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全球巨头豪掷重金布局汽车市场国产芯片能否

2018-09-18 01:50:12 作者: 0人读过 | 我要赞

全球巨头豪掷重金布局汽车市场 国产芯片能否夹缝新生?

近期,全球半导体硅片缺货状况加剧。业界消息称,缺货将延续至2019年底,产品价格也将一路涨至明年。从需求看,目前汽车芯片市场规模并非最大,但未来几年受自动驾驶、车联及智能座舱需求快速增长刺激,汽车芯片需求增速将高于其他应用领域。

据相关统计数据显示,芯片在每辆汽车中的价值从2000年的250美元飙升至去年的350美元。近三年全球车用芯片市场正以超过年复合增长率30%的速度增长,2017年市场规模接近350亿美元,汽车市场被认为是半导体芯片市场中成长最快的应用领域。

可以预见的是,汽车芯片在未来年,在国内将会迎来一个大的发展浪潮。国内在政策和资金方面,也给了充足的空间。对于国内的芯片企业而言,机遇永远存在,但能否抓住,是一个问题。

通过相关企业的调研访谈,《高工智能汽车》将会从芯片的基本组成、标准规范、行业趋势等方面,对国内汽车芯片的发展机会和风险做一个解读。

芯片=集成电路 (IC)

芯片(Chip),又称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成电路(英语:integrated circuit, IC)。是指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。

通俗来讲,芯片就是集成了大量电子电路的一个载体。有时候,芯片或者集成电路行业,也会被称为半导体行业。这是因为电子电路多半是用半导体材料制成,而芯片是电子电路的集成。因此有时候会范范的将芯片也成为半导体。

芯片从工艺上讲,涉及设计、制图(通常由EDA完成)、制造、封装等过程。设计包括规格制定、细节设计等,需要明确目的、遵守行业规范等,拥有芯片设计能力的公司凤毛麟角,都是站在金字塔尖的。

这样的公司有英特尔、高通、博通、英伟达、美满、赛灵思、Altera、联发科、海思、展讯、中兴微电子、华大、大唐、智芯、敦泰、士兰、中星、格科等。

制造可简单分为四个过程,金属溅镀、涂布光阻、蚀刻技术、光阻去除,所有的过程都要晶元上完成。由于芯片本身材质的原因,容易刮伤损坏,因此完成制造过程后,通常会在外面包裹一个坚硬的外壳,这个过程就是封装。

封装通常有两种,DIP (Dual Inline Package)双排直立式封装、BGA(Ball Grid Array)球格阵列封装。前者多见于简单功能的芯片(如电压放大器),后者则用多用在复杂的芯片上(如电脑的芯片)。

以上两种是传统的封装方式,芯片本身是提供算力支持,几乎涵盖了各个行业,而随着现在各种功能的集成化,小型化,智能化,原有的芯片封装方式难以满足更小体积上完成更多功能的需求。藉此,一种新的封装方式出现了SoC(System On Chip)以及 SiP(System In Packet)。

所谓SOC,意思就是系统级芯片,或者叫做片上系统,系统级的芯片主要构成有芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU 内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、和外部进行通讯的接口模块、含有ADC /DAC 的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块;而针对其它不同功能的SOC,组成部分会发生不同。

简而言之,SOC就是将原来完成单独功能的芯片,进行了芯片级的集成,使得其在原油芯片大小不发生太大变化的情况下

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,可以完成更多功能。

当然实现SOC,并不是没有难点,它要兼顾各个IC之间的功能,互不干扰,同时SOC还需要其它IC厂商的IP(intellectual property)授权,这都会增加成本以及协调难度。但对于没有独立设计IC能力的公司而言,SOC是一种折中的方式。为了省去更多的麻烦,另外一种新的方式出现了,即SIP。

SIP意为系统级封装,它并无一定型态,可为多芯片模块(Multi-chipModule;MCM)的平面式2D封装,也可再利用3D封装的结构,还有一种以多功能性基板整合组件的方式。SIP跟SOC不同,它是直接购买具有独立功能的IC,然后进行封装,减少了IP授权的部分,同时也避免了各个IC之间的干扰。相对成本更低廉,难度较小。

以上,从生产制造,研发的角度上来讲,难度等级为IC SoC Sip。一块芯片从设计、制造、完成后,还需要经过测试的过程,只有通过测试,才能证明芯片合格。

其中主要的半导体封装与测试企业有安靠、星科金朋、J-devices、Unisem、Nepes、日月光、力成、南茂、颀邦、京元电子、福懋、菱生精密、矽品、长电、优特等公司。

中立的AEC-Q 100

芯片经历设计、制造等过程,终于从车间走了出来,颇为不易,业内专门有一个名词形容这一个小节点:流片。所谓流片,就是指试生产,即成型的芯片,要先试制一定数量的测试样品,供初级的功能测试。

如果测试没有问题,就可以进入大规模量产了。当然,如果测试出现问题,就又得重头再来,解决问题,重新流片。

流片,并不是免费的。不同的流片渠道、规模以及流片方,流片的价格都会有极大的不同。

据CIC(国研院晶片中心)公开的价格:台积电28nm,小面积下是大约23.5万RMB每平方毫米;45nm大约是12万RMB每平方毫米。

《高工智能汽车》采访了资深业内人士,了解到一款28nm芯片的流片成本通常在1500万美金左右,由类似于台积电这样的厂商完成,意法半导体也在做这样的业务,但规模较小。

一块芯片的成型,并不是一蹴而就的,很可能会经过修修改改。业内人士表示,完成流片之后,90%的情况下,不会出现太大问题,小问题一般可以通过修改软硬件即可,硬件修改需要重开模,会花费数百万美金。

当然这些都只是研发一款成熟芯片的中间环节,当芯片终于顺利投产,后面等待它的,才是真正的大考。

同其它行业内的产品一样,芯片也一样需要得到业内客户的认可。获得认可的方式,首先是需要通过一系列标准体系认证,然后产品才能有摆上客户案头的资格。

芯片的标准认证,通常分消费级(商业级)、工业级、汽车级、军工级、航天级等等。从认证的难度上来讲,汽车级排在航天、军工之后,消费、工业之前。

用一组简单的芯片耐温范围数据来看更为直观:

1.商业级芯片的温度范围是:0℃~70℃

2.工业级集成芯片(IC)的温度定额为-40℃~85℃

3.汽车级集成芯片(IC)的温度定额为-40℃~125℃

4.军品级集成芯片(IC)的温度定额为-55℃~125℃

航天级的大家自己脑补即可。本质上来讲,所有的集成电路都是用相同的硅晶圆片,但为了满足不同标准的要求,会采用不同的工艺,不同的封装,甚至不同的材质。本文主要是讲车规级芯片,因此就只在车规芯片所要通过的标准进行展开。

车规级芯片,或者也可以叫汽车级芯片,要进入汽车领域,必须获得两张通行证:北美汽车产业所推的AEC-Q100(IC)、101(离散元件)、200 (被动零件)可靠度标准,以及零失效(Zero Defect)的供应链品质管理标准ISO/TS 16949规范(Quality Management System)。

引用上的一张车用零组件基本要求说明图,可以直观清晰的了解到相关标准之间的联系。

lSO/TS 16949是国际标准化组织(ISO)发布的名为“质量管理体系—汽车行业生产件与相关服务件的组织实施ISO9001的特殊要求”的标准,是一套国际通用的汽车行业质量体系标准,只适用于汽车整车厂和其直接的零部件制造商。

当然,围绕这个标准,在全球各个地区以及汽车主机厂都会设置分支协会,以及其它的一些标准规范,用于完善标准。

AEC 文件是为了服务于汽车电子工业,无论其标准是用在国内还是国际上,都可排除器件制造商和采购商之间各方面的不一致性, 推动产品的提高和可交换性, 还能帮助采购商在最小的时间耽搁内选择和获得来自那些非 AEC 成员的合适的产品。

AEC 文件并不关注其采纳的内容是否涉及到专利、文章、材料或工艺。AEC没有认为对专利拥有者承担,也没有认为要对任何采用 AEC 文件者承担义务。 汽车电子系统制造商的观点主要是 AEC 文件里的信息能为产品的说明和应用提供一种很完美的方法。

一句话概括,即AEC的标准是为行业实实在在服务的,很靠谱,无利益相关,无专利相关,只攀援技术的高峰。AEC-Q100包括了一系列应力测试失效机理、 最低应力测试认证要求的定义及集成电路认证的参考测试条件。 这些测试能够模拟跌落半导体器件和封装失效,目的是能够相对于一般条件加速跌落失效。

这组测试应该是有区别的使用,每个认证方案应检查以下:

a、任何潜在新的和独特的失效机理

b、任何应用中无显现但测试或条件可能会导致失效的情况

c、任何相反地会降低加速失效的极端条件和应用

汽车级的测试会依据下列原则:

AEC-Q001 零件平均测试指导原则

AEC-Q002 统计式良品率分析的指导原则

AEC-Q003 芯片产品的电性表现特性化的指导原则

AEC-Q004 零缺陷指导原则

SAE J1752/3 集成电路辐射测量程序

此规格的目的是要确定一种器件在应用中能够通过应力测试以及被认为能够提供某种级别的品质和可靠性。如果成功完成根据本文件各要点需要的测试结果, 那么将允许供应商声称他们的零件通过了 AEC Q100 认证。

供应商可以与客户协商,可以在样品尺寸和条件的认证上比文件要求的要放宽些, 但是只有完成要求实现的时候才能认为零件通过了 AEC Q100 认证。

下图是AEC-Q100的认证测试流程图~

之所以花这么大的篇幅,来特意讲AEC-Q100标准,是因为它是行业公认的一个规范,凡是要进入汽车行业的零配件,都需要经过它的认证。除了器件的温度工作范围,还有电气、使用寿命以及可靠性应力测试,AEC-Q100都有严格的测试验证规范、要求。

通常,检验一款芯片的成色,亦或是一家芯片厂商的实力,往往可以通过查看其产品是否通过AEC-Q100的认证,或者具备类似产品研发的生产的经验。当然,到了这一步,依然不能说芯片是成熟的,检验芯片成色的最后一道标准,是市场的接受度。

换言之,只有被市场大规模使用过的芯片,才能称得上获得业内认可。而这个大规模,没有几十万上百万的出货量,是很难作数的。

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