集成電路可靠性設(shè)計精選(九篇)
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第1篇：集成電路可靠性設(shè)計范文
關(guān)鍵詞：電子元器件 電子裝置 可靠性設(shè)計
中國分類號：TP302.7 文獻標識碼：A 文章編號：1002-2422(2010)02-0057-04
1 電子元器件的正確選擇
(1)對電子元器件的選擇的原則之一，電子元器件的技術(shù)性能、質(zhì)量、使用條件等在滿足產(chǎn)品要求情況下；要優(yōu)先選用經(jīng)實踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高的標準元器件，應最大限度的壓縮元器件的品種、規(guī)格，生產(chǎn)廠。
(2)對電子元器件的選擇的原則之二，根據(jù)電子元器件質(zhì)量等級與質(zhì)量系數(shù)選用，國軍標GJB／Z299B《電子設(shè)備可靠性預計手冊》列出了各類電子元器件。根據(jù)不同級別的標準和質(zhì)量認證所對應的可靠性質(zhì)量等級及質(zhì)量系數(shù)，質(zhì)量系數(shù)越大表示器件的失效率越高，可靠性水平越低。美國的各類電子元器件的質(zhì)量等級和質(zhì)量系數(shù)可以查閱美國軍用手冊MIL-HDBK-217F《電子設(shè)備可靠性預計》。
(3)對電子元器件的選擇的原則之三，采用元器件計數(shù)法預計裝置的平均故障間隔時間，通過對使用不同質(zhì)量等級的元器件的裝置的MTBF進行比較，分析對可靠性影響的大小，最后，正確選擇電子元器件。
2 元器件的正確使用
(1)簡化設(shè)計。
①多個通道共用一個電路或器件。
②在邏輯電路的設(shè)計中，簡化設(shè)計的重點應該放在減少邏輯器件的數(shù)目，其次是減少門電路或輸入端的數(shù)目。
③多采用標準化、系列化的元器件，少采用特殊的或未經(jīng)定型元器件。
④能用軟件完成的功能，不要用硬件實現(xiàn)。
⑤能用數(shù)字電路實現(xiàn)的功能，不要用模擬電路完成。
⑥在保證實現(xiàn)規(guī)定功能指標的前提下，多采用集成電路，少采用分立器件，多采用較大規(guī)模的集成電路，少采用較小規(guī)模的集成電路。提高集成度可以減少元器件之間的連線、接點以及封裝的數(shù)目，而這些連接點的可靠性常常是造成電路失效的主要原因。
(2)低功耗設(shè)計。可以從兩方面著手，一盡量采用低功耗器件，如在滿足工作速度的情況下，盡量采用CMOS電路。而不用TTL電路：二在完成規(guī)定功能的前提下，盡量簡化邏輯電路，并更多的讓軟件來完成硬件的功能，以減少整機硬件的數(shù)量。
(3)保護電路設(shè)計。在電路設(shè)計中，根據(jù)具體情況設(shè)計必要的保護電路。如在電路的信號輸入端設(shè)計靜電保護電路，在電源輸入端設(shè)計浪涌干擾抑制電路，在高頻高速電路中加入噪聲抑制或吸收網(wǎng)絡。具體保護電路的形式根據(jù)具體情況考慮。
(4)電路的重點設(shè)計。常常有這樣的情況，某個元器件的參數(shù)退化嚴重，但對電路性能的影響甚微；而另一個元器件稍有變化，就對電路性能產(chǎn)生顯著影響。這是因為一個元器件對于電路可靠性的影響不僅取決于該元器件自身的質(zhì)量，而且取決于該元器件在電路中關(guān)鍵作用。因此，在電路設(shè)計中應對電路性能影響顯著的關(guān)鍵元器件或子電路。進行重點設(shè)計。
(5)基于元器件的穩(wěn)定參數(shù)和典型特性進行設(shè)計。對于那些由于工藝離散性以及隨時間、溫度和其它環(huán)境應力而變化的不太穩(wěn)定的性能參數(shù)，設(shè)計時應給予更為寬容的限制。對于那些不確定的無法控制的性能參數(shù)，設(shè)計時不宜采納，有典型應用電路時，應盡可能使用。
(6)塊設(shè)計。在系統(tǒng)分割時，應注意電路功能和結(jié)構(gòu)的均衡性，這樣對提高裝置可靠性有利。這主要體現(xiàn)在兩個方面：一是每塊電路的功能應相對完整，盡量減少各個電路之間的聯(lián)接，以削弱互連對電路可靠性的影響；二是各個電路所含元器件的數(shù)量不要過于集中帶來的不可靠因素，同時也方便了裝配工藝設(shè)計。
(7)冗余設(shè)計和降額設(shè)計。冗余設(shè)計也稱余度設(shè)計，是在系統(tǒng)或設(shè)備中的關(guān)鍵電路部位，設(shè)計一種以上的功能通道，當一個功能通道發(fā)生故障時，可用另一個通道代替，從而可使局部故障不影響整個裝置的正常工作。對采用那種冗余方式(主動冗余，備用冗余，功能冗余)也要考慮。
(8)常用集成電路的應用設(shè)計規(guī)則。在電路設(shè)計時，除了以上所述的通用設(shè)計原則之外，還要根據(jù)所用器件的具體情況，采用不同的設(shè)計規(guī)則。下面給出用幾種常用集成電路進行電路設(shè)計時應該遵循的一些規(guī)則。
TIL電路應用設(shè)計規(guī)則：
①電源，穩(wěn)定性應保持在±5％之內(nèi)；紋波系數(shù)應小于5％：電源初級應有射頻旁路。
②去耦，每使用8塊TTL電路就應當用一個0.01-0.1uF的射頻電容器對電源電壓進行去耦。去耦電容的位置應盡可能地靠近集成電路，二者之間的距離應在15cm之內(nèi)。每塊印制電路板也應用一只容量更大些的低電感電容器對電源進行去耦。
③輸入信號。輸入信號的脈沖寬度應長于傳播延遲時間，以免出現(xiàn)反射噪聲。
④要求邏輯“0”輸出的器件，其不使用的輸入端應將其接地或與同一門電路的在用輸端相連。
⑤要求邏輯“1”輸出的器件，其不使用的輸入端應連接到一個大于2.7V的電壓上。為不增加傳輸延遲時間和噪聲敏感度，所接電壓不要超過該電路的電壓最大額定值5.5V。
⑥不使用的器件，其所有的輸入端都應按照使功耗最低的方法連接。
⑦在使用低功耗肖特基TTL電路時，應保證其輸入端不出現(xiàn)負電壓，以免電流流入輸入箝位二極管。
⑧時鐘脈沖的上升時間和下降時間應盡可能的短，以便提高電路的抗干擾能力。
⑨通常時鐘脈沖處于高態(tài)時，觸發(fā)器的數(shù)據(jù)不應改變。
⑩擴展器應盡可能地靠近被擴展的門，擴展器的節(jié)點上不能有容性負載。
(11)在長信號線的接收端應接一個500－1k的上拉電阻，以便增加噪聲容限和縮短上升時間。
(12)集電極開路器件的輸出負載應連接到小于等于最大額定值的電壓上，所有其它器件的輸出負載應連接到VCC上。
(13)長信號線應該由專門為其設(shè)計的電路驅(qū)動，如線驅(qū)動器、緩沖器等。
(14)從線驅(qū)動器到接收電路的信號回路線應是連續(xù)的，應采用特性阻抗約為100的同軸線或雙扭線。
(15)某些TTL電路具有集電極開路輸出端，允許將幾個電路的開集電極輸出端連接在一起，以實現(xiàn)“線與”功能。但應在該輸出端加一個上拉電阻，以便提供足夠的驅(qū)動信號和提高抗干擾能力，上拉電阻的阻值應根據(jù)該電路的出力來確定。
CMOS電路應用設(shè)計規(guī)則：
①電源，穩(wěn)定性應保持在5％之內(nèi)：紋波系數(shù)應小于5％；電源初級應有射頻旁路。
②如果CMOS電路自身和其輸入信號源使用不同的電源，則開機時應首先接通CMOS電源，然后接通信號源，關(guān)機時應該首先關(guān)閉信號源，然后關(guān)閉CMOS電源。
③輸入信號，輸入信號電壓的幅度應限制在CMOS電路電源電壓范圍之內(nèi)，以免引發(fā)閂鎖；多余的輸入端在任何情況下都不得懸空，應適當?shù)倪B接到CMOS電路的電壓正端或負端上。
④當CMOS電路由TTL電路驅(qū)動時，應該在CMOS電 路的輸入端與VCC之間連一個上拉電阻。
⑤在非穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器等應用中，允許CMOS電路有一定的輸入電流(通過保護二極管)，但應在其輸入加接一只串聯(lián)電阻，將輸入電流限制在微安級的水平上。
⑥輸出信號和輸出電壓幅度應限制在CMOS電路電源電壓范圍之內(nèi)，以免引發(fā)閂鎖。
⑦長信號線應該由專門為其設(shè)計的電路驅(qū)動，如線驅(qū)動器、緩沖器等。
⑧應避免在CMOS電流的輸出端接大于500pF的電容負載。
⑨CMOS電路的扇出應根據(jù)其輸出容性負載量來確定。
⑩并聯(lián)應用，除三態(tài)輸出門外，有源上拉門不得并聯(lián)連接。只有一種情況例外，即并聯(lián)門的所有輸入端均并聯(lián)在一起，而且這些門電路封裝在同一外殼內(nèi)。
3 可靠性預計
為了驗證可靠性設(shè)計的效果，根據(jù)系統(tǒng)可靠性的要求，電路設(shè)計完成后，可對關(guān)鍵電路的失效率進行預計，預計所依據(jù)的模型和方法見國軍標GJB299《電子設(shè)備可靠性預計手冊》。
4 正確布線
4，1正確布線之一電磁兼容性設(shè)計
(1)采用正確的布線之策略。具體做法是印制板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉孔處用金屬化孔相連。為了抑制印制板導線之間的串擾，在設(shè)計布線時應盡量避免長距離的平等走線，盡可能拉開線與線之間的距離，信號線與地線及電源線盡可能不交叉。在一些對干擾十分敏感的信號線之間設(shè)置一根接地的印制線，可以有效地抑制串擾。
(2)選擇合理的導線寬度。印制導線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因而短而精的導線對抑制干擾是有利的。時鐘引線、行驅(qū)動器或總線驅(qū)動器的信號線常常載有大的瞬變電流，印制導線要盡可能地短。對于分立元件電路，印制導線寬度在1.5mm左右時，即可完全滿足要求：對于集成電路，印制導線寬度可在0.2－1.0mm之間選擇。
(3)為了抑制高頻信號通過印制導線時產(chǎn)生的電磁輻射，在印制電路板布線時，還應注意以下幾點：
①盡量減少印制導線的不連續(xù)性，禁止環(huán)狀走線等。
②時鐘信號引線最容易產(chǎn)生電磁輻射干擾，走線時應與地線回路相靠近，不要在長距離內(nèi)與信號線并行。
⑧總線驅(qū)動器應緊挨其欲驅(qū)動的總線。對于那些離開印制電路板的引線，驅(qū)動器應緊挨著連接器。
④數(shù)據(jù)總線的布線應每兩根信號線之間夾一根信號地線。最好是緊挨著最不重要的地址引線放置地回路，因為后者常載有高頻電流。
⑤在印制板布置高速、中速和低速邏輯電路時，應注意器件排列方式。
(4)抑制反射干擾
為了抑制出現(xiàn)在印制線條終端的反射干擾，除了特殊需要之外，應盡可能縮短印制線的長度和采用慢速電路。必要時可加終端匹配，即在傳輸線的末端對地和電源端各加接一個相同阻值的匹配電阻。
4，2正確布線之二去耦電容配置
(1)電源輸入端跨接一個10-100uF的電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用100uF以上的電解電容器的抗干擾效果會更好。
(2)為每個集成電路芯片配置一個0.01uF的陶瓷電容器。如遇到印制電路板空間小而裝不下時，可每4－10個芯片配置一個1-10uF鉭電解電容器，這種器件的高頻阻抗特別小，在500kHz-20MHz范圍內(nèi)阻抗小于1，而且漏電流很小。
(3)對于噪聲能力弱、關(guān)斷時電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲型器件，應在芯片的電源線和地線間直接接入去耦電容。
(4)去耦電容的引線不能過長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。
4，3正確布線之三接地設(shè)計
(1)正確選擇單點接地與多點接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用一點接地。當信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應盡量降低地線阻抗，應采用就近多點接地。當工作頻率在1-10MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應超過波長的1/20，否則應采用多點接地法。
(2)將數(shù)字電路與模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。
(3)盡量加粗接地線。若接地線很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗，應能通過三倍于印制電路板的允許電流。
(4)將接地線構(gòu)成閉環(huán)路。印制電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時，因受接地線粗細的限制，會在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地構(gòu)成環(huán)路，則會縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。
4，4正確布線之四熱設(shè)計
(1)對于采用自由對流空氣冷卻方式的設(shè)備，最好是將集成電路按縱長方式排列，對于采用強制空氣冷卻的設(shè)備，則應按橫長方式配置。
(2)同一塊印制板上的元器件應盡可能按其發(fā)熱量大小及耐熱程度分區(qū)排列，發(fā)熱量小或耐熱性差的元器件放在冷卻氣流的最上游，發(fā)熱量大或耐熱性好的元器件放在冷卻氣流的最下游。
(3)在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱途徑；在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些器件工作時對其它元器件溫度的影響。
(4)溫度敏感器件最好安置在溫度最低的區(qū)域，千萬不要將它放在發(fā)熱元器件的正上方，多個器件最好是在水平面上交錯布局。
5 機體的設(shè)計
(1)對于用于電磁屏蔽的機箱材料的電導率、磁通率越高，屏蔽效果越好。
(2)材料的選用還受到強度、重量、散熱性、工藝性等因素的制約。當屏蔽效果不太好時，可考慮對其進行表面處理。在屏蔽機體設(shè)計時，應使機體有足夠的厚度以增大磁路橫切面積，增加屏蔽效果；同時在垂直于磁通方向不能開口，以免增大磁阻。
(3)機體要良好接地。機體接地有二個重要作用：一是接地能使屏蔽具有較好效果，二是消除靜電影響。
6 環(huán)境條件強制
在使用環(huán)境復雜情況下，可以考慮強制冷卻，加溫，恒溫，防振等。
第2篇：集成電路可靠性設(shè)計范文
【Abstract】Along with the development of China's aerospace industry， the reliability of avionics communication equipment in the aerospace industry has attracted more and more attention from the relevant departments， the paper first introduces the significance of avionics communication equipment reliability design， and then analyzes the main influence factors of avionics communication equipment’s reliability， and finally puts forward specific measures to ensure aviation electronic communication equipment reliability design.
【關(guān)鍵詞】航空；設(shè)備；可靠性；技術(shù)
【Keywords】aviation； equipment； reliability； technology
【中圖分類號】V243.1 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0141-02
1 引言
隨著我國整體科學技術(shù)的不斷發(fā)展，以及近年來在航天事業(yè)上的巨大發(fā)展，在航天產(chǎn)業(yè)中具備極大影響的電子通信設(shè)備其可靠性越發(fā)的受到人們的重視。目前眾多的電子通信生產(chǎn)企業(yè)在其生產(chǎn)理念上，已經(jīng)逐漸建立起了以切實檢驗手段來進行產(chǎn)品質(zhì)量保障的體系，可靠性、質(zhì)量已經(jīng)成為設(shè)備使用者的最重要的關(guān)注點。在此背景下，論文圍繞航空電子通信設(shè)備的可靠性，分三部分展開了細致的分析探討，旨在提供一些該方面的理論參考，以下是具體內(nèi)容。
2 航空電子通信設(shè)備可靠性設(shè)計的重要意義
2.1 是通信電子設(shè)備使用壽命的直接影響因素
首先基于航空事業(yè)其本身的特點，往往使用的周期很長，這也就要求航空電子設(shè)備具備很長的使用周期。而電子通信設(shè)備的可靠性設(shè)計便是電子通信設(shè)備使用壽命的最直接影響因素。從整體上觀察，電子通信設(shè)備的設(shè)計、安裝以及使用和后期的維修過程，可靠性都參與其中，因此也可以說目前在通信電子設(shè)備設(shè)計上可靠性已經(jīng)成為一個設(shè)計的重點所在。
2.2 是信息時代人們對電子通信設(shè)備的基本需求
隨著我國科學技術(shù)的整體抬頭，目前市場上的電子通信設(shè)備也越發(fā)的多元化和多樣化。而隨著通信電子設(shè)備數(shù)量的增多，在航空事業(yè)方面對通信電子設(shè)備的選擇要求也就相應提升，除了要求通信電子設(shè)備滿足基本的通信功能之外，在使用感受以及可靠性等方面，也提出了更多的要求，因此航空通信電子設(shè)備的可靠性設(shè)計是時代背景下的一個客觀要求。
3 航空電子通信設(shè)備可靠性的主要影響因素
3.1 制造技術(shù)及制造條件的影響
在航空電子通信設(shè)備可靠性方面的影響因素，首先便是生產(chǎn)航空電子通信設(shè)備的制造技術(shù)以及制造的條件。就目前的航空電子通信設(shè)備發(fā)展趨勢進行觀察，便捷化、智能化以及多功能化是未來的發(fā)展趨勢，而要實現(xiàn)這一趨勢就必須在航空電子通信設(shè)備的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，保障一個良好完整的生產(chǎn)體系。目前存在著一部分生產(chǎn)廠家，在生產(chǎn)中并不具備完備的生產(chǎn)的條件，進而難以保障航空電子通信設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量，在可靠性方面就會存在一定不確定性。
3.2 惡劣天氣的影響
因為航空電子通信設(shè)備的使用往往位于外界，而地球的環(huán)境十分多變，在太空更是會受到諸多的宇宙因素影響。雷電天氣、雨雪天氣等都會對航空電子通信設(shè)備產(chǎn)生一定干擾和破壞，影響設(shè)備的正常工作狀態(tài)，而這些因素便會對航空電子通信設(shè)備的可靠性產(chǎn)生一定的影響。
3.3 外界電磁的影響
航空電子通信設(shè)備在使用原理上，電磁波是其最為主要的一環(huán)，但是在航空電子通信設(shè)備使用時常常會受到一些外界電磁的影響。地球本身就是一個巨大的磁場，而這些電磁場中的電磁波所產(chǎn)生的輻射，便會對航空電子通信設(shè)備的正常工作產(chǎn)生一定的影響，進而對航空電子通信設(shè)備的可靠性造成了影響。
4 保障航空子通信設(shè)備的可靠性措施
4.1 不斷優(yōu)化、簡化電子線路
不斷進行航空電子通信設(shè)備電子線路的優(yōu)化和簡化，便可以極大化的減少外界磁場對航空電子通信設(shè)備可靠性的影響。而在航空電子通信設(shè)備可靠性設(shè)計時，必須在滿足基本的航空電子通信設(shè)備功能以及質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過不斷地進行技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)制造流程的優(yōu)化，從而達到航空電子通信設(shè)備電子線路的簡化和優(yōu)化，具體而言可以從以下幾個方面入手：①在元器件的使用通道設(shè)計上，可以設(shè)計為幾個元器件共同使用一個通道，進而實現(xiàn)線路通道的減少[1]；②在元器件的使用數(shù)量上，可在保障基本功能之上，通過技術(shù)創(chuàng)新，盡可能減少對元器件的使用數(shù)量；③在設(shè)備組成上，盡可能使用軟件對硬件進行代替；④對于設(shè)備中的一些模擬電路可使用數(shù)字電路進行代替。但在整體的線路簡化、優(yōu)化的過程中必須注意，不能為了最大化的簡化路線，而導致元器件在使用過程中出現(xiàn)集成電路板被過載燒壞的現(xiàn)象，更不能將一些成熟性不足的技術(shù)和設(shè)計方案使用到航空電子通信設(shè)備電子線路的優(yōu)化和簡化中。
4.2 深化低耗功率設(shè)計
目前在航空電子通信設(shè)備可靠性提升設(shè)計方面，低耗功率設(shè)計已經(jīng)得到了一定的應用，但是從整體上進行觀察，低耗功率設(shè)計還有很大的進一步深化空間，因此在提升航空電子通信設(shè)備可靠性方面，可以進一步對低耗功率設(shè)計進行深化。從航空電子通信設(shè)備性能上進行觀察，航空電子通信設(shè)備正逐漸朝著高密度化以及微型化的方向發(fā)展，而這一趨勢直接導致了航空電子通信設(shè)備中元器件數(shù)量的增多以及集成電路在能耗方面的提升，進而在航空電子通信設(shè)備的使用過程中持續(xù)發(fā)熱的現(xiàn)象越發(fā)凸顯，而這一問題就可能會導致，航空電子通信設(shè)備使用可靠性受到影響。因此在目前已有的低耗功率設(shè)計基礎(chǔ)上，還需要進一步深化低耗功率設(shè)計，保護航空電子通信設(shè)備電路安全，也提升航空電子通信設(shè)備的可靠性[2]。
4.3 依托維修性設(shè)計提升設(shè)備可靠性
除了設(shè)計制造環(huán)節(jié)提升航空電子通信設(shè)備可靠性之外，面對航空電子通信設(shè)備機械化工作環(huán)境和惡劣天氣導致的航空電子通信設(shè)備損壞，還需要通過維修性設(shè)計，在航空電子通信設(shè)備的后期使用上提升其可靠性。具體而言，航空電子通信設(shè)備的制作人員必須保障航空電子通信設(shè)備在故障出現(xiàn)后的檢查和拆卸十分方便；此外對于航空電子通信設(shè)備的一些元器件必須是可以在市場上買到的，不能大量使用一些不再生產(chǎn)和使用的元器件。
5 結(jié)語
綜上所述，隨著我國航天事業(yè)的整體抬頭，以及通信電子設(shè)備的不斷多元化和多樣化，人們逐漸對通信電子設(shè)備的可靠性提出了新的要求，而通信電子設(shè)備的可靠性設(shè)計本身，也直接對通信電子設(shè)備的使用壽命產(chǎn)生影響，也是時代背景下的一種必然要求。航空電子通信設(shè)備可靠性方面，制造技術(shù)及制造條件、機械化工作環(huán)境、惡劣天氣、外界電磁都會對其產(chǎn)生影響，基于這些影響因素以及結(jié)合航空電子通信設(shè)備的特殊性，不斷優(yōu)化、簡化電子線路、深化低耗功率設(shè)計、依托于維修性設(shè)計提升設(shè)備可靠性是切實有效保障航空子通信設(shè)備可靠性的具體措施，值得相關(guān)企業(yè)充分合理地參考使用。
【參考文獻】
第3篇：集成電路可靠性設(shè)計范文
一、微電子三級封裝
談到微電子封裝，首先我們要敘述一下三級封裝的概念。一般說來，微電子封裝分為三級。所謂一級封裝就是在半導體圓片裂片以后，將一個或多個集成電路芯片用適宜的封裝形式封裝起來，并使芯片的焊區(qū)與封裝的外引腳用引線鍵合(WB)、載帶自動鍵合(TAB)和倒裝芯片鍵合(FCB)連接起來，使之成為有實用功能的電子元器件或組件。一級封裝包括單芯片組件(SCM)和多芯片組件(MCM)兩大類，也稱芯片級封裝。二級封裝就是將一級微電子封裝產(chǎn)品連同無源元件一同安裝到印制板或其它基板上，成為部件或整機，也稱板級封裝。三級封裝就是將二級封裝的產(chǎn)品通過選層、互連插座或柔性電路板與母板連結(jié)起來，形成三維立體封裝，構(gòu)成完整的整機系統(tǒng)，也稱系統(tǒng)級封裝。所謂微電子封裝是個整體的概念，包括了從一極封裝到三極封裝的全部技術(shù)內(nèi)容。在國際上，微電子封裝是一個很廣泛的概念，包含組裝和封裝的多項內(nèi)容。微電子封裝所包含的范圍應包括單芯片封裝(SCM)設(shè)計和制造、多芯片封裝(MCM)設(shè)計和制造、芯片后封裝工藝、各種封裝基板設(shè)計和制造、芯片互連與組裝、封裝總體電性能、機械性能、熱性能和可靠性設(shè)計、封裝材料、封裝工模夾具以及綠色封裝等多項內(nèi)容。
二、微電子封裝技術(shù)的發(fā)展
(一)焊球陣列封裝(BGA)
BGA主要有四種基本類型：PBGA、CBGA、CCGA和TBGA，一般都是在封裝體的底部連接著作為I/O引出端的焊球陣列。這些封裝的焊球陣列典型的間距為1.0mm、1.27mm、1.5mm，焊球的鉛錫組份常見的主要有63Sn/37Pb和90Pb/10Sn兩種，焊球的直徑由于目前沒有這方面相應的標準而各個公司不盡相同。從BGA的組裝技術(shù)方面來看，BGA有著比QFP器件更優(yōu)越的特點，其主要體現(xiàn)在BGA器件對于貼裝精度的要求不太嚴格，理論上講，在焊接回流過程中，即使焊球相對于焊盤的偏移量達50%之多，也會由于焊料的表面張力作用而使器件位置得以自動校正，這種情況經(jīng)實驗證明是相當明顯的。其次，BGA不再存在類似QFP之類器件的引腳變形問題，而且BGA還具有相對QFP等器件較良好的共面性，其引出端間距與QFP相比要大得多，可以明顯減少因焊膏印刷缺陷導致焊點“橋接”的問題;另外，BGA還有良好的電性能和熱特性，以及較高的互聯(lián)密度。BGA的主要缺點在于焊點的檢測和返修都比較困難，對焊點的可靠性要求比較嚴格，使得BGA器件在很多領(lǐng)域的應用中受到限制。
(二)芯片尺寸封裝(CSP)
CSP的定義是LSI芯片封裝面積小于或等于LSI芯面積的20%的封裝稱為CSP。
由于許多CSP采用BGA的形式，所以最近兩年封裝界權(quán)威人士認為焊球節(jié)距大于等于1mm的為BGA，小于1mm的為CSP。由于CSP具有更突出的優(yōu)點①近似芯片尺寸的超小型封裝②保護裸芯片③電、熱性優(yōu)良④封裝密度高⑤便于測試和老化⑥便于焊接、安裝和修整更換。由于CSP正在處于蓬勃發(fā)展階段，因此，它的種類有限多如剛性基板CSP柔性基板CSP、引線框架型CSP、微小模塑型CSP、焊區(qū)陣列CSP、微型BGA、凸點芯片載體(BCC)、QFN型CSP、芯片迭層型CSP和圓片級CSP(WLCSP)等.CSP的引腳節(jié)距一般在1.0mm以下，有1.0mm、0.8mm、 0.65mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm和0.25mm等。
(三)系統(tǒng)封裝(SIP)
實現(xiàn)電子整機系統(tǒng)的功能，通常有兩個途徑。一種是系統(tǒng)級芯片(SystemonChip)，簡稱SOC。即在單一的芯片上實現(xiàn)電子整機系統(tǒng)的功能;另一種是系統(tǒng)級封裝(Systeminpackage)，簡稱SIP。即通過封裝來實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能。從學術(shù)上講，這是兩條技術(shù)路線，就象單片集成電路和混合集成電路一樣，各有各的優(yōu)勢，各有各的應用市場。在技術(shù)上和應用上都是相互補充的關(guān)系，作者認為，SOC應主要用于應用周期較長的高性能產(chǎn)品，而SIP主要用于應用周期較短的消費類產(chǎn)品。
SIP是使用成熟的組裝和互連技術(shù)，把各種集成電路如CMOS電路、GaAs電路、SiGe電路或者光電子器件、MEMS器件以及各類無源元件如電容、電感等集成到一個封裝體內(nèi)，實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能。主要的優(yōu)點包括①采用現(xiàn)有商用元器件，制造成本較低②產(chǎn)品進人市場的周期短③無論設(shè)計和工藝，有較大的靈活性④把不同類型的電路和元件集成在一起，相對容易實現(xiàn)。美國佐治亞理工學院PRC研究開發(fā)的單級集成模塊簡稱SLIM，就是SIP的典型代表，該項目完成后，在封裝效率、性能和可靠性方面提高10倍，尺寸和成本較大下降。到2010年預期達到的目標包括熱密度達到100W/cm2;元件密度達到5000/cm2;I/O密度達到3000/cm2.
盡管SIP還是一種新技術(shù)，目前尚不成熟，但仍然是一個有發(fā)展前景的技術(shù)，尤其在中國，可能是一個發(fā)展整機系統(tǒng)的捷徑。
三、思考
面對世界蓬勃發(fā)展的微電子封裝形勢，分析我國目前的現(xiàn)狀，我們必須深思一些問題。
(一)微電子封裝與電子產(chǎn)品密不可分，已經(jīng)成為制約電子產(chǎn)品乃至系統(tǒng)發(fā)展的核心技術(shù)，是電子行業(yè)先進制造技術(shù)之一，誰掌握了它，誰就將掌握電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的未來。
(二)微電子封裝必須與時俱進才能發(fā)展。國際微電子封裝的歷史證明了這一點。我國微電子封裝如何與時俱進當務之急是研究我國微電子封裝的發(fā)展戰(zhàn)略，制訂發(fā)展規(guī)劃。二是優(yōu)化我國微電子封裝的科研生產(chǎn)體系。三是積極倡導和大力發(fā)展屬于我國自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)技術(shù)。
(三)高度重視微電子三級封裝的垂直集成。我們應該以電子系統(tǒng)為龍頭，牽動一級、二級和三級封裝，方能占領(lǐng)市場，提高經(jīng)濟效益，不斷發(fā)展。我們曾倡議把手機和雷達作為技術(shù)平臺發(fā)展我國的微電子封裝，就是出于這種考慮。
(四)高度重視不同領(lǐng)域和技術(shù)的交叉及融合。不同材料的交叉和融合產(chǎn)生新的材料不同技術(shù)交叉和融合產(chǎn)生新的技術(shù)不同領(lǐng)域的交叉和融合產(chǎn)生新的領(lǐng)域。技術(shù)領(lǐng)域已涉及電子電路、電子封裝、表面貼裝、電子裝聯(lián)、電子材料、電子專用設(shè)備、電子焊接和電子電鍍等。我們應該充分發(fā)揮電子學會各分會的作用，積極組織這種技術(shù)交流。
第4篇：集成電路可靠性設(shè)計范文
關(guān)鍵詞：大壩自動檢測；可靠性設(shè)計；探究
中圖分類號：TV文獻標識碼： A
大壩自動檢測系統(tǒng)可以使人們了解大壩的日常信息，并且大壩的工作環(huán)境較為惡劣，通常把儀器設(shè)備擺放在了并無人煙的荒郊野嶺，沒有便利的交通，其氣候條件較差，同時沒有良好的生活工作環(huán)境。大壩信息是水庫可以運行的基本保障，同時汛期大壩信息可以直接影響著整個水庫的安全問題。大壩信息來源是依靠于大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)，其大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)所給出的信息能夠直接影響著大壩信息是否具有可靠性，所以，可靠性設(shè)計是大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)中的主要內(nèi)容。
一、大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)的組成
其自動監(jiān)測系統(tǒng)是以分布式來進行設(shè)計，系統(tǒng)大致分為上位機以、下位機以及交換機。其中上位機包含了數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)據(jù)采集計算機、數(shù)據(jù)管理計算機。而下位機則包含了交換機、PLC主站以及PLC分站和壓力傳感器。
二、可靠性的概念
（一）可靠性的含義
可靠性的實質(zhì)是指在系統(tǒng)使用的期間內(nèi)以及預計環(huán)境中使人們相信所設(shè)計的功能，同時其性能還能夠得到相應的保證。
首先，需要較為良好的使用功能。系統(tǒng)在使用的過程中，可以滿足設(shè)計中的功能要求以及指標，其中包含了數(shù)值的準確性，通訊的流暢性，功能的穩(wěn)定性，對于自身診斷的有效性，分析數(shù)據(jù)的準確性，對于大壩的分析以及及時性。
其次，在使用的過程中其系統(tǒng)可以承受由于環(huán)境因素所帶來影響。例如潮濕、結(jié)露、結(jié)霜、結(jié)冰、日曬雨淋、高低溫所引起的銹蝕以及老化，電磁場(包括雷電電磁脈沖)、浪涌電壓、瞬變電流、地電位差等擾亂，人畜、蛇鼠等對系統(tǒng)的破壞，交通、發(fā)電、泄洪和地震等引起的系統(tǒng)震動等。
而后，還要有一定的耐久性。整個系統(tǒng)的部件具備抗老化、抗腐蝕以及抗松動的特質(zhì)，同時其測量、通訊、數(shù)據(jù)處理以及其他性能在使用時所發(fā)生的變化并不會超出設(shè)計的范疇之內(nèi)。其硬件可以承受在使用過程中的各種作用，同時還可以滿足使用要求；但是對于軟件來說它能夠兼容新舊兩個版本，并且還可以進行系統(tǒng)更新或者自動升級以及遠程下載，以此來確保系統(tǒng)在使用的過程中其軟件不會過時。
最后，在發(fā)生事件的前后，可以保證其系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)一旦受到意外因素的影響，例如在人為原因、雷擊等作用時并不會產(chǎn)生較為嚴重的后果，從而不會影響到其它部分的工作，在事發(fā)后的系統(tǒng)可以對故障進行顯示以及報警，方便故障的找尋以及恢復，同時能夠花費較少的費用。
（二）可靠性指標
從大體上來說，其可靠性指標能夠利用分散型工業(yè)來進行控制系統(tǒng)來表示，并且，可用性和平均沒有故障的時間以及平均修復時間有一定的關(guān)系，即
如對于由Ⅳ臺儀器構(gòu)成的大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)，其某時刻的可靠恤為正常工作的儀器數(shù)(Ns)與總數(shù)（N)加之比，即：
NF為故障的儀器數(shù)，是系統(tǒng)在任一次工作中，系統(tǒng)中達不到設(shè)計功能和性能要求的儀器總數(shù)。即
同時將兩邊乘以N/NS，即
則右邊說明了在t時刻內(nèi)，每臺儀器工作在單位時間內(nèi)的故障概率，用來表示，
（三）可靠性指標的影響因素
RAS指標的實質(zhì)是一個隨機變量，它和系統(tǒng)元器件、原材料、設(shè)計及組裝、現(xiàn)場土建、安裝調(diào)試、運行維護及現(xiàn)場環(huán)境等因素存在一定的關(guān)系，所以需要用概率統(tǒng)計方法進行相應的探究。
RAS系統(tǒng)受到了內(nèi)外部的共同干擾，其中包含了電磁、高低溫變化、溫度升高或者驟降、潮濕、灰塵等；同時系統(tǒng)內(nèi)的集成電路以及材料逐漸老化；并且廠家的技術(shù)能力以及管理水平都會對系統(tǒng)造成一定的影響，其售后的管理以及對待客戶的服務方式也會對系統(tǒng)的使用產(chǎn)生了一定的影響。
在確定系統(tǒng)可靠性指標之前應該分析以上影響因素系統(tǒng)可，并注意收集以下資料：大壩施工現(xiàn)場的干擾因素以及統(tǒng)計特征，例如空間的電磁場、雷電強度大小、空氣濕度大小等；收集系統(tǒng)和元器件在破壞因素的作用下所出現(xiàn)的反應以及規(guī)律，利用室內(nèi)試驗來確定系統(tǒng)所能承受干擾的極限值以及相應的時間，例如在一定時間內(nèi)系統(tǒng)及各部分所能承受的電壓、電流、電場強度、磁性強度、濕度等，并研究系統(tǒng)對各元器件老化及失效速率的影響；并以此來統(tǒng)計系統(tǒng)材料的老化以及失效特征，從中總結(jié)其統(tǒng)計規(guī)律。
三、可靠性設(shè)計
（一）總體設(shè)計
1.加強元器件和儀器的選型
其系統(tǒng)內(nèi)的儀器設(shè)備可靠性是系統(tǒng)可靠性的重要保證。通過微功耗、工業(yè)級甚至是軍用級芯片對元器件進行適當?shù)慕殿~使用，并在此基礎(chǔ)上對電路設(shè)計進行優(yōu)化，以此來提升設(shè)備可靠性。同時傳感器盡最大限度的選取無源或微功耗的基礎(chǔ)設(shè)備，有利于能夠在現(xiàn)場進行長期工作。在設(shè)計的過程中，應該優(yōu)先選擇已經(jīng)通過建筑工程考驗過、較為成熟的設(shè)備，這樣可以提升系統(tǒng)的可靠性。
2.優(yōu)化系統(tǒng)工作模式
在設(shè)計的過程中，應該盡最大限度來簡化其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時不應該附加其他的無用功能。在實際情況中，應該采取自報式以及間斷工作的手段，如果系統(tǒng)設(shè)備可以得到較長的間歇時間并且損耗較小，就可以提升其設(shè)備的使用年限。
3.適當?shù)牟捎酶蓴_措施
其大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)主要是以電子產(chǎn)品為基礎(chǔ)，在設(shè)計的過程中應該考慮其雷電等各種因素的干擾。其中保護措施主包含了：測量控制裝置和儀器設(shè)備需要采用直流供電，并以此來解除電源線引入的雷電干擾；在無線傳輸?shù)倪^程中，天線安裝同軸避雷器，防止雷電從天饋線引入遙測設(shè)備；并且交流供電線路應該安裝電源避雷裝置。并且，同頻干擾以及太陽風暴能夠?qū)νㄓ嵭纬梢欢ǖ母蓴_，影響其信號的傳輸，從而增加的了誤碼率，因此需要在硬件上使用干擾糾錯技術(shù)。
就目前而言，所使用的信道編碼采用糾錯編碼技術(shù)，可以檢兩位，糾一位錯誤。除此之外，使用多級校驗能夠提升系統(tǒng)的可靠性。對通信電路以及線路的設(shè)計，需要考慮大氣條件的變化，所以要在每一條電路中都要預留出一定的干擾保護度以及余度，并以此來保證其電路的余量。
（二）設(shè)備的可靠性設(shè)計
選擇較為簡單的合理方案，多使用積分型的電路，在模擬電路的設(shè)計中，要著重關(guān)注于工作點的穩(wěn)定功能，選擇合適的深度，并以此來保證其工作的穩(wěn)定，以免出現(xiàn)自激的現(xiàn)象。
同時應該對所有的設(shè)備進行不定期的檢測，每批機器應該依照標準規(guī)定來進行震動跌落以及高溫高濕的抽樣檢測，以此來確保其設(shè)備能夠在艱苦的條件下運行。在檢測的過程中，做好相關(guān)的檢測記錄，并從中總結(jié)經(jīng)驗，完善其系統(tǒng)產(chǎn)品。
四、結(jié)束語：
綜上所述，其大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)所分布的范圍較廣，同時其工作環(huán)境較為艱苦，存在較為嚴重的干擾現(xiàn)象，所以應該進行全面的系統(tǒng)研究，并以此來保證系統(tǒng)可以保證長時間的工作。創(chuàng)建一個適當?shù)目煽啃灾笜四軌驅(qū)ο到y(tǒng)的可靠性進行全面的評價，從而促使廠家提升其產(chǎn)品的質(zhì)量以及售后服務質(zhì)量。
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第5篇：集成電路可靠性設(shè)計范文
微電子封裝主要是將數(shù)十萬乃至數(shù)百萬個半導體元件(即集成電路芯片)組裝成一個緊湊的封裝體，并由外界提供電源，且與外界進行信息交流。微電子封裝所包含的范圍應包括單芯片封裝(SCP)設(shè)計和制造，多芯片封裝(MCM)設(shè)計和制造，芯片后封裝工藝，各種封裝基板設(shè)計和制造，芯片互連與組裝，封裝總體電性能、力學性能、熱性能和可靠性設(shè)計、封裝材料等多項內(nèi)容。微電子封裝不但直接影響著集成電路本身的電性能、力學性能、光性能和熱性能，影響其可靠性和成本，還在很大程度上決定著電子整機系統(tǒng)的小型化、多功能化、可靠性和成本，微電子封裝越來越受到人們的重視。目前，表面貼裝技術(shù)(SMT)是微電子連接技術(shù)發(fā)展的主流，而表面貼裝器件、設(shè)備及生產(chǎn)工藝技術(shù)是SMT的三大要素。因而在微電子封裝技術(shù)發(fā)展過程中，微電子連接技術(shù)也隨之發(fā)展，自動化程度越來越高，加工過程也越來越精細。
2微電子封裝的發(fā)展歷程及其連接技術(shù)的應用
2.1發(fā)展歷程
回顧集成電路封裝的歷史，其發(fā)展主要劃分為3個階段：
第一階段，在20世紀70年代之前，以插裝型封裝為主。包括最初的金屬圓形(TO型)封裝、后來的陶瓷雙列直插封裝(CDIP)、陶瓷一玻璃雙列直插封裝(CerDIP)和塑料雙列直插封裝(PDIP)。尤其是PDIP，由于性能優(yōu)良、成本低廉又能批量生產(chǎn)而成為主流產(chǎn)品。插裝型器件分別通過波峰焊接和機械接觸實現(xiàn)器件的機械和電學連接。由于需要較高的對準精度，因而組裝效率較低，器件的封裝密度也較低，不能滿足高效自動化生產(chǎn)的需求。
第二階段，在20世紀80年代以后，以表面安裝類型的四邊引線封裝為主的表面安裝技術(shù)迅速發(fā)展。它改變了傳統(tǒng)的插裝形式，器件通過再流技術(shù)進行焊接，由于再流焊接過程中焊錫熔化時的表面張力產(chǎn)生自對準效應，降低了對貼片精度的要求，同時再流焊接代替了波峰焊，也提高了組裝良品率。此階段的封裝類型如塑料有引線片式裁體(PLCC)、塑料四邊引線扁平封裝(PQFP)、塑料小外形封裝(PSOP)以及無引線四邊扁平封裝等。由于采用了四面引腳，引線短，引線細，間距小，因此，在很大程度上提高了封裝和組裝的密度，封裝體的電性能也大大提高，體積減小、質(zhì)量減輕、厚度減小，滿足了自動化生產(chǎn)的需求。表面安裝技術(shù)被稱為電子封裝技術(shù)的一大突破。
第三階段，在20世紀90年代中前期，集成電路發(fā)展到了超大規(guī)模階段，要求集成電路封裝向更高密度和更高速度發(fā)展，因此集成電路封裝從四邊引線型向平面陣列型發(fā)展，發(fā)明了球柵陣列封裝(BGA)，堪稱封裝技術(shù)領(lǐng)域的第二次重大突破，并很快成為主流產(chǎn)品。到了90年代后期，電子封裝進入超高速發(fā)展時期，新的封裝形式不斷涌現(xiàn)并獲得應用，相繼又開發(fā)出了各種封裝體積更小的芯片尺寸封裝。也就是在同一時期，多芯片組件(MCM)蓬勃發(fā)展起來。MCM將多個集成電路芯片和其他片式元器件組裝在一塊高密度多層互連基板上，然后封裝在外殼內(nèi)，是電路組件功能實現(xiàn)系統(tǒng)級的基礎(chǔ)。可見，由于封裝技術(shù)的發(fā)展越來越趨向于小型化、低功耗、高密度方向發(fā)展，目前典型的就是BGA技術(shù)和CSP技術(shù)。
2.2球柵陣列封裝
20世紀90年代，隨著集成技術(shù)的進步、設(shè)備的改進和深亞微米技術(shù)的使用，硅單芯片集成度不斷提高，對集成電路封裝要求更加嚴格，I/O引腳數(shù)急劇增加，功耗也隨之增大。為滿足發(fā)展的需要，在原有封裝品種基礎(chǔ)上，又增添了新的品種一一球柵陣列封裝，簡稱BGA。其采用小的焊球作為元件和基板之間的引線連接。這種BGA突出的優(yōu)點包括[3]:①電性能更好：BGA用焊球代替引線，引出路徑短，減少了引腳寄生效應;②封裝密度更高：由于焊球是整個平面排列，因此對于同樣面積，引腳數(shù)更高。③BGA的節(jié)距與現(xiàn)有的表面安裝工藝和設(shè)備完全相容，安裝更可靠;④由于奸料熔化時的表面張力具有‘自對準”效應，避免了傳統(tǒng)封裝引線變形的損失，大大提高了組裝成品率;⑤BGA引腳牢固;⑥焊球引出形式同樣適用2.3芯片尺寸封裝
1994年9月，日本三菱電氣公司研宄出一種芯片面積/封裝面積=1:1.1的封裝結(jié)構(gòu)，其封裝外形尺寸只比裸芯片大一點點。也就是說，單個IC芯片有多大，封裝尺寸就有多大，從而誕生了一種新的封裝形式，命名為芯片尺寸封裝，簡稱CSP。CSP是整機小型化、便攜化的結(jié)果。它定義為封裝后尺寸不超過原芯片的1.2倍或封裝后面積不超過裸片面積的1.5倍。倒裝焊和引線鍵合技術(shù)都可以用來對CSP封裝器件進行引線。它具有更突出的優(yōu)點：①近似芯片尺寸的超小型封裝;②保護裸芯片;③便于焊接、安裝和修整更換;④便于測試和老化;⑤電、熱性能優(yōu)良。
3微電子焊接及微連接技術(shù)3.1微電子焊接研宄的重要性
在微電子元器件制造和電子設(shè)備組裝中，焊接(或稱連接)技術(shù)是決定產(chǎn)品最終質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。在一個大規(guī)模集成電路中，少則有幾十個焊點，多則達到幾百個焊點，而在巨型計算機的印刷線路板上焊點數(shù)目達到上萬。這些焊點中只要有一個焊點失效就有可能導致整個元器件或整機停止工作。有統(tǒng)計數(shù)字表明[4]，在電子元器件或電子整機的所有故障原因中，60%以上為焊點失效所造成的?？梢姾附?連接)技術(shù)是電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中較為薄弱的環(huán)節(jié)。
3.2芯片焊接技術(shù)
3.2.1引線鍵合技術(shù)
引線鍵合(WB)技術(shù)是將芯片I/O焊盤和對應的封裝體上的焊盤用細金屬絲一一連接起來，一次連接一根。引線鍵合時，采用超聲波焊將一根細引線——一般是直徑25m的金屬絲的兩端分別鍵合到IC鍵合區(qū)和對應的封裝或基板鍵合區(qū)上[5]。這種點到點工藝的一大優(yōu)點是具有很強的靈活性。該技術(shù)通常采用熱壓、熱超聲和超聲方法進行。熱壓鍵合和熱超聲鍵合都是先用高壓電火花使金屬絲端部形成球形，然后在IC芯片上球焊，再在管殼基板上楔焊，故又稱球楔鍵合。其原理是：對金屬絲和壓焊點同時加熱加超聲波，接觸面便產(chǎn)生塑性變形，并破壞了界面的氧化膜，使其活性化，通過接觸面兩金屬之間的相互擴散而完成連接。球焊條件一般為：毛細管鍵合力小于0.98N，溫度150300°C，毛細管和引線上施加的超聲波頻率在60420kHz。球楔鍵合在IC封裝中是應用最廣泛的鍵合方法。
超聲鍵合是利用超聲波的能量，使金屬絲與鋁電極在常溫下直接鍵合。由于鍵合工具頭呈楔形，故又稱楔壓焊。其原理是：當劈刀加超聲功率時，劈刀產(chǎn)生機械運動，在負載的作用下，超聲波能量被金屬絲吸收，使金屬絲發(fā)生流變，并破壞工件表面氧化層，暴露出潔凈的表面，在壓力作用下絲。在高密度封裝中，焊盤的中心間距縮小，當中心間距小于120um時，球焊難以實現(xiàn)，需要采用超聲波楔焊。目前，!25um金屬絲、!90um焊盤中心間距的超聲波楔焊機已成功地進入應用領(lǐng)域。
3.2.2載帶自動鍵合技術(shù)
載帶自動焊(TAB)是一種將IC安裝和互連到柔性金屬化聚合物載帶上的IC組裝技術(shù)。載帶內(nèi)引線鍵合到IC上，外引線鍵合到常規(guī)封裝或PWB上，整個過程均自動完成。為適應超窄引線間距、多引腳和薄外形封裝要求，載帶自動鍵合(TAB)技術(shù)應用越來越普遍。雖然載帶價格較貴，但引線間距最小可達到150um，而且TAB技術(shù)比較成熟，自動化程度相對較高，是一種高生產(chǎn)效率的內(nèi)引線鍵合技術(shù)。
3.2.3倒裝芯片鍵合技術(shù)
倒裝芯片鍵合技術(shù)是目前半導體封裝的主流技術(shù)，是將芯片的有源區(qū)面對基板鍵合。在芯片和基板上分別制備了焊盤，然后面對面鍵合，鍵合材料可以是金屬引線或載帶，也可以是合金奸料或有機導電聚合物制作的凸焊點。倒裝芯片鍵合引線短，焊凸點直接與印刷線路板或其它基板焊接，引線電感小，信號間竄擾小，信號傳輸延時短，電性能好，是互連中延時最短、寄生效應最小的一種互連方法。
倒裝芯片技術(shù)一般有2個較為關(guān)鍵的工藝。一是芯片的凸焊點的制作，另一個是凸焊點UBM的制作。凸焊點的制作方法有多種，較為常用的有：電鍍法、模板印刷法、蒸發(fā)法、化學鍍法和釘頭法。其中化學鍍法的成本最低，蒸發(fā)法成本最高。但是，化學鍍法制作的凸焊點存在一個很大的問題：鍍層的均勻性比較差。特別是對于Au凸焊點，化學鍍鍍層均勻性有可能不能滿足凸焊點高度容差的要求。而釘頭法制作Au凸焊點時，凸焊點下不需要有一多層金屬薄膜——焊點下金屬，即UBM，因而可以大大降低成本，但是，由于釘頭法是逐個制作凸點，而且凸點尺寸較大，它僅適用于較少I/O端數(shù)的IC的封裝(目前只占市場的0.3%)。因此，目前凸焊點的大批量制作普遍采用電鍍法，占70%以上，其次是蒸發(fā)法和模板印刷法，除了部分釘頭法和化學鍍法制作的凸焊點外，凸焊點下都需要有UBM。UBM處于凸焊點與鋁壓焊塊之間，主要起粘附和擴散阻擋的作用。它通常由粘附層、擴散阻擋層和漫潤層等多層金屬膜組成。UBM的制作是凸焊點制作的一個關(guān)鍵工藝，其質(zhì)量的好壞將直接影響到凸焊點質(zhì)量、倒裝焊接的成功率和封裝后凸焊點的可靠性。UBM通常采用電子束蒸發(fā)或濺射工藝，布滿整個圓片。需要制作厚金屬膜時，則采用電鍍或化學鍍工藝。
3.3微電子封裝與組裝中的焊接技術(shù)
微電子焊接一般用錫基奸料的奸焊技術(shù)，錫奸焊方法有多種，但適合自動化、大批量生產(chǎn)的主要是波峰焊和再流焊技術(shù)。
3.3.1波峰焊
波峰焊是通孔插裝最常用的焊接方法[6]。組裝板一般被放在一夾具上，該夾具夾著組裝板通過波峰焊接機，要經(jīng)歷助焊劑的供給、預熱區(qū)域、焊峰焊接以及與助焊劑類型有關(guān)的清洗工藝。在進行波峰焊接時，板的底部剛好碰到奸料，所有元件的引腳同時被焊接。波峰焊有時采用氮氣等惰性氣體來提高奸料的潤濕性能。奸料和板的整個底面接觸，但只是沒有阻焊劑的板上金屬表面才被奸料潤濕。
波峰焊技術(shù)適合于插裝型電子線路的規(guī)?；a(chǎn)，在當前的電子工業(yè)中仍具有重要地位，但隨著IC電路高密度、小型化的發(fā)展，體積更小的表面貼裝型電路占的比例越來越大。在焊接形狀變化多樣、管腳間距極小的元件時，波峰焊技術(shù)有一定局限性。與此相應的再流焊技術(shù)越來越顯示出其重要性。目前波峰焊技術(shù)的主要發(fā)展方向是適應無鉛焊接的耐高溫波峰焊。
3.3.2再流焊
所謂的再流焊(reflowsoldering)就是通過加熱使預置的奸料膏或奸料凸點重新熔化即再次流動，潤濕金屬焊盤表面形成牢固連接的過程[7]。常用的再流焊熱源有紅外輻射、熱風、熱板傳導和激光等。
再流焊溫度曲線的建立是再流焊技術(shù)中一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。按照焊接過程各區(qū)段的作用，一般將其分為預熱區(qū)、保溫區(qū)、再流區(qū)和冷卻區(qū)等4段。預熱過程的目的是為了用一個可控制的速度來提高溫度，以減少元件和板的任何熱損壞。保溫主要是為了平衡所有焊接表面溫度，使SMA上所有元件在這一段結(jié)束時具有相同的溫度。再流區(qū)域里加熱器的溫度設(shè)置得最高，使組件的溫度快速上升至峰值溫度，一般推薦為焊膏的熔點溫度加20-40°C。而冷卻過程使得奸料在退出加熱爐前固化，從而得到明亮的焊點并有好的外形和低的接觸角度。
目前再流焊工藝中比較成熟的是熱風再流焊和紅外再流焊。隨著免清洗和無鉛焊接的要求，出現(xiàn)了氮氣焊接技術(shù)。適應無鉛焊接的耐高溫再流焊成為該技術(shù)重要的發(fā)展方向。
4無鉛奸料的發(fā)展
長期以來，錫鉛(Sn37Pb)奸料以其較低的熔點、良好的性價比以及易獲得而成為低溫奸料中最主要的奸料系列，研宄結(jié)果表明，鉛在Sn-Pb奸料中起著重要作用：①有效降低合金的表面張力，進而促進潤濕和鋪展;②能阻止錫瘟”發(fā)生;③促進奸料與被焊件之間快速形成鍵合。但是鉛是一種具害。隨著人類環(huán)保意識的日益增強，大范圍內(nèi)禁止使用含鉛物質(zhì)的呼聲越來越高。
目前，國際上公認的無鉛奸料定義為：以Sn為基體，添加了Ag，Cu，Sb，In其它合金元素，而Pb的質(zhì)量分數(shù)在0.2%以下的主要用于電子組裝的軟奸料合金。
選擇Sn-Pb奸料的替代合金應滿足以下要求[8_10]:①其全球儲量足夠滿足市場需求;②無毒性;③能被加工成需要的所有形式;④相變溫度(固/液相線溫度)與Sn-Pb奸料相近;⑤合適的物理性能，特別是電導率、熱導率、熱膨脹系數(shù);⑥與現(xiàn)有元件基板/引線及PCB材料在金屬學性能上兼容;⑦足夠的力學性能：抗剪強度、蠕變抗力、等溫疲勞抗力、熱機疲勞抗力、金屬學組織的穩(wěn)定性;⑧良好的潤濕性;⑨可接受的成本價格。
5結(jié)語
在微電子封裝技術(shù)方面經(jīng)歷了雙列直插、四方扁平等階段。目前球柵陣列封裝已經(jīng)成為主流產(chǎn)品，現(xiàn)在芯片尺寸封裝和多芯片組件也在蓬勃發(fā)展。今后微電子封裝將繼續(xù)向高性能、高可靠性、多功能、小型化、薄型化、便攜式及低成本方向發(fā)展，相關(guān)的連接技術(shù)也必須符合這種發(fā)展趨勢。在所使用的封裝材料方面有金屬、陶瓷、塑料，而低成本的塑料是應用的主要方向。
對奸料而言，錫鉛共晶奸料雖有許多優(yōu)點，但鑒于Sb及其化合物的劇毒性對人類健康和生活環(huán)境的危害，要求生產(chǎn)各種無鉛奸料。目前最吸引人的是Sn-Ag-Cu系列，另外還有Sn-0.7Cu，Sn-3.5Ag，Sn-Zn和Sn-Ag-Bi等無鉛奸料。從世界發(fā)展趨勢看，新型無鉛奸料的成分設(shè)計趨向于合金的多元化，因多種合金元素的加入可提高其力學性能和可靠性。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們也更注重免清洗無鉛奸料的開發(fā)和應用，這是降低生產(chǎn)成本和能耗、提高產(chǎn)品性能的有效途徑。
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第6篇：集成電路可靠性設(shè)計范文
【關(guān)鍵詞】降額設(shè)計 降額等級 質(zhì)量等級
1 概述
隨著半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件以及與之相關(guān)的電子產(chǎn)品在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會生活中的應用越來越廣泛，可靠性越來越受到電子研發(fā)設(shè)計人員的重視，作為提高產(chǎn)品可靠性的重要手段，降額設(shè)計已經(jīng)成為電子產(chǎn)品設(shè)計人員必須面對的問題。
降額設(shè)計是為了提升電子設(shè)備的可靠性而采用的一種設(shè)計方法，主要是指構(gòu)成電子設(shè)備的元器件使用中承受的應力（主要指電應力和溫度應力）低于元器件本身的額定值，以達到延緩其參數(shù)退化，增加工作壽命，提高使用可靠性的目的。
在降額設(shè)計中，“降”的越多，要選用的元器件的性能就越好，成本也就越高，所以在降額設(shè)計中要綜合考慮。為此國家制訂了“降額”通用準則。但并不是所有的電子產(chǎn)品都可以“降額”，在實際設(shè)計過程中，應該注意如下方面：
（1）不應當將標準所推薦的降額量值絕對化，應當根據(jù)產(chǎn)品的特殊性適當調(diào)整；
（2）應當注意到，有些元器件的參數(shù)不能隨便進行降額；
（3）一般來說，對于電子元器件，其應用應力越降低越能提高其使用可靠性，但也不完全是這樣。
（4）對元器件進行降額設(shè)計時，不能將承受的各種應力孤立看待，應當進行綜合權(quán)衡。
（5）不能用降額補償?shù)霓k法解決低質(zhì)量元器件的使用問題，低質(zhì)量的元器件要慎重使用。
2 降額等級的劃分
2.1 降額等級
通常電子元器件有一個最佳降額范圍，在此范圍內(nèi)，電子元器件工作應力的降低對其失效率的下降有顯著的改善，設(shè)備的設(shè)計易于實現(xiàn)，且不必在設(shè)備的重量、體積、成本方面付出大的代價。
應按照設(shè)備可靠性要求、設(shè)計的成熟性、維修費用和難易程度、安全性要求，以及對設(shè)備重量和尺寸的限制等因素，綜合權(quán)衡確定其降額等級。在最佳降額范圍內(nèi)推薦采用三個降額等級。
2.1.1 一級降額
一級降額是最大的降額，對電子元器件使用可靠性的改善最大。超過它的更大降額，通常對電子元器件可靠性的提高有限，且可能使設(shè)備設(shè)計難以實現(xiàn)。
一級降額適用于以下情況：設(shè)備的失效將導致人員傷亡或者裝備與故障設(shè)施的嚴重破壞，對設(shè)備有高可靠性要求，且采用新工藝、新技術(shù)的設(shè)計；由于費用和技術(shù)原因，設(shè)備失效后無法或者不宜維修；系統(tǒng)對設(shè)備的尺寸、重量有苛刻的限制。
2.1.2 二級降額
二級降額是中等降額，對電子元器件使用可靠性有明顯改善，二級降額在設(shè)計上較一級降額易于實現(xiàn)。
二級降額適用于下述情況：設(shè)備的失效將可能引起裝備與保障設(shè)施的損壞；有高可靠性要求，且采用了某些專門的設(shè)計；需支付較高的維修費用。
2.1.3 三級降額
三級降額是最小的降額，對電子元器件使用可靠性改善的相對效益最大，但是可靠性改善的絕對效果不如一級和二級降額。三級降額在設(shè)計上最容易實現(xiàn)。
三級降額適用于下述情況：設(shè)備的失效不會造成人員和設(shè)施的傷亡和破壞；設(shè)備采用成熟的標準設(shè)計；故障設(shè)備可迅速、經(jīng)濟地加以恢復我；對設(shè)備的尺寸、重量無大的限制。
通常情況下大部分的電子元器件降額設(shè)計采用三級降額，個別元器件采用一級降額或二級降額。
2.2 不同應用推薦的降額等級
根據(jù)上述降額等級的劃分和規(guī)定，對不同應用推薦的降額等級見表1。
2.3 降額設(shè)計常用術(shù)語
（1）應力：在貯存/運輸和工作中對于元器件產(chǎn)品的功能產(chǎn)生影響的各種外界因素，統(tǒng)稱為應力。常遇到的有：
電應力：指元器件外加的電壓/電流及功率等。
溫度應力：指元器件所處的工作環(huán)境的溫度。
機械應力：指元器件所承受的直接負荷、壓力、沖擊、振動、碰撞和跌落，等等。
環(huán)境應力：指元器件所處工作環(huán)境條件下除溫度外的其它外界因素，例如：灰塵、溫度、氣壓、鹽霧、腐蝕，等等。
時間應力：指元器件承受應力時間的長短（承受應力時間越長，越易老化或失效。）
（2）基本失效率（λь）：指元器件在額定條件下工作時的失效率，也稱為額定失效率或通用失效率（一般由元器件制造廠產(chǎn)品目錄提供）。
（3）失效率（λр）：指元器件在實際運用狀態(tài)下工作時的失效率，也稱為現(xiàn)場失效率。
一般λр>λь λр =λьΠπī
（4）降額系數(shù)（S）：元器件降額應用時引入一個降額系數(shù)，降額系數(shù)定義實際上與電應力系數(shù)的定義相同，故兩者可以通用。
3 質(zhì)量等級的劃分
對電子元器件進行降額設(shè)計首先要知道電子元器件的質(zhì)量等級。根據(jù)用途，電子元器件的質(zhì)量等級可分為：用于電子元器件生產(chǎn)控制、選擇和采購的質(zhì)量等級和用于電子設(shè)備可靠性預計的質(zhì)量等級兩類，兩者有所區(qū)別，又相互聯(lián)系，前者用于生產(chǎn)、加工過程，后者用于設(shè)計過程中。電子元器件設(shè)計過程中的質(zhì)量等級還要參考生產(chǎn)加工中的質(zhì)量等級。只有嚴格遵循質(zhì)量等級進行選擇電子元器件，才能夠按照其質(zhì)量等級進行降額。不同類型的電子元器件按照各自的質(zhì)量等級標準劃分表2。
4 降額設(shè)計準則
各種電子元器件的降額參數(shù)情況具體如下。
集成電路降額的主要目的在于降低高溫集中部分的溫度，降低由于器件的缺陷而可能失效的工作應力，延長器件的工作壽命。集成電路的降額參數(shù)主要有：電源電壓，輸出電流，頻率，最高結(jié)溫，在實際中主要以輸入電壓和輸出電流為主，在保證正常工作的前提下，降低輸入電壓和輸出電流，功率降下來了，最高結(jié)溫就降下來了。
濾波器的降額參數(shù)主要有：電壓、工作溫度。在實際中主要以電壓為主。
電源模塊的降額參數(shù)主要有：電壓、電流、功率、工作溫度。在實際中主要以功率和工作溫度為主。
高溫是對二極管破壞力最強的應力，所以對二極管的功率和結(jié)溫必須進行降額，電壓擊穿是二極管失效的另一主要原因素，因此二極管的電壓也需要降額。二極管的降額參數(shù)主要有：反向電壓，正向電流，功率，最高結(jié)溫，在實際中主要以反向電壓為主。
高結(jié)溫和結(jié)點高電壓是半導體光電器件的主要破壞性應力，結(jié)溫受結(jié)點電流或功率的影響，所以對半導體光電器件的結(jié)溫、功率和電流都需要進行降額。半導體光電器件的降額參數(shù)主要有：電壓，電流，最高結(jié)溫，在實際中主要以電壓為主。
電阻器件的體積小，過負荷能力強，但是它們的阻值穩(wěn)定性差，熱和電流噪聲大，電壓與溫度系數(shù)比較大。電阻器的降額參數(shù)主要有：電壓，功率，環(huán)境溫度，在實際中主要以環(huán)境溫度為主。
由于電位器是部分接入負載，其功率的額定值應根據(jù)使用阻值按照比例進行降額。電位器的降額參數(shù)主要有：電壓，功率，環(huán)境溫度，在實際中主要以環(huán)境溫度為主。
固定陶瓷電容器絕緣電阻高，對溫度和頻率的穩(wěn)定性好。電降額參數(shù)主要有：直流工作電壓，環(huán)境溫度，在實際中主要以直流工作電壓為主。
電解電容降額的主要參數(shù)是工作電壓和環(huán)境溫度，在實際中主要以工作電壓為主。
為防止絕緣擊穿，線圈的繞組電壓應維持在額定值。工作在低于其設(shè)計頻率范圍的電感元件會產(chǎn)生過熱和可能的磁飽和，使元件的工作壽命縮短，甚至導致線圈絕緣破壞。電感的降額參數(shù)主要有：熱點溫度，工作電流，瞬態(tài)電壓/電流，介質(zhì)耐壓，電壓，在實際中主要以工作電流為主。
開關(guān)的降額準則：連續(xù)觸點電流，觸點額定電壓，觸點額定功率，在實際中主要以觸點額定功率為主。
影響電連接器可靠性的主要因素有插針和插孔的材料，接點電流，有源節(jié)點數(shù)目，插拔次數(shù)和工作環(huán)境溫度。連接器的降額參數(shù)主要有：工作電流，工作電壓，溫度，在實際中主要以溫度為主。
晶體的尺寸與它的工作頻率有關(guān)。晶體降額參數(shù)主要有：驅(qū)動功率和工作溫度，通常晶體的驅(qū)動功率不能降額，因為它直接影響晶體的額定頻率。晶體的工作溫度必須保持在規(guī)定的限制范圍內(nèi)，以保證達到額定的工作頻率，具體工作范圍為：比最低額定溫度高10℃，比最高額定溫度低10℃。在實際中晶體降額主要以溫度為主。
各個電子元器件按照主要的降額參數(shù)，根據(jù)實際輸入的參數(shù)值和該參數(shù)的額定值，就可以計算出對應的降額系數(shù)。
5 降額設(shè)計應用舉例
5.1 事例1
某電子設(shè)備用質(zhì)量等級B2的硅NPN管（單）用于線性電路放大。已知此管使用在GF1環(huán)境中，使用功耗為0.28W，額定功率為0.8W，即電路中采用了降額設(shè)計，環(huán)境溫度為40℃，外加電壓（工作電壓）是額定電壓的60%，按照計算公式，求出工作失效率λр。
對上述問題進行分析與比較如下：如果不采用降額設(shè)計措施，或降額設(shè)計措施不夠，則元器件的基本失效率就會增大?，F(xiàn)假定使用功耗為0.72W，額定功率為0.8W，即降額系數(shù)S=0.72/0.8=0.9，外加電壓是額定電壓的100%，即S2=VCE/VCEO=1，按照計算公式，求出此管的工作失效率λрl。
不采取降額設(shè)計措施與采取降額措施的比較，根據(jù)以上計算，得：
λрl/λр=4.77/0.3608=13.2
就是說，上例不采取降額設(shè)計措施NPN管的工作失效率λр是采取降額設(shè)計措施NPN管工作失效率的13.2倍。因此，降額設(shè)計是很重要的，付出的代價小，而效果大，同時在電路設(shè)計中容易實現(xiàn)。
5.2 事例2
某電子公司在設(shè)計光電產(chǎn)品時，復位信號分壓部分未采用降額設(shè)計，其5伏分壓在常溫時滿足要求。但是在進行低溫時，電阻值降低，導致分壓電壓低于最小額定值，使得系統(tǒng)始終處于復位狀態(tài)。對分壓電路進行降額設(shè)計后，系統(tǒng)低溫工作正常，符合使用要求。
6 結(jié)論
降額設(shè)計是電路可靠性設(shè)計中的一種常用方法，通過降額設(shè)計可以達到降低器件基本失效率、提高產(chǎn)品使用可靠性的目的。本文通過對各種電子元器件的降額等級、質(zhì)量等級、降額準則進行詳細介紹，目的在于為工程技術(shù)人員進行電子設(shè)計時提供參考，使得設(shè)計人員能夠方便、快捷地選用最優(yōu)電子元器件，最大限度地提高電子元器件的可靠性。
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作者簡介
郭振鐸（1982-），現(xiàn)為中原工學院電子信息學院講師。主要研究方向為圖像處理技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用。
郭炳，現(xiàn)為中國電子科技集團公司第二十七研究所工程師，主要從事視頻圖像處理系統(tǒng)開發(fā)。
趙凱，現(xiàn)供職于中國電子科技集團公司第二十七研究所。
作者單位
第7篇：集成電路可靠性設(shè)計范文
縱觀世界全局，汽車大國皆是半導體強國，擁有世界級的汽車品牌，掌握核心關(guān)鍵技術(shù)，具有創(chuàng)新引領(lǐng)能力是成為汽車強國的重要標志。歐美日車系各自培育了與之配套的半導體企業(yè)，如德國車系與Infineon，美國車系與Freescale，日本車系與Renesas形成了長期穩(wěn)定的供應鏈關(guān)系；韓國汽車工業(yè)和半導體產(chǎn)業(yè)雖然崛起較晚，汽車企業(yè)和本土的半導體公司之間尚未形成明顯的配套供應關(guān)系，但近年來三星電子與現(xiàn)代汽車開始策略性同步開發(fā)，積極涉足汽車半導體領(lǐng)域。實現(xiàn)汽車半導體的本土化供應，可以實現(xiàn)對汽車電子廠商需求快速反應和貼近服務的良性支撐，本土公司的最大優(yōu)勢是反應快，由于在本地，從新產(chǎn)品的定義、設(shè)計到制造較為迅速，這對新興市場的快速進入尤其有利。對汽車企業(yè)而言，打造本土化的配套供應體系是高效整合產(chǎn)業(yè)鏈，提升企業(yè)競爭力的有效途徑。
但是迄今為止，我國尚沒有一塊本土芯片“真正”應用到汽車的核心控制領(lǐng)域，這與我國作為全球第一汽車產(chǎn)銷大國的地位極不相稱。汽車半導體技術(shù)的缺失已成為制約我國汽車工業(yè)實現(xiàn)由大到強轉(zhuǎn)變的瓶頸和薄弱環(huán)節(jié)。汽車芯片的短板也嚴重影響了我國汽車電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
因此，在我國由汽車大國向汽車強國實現(xiàn)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變的“十二五”關(guān)鍵時期，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車半導體技術(shù)和產(chǎn)品，對完善產(chǎn)業(yè)鏈、增強我國汽車產(chǎn)業(yè)競爭力具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
本文從技術(shù)、市場及產(chǎn)業(yè)等多個角度對世界及中國汽車半導體產(chǎn)業(yè)進行梳理，分析面臨的機遇，并提出發(fā)展我國汽車半導體的思路和建議。
1 汽車半導體技術(shù)缺失制約了
我國整車及零部件企業(yè)發(fā)展
過去十年汽車工業(yè)的競爭是汽車電子化的競爭，平均每輛汽車采用的半導體器件數(shù)量成倍增長。根據(jù)汽車工程學會資料，從1996到2008年，一輛普通汽車中平均用到的微控制器（MCU）數(shù)量已經(jīng)從6個增加到100個，一些高端車型中甚至達到了250個以上。就平均每輛汽車的半導體用量（全球汽車半導體市場除以全球汽車產(chǎn)量）分析，據(jù)臺灣工研院IEK，2010年平均每輛汽車應用半導體成本已達308美元。依靠半導體和電子系統(tǒng)使汽車變得更加安全、舒適、娛樂、節(jié)能和智能化，是今后汽車工業(yè)進行技術(shù)創(chuàng)新的主要途徑。
汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展離不開強大的基礎(chǔ)電子元器件的支撐，例如，隨著半導體制造工藝的提升，采用90nm工藝的32位微控制器（MCU）的出現(xiàn)和應用，使得汽車電控系統(tǒng)的處理運算能力和控制精度大幅提升。汽車半導體包含MCU、ASIC、模擬IC、功率半導體及傳感器等。2010年全球汽車半導體市場隨著全球景氣復蘇，各地區(qū)之汽車生產(chǎn)數(shù)量大幅回升，呈現(xiàn)高度成長。根據(jù)WSTS統(tǒng)計，2010年全球汽車半導體市場規(guī)模可達230億美元，年成長率高達44.4%。觀察2006~2010年全球汽車半導體市場規(guī)模，其占整體半導體市場比重維持在7%~8%之間。全球汽車半導體市場2006―2010年的年均增長率為8.1%，高于整個半導體市場的平均增速。圖1是2006-2014年全球汽車半導體市場規(guī)模。
從我國情況看，改革開放以來，我國汽車產(chǎn)業(yè)通過跨國合作，引進了資金、技術(shù)、管理和車型，促進了汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但是，歷經(jīng)20多年發(fā)展，這種發(fā)展模式弊端日益顯現(xiàn)。汽車產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)受制于海外，特別是發(fā)動機、底盤的電子控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)缺乏自主研發(fā)能力，使我國汽車產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)整體競爭力遠差于歐美、日本[1]。
我國汽車市場相比北美、歐洲、日本和韓國等成熟市場，主流產(chǎn)品以中低檔車型為主。自主品牌汽車的電子裝備率低于世界平均水平。安森美半導體汽車方案市場營銷總監(jiān)Herve Branquart指出，就每輛汽車中所使用的半導體產(chǎn)品成分而言，北美、歐洲和日韓等傳統(tǒng)汽車市場的平均每輛汽車半導體成分是中國汽車的2倍[2]。造成這種現(xiàn)象的原因之一就是半導體技術(shù)缺失制約了我國本土汽車電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。調(diào)查表明，我國本土汽車電子廠商不少的新開發(fā)項目卡在芯片上，由于國產(chǎn)芯片質(zhì)量不過關(guān)，國外芯片價格太貴，導致新開發(fā)的系統(tǒng)產(chǎn)品成本超出整車廠可以接受的價格范圍而最終放棄。因為找不到合適的芯片而導致本土創(chuàng)新型汽車電子項目流產(chǎn)的例子不在少數(shù)，某民營汽車技術(shù)開發(fā)公司肖經(jīng)理告訴筆者，企業(yè)打算放棄研發(fā)兩年的汽車電子技術(shù)項目。“這項技術(shù)就卡在芯片上。用國內(nèi)的芯片質(zhì)量不過關(guān)，用進口的芯片價格太高，成本下不來。”肖經(jīng)理說，“本來有主機廠找我們，對這個產(chǎn)品很感興趣。但是提到采用國外芯片價格下不來，就接受不了?！?/p>
因為找不到合適的芯片，權(quán)衡利弊，肖經(jīng)理只好放棄這個項目。肖經(jīng)理的經(jīng)歷是一個典型的例子。汽車半導體技術(shù)缺失，已嚴重影響了本土汽車電子和汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
需要看到的是，現(xiàn)階段無論是進口或者國產(chǎn)車型，其所采用的汽車級芯片都是國外的產(chǎn)品，這個市場由Infineon、Freescale、NXP、Renesas、TI等國際大廠牢牢掌握，這些國際巨頭占據(jù)了超過90%的市場份額。這也直接導致了國產(chǎn)車在供應安全上的隱患，無論在2010年市場井噴還是2011年日本地震所造成的供應緊張狀況下，這些芯片廠商首選是優(yōu)先保證國際大廠，其次是合資企業(yè)，從而使得國產(chǎn)車廠都遇到了不同程度的采購困難，給其造成了巨大損失。
因此，無論從自主汽車品牌的供應安全性，還是基于汽車半導體快速增長的市場需求，實現(xiàn)汽車級芯片的國產(chǎn)化，都具有十分重要的現(xiàn)實意義及經(jīng)濟效益。另外，目前車載系統(tǒng)SoC芯片主要由Freescale、NXP、ST等國外少數(shù)芯片企業(yè)供應，國外巨頭的這些車載信息芯片，雖然集成度高、功能強大，但由于其產(chǎn)品線兼顧了消費類、工業(yè)類及汽車類等多種應用，芯片價格非常昂貴，降低了國內(nèi)汽車整車及零部件企業(yè)的競爭優(yōu)勢，制約了他們的發(fā)展。
2 國內(nèi)汽車半導體
企業(yè)缺失的原因分析
2.1 汽車半導體的可靠性、零缺陷要求，造成技術(shù)門檻高
與一般消費用半導體的最大區(qū)別是，汽車半導體需要在極苛刻的環(huán)境下運行。例如可能要工作在-30℃的環(huán)境中，同時還要考慮振動、潮濕、灰塵、油污等其他因素，這就要求汽車半導體要有很高的可靠性和穩(wěn)定性。具體而言，一是寬溫度范圍，一般汽車電子芯片的溫度范圍在-40℃～120℃，很多汽車電子芯片的溫度范圍都在-40℃～150℃之間；二是100%零缺陷，汽車電子廠商通常要求元器件生產(chǎn)商提供100%無缺陷的產(chǎn)品。而目前，中國廠商最缺乏的是整套完善的測試方法和測試系統(tǒng)；三是安全、可靠和穩(wěn)定供貨。汽車不同于一般電子消費品的迅速更新?lián)Q代，汽車壽命一般可達10 年以上，汽車電子產(chǎn)品要求在10～15年內(nèi)，保證安全可靠運行和穩(wěn)定供貨，并且汽車電子解決方案供應商要能夠提供長期的技術(shù)支持。Infineon有一款16位的MCU產(chǎn)品C167，從1985年問世，至今還在生產(chǎn)，穩(wěn)定供貨。汽車電子產(chǎn)品與工業(yè)應用的區(qū)別還在于，前者稍有改動都要層層通知用戶，經(jīng)允許后才能做修改。四是認證嚴格，過程漫長。五是特殊的制造工藝。
客戶對汽車、工業(yè)應用及消費性電子應用半導體產(chǎn)品要求的差異性，參見表1。
汽車半導體在汽車不同的環(huán)境下，所需承受的溫度也有所不同。車室內(nèi)的要求較低，-40℃ ~85℃；引擎蓋下的則在-40℃ ~125℃；引擎上的則在-40 ~150℃。耐震、及發(fā)動后行車過程中的震動承受度也有相當?shù)囊?，而特殊環(huán)境下作業(yè)的車輛則有特殊的要求，參見表2。
上述因素客觀上對汽車半導體新切入者形成相當高的技術(shù)門檻。
2.2 汽車半導體的特殊性更適合采取IDM模式企業(yè)
由于汽車應用講求的是質(zhì)量與安全，半導體產(chǎn)品在設(shè)計、制造、封裝測試等各個環(huán)節(jié)都需符合汽車規(guī)格及獲得車廠認證，因此大多數(shù)的汽車半導體供應商為能夠自行掌控設(shè)計、制造與封測的IDM廠商，而且大多數(shù)半導體制造商各自擁有多項屬于自己專有的半導體技術(shù)及制程工藝。
汽車半導體的高可靠性，包含設(shè)計可靠性和工藝制備可靠性。在設(shè)計過程中，需要保證芯片在極限溫度、電壓和工藝制造的條件下，芯片仍然能夠完成符合設(shè)計要求的特定功能，在這個階段需要運用一系列的高可靠性設(shè)計技術(shù)；在工藝制造方面，需要提供專用的汽車電子工藝庫文件（Library Model）。汽車級芯片的封裝同樣有較高的要求，不僅需要面向汽車應用系統(tǒng)特定的空間包絡和散熱結(jié)構(gòu)進行封裝設(shè)計，還需要滿足汽車級可靠性的振動、溫度指標；對于測試和開發(fā)而言，可靠性依然是最重要的技術(shù)之一，測試廠商需要有汽車級芯片的電磁環(huán)境設(shè)備、老化設(shè)備、溫度沖擊設(shè)備等，應用開發(fā)過程中還需要考慮到特殊電磁干擾情況下對系統(tǒng)采取的冗余性設(shè)計等因素。目前絕大多數(shù)汽車專用芯片制造廠商，如Infineon、ST、Freescale、Microchip、Atmel，全部采用自己的工藝線和封裝線完成芯片的工藝制備，以提高芯片的可靠性。
目前，前三大汽車半導體廠商Renesas、Infineon、Freescale均采IDM模式。
此外，MCU、傳感器等產(chǎn)品，因與動力傳動、底盤控制、安全等應用關(guān)聯(lián)度較高，汽車電子廠商基于對可靠性的追求，采購心態(tài)慎重，傾向找特定廠商合作，因此，產(chǎn)業(yè)集中度偏高，前三大廠商市占率可高達七成以上。
但是，仍有Fabless廠商打入汽車半導體市場，包括CSR、OmniVision等，其產(chǎn)品為藍牙通訊IC及CMOS圖像傳感器，屬車載電子與車身電子次領(lǐng)域。此領(lǐng)域在質(zhì)量與安全的要求上，不像動力傳動、底盤控制、安全等應用般嚴苛。
2.3 本土IC產(chǎn)品進入汽車前裝市場難
從需求層面分析，本土IC產(chǎn)品進入汽車前裝市場難的主要原因：
一是整車廠合資企業(yè)外方在中國大多沿襲了與跨國汽車電子企業(yè)之間在歷史上已經(jīng)形成的配套關(guān)系。我國市場上的轎車產(chǎn)品主要由合資企業(yè)生產(chǎn)，合資企業(yè)的外方牢牢地控制了汽車電子產(chǎn)品配套的決策權(quán)。從合作模式上看，一級汽車電子供應商傾向與特定半導體廠商建立策略性的合作關(guān)系，由此特定廠商供應重要的半導體產(chǎn)品。例如Bosch、Delphi、Denso等歐、美、日汽車電子廠商，分別與本國或本地區(qū)的Infineon、Freescale及Renesas等汽車半導體供應商結(jié)成長期穩(wěn)定的供應鏈關(guān)系。時至今日，即使整車廠就某些零部件供應在全球公開招標，通常亦會對投標的一級汽車電子供應商指定可供選擇的芯片廠商，中標廠商只能從中挑選。在這個環(huán)節(jié)，中國個別已打入國外或合資品牌汽車供應鏈的本土零部件廠商，由于產(chǎn)品大部分直接供應給奧迪、寶馬等高端客戶，這些客戶均指定了芯片制造商，公司只能從中挑選，所以自主選擇的權(quán)利受到了一定限制。
二是整車企業(yè)對產(chǎn)品可靠性的追求。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國具有自主品牌整車企業(yè)雖然有配套采購的決策權(quán)，但出于保證整車產(chǎn)品可靠性和規(guī)避市場風險方面的考慮，目前關(guān)鍵的汽車電子產(chǎn)品還是優(yōu)先考慮采購世界跨國知名企業(yè)或其在華獨資、合資企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品。
2.4 我國IC企業(yè)實力有限，切入汽車半導體的意愿不高
首先，盡管中國的汽車產(chǎn)銷量突破1800萬輛，已躍居為全球第一汽車消費大國。但相對于手機、電腦、電視等消費類電子產(chǎn)品，中國汽車市場的總?cè)萘亢驮鲩L空間有限，中國企業(yè)過多追求眼前利益，不想將資金投入到汽車半導體的研發(fā)上，而是都集中在研發(fā)投入小，周期短，收效快的消費類電子產(chǎn)品上。
其次，汽車半導體的研發(fā)周期長，技術(shù)門檻高，且存在一定的風險，國際汽車半導體廠商與歐、美、日等各國汽車廠商已經(jīng)形成穩(wěn)固的供應鏈體系并占據(jù)著壟斷的地位，而本土的半導體企業(yè)大多是小而散，無法單獨地走自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的道路，與國際汽車半導體巨頭無法抗衡。
此外，客戶一般要求汽車半導體廠商具備超過15年的持續(xù)供貨和技術(shù)支持能力，國內(nèi)IC企業(yè)起步晚，技術(shù)資金實力弱，穩(wěn)健經(jīng)營能力差，能夠持續(xù)經(jīng)營10年以上的企業(yè)已不多見。
3 未來十年將是
我國汽車半導體發(fā)展的機會之窗
雖然目前汽車半導體廠商仍以IDM模式為主，但是汽車電子產(chǎn)業(yè)鏈逐漸放開的趨勢明顯。
一是車廠出于降低成本，提升市場競爭力的需要，對新型汽車電子零部件供應逐漸轉(zhuǎn)向全球采購，公開招標，同步開發(fā)模式，這就給了新進入者切入相對封閉的汽車供應鏈以機會。
二是近年來，隨著半導體工藝技術(shù)進步所導致的研發(fā)費用飚升，傳統(tǒng)IDM廠商轉(zhuǎn)向資產(chǎn)輕簡化（（Fab-lite）策略，汽車半導體廠商開始把部分訂單委托給Foundry廠代工，如Freescale把部分汽車MCU型號委托臺積電制造；Renesas公司則公開宣布在日本地震破壞后的生產(chǎn)線重建調(diào)整中，將把汽車MCU產(chǎn)品交由全球晶圓（Globalfoundry）在新加坡的Foundry廠生產(chǎn)。目前臺積電、聯(lián)電、上海先進等Foundry廠以及日月光等封裝測試廠為汽車級芯片提供專業(yè)代工的生產(chǎn)、封測工藝已經(jīng)成熟，代工產(chǎn)品種類較為齊全，這為我國Fabless類型的企業(yè)切入汽車半導體提供了可行的產(chǎn)業(yè)環(huán)境。
三是未來十年將是新能源汽車的技術(shù)成熟期和市場導入期，新能源汽車半導體的興起將成為我國IC廠商跨入汽車半導體的產(chǎn)業(yè)機遇。
3.1 中國汽車產(chǎn)業(yè)鏈尚在發(fā)展，合資與自主品牌車廠皆有IC廠商空間
以往全球汽車市場以歐、美、日等發(fā)達國家為主，但近年來以我國為首的新興國家，經(jīng)濟成長快速，汽車銷售量占全球比重持續(xù)上升，已使我國成為全球最大單一國家市場。我國政府亦利用此情勢，全力發(fā)展汽車及相關(guān)產(chǎn)業(yè)。相對于歐、美、日等國汽車及相關(guān)產(chǎn)業(yè)之成熟完備，我國自主品牌汽車及汽車電子產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展階段，尚未形成穩(wěn)固的供應鏈體系，本土IC廠商較有機會導入。
我國汽車企業(yè)可分為中外合資車廠與自主品牌車廠兩類。中外合資的車廠由外商主導技術(shù)和采購環(huán)節(jié)，與汽車電子相關(guān)的采購多延襲原有的供應體系；但因終端市場是中國，平均售價比成熟市場要低，成本也需隨之向下調(diào)整，既有零部件供應商不一定可滿足此需求，而給新進廠商帶來商機。另一方面，我國自主品牌車廠為增強整車產(chǎn)品的市場競爭力，有提高零部件國產(chǎn)化配套率，建構(gòu)以本土廠商為主的供應體系的客觀需要，亦提供本土IC廠商發(fā)展空間。
3.2 IC廠商可由車身控制電子、車載電子等應用領(lǐng)域跨入
由于駕駛或乘坐汽車與人身安全直接相關(guān)，車廠對零組件的采購以質(zhì)量為重，與價格導向的3C產(chǎn)業(yè)迥異。為了配合質(zhì)量的要求，車廠對汽車零組件的認證時程動輒超過兩年，為新進廠商設(shè)下高門坎。汽車產(chǎn)業(yè)鏈相對封閉，各車廠都有長期配合的一級零部件供應商，甚至二、三級廠商的供應關(guān)系也相當穩(wěn)固。
對有意跨入汽車半導體的IC廠商來說，動力傳動、底盤控制與安全等領(lǐng)域為汽車的核心結(jié)構(gòu)單元，對質(zhì)量的要求最高，車廠與汽車電子廠商不會輕易引進新的零組件或半導體供應商。而車身控制與車載電子等相對周邊的領(lǐng)域，新進廠商較有切入的空間。
目前在車身控制與車載電子用MCU或ASIC產(chǎn)品，已有本土IC廠商投入并取得進展。而IC廠商已有移動電話或液晶電視等應用領(lǐng)域的多媒體應用處理器與相關(guān)通訊IC產(chǎn)品，以此為基礎(chǔ)，可跨入車載電子用ASIC。
3.3 新能源汽車半導體成長性高，前景廣闊
受到政府激勵項目的影響及混合動力汽車在市場上獲得成功的推動，越來越多的汽車廠基于電動機的汽車型號。但是半導體市場還沒有為此類汽車技術(shù)做好準備，目前為這類汽車開發(fā)出的大多數(shù)元器件是源自應用于工業(yè)或商業(yè)應用的現(xiàn)有產(chǎn)品。未來新能源汽車將更加依賴汽車半導體和電子系統(tǒng)，新能源車所采用的電子元器件數(shù)量是傳統(tǒng)汽車的兩倍，所需要的半導體器件數(shù)量是現(xiàn)在汽車的5倍。另外，研究表明，2010-2020年將是以純電動車為代表的新能源汽車的技術(shù)成熟期和市場導入期，2020年新能源汽車的銷售預計將占市場銷售汽車的5-10%的份額。5%的市場份額乘以高出5倍的半導體產(chǎn)品成分，相當于占整體半導體市場的五分之一。電源IC及功率晶體管受新能源車驅(qū)動成長性高，但技術(shù)門坎亦高。
在全球政府積極推動新能源車之下，使此市場深具成長潛力，吸引包含既有車廠及新進車廠的關(guān)注與投入。新能源車在動力傳輸?shù)炔糠?，異于以引擎為動力的傳統(tǒng)車，形成包括電池、馬達、變頻器、電源及電池管理IC、功率晶體管等供需缺口。
由于動力傳輸部分為汽車核心組成單元，既有車廠仍以自行開發(fā)或與既有汽車電子廠商合作為主，不足之處亦以新進大廠為優(yōu)先選擇。但如美國Tesla等電動車廠，由于規(guī)模小，在布局供應鏈時不一定能吸引大廠與之配合，而為中小型廠商提供了發(fā)展契機。
不過，用于新能源車的電源及電池管理IC、功率晶體管，需用遠高于3C應用的高壓制程制作，并具備對電池更為復雜嚴謹?shù)谋Ｗo與管理能力。就現(xiàn)階段相關(guān)IC廠商之技術(shù)水準來看，較上述要求仍有相當差距。
4 我國汽車半導體發(fā)展現(xiàn)狀
看到汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展給半導體企業(yè)帶來的機遇，國內(nèi)部分有實力和遠見的汽車電子企業(yè)開始了這方面的積極探索和嘗試，并取得一定的進展。同時，一些中國集成電路設(shè)計企業(yè)在成功介入并占據(jù)消費電子、工業(yè)電子部分細分市場之后，開始瞄準有著龐大市場容量但介入門檻較高的汽車半導體領(lǐng)域。
啟明信息技術(shù)股份有限公司成立于2000年10月，其前身是中國第一汽車集團公司電子計算處，目前是國內(nèi)唯一一家專門從事汽車業(yè)管理軟件與汽車電子產(chǎn)品研發(fā)、制造及服務的高科技企業(yè)。啟明公司是一汽集團車載電子產(chǎn)品核心支撐資源，一直承接一汽集團自主車載電子產(chǎn)品的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作，已經(jīng)開發(fā)汽車電子控制系統(tǒng)、車載信息系統(tǒng)等汽車電子產(chǎn)品40余項。其中，車載導航視聽系統(tǒng)、3G車載信息終端、汽車智能防盜報警器、GPS車載監(jiān)控終端等19項產(chǎn)品已形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，并取得了可觀的經(jīng)濟效益。啟明公司下設(shè)車載集成電路創(chuàng)新中心，由留美海歸蘇杰博士領(lǐng)導，中心目前有車載集成電路專業(yè)設(shè)計工程師39人，核心團隊成員有10年以上在國際著名汽車電子芯片公司的設(shè)計工作經(jīng)驗。至今已經(jīng)完成了4款車載核心芯片的總體方案設(shè)計，芯片功能定義，SoC框架設(shè)計。2010年初與協(xié)作單位聯(lián)合開發(fā)的車控SoC芯片已經(jīng)流片成功，完成系統(tǒng)樣機設(shè)計，正在整車考核平臺測試考核驗證。
艾科創(chuàng)新2006年開始累計投入4000余萬元設(shè)計車載信息終端核心芯片及產(chǎn)業(yè)化方案，基于國外成熟的汽車電子芯片生產(chǎn)工藝，對EMC、ESD、Latch up以及寬溫區(qū)苛刻環(huán)境下核心芯片可靠性設(shè)計，積累了大量經(jīng)驗，是目前國內(nèi)唯一一家在該市場領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)銷售的芯片設(shè)計公司。其第一/二代（0.18/0.13um工藝）芯片累計實現(xiàn)近100萬片的銷量，第二代芯片已進入國內(nèi)知名車廠的前裝應用；公司第三代芯片（65nm工藝）測試樣片功能性能經(jīng)測試達到預期設(shè)計目標。
深圳比亞迪微電子有限公司作為比亞迪股份公司的全資子公司，成立于2004年，經(jīng)過七年的發(fā)展，現(xiàn)有員工總?cè)藬?shù)2500多人，在深圳、寧波擁有兩大生產(chǎn)基地。目前產(chǎn)品主要覆蓋功率半導體器件、IGBT功率模塊、電源管理IC、CMOS圖像傳感器、傳感及控制IC、音視頻處理IC等。產(chǎn)品應用領(lǐng)域覆蓋了對光、電、磁及聲等信號的感應、處理及控制，提供IC產(chǎn)品及完整的解決方案?？蛻舭ㄈA為、諾基亞、三星、比亞迪汽車等。當前已開展IGBT、FRD、MOSFET、VDMOS、MEMS等新產(chǎn)品的研發(fā)，這些產(chǎn)品將為比亞迪集團在電池，新能源汽車方面的發(fā)展戰(zhàn)略提供保障。
比亞迪微電子在車載多媒體主控芯片方面，有一款產(chǎn)品已經(jīng)完成開發(fā)，由其制作的車載多媒體整機正在整車廠進行測試。比亞迪微電子母公司是自主品牌汽車生產(chǎn)企業(yè)，很好地結(jié)合了行業(yè)、技術(shù)、人才及應用的基礎(chǔ)優(yōu)勢,是其在汽車相關(guān)半導體設(shè)計及應用上得天獨厚的優(yōu)勢。
上海海爾集成電路自2000年成立，海爾集團作為投資方之一，在產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)品應用方面給與了大力支持。憑借集團的支持，上海海爾集成電路打開了國內(nèi)白色家電、電表、工業(yè)控制、汽車電子等MCU市場。目前，該公司研制的三款汽車MCU芯片已在HID車燈控制器和汽車空調(diào)控制器中投入使用，累計銷售芯片超過千萬顆。
此外，上海飛樂股份有限公司與上海大學聯(lián)合研發(fā)了汽車電子控制器專用芯片,目前該芯片已經(jīng)隨相關(guān)控制模塊進入汽車配套渠道;上海小糸與上海信耀聯(lián)合開發(fā)的燈光控制模塊和芯片，已經(jīng)成功應用于奧迪等車型;上海森太克的車速、壓力、溫度、制動傳感器也接到一級汽車電子供應商的訂單。高浪科技研發(fā)了傳感器集成電路以及其他汽車專用雙極產(chǎn)品。西安華訊公司研發(fā)的GPS導航芯片與其他產(chǎn)品集成，形成具備導航和移動電視功能的模塊，進入了某國產(chǎn)品牌汽車中。這些Fabless涉足的汽車電子產(chǎn)品包括了MCU、功率器件、傳感器、GPS芯片以及照明控制芯片等。
5 發(fā)展建議
5.1 把發(fā)展汽車半導體和汽車電子作為打造汽車支柱產(chǎn)業(yè)的主要議題
未來中長期發(fā)展規(guī)劃中繼續(xù)體現(xiàn)與落實，政府在政策導向方面應引導企業(yè)往汽車電子高端領(lǐng)域發(fā)展；應有利于促進汽車整機廠采用具有國際先進水平的國產(chǎn)化產(chǎn)品。
5.2 緊密結(jié)合國內(nèi)汽車和零部件企業(yè)，開發(fā)適用于汽車前裝的汽車級芯片
結(jié)合新能源汽車的發(fā)展契機，以實現(xiàn)芯片國產(chǎn)化配套，提升自主品牌汽車競爭力為訴求；以汽車半導體產(chǎn)業(yè)化一條龍工程為抓手帶動國內(nèi)汽車電子、相關(guān)零部件及汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。世界范圍內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史表明：只有整車自己做，才能扶持出自己的發(fā)動機、變速器等零部件產(chǎn)業(yè)；只有發(fā)動機自己做，才能扶持出自己的EMS企業(yè)；只有ECU自己做，才能扶持出自己的汽車半導體產(chǎn)業(yè)、軟件開發(fā)產(chǎn)業(yè)。因此，汽車半導體的國產(chǎn)化只能走依靠自主品牌汽車崛起的道路。
5.3 成立汽車半導體創(chuàng)新應用聯(lián)盟，構(gòu)建包括芯片與整車廠在內(nèi)的大產(chǎn)業(yè)鏈
政府主導，吸納整合國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)上的優(yōu)勢企業(yè)，成立跨行業(yè)的汽車半導體創(chuàng)新應用聯(lián)盟，支持聯(lián)盟內(nèi)設(shè)計、制造、封裝測試和應用等各個環(huán)節(jié)的企業(yè)開展針對汽車半導體特殊性要求的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，實施汽車半導體產(chǎn)業(yè)化一條龍工程。在重大科技專項中，設(shè)立汽車半導體課題，協(xié)調(diào)一、二專項，以聯(lián)盟為實施載體，對汽車半導體的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進行重點支持，支持要長期不懈。
5.4 扶持具有整車企業(yè)背景的汽車電子廠商，培育自主品牌龍頭企業(yè)
扶優(yōu)、扶大、扶強，培育龍頭企業(yè)，發(fā)揮示范帶頭作用。幫助中小企業(yè)與國內(nèi)整車商進行更深入的合作。
5.5 結(jié)合我國實際、參考國際標準，盡快出臺汽車電子相關(guān)標準
參考文獻
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第8篇：集成電路可靠性設(shè)計范文
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及國家出臺的節(jié)能降耗政策，與電子設(shè)備密不可分的開關(guān)電源技術(shù)在人們生活、工作中的得到越來越廣泛的應用，任何的電子設(shè)備離不開可靠的電源，相應地它們對電源的要求越來越高。為了開關(guān)電源的快速發(fā)展也為促進我國的國民經(jīng)濟進一步發(fā)展做出貢獻必須堅持走技術(shù)創(chuàng)新之路，堅持可持續(xù)發(fā)展觀，將節(jié)能減排與技術(shù)發(fā)展緊密結(jié)合。
1、高頻化
理論分析以及實踐經(jīng)驗表明， 當我們把供電頻率提高的時候，用電設(shè)備的體積重量以其供電頻率的平方根成反比地減小。這正是開關(guān)電源新技術(shù)得以實現(xiàn)功率變頻而帶來明顯效益的根本原因。以此方法應用到電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、合閘用等各種直流電源類整機加以類似地改造，其主要材料可以節(jié)約90%甚至更高， 還可以做到省電30%及以上。技術(shù)升級帶來物質(zhì)材料的減少，從而降低了成本，提高了市場競爭力，也節(jié)約了各種物資。這些經(jīng)濟效益的反應體現(xiàn)了技術(shù)含量的價值。如果單純地追求高頻化，開關(guān)電源的噪聲也會隨之而增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，原理上在提高頻率的同時又可以降低噪聲。所以，開關(guān)電源的又一發(fā)展方向是盡可能地降低噪聲影響。
2、數(shù)字化
傳統(tǒng)的開關(guān)電源技術(shù)中，是靠模擬式信號控制來設(shè)計和工作的。幾十年前，開關(guān)電源技術(shù)完全是建立在模擬電路的基礎(chǔ)之上的。但是數(shù)字信號處理技術(shù)日臻完善成熟，越來越多的優(yōu)點被顯示出來：便于計算機處理和控制，可以使模擬信號傳遞的真實可靠，提高其抗干擾的能力，便于軟件包調(diào)試和遙感、遙測、遙調(diào)，也便于其它技術(shù)的植入。目前，在整個的電子模擬電路系統(tǒng)中，網(wǎng)絡、電視、通訊、音響設(shè)備、照片處理等都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化，而最后一個沒有數(shù)字化的領(lǐng)域就是電源。近年來，數(shù)字電源的研究勢頭旺盛，成果也越來越多。開關(guān)電源的發(fā)展離不開數(shù)字化。
3、模塊化
模塊化指功率器件的模塊化以及電源單元的模塊化。生活中常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊（SPM）。近年，有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊（IPM），不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設(shè)計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力（表現(xiàn)為過電壓、過電流、毛刺）。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊（ASPM），它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設(shè)計，達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路（ASIC）。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構(gòu)成一臺新型的開關(guān)電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。
4、綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義： 一是發(fā)電容量的節(jié)約，發(fā)電過程對環(huán)境造成了很大的污染，節(jié)電就意味著為環(huán)境的綠化做了貢獻。二這些電源盡可能少地或不對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，許多電子設(shè)備向電網(wǎng)諸如嚴重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)很多問題甚至缺角和畸變。國際電工委員會（IEC）對此還制定了一系列標準，如IEC555、IECl000、IEC917等。在當今，節(jié)能環(huán)保被人們越來越重視，電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來愈突出，對電能的合理利用也是非常重要的。在開關(guān)電源的廣泛應用發(fā)展下，開關(guān)電源的體積變小了，效率提高了， 正向著小型化和高頻化的方向發(fā)展，但也存在著能量的損耗，所以節(jié)能對于開關(guān)電源也有重要意義。首先，開關(guān)電源的節(jié)能就是提高開關(guān)電源的效率，對開關(guān)電源的能耗進行分析可知對開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)和元器件進行改進可以提高開關(guān)電源效率，從而達到節(jié)能目的。其次，降低開關(guān)電源的開關(guān)損耗方法主要是軟開關(guān)技術(shù)，理論上說是可以將開關(guān)電源的開關(guān)損耗降低到零，使其更加節(jié)能環(huán)保?？梢婇_關(guān)電源小型化的發(fā)展趨勢與開關(guān)電源的節(jié)能是相輔相成的。在大力提倡節(jié)能環(huán)保的環(huán)境下， 對開關(guān)電源節(jié)能的研究、提高開關(guān)電源的效率就顯得意義重大，它適應了當今科技發(fā)展的潮流， 也符合人們生活的需要。
開關(guān)電源的發(fā)展趨勢將以“四化”為主流即應用技能的智能化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化，這些會使產(chǎn)品性能可靠、成熟、經(jīng)濟、實用。
5、開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的前景展望
當開關(guān)電源按照理想的發(fā)展趨勢發(fā)展下去，將標志著開關(guān)電源技術(shù)的成熟。隨著電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景更加廣闊，我國的開關(guān)電源也得到快速發(fā)展。近年來，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源，吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行研究和開發(fā)，開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨。我國產(chǎn)品的性能雖然有了很大提高，能基本滿足國內(nèi)用戶的要求，但與國外比起來，在設(shè)計技術(shù)、生產(chǎn)規(guī)模、制造工藝、可靠性重視程度和產(chǎn)品更新速度等方面，仍然存在不小的差距。因此，為了把具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源產(chǎn)業(yè)牢牢占據(jù)。我國應提高質(zhì)量管理、加強可靠性設(shè)計、降低產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)成本、加快產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)、實現(xiàn)產(chǎn)品的標準化和系列化， 成為國內(nèi)電源生產(chǎn)廠商迎接挑戰(zhàn)，壯大自身實力。
參考文獻
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第9篇：集成電路可靠性設(shè)計范文
關(guān)鍵詞：純電動轎車；CAN總線；拓撲
中圖分類號：U469.72+2文獻標文獻標志碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.02.010
Development of CAN System in Electric Vehicles
Wang Huan，Du Quanhui，Yin Huajun，Shan Rongming
(EV Research & Development Center，China Automotive Engineering Research Institute，Chongqing 400039，China)
Abstract：A new controller area network （CAN） bus system in electric vehicles was developed based on the original CAN bus system in a conventional gasoline vehicle according to ISO11898―1. The CAN network topology, application layer protocols, requirements specification and test specification were designed based on the target requirement of electric vehicle power train system. The function and performance of the new CAN system was tested and verified by simulation and an actual test. The test results show that the designed CAN network meets the requirements of design specification and guarantees the safety and reliability of the communication in electric vehicles and that the method and procedure proposed in this paper are applicable for the CAN bus system development.
Key words：electric vehicle；CAN bus；topology
CAN（Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)的簡稱。針對CAN總線技術(shù)，國際標準委員會已經(jīng)推出了ISO 11898―1/2/3/4/5相關(guān)標準，其中，ISO 11898―1標準對CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進行了詳細描述和定義[1]。
CAN總線各節(jié)點采用串行總線方式實現(xiàn)通訊，節(jié)點物理層采用專用的集成電路塊，將諸如數(shù)據(jù)的CRC校驗、出錯初步處理、接收濾波等功能都在集成電路中完成[2]。CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通訊數(shù)據(jù)的內(nèi)容格式，CAN2.0A定義了11位ID標準格式，CAN2.0B新增定義29位ID擴展格式[3]。目前，基于ISO 11898對CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)定，針對不同應用領(lǐng)域，已形成部分應用層通訊協(xié)議，包括商用車應用層協(xié)議SAEJ1939[4]，針對航空應用領(lǐng)域的CANAerospace以及CANopen、DeviceNet等；就轎車而言，目前沒有形成公開標準的應用層協(xié)議標準，開發(fā)者需針對不同的應用對象，開發(fā)制定滿足各自應用需求的CAN總線應用層通訊協(xié)議。
1 整車CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)開發(fā)
本文基于原車CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)的解析，設(shè)計了純電動轎車CAN總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、應用層通訊協(xié)議和相關(guān)開發(fā)規(guī)范。
1.1 SX4原車CAN總線網(wǎng)絡解析
SX4車型為手動擋配置，原車共包括1個CAN網(wǎng)段[5]，其拓撲結(jié)構(gòu)（圖1）共包括4個CAN節(jié)點：發(fā)動機控制單元ECU、車身管理單元BCU、制動防抱死控制系統(tǒng)ABS、儀表顯示單元ICU。
采用CANoe總線仿真測試分析工具得到原車CAN網(wǎng)段采用11位ID標準幀、通訊速率為500 kbps，原車網(wǎng)絡各節(jié)點報文如圖2所示。
YY5純電動轎車取消了發(fā)動機及其ECU。整車控制器作為原車CAN網(wǎng)絡與純電動車動力總成CAN網(wǎng)絡之間的網(wǎng)關(guān)代替發(fā)送ECU相關(guān)信號以保證去掉ECU后原車網(wǎng)絡其它節(jié)點的正常工作。因此，必須對ECU節(jié)點接收和發(fā)送的關(guān)鍵信息進行專門解析，解析結(jié)果見表2。
1.2 整車CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)設(shè)計
1.2.1 拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文開發(fā)設(shè)計的純電動轎車整車CAN網(wǎng)絡共包括3個網(wǎng)段，分別為CAN1、CAN2、CAN3。整車網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。
CAN1網(wǎng)段由原車去掉ECU后剩余節(jié)點構(gòu)成；CAN2網(wǎng)段由純電動轎車動力總成關(guān)鍵部件構(gòu)成，主要包括整車控制器EVCU、電池管理系統(tǒng)BMS、電機控制器IPU、多媒體顯示系統(tǒng)ICM；CAN3網(wǎng)段用于充電過程中電池管理系統(tǒng)BMS、充電機控制系統(tǒng)CCS以及ICM的信息交互。
1.2.2 應用層通訊協(xié)議設(shè)計
為保證與原車網(wǎng)絡的兼容性，設(shè)計純電動轎車整車CAN網(wǎng)絡通訊速率為500 kbps，數(shù)據(jù)鏈路層采用11位ID格式標準幀，幀結(jié)構(gòu)如圖4所示[3]。
本文重點設(shè)計了動力總成系統(tǒng)CAN2網(wǎng)段的應用層通訊協(xié)議，定義了網(wǎng)絡報文數(shù)目、報文ID、報文長度、報文發(fā)送類型、發(fā)送周期以及信號內(nèi)容等，各節(jié)點發(fā)送報文及其周期見表3。各報文發(fā)送的信號內(nèi)容主要分為3類：控制信號、狀態(tài)信號以及故障診斷信息，其中故障診斷信息報文主要參考ISO 15765―3[6]。
1.2.3 規(guī)范制定
結(jié)合ISO 11898以及汽車行業(yè)相關(guān)標準，本文針對節(jié)點及系統(tǒng)制定了開發(fā)需求規(guī)范和測試規(guī)范，內(nèi)容包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、交互層、網(wǎng)絡錯誤處理以及網(wǎng)絡管理[7-8]。
2 仿真分析與實物測試
2.1 仿真分析結(jié)果
為驗證所設(shè)計的整車CAN網(wǎng)絡的可靠性和實時性，重點針對3個網(wǎng)段的網(wǎng)絡負載以及節(jié)點報文周期抖動的最大延遲時間進行了仿真測試，測試結(jié)果見表4。
從表4可知，CAN2網(wǎng)絡最高總線負載率為12.3%，總線負載率均滿足YY5純電動轎車CAN網(wǎng)絡開發(fā)需求規(guī)范[7]。
以整車動力總成系統(tǒng)CAN2網(wǎng)段為例，仿真測試得到各節(jié)點報文傳輸?shù)淖畲笱舆t時間見表5。仿真過程中，針對事件型報文，為測試其周期抖動的最大延遲時間，假設(shè)該報文以10 ms周期發(fā)送。
從表5可知，各報文的最大延遲時間均不超過報文周期的10%，滿足需求規(guī)范的要求[7]。
仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計的CAN總線系統(tǒng)滿足需求規(guī)范與測試規(guī)范要求，可依據(jù)該拓撲結(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議實施各節(jié)點通訊模塊的開發(fā)。
2.2 實物測試分析
為驗證各實物節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)絡后的通訊性能，本文依據(jù)測試規(guī)范，采用CANoe對各實物節(jié)點及整車CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了測試分析。
2.2.1 物理層測試
物理層測試主要包括總線輸出電壓、上升/下降沿時間測試[8]。
以CAN2網(wǎng)段中電池管理系統(tǒng)BMS節(jié)點為例，監(jiān)測得到該節(jié)點發(fā)送的顯性位和隱性位的電壓波形分別如圖4和圖5所示。
分析電壓波形測試結(jié)果，得到節(jié)點物理層測試結(jié)果見表6。
測試結(jié)果表明，該節(jié)點CAN輸出電壓滿足測試規(guī)范要求，物理層電路設(shè)計滿足需求規(guī)范要求[7]。
2.2.2 單個節(jié)點實時性測試
以整車動力總成系統(tǒng)CAN2網(wǎng)段為例，測試得到各單個實物節(jié)點發(fā)送周期型報文的最大延遲時間見表7。
測試結(jié)果表明，該網(wǎng)段內(nèi)各節(jié)點單獨發(fā)送周期型報文的最大延遲時間不超過1%，滿足需求規(guī)范對報文發(fā)送周期抖動延遲時間的要求[7]。
2.3 仿真與實物測試結(jié)果對比分析
對比表5與表7分析發(fā)現(xiàn)，單個節(jié)點發(fā)送報文的周期延遲時間小于所有節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)絡時的仿真測試結(jié)果，原因在于，仿真整個網(wǎng)絡實時性時，消息的發(fā)送周期依賴于同一仿真工具CANoe，并且各節(jié)點消息間存在沖突競爭，因此，消息的延遲時間較大，但最大延遲時間滿足網(wǎng)絡測試規(guī)范要求，為該網(wǎng)絡的可靠性設(shè)計提供了理論依據(jù)；而對于單個實物節(jié)點，報文周期只取決于各節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)及通訊模塊硬件電路，發(fā)送報文不存在競爭，報文發(fā)送延遲時間較小。測試結(jié)果證明，各節(jié)點通訊模塊設(shè)計符合需求規(guī)范要求，為實物節(jié)點構(gòu)成的CAN網(wǎng)絡的實時性和可靠性奠定了基礎(chǔ)。
3 結(jié)論
本文針對基于傳統(tǒng)汽油轎車研發(fā)的YY5純電動轎車，設(shè)計開發(fā)了整車CAN總線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)，采用CAN總線仿真分析與測試工具CANoe對所設(shè)計的CAN網(wǎng)絡進行了仿真測試，對實物節(jié)點的CAN通訊性能進行了實物測試驗證，仿真與實物測試結(jié)果表明，按照本文設(shè)計的需求規(guī)范和應用層通訊協(xié)議開發(fā)的CAN總線節(jié)點及其構(gòu)成的網(wǎng)絡系統(tǒng)滿足相關(guān)標準與測試規(guī)范要求，能夠保證整車通訊網(wǎng)絡的安全性與可靠性；本文制定的開發(fā)流程適用于基于傳統(tǒng)車型的純電動轎車CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)的開發(fā)。
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