汽车应用中采用先进半导体制程节点的挑战和解决方案
引言
汽车行业正经历由三大趋势驱动的显著转变：电气化、智能化和连接性。这些变化需要越来越复杂的半导体解决方案，能够在严苛的汽车环境中可靠运行。本文探讨了在汽车应用中实施先进半导体制程节点的挑战和解决方案，重点关注可靠性、功能安全和设计考虑因素。汽车技术的演进
现代汽车领域已从过去简单的机械车辆发生了显著变化。如今的车辆集成了先进电子技术，从动力总成控制到自动驾驶功能。这种演进由三个主要趋势推动。首先，车辆通过先进驾驶辅助系统变得更安全，这些系统利用摄像头、雷达和激光雷达等传感器，由复杂的逻辑处理器提供动力。其次，对更环保车辆的追求加速了电气化进程，需要先进的电源管理、电池系统和高效执行机构。第三，更智能的车辆通过射频技术、先进逻辑和高性能计算，提供增强的连接性和车内体验。图1：展示未来车辆的三大趋势及采用分区架构的软件定义车辆示意图。
软件定义车辆(SDV)概念已成为整合这些趋势的框架。SDV具有集中式计算架构，连接到管理不同车辆区域的分区控制器，所有这些通过高速通信网络（如汽车以太网）连接。这种架构转变使空中更新和车辆功能的更大灵活性成为可能，从传统的硬连线方法转向更适应性强的软件中心模式。AI改变汽车体验
人工智能正在显著重塑汽车体验，实现曾经只存在于科幻中的能力。从高速公路辅助系统到机器人出租车服务和车内聊天机器人助手，人工智能是创建更自主和交互式车辆的核心。这些应用需要专门的硬件加速器和神经处理单元集成到车辆的计算架构中。图2：展示车辆中AI应用的发展过程和计算架构从域控制器到中央计算机和Chiplet的演进。
这种转变需要强大的计算能力。如演示中所示，从基本的L1/L2 ADAS功能到L4/L5自动驾驶能力的发展需要计算能力提高1000倍。这种指数级增长推动了先进制程节点在汽车应用中的快速采用。当前在16纳米制程节点的汽车实现无法提供先进自动驾驶和车内生成式AI应用所需的性能和效率。图3：描述了不同自动驾驶级别和制程节点下所需计算能力的指数级增长。全面的汽车技术
为支持这些进步，台积电等半导体制造商正在开发专为汽车应用设计的全面技术组合。这包括从N7A到N3AE的先进逻辑制程，为汽车使用场景优化并增强可靠性特性。射频技术正专门用于车辆到万物(V2X)通信，实现互联车辆。能够在具有挑战性的光照条件下提供高动态范围的图像传感器对ADAS系统至为重要。利用BCD和GaN的电源管理技术提高了电动车系统的效率。包括嵌入式闪存、MRAM和RRAM的存储解决方案为关键车辆功能提供快速、可靠的操作。图4：展示了映射到现代车辆架构中的全面汽车半导体技术视图。
这些技术必须专门适应汽车应用，后者在可靠性、工作条件和寿命方面有比消费电子更高的要求。汽车环境带来扩展温度范围、机械振动和十年以上工作寿命要求等挑战，消费级半导体无法可靠满足这些要求。汽车专用制程节点
标准消费级半导体制程如果没有显著调整，无法满足汽车要求。这导致了汽车专用制程变体的开发。这些专门节点包含专为满足汽车质量标准而定制的设计规则、制造控制和可靠性增强功能。图5：展示了汽车专用逻辑制程的全面组合，显示了消费级和汽车级变体之间的关系。
汽车制程经过更严格的标准认证。比起消费电子产品通常在85°C温度下运行，缺陷率为1000ppm，寿命10年，汽车级半导体必须在125°C温度下可靠运行，缺陷率低于1ppm，至少持续3年。它们经过严格的AEC-Q100集成电路认证测试，验证在汽车条件下的可靠性。此外，它们必须包含支持ISO26262功能安全合规的功能，确保系统以可预测、安全的方式失效。
汽车设计赋能平台(ADEP)提供全面资源，包括专用设计工具、可靠性模型和制造服务，确保满足汽车质量标准。该平台涵盖从制程技术认证到专用设计流程、制造服务和专为汽车应用设计的IP生态系统的所有内容。图6：展示了汽车设计赋能平台的组件，包括技术、设计流程、制造和IP生态系统元素。汽车质量与可靠性
汽车应用中可靠性的重要性不言而喻。电子故障导致的重大汽车召回历史案例曾造成人员伤亡、大规模召回和数十亿美元罚款。演示中突出了丰田意外加速事件和通用汽车点火开关缺陷等案例，作为车辆电子故障后果的严肃提醒。图7：提供了重大汽车可靠性故障及其后果的案例。
汽车半导体的可靠性工程遵循浴缸曲线模型，描述产品寿命周期内的故障率。早期阶段（即婴儿期死亡率）的特点是由外在缺陷和制造变异导致的相对高故障率。有用寿命期间以恒定、随机的故障显著降低。在最终的磨损阶段，内在可靠性机制随着器件接近寿命终点导致故障率增加。图8：说明了故障率的浴缸曲线和每个阶段相应的解决方案。
针对浴缸曲线每个阶段的可靠性挑战采用不同策略。对于早期生命可靠性，使用高压/高温(HV/HT)筛选、早期生命故障率(ELFR)测试和可测试性设计(DFT)方法。这些技术有助于在缺陷组件到达车辆前识别它们。筛选过程施加超出正常工作条件的应力，促使潜在缺陷显现，否则这些缺陷会在现场表现为早期故障。图9：展示了可靠性认证流程，包括HV/HT筛选、功能测试和HTOL评估。
高压应力测试包括动态电压应力(DVS)和增强型电压应力(EVS)等技术，激活潜在缺陷。DVS在运行测试模式时施加电压应力，而EVS施加更高的电压应力加速缺陷激活。这些方法有助于识别在正常工作条件下不明显的半导体弱点。图10：展示了不同的高压应力技术以及它们如何激活线路中的缺陷。
对于正常工作寿命，实施功能安全措施确保即使发生故障，系统仍保持安全状态。这包括通过先进控制降低风险，防止危险状况发展。容错功能允许系统在某些类型故障情况下继续运行。可靠性增强技术确保车辆寿命期间的可靠运行。维护和诊断功能有助于在问题成为严重故障前检测到它们。图11：说明了功能安全循环，包括风险降低、容错、维护和可靠性。
对于磨损可靠性，使用高温工作寿命(HTOL)测试、老化模型和电迁移(EM)计算器来预测和缓解长期退化机制。HTOL测试在压缩时间内施加加速应力，预测寿命终期行为。结果通过基于物理的模型外推，估计正常工作条件下的有效寿命。图12：展示了加速测试如何通过基于物理的模型预测长期可靠性。
设计长期可靠性时必须考虑各种退化机制。前端可靠性问题包括偏置温度不稳定性(BTI)和热载流子注入(HCI)，这些会随时间降低晶体管性能。后端问题如电迁移和应力诱导空洞可能导致金属互连在长期运行后失效。这些机制在更高温度下加速，使热管理成为汽车电子的关键因素。汽车设计的功能安全
功能安全确保即使发生故障，系统仍保持安全状态或优雅降级。根据线路类型和关键性采用各种技术。对于数字逻辑，冗余技术很常见。三模冗余(TMR)使用三个带有表决逻辑的相同线路，掩盖任何单一实例的故障。故障安全有限状态机包含错误检测和恢复机制。双核锁步(DCLS)系统在两个处理器上运行相同计算并比较结果以检测差异。错误校正码检测并校正存储器和数据路径中的位错误。图13：展示了逻辑设计的不同功能安全方法，包括TMR、DCLS和错误代码。
对于模拟线路，安全方法更加定制化，适应特定功能。电源和模拟前端监控线路检测可能表明故障的超范围情况。自测功能验证模数转换器和其他混合信号组件的正确操作。电压、电流和温度保护线路防止环境极端情况或内部故障造成的损害。图14：展示了模拟线路的功能安全实现，包括ADC和PMIC保护功能。
在汽车应用中，即使基本构建模块也需要安全增强。标准单元为触发器集成软错误率(SER)增强功能，抵抗辐射诱导的翻转。存储器包含错误校正码(ECC)和修复能力，维持数据完整性，尽管可能有单元故障。I/O垫具有故障安全设计，增强静电放电(ESD)保护，在不利条件下维持信号完整性。图15：展示了基础IP的功能安全实现，包括SER增强触发器和故障安全I/O方案。先进节点采用的挑战
尽管有明显好处，但在汽车应用中实施先进半导体节点存在几个显著挑战。制程成熟度是一个主要障碍，因为汽车应用需要极高可靠性，但先进节点通常需要时间达到必要的成熟水平。解决方案包括与早期汽车平台变体（如N4AE和N3AE）的设计参与，这些变体包含为低缺陷率而投影的设计规则。保守设计裕度有助于在早期采用期间容忍制程变异。
随着制程节点进步，缺陷筛选变得更加困难。传统高压筛选面临限制，因为闩锁触发电压随技术缩放而降低。高压筛选期间的功耗显著增加，有可能对测试中的器件造成热损伤。压降可能降低筛选有效性，阻止预期应力条件到达芯片所有部分。图16：展示了闩锁触发电压如何随技术缩放而降低，使高压筛选更具挑战性。
改进的可测试性设计(DFT)和电气故障分析(EFA)工作流程增强了筛选效率，尽管面临这些挑战。这些方法创建反馈循环，基于现场经验不断改进缺陷检测和筛选有效性。图17：展示了DFT和EFA如何创建反馈循环以提高筛选效率。
热挑战是汽车应用中先进节点面临的另一个显著困难。由于散热通道有限，FinFET结构比平面晶体管经历更多自热效应。鳍结构限制了向基板的热流，导致局部温度升高，加速退化。图18：对比了FinFET与体FET结构的散热通道，显示了先进节点的热挑战。
这种自热效应加速了偏置温度不稳定性和热载流子注入等退化机制，需要热感知设计流程和建模。设计师必须从设计最早阶段考虑热因素，并为热强度最高的组件实施先进冷却解决方案。结论
汽车行业通过电气化、智能化和连接性的转变正在推动先进半导体制程节点的快速采用。这些技术在实现无限可能的同时，也为可靠性、功能安全和设计实施带来了显著挑战。
半导体制造商和汽车设计师通过具有增强可靠性特性的汽车专用制程变体应对这些挑战。全面的设计赋能平台提供了成功实施所需的工具、模型和方法。先进功能安全技术确保即使在发生故障时系统仍保持安全。复杂的可靠性建模和测试在产品生命周期内预测并缓解退化机制。热感知设计方法解决了汽车应用中先进节点的独特热挑战。
成功应对这些挑战将推动下一代更安全、更环保和更智能的车辆发展，最终改变驾驶员和乘客的汽车体验。汽车半导体技术的持续发展将对未来几年实现软件定义车辆和自动驾驶能力的全部潜力发挥重要作用。
页:
[1]
