯片測試概覽
功率芯片是專門設(shè)計(jì)用來管理和調(diào)節(jié)高電壓和大電流的半導(dǎo)體設(shè)備，它們能夠在電力轉(zhuǎn)換、能源管理和動(dòng)力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效率和高性能的要求。在新能源汽車中，功率芯片用于電池管理系統(tǒng)（BMS）、逆變器、充電設(shè)備和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器等關(guān)鍵部件，確保電能有效轉(zhuǎn)換和傳輸，提升車輛的行駛里程和性能；而汽車智能化對功率芯片的需求則主要體現(xiàn)在其高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、車載信息娛樂系統(tǒng)、車載網(wǎng)絡(luò)以及自動(dòng)駕駛技術(shù)中，這些系統(tǒng)需要功率芯片提供穩(wěn)定、可靠的電力支持，以保證數(shù)據(jù)處理和通信的高效率。
功率芯片正在向更高的功率密度、更低的能耗、更高的可靠性和更長的壽命方向發(fā)展。采用先進(jìn)材料（如碳化硅SiC和氮化鎵GaN）的功率芯片，因其在高溫、高壓和高頻條件下的卓越性能，正成為新能源和智能汽車領(lǐng)域的首選。而隨著SiC/GaN技術(shù)的普及，怎么選擇更適合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的功率器件，如何分析功率器件的不良原因等都是新能源行業(yè)從業(yè)者最為關(guān)心的問題，對功率芯片的測試，主要涉及包括功率器件建模，功率器件電路仿真，功率器件靜態(tài)參數(shù)測試，功率器件動(dòng)態(tài)參數(shù)測試等，下面分別做一個(gè)介紹：
1.功率器件建模
現(xiàn)在大多數(shù)功率器件都是基于Level 3 MOS管的模型，加上許多非線性方程式結(jié)合而成。這需要對功率器件及建模有充分的認(rèn)識才能實(shí)現(xiàn)。實(shí)際建模的過程，可以基于PD1000A測量到的靜動(dòng)態(tài)參數(shù)，S參數(shù)直接進(jìn)行建模，自動(dòng)產(chǎn)生對應(yīng)的模型。
2.功率器件電路仿真
功率器件的電路仿真可以基于ADS仿真平臺，在這平臺上直接進(jìn)行前仿真(pre-layout simulation)及后仿真(post-layout simulation)。在前仿的部分可直接使用PEMG抽取的模型參數(shù)，搭配內(nèi)建的行為級模型，例如PWM產(chǎn)生器、運(yùn)算放大器(OPAMP)、非線性磁性元件，建立關(guān)鍵電路原理圖。接著在同一平臺上，可以直接進(jìn)行版圖的設(shè)計(jì)，并抽取版圖的寄生電路，直接導(dǎo)回原理圖仿真，完成后仿真。在這整合的設(shè)計(jì)環(huán)境下，使用者可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化仿真，使用仿真精確的預(yù)估電路的特性，一次完成最終設(shè)計(jì)，就能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。另外，ADS仿真平臺還提供一鍵生成EMI測試電路，使用者可以在ADS上完成EMI的仿真，優(yōu)化EMI的設(shè)計(jì)，以符合EMC的指標(biāo)。
3.功率器件靜態(tài)參數(shù)測試
靜態(tài)參數(shù)主要是指本身固有的，與其工作條件無關(guān)的相關(guān)參數(shù)，主要包括：門極開啟電壓、門極擊穿電壓，集電極發(fā)射極間耐壓、集電極發(fā)射極間漏電流、寄生電容（輸入電容、轉(zhuǎn)移電容、輸出電容），以及以上參數(shù)的相關(guān)特性曲線的測試。
碳化硅 (SiC)和氮化鎵 (GaN)等全新寬帶隙材料能夠支持大電壓和高切換速度。在高電壓直流偏置條件下 (高達(dá) 3 kV)，高擊穿電壓 (達(dá) 10 kV)、大電流 (數(shù)千安培)、柵極電荷以及連接電容表征和器件溫度特征和 GaN器件電流崩潰效應(yīng)測量功能十分必要，是推動(dòng)新器件盡快上市的重要保證，靜態(tài)參數(shù)測試的器件類型和項(xiàng)目主要包括：
以上靜態(tài)參數(shù)測試，可以用B1505A和B1506A兩套方案來完成。其中B1506A支持寬泛的電流和電壓工作范圍（1500 A，3 kV），并且支持全自動(dòng)測試，可以完成功率器件IV、CV和Qg全參數(shù)測試，最終輸出產(chǎn)品Datasheet報(bào)告。
圖：B1506A功率器件分析儀/曲線追蹤儀
一個(gè)典型的Datasheet測試報(bào)告如下所示，包括IV參數(shù)（擊穿電壓、漏電、開啟特性），CV參數(shù)（Rg、輸入、輸出和反向傳輸電容）和柵極電荷Qg。
4.功率器件動(dòng)態(tài)參數(shù)測試
隨著開關(guān)頻率的不斷增加，功率器件/芯片的開關(guān)損耗超過靜態(tài)損耗成為主要功耗來源，動(dòng)態(tài)參數(shù)也成為評估器件性能的重要參數(shù)。相對于器件的靜態(tài)參數(shù)，動(dòng)態(tài)參數(shù)主要表征的是器件在開啟或關(guān)斷瞬間的電學(xué)特性參數(shù)，其主要是寄生電阻和寄生電容在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，會(huì)引起充、放電過程，給電路實(shí)際工作帶來一些限制同時(shí)也決定的器件的開關(guān)性能。
JEDEC委員會(huì)致力于WBG（寬禁帶）器件特性測試標(biāo)準(zhǔn)化，DPT（雙脈沖測試）技術(shù)已經(jīng)成為確定功率半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，主要測試參數(shù)包括：
| 測試項(xiàng)目 | 參數(shù) & 測試描述 & 測試標(biāo)準(zhǔn) |
| 開啟特性 |
參數(shù)：td(on), tr, ton, e(on),dv/dt, di/dt |
| 測試描述：表征器件的開啟速度，最大的dv/dt和 di/dt，已經(jīng)對應(yīng)的損耗，這些參數(shù)用來表征器件的開啟損耗 | |
| 測試標(biāo)準(zhǔn)： FET – IEC 60747-9 IGBT - 60747-8 |
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| 關(guān)斷特性 |
參數(shù)：td(off), tf, toff, e(off),dv/dt, di/dt |
| 測試描述：表征器件的關(guān)斷速度，最大的dv/dt和 di/dt，以及對應(yīng)的損耗，這些參數(shù)用來表征器件的關(guān)斷損耗 | |
| 測試標(biāo)準(zhǔn)： FET – IEC 60747-9 IGBT - 60747-8 |
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| 開關(guān)特性 |
參數(shù)：Id vs t, Vds, vs t,Vgs vs t, Ig vs t ,e vs t, Id vs Vds |
| 測試描述： 時(shí)間相關(guān)的參數(shù)（Id，Vds，Vgs，Ig，鉗位Vds，e）為示波器直接測試出的波形；Id vs Vds 通過示波器波形分析出 |
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| 反向恢復(fù) |
參數(shù)：trr, Qrr, Err, Irr,Id vs. t |
| 測試描述：表征器件本體二極管的反向恢復(fù)特性，同時(shí)提供額外的時(shí)間信息來表征器件開和關(guān)的切換時(shí)間有多快 | |
| 測試標(biāo)準(zhǔn)： IEC 60747-8 |
| 柵極驅(qū)動(dòng) |
參數(shù)：Vg vs. Qg,(Qgs(th), Qgs(pl), Qgd) |
| 測試描述：通過雙脈沖測試測量驅(qū)動(dòng)電壓和電流，在不同的驅(qū)動(dòng)電壓下測量驅(qū)動(dòng)電荷，這些參數(shù)用來表征器件的驅(qū)動(dòng)損耗。 | |
| 測試標(biāo)準(zhǔn)： IEC 60747-8 IEC 60474-9 |
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| 輸出特性 |
參數(shù)：Id vs. Vg, Id vs. Vd |
| 測試描述：提供功率器件的基本轉(zhuǎn)換特性曲線。 |
對功率器件/芯片的DPT測試，主要采用PD1500A；而對于需要更高功率的模組，則可以采用PD1550A，如下圖：
圖：PD1500A動(dòng)態(tài)功率器件分析儀/雙脈沖測試儀，用于功率芯片測試
圖：PD1550A動(dòng)態(tài)功率器件分析儀/雙脈沖測試儀，用于功率芯片與模組測試