《汽車芯片標準體系建設指南》技術(shù)解讀與功率芯片測量概覽

伴隨著工信部印發(fā)的《汽車芯片標準體系建設指南》（簡稱《指南》），汽車芯片體系化建設被提上日程，本期我們將對《指南》涉及到的一些重點芯片與測試領域，做技術(shù)層面解讀，以及對汽車和芯片的重要細分領域，功率芯片的測試做更詳細的介紹，本文主要包含以下內(nèi)容：

?《汽車芯片標準體系建設指南》概覽

?汽車芯片類型與功能概述

?汽車芯片測試面臨的挑戰(zhàn)

?汽車芯片細分領域測試概覽. 功率芯片建模提參，靜態(tài)與動態(tài)測試

《汽車芯片標準體系建設指南》概覽

《指南》根據(jù)汽車芯片技術(shù)現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)應用需要及未來發(fā)展趨勢，提出到2025年，制定30項以上汽車芯片重點標準，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性要求，制定控制、計算、存儲、功率及通信芯片等重點產(chǎn)品與應用技術(shù)規(guī)范，形成整車及關(guān)鍵系統(tǒng)匹配試驗方法，滿足汽車芯片產(chǎn)品安全、可靠應用和試點示范的基本需要；到2030年，制定70項以上汽車芯片相關(guān)標準，進一步完善基礎通用、產(chǎn)品與技術(shù)應用及匹配試驗的通用性要求，實現(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用場景及其試驗方法的全覆蓋，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。下圖是汽車芯片標準體系框圖，其中包括了各個工作組職能。

圖：汽車芯片標準體系框圖，摘錄自《指南》

汽車芯片類型與功能概述

產(chǎn)品與技術(shù)應用類標準規(guī)范在汽車上應用的各類芯片所應符合的技術(shù)要求及試驗方法。此類標準涵蓋控制芯片、計算芯片、傳感芯片、通信芯片、存儲芯片、安全芯片、功率芯片、驅(qū)動芯片、電源管理芯片和其他類芯片 10 個類別，如下示意圖：

圖：智能汽車架構(gòu)與所用芯片示意

? 控制芯片標準，規(guī)范汽車上各類控制器、動力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)等控制芯片技術(shù)要求及試驗方法。標準重點建設方向包括通用要求和動力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)控制芯片等。

? 計算芯片標準，規(guī)范汽車用于人機交互、智能座艙、視覺融合處理、智能規(guī)劃、決策控制等領域執(zhí)行復雜邏輯運算和 大量數(shù)據(jù)處理任務的芯片技術(shù)要求及試驗方法。標準重點建設方向包括智能座艙和智能駕駛計算芯片等。

? 傳感芯片標準，規(guī)范汽車用于感知和探測外界信號、化學組成、溫濕度等物理條件的芯片技術(shù)要求及試驗方法。標準重點建設方向包括環(huán)境感知傳感芯片和電動車用傳感芯片等。其中，將優(yōu)先制定圖像傳感與處理、毫米波雷達、激光雷達、電動車用電壓/位置/磁場檢測等芯片標準。

? 通信芯片標準，規(guī)范汽車用于內(nèi)部設備之間及汽車與外界其他設備進行信息交互和處理的芯片技術(shù)要求及試驗方法。標準重點建設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、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)標準。

? 存儲芯片標準：規(guī)范汽車用于數(shù)據(jù)存儲的芯片技術(shù)要求及試驗方法。標準重點建設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 DRAM、SRAM、NOR FLASH、NAND FLASH、EEPROM 等芯片標準制定。

? 安全芯片標準，規(guī)范汽車用于提供信息安全服務的芯片技術(shù)要求及試驗方法。標準重點建設方向為汽車安全芯片產(chǎn)品標準等。

? 功率芯片標準，規(guī)范汽車用于處理高電壓、大電流工況的芯片技術(shù)要求及試驗方法。標準重點建設方向包括電動汽車用 IGBT模塊、功率模塊、功率分立器件等。

? 驅(qū)動芯片標準，規(guī)范汽車用于驅(qū)動各系統(tǒng)主芯片、電路或部件進行工作的芯片技術(shù)要求及試驗方法。標準重點建設方向包括驅(qū)動芯片、功率驅(qū)動芯片、顯示驅(qū)動芯片等。

??電源管理芯片標準，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)要求及試驗方法。標準重點建設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。

? 其他類芯片標準，規(guī)范不屬于上述各類的汽車芯片技術(shù)要求及試驗方法。一般為暫無明確分類的新技術(shù)、新產(chǎn)品。

汽車芯片測試面臨的挑戰(zhàn)

標準的建立，有助于幫助OEM，Tier 1 及測試機構(gòu)有統(tǒng)一的方案來驗證整車及零部件的性能及可靠性測試。在實際測試過程中，汽車芯片測試面臨許多挑戰(zhàn)，特別是在當前全球芯片短缺的背景下，包括：

復雜性：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行，如高溫、低溫、濕度和振動。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，因為它們控制著許多關(guān)鍵系統(tǒng)，如制動、駕駛輔助和通信。測試必須檢測潛在的安全漏洞和風險。

時間壓力：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間表下完成，以確保芯片的及時交付。

成本：測試設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)、嚴格的質(zhì)量控制和靈活的方法，以應對不斷變化的需求和挑戰(zhàn)。

功率芯片測試概覽

功率芯片是專門設計用來管理和調(diào)節(jié)高電壓和大電流的半導體設備，它們能夠在電力轉(zhuǎn)換、能源管理和動力系統(tǒng)中實現(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、充電設備和驅(qū)動電機控制器等關(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)絡以及自動駕駛技術(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)品設計的功率器件，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，功率器件動態(tài)參數(shù)測試等，下面分別做一個介紹：

01、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識才能實現(xiàn)。實際建模的過程，可以基于PD1000A測量到的靜動態(tài)參數(shù)，S參數(shù)直接進行建模，自動產(chǎn)生對應的模型。

02、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，可以直接進行版圖的設計，并抽取版圖的寄生電路，直接導回原理圖仿真，完成后仿真。在這整合的設計環(huán)境下，使用者可以實現(xiàn)精細化仿真，使用仿真精確的預估電路的特性，一次完成最終設計，就能達到設計指標。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的設計，以符合EMC的指標。

03、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 3 kV)，高擊穿電壓?(達 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器件電流崩潰效應測量功能十分必要，是推動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報告。

圖：B1506A功率器件分析儀/曲線追蹤儀

一個典型的Datasheet測試報告如下所示，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。

圖：功率器件自動化Datasheet測試結(jié)果

04、功率器件動態(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)斷瞬間的電學特性參數(shù)，其主要是寄生電阻和寄生電容在動態(tài)應用中，會引起充、放電過程，給電路實際工作帶來一些限制同時也決定的器件的開關(guān)性能。

JEDEC委員會致力于WBG（寬禁帶）器件特性測試標準化，DPT（雙脈沖測試）技術(shù)已經(jīng)成為確定功率半導體動態(tài)參數(shù)的標準，主要測試參數(shù)包括：

▼測試項目

▼參數(shù) &?測試描述 &?測試標準

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)對應的損耗，這些參數(shù)用來表征器件的開啟損耗

測試標準：

FET – IEC 60747-9
IGBT - 60747-8

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，以及對應的損耗，這些參數(shù)用來表征器件的關(guān)斷損耗

測試標準：

FET – IEC 60747-9
IGBT - 60747-8

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

反向恢復

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特性，同時提供額外的時間信息來表征器件開和關(guān)的切換時間有多快

測試標準：IEC 60747-8

柵極驅(qū)動

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)動電壓和電流，在不同的驅(qū)動電壓下測量驅(qū)動電荷，這些參數(shù)用來表征器件的驅(qū)動損耗

測試標準：

IEC 60747-8
IEC 60474-9

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