引 言
汽車產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷前所未有的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，汽車從功能性代步工具逐步演變?yōu)橹悄芑苿?dòng)空間，汽車電子架構(gòu)也由傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)向中央計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)演進(jìn)。智能汽車對(duì)芯片的需求量也由傳統(tǒng)汽車的300-500顆激增至現(xiàn)在的2000-3000顆左右，它們應(yīng)用于汽車上的感知、交互、通信、控制、存儲(chǔ)等等不同的場(chǎng)景，可以說(shuō)，智能汽車的方方面面都離不開車規(guī)級(jí)芯片的支持，那這塊承載著十億甚至數(shù)百億的晶體管的芯片，是怎么被設(shè)計(jì)制造出來(lái)的呢？本文將為你揭秘一款性能優(yōu)秀的智能汽車芯片設(shè)計(jì)及制造過(guò)程。
圖 1 智能汽車電子架構(gòu)演變示意圖
一般來(lái)說(shuō)，一顆智能汽車芯片制作完整過(guò)程包括：芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、芯片封裝、芯片測(cè)試等4個(gè)主要環(huán)節(jié)。
圖 2 智能駕駛芯片示意圖
芯片設(shè)計(jì)
芯片設(shè)計(jì)既是一門藝術(shù)，也是一項(xiàng)工程壯舉 ，它是設(shè)計(jì)創(chuàng)意和仿真驗(yàn)證過(guò)程，代表了人類智慧的最高結(jié)晶，在指甲蓋大小的空間里，集成數(shù)十億甚至上百億的晶體管，如此龐大而精密的工程，從設(shè)計(jì)階段開始就需要做好規(guī)劃，畫好“版圖”。這塊的設(shè)計(jì)又可分IC定義設(shè)計(jì)、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)4大過(guò)程。
“
IC定義設(shè)計(jì)
圖 3 智能駕駛芯片示意圖
“
架構(gòu)設(shè)計(jì)
圖 4 華山A1000芯片功能模塊
“
前端設(shè)計(jì)
圖 5 電路原理圖
“
后端設(shè)計(jì)
圖 6 GDS版圖
資料來(lái)源: Cadence官網(wǎng)，中金公司研究部
晶圓制作
智能汽車芯片GDS版圖設(shè)計(jì)好以后，就要開始制作芯片了，這一步就是我們利用人類智慧的結(jié)晶”點(diǎn)沙成金”的過(guò)程。
提純：將普通的沙子/石英經(jīng)過(guò)脫氧提純以后的得到含硅量25％的二氧化硅，再經(jīng)由蒸餾和化學(xué)還原等工藝得到純度高達(dá)99.999999999%，即11個(gè)9的單晶硅，才符合晶圓制作的標(biāo)準(zhǔn)。
晶棒制造：把多晶硅或者無(wú)定型硅在熱場(chǎng)受控的熔爐里進(jìn)行提煉，在里面投入單晶硅晶種，硅會(huì)在晶種上不斷附著生長(zhǎng)，按照一定的旋轉(zhuǎn)速度、提拉速度等進(jìn)行提拉，硅被拉出來(lái)后逐步冷凝后形成一個(gè)圓柱狀單晶硅硅棒。
切 片：將晶棒橫向，采用環(huán)狀、其內(nèi)徑邊緣鑲嵌有鉆石顆粒的薄片鋸片切成厚度基本一致的晶圓片，一個(gè)個(gè)的“硅片“就出現(xiàn)了。
光 刻：把芯片的設(shè)計(jì)圖紙雕刻在掩模板上，然后硅片表面涂上光刻膠，把兩者放到光刻機(jī)里，光刻機(jī)發(fā)射紫外線，通過(guò)掩模板將電路圖案投射到光刻膠上，此時(shí)被紫外線照射的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，接下來(lái)使用化學(xué)試劑將未被紫外線照射過(guò)的光刻膠洗掉，這樣電路圖案被留了下來(lái)。
刻蝕，離子注入：在完成圖案轉(zhuǎn)移后，高能離子源將離子注入到硅片表面來(lái)提高導(dǎo)電度。離子注入完成后，進(jìn)行薄膜沉積和刻蝕，在這個(gè)環(huán)節(jié)中，會(huì)使用化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）等技術(shù)，在硅片表面形成一層薄薄的金屬薄膜，通常是銅，用于連接晶體。再涂上一層光刻膠，曝光，顯影，電鍍，清洗，接著不斷重復(fù)以上的步驟，像蓋樓那樣一層層搭建，一顆芯片的內(nèi)部線路復(fù)雜程度堪比一座城市。
圖 7 晶圓制造過(guò)程
芯片封裝
把晶圓上的芯片切割下來(lái)，得到獨(dú)立的芯片，這個(gè)時(shí)候其實(shí)還不能叫做芯片，是封裝之前的裸芯片或裸片，英文一般叫做DIE，晶粒。現(xiàn)階段芯片無(wú)法與外界交換電信號(hào)，容易受到外界沖擊而損壞。將Die固定在封裝基板上，與封裝基板的電路連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)電路連通。在封裝基板上加蓋一層保護(hù)殼，以保護(hù)芯片免受外界環(huán)境的影響，一顆芯片就此誕生。
芯片測(cè)試
當(dāng)然，一顆芯片在交付給客戶之前，還需要經(jīng)歷嚴(yán)格的測(cè)試環(huán)節(jié)， 將制作好的芯片進(jìn)行點(diǎn)收測(cè)試，檢驗(yàn)芯片是否可以正常工作，以確定每片晶圓的可靠度與良率，通常封裝前要先測(cè)試，將不良的芯片去除，只封裝好的芯片，封裝后還需要測(cè)試，以明確封裝過(guò)程是否有問(wèn)題。這些測(cè)試在晶圓生產(chǎn)和封裝階段都會(huì)去做，包含功能測(cè)試，性能測(cè)試，可靠性測(cè)試等，確保每一顆芯片都是安全、可靠的芯片。
圖 9 芯片測(cè)試
車規(guī)級(jí)芯片的特點(diǎn)及難點(diǎn)
智能駕駛芯片，完成以上的設(shè)計(jì)和制作還不夠，作為在智能汽車上搭載的芯片，還需要經(jīng)過(guò)車規(guī)級(jí)別的嚴(yán)苛可靠認(rèn)證。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的那一刻開始就得在酷熱的夏季和嚴(yán)寒的冬夜里工作。由于芯片應(yīng)用于車載場(chǎng)景，所以要保障在極寒、極熱、極干、極潮等極端環(huán)境下也能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，舉例說(shuō)，一般我們手機(jī)里面用到的這種消費(fèi)級(jí)芯片，極限工作溫度范圍是-20℃-70℃，所以冬天在我國(guó)東北極寒戶外環(huán)境下手機(jī)就可能發(fā)出錯(cuò)誤的信息或干脆關(guān)機(jī)，就是因?yàn)楣ぷ鳒囟鹊陀谛酒艹惺艿臏囟确秶?，這在車規(guī)級(jí)系統(tǒng)中是無(wú)法容忍。所以汽車工程師要確保從儀表集群，導(dǎo)航屏幕到高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)以及自動(dòng)駕駛傳感器，芯片等所有零部件都能滿足嚴(yán)苛要求。智能汽車芯片要求在-40到105度的極寒高溫惡劣環(huán)境中正常使用，并且還能經(jīng)受各種物理性沖擊的測(cè)試，除了嚴(yán)苛的極端環(huán)境以外，車規(guī)級(jí)芯片需要具備以下特點(diǎn)：
物理化學(xué)特性需要穩(wěn)定：一般車輛工作環(huán)境變化較大，特別是環(huán)境比較差的地方，一般需要考慮濕度、粉塵、鹽堿、霉變、高低溫交替、震動(dòng)、沖擊等因素對(duì)控制器的影響。
抗干擾性：由于車輛上面的電子器件，傳感器及各種通信線束，這對(duì)車規(guī)級(jí)芯片的ESD靜電、EFT群脈沖、RS傳導(dǎo)輻射、EMC、EMI等要求都是非常高。
壽命長(zhǎng)：與手機(jī)相比，車規(guī)級(jí)的芯片一般要求具備較長(zhǎng)的工作壽命，一般為15年或50萬(wàn)公里的設(shè)計(jì)壽命。
故障率：車規(guī)級(jí)芯片的故障率需要達(dá)到PPM-PPB-0，故障率相比其它產(chǎn)品要求較嚴(yán)格。
供貨周期：目前車規(guī)級(jí)芯片，考慮到車型的生命周期及售后服務(wù)等因素，一般都是10年，供貨周期長(zhǎng)。
產(chǎn)品一致性：由于車輛是大量批量生產(chǎn)，且影響生命安全，因此在芯片一致性方面，無(wú)論是產(chǎn)線認(rèn)證，產(chǎn)線一致性，原材料/生產(chǎn)/封裝溯源等要求都是非常嚴(yán)格。
圖 10 黑芝麻智能芯片認(rèn)證
滿足以上要求外，相對(duì)于消費(fèi)者級(jí)別的同類產(chǎn)品而言，我國(guó)對(duì)汽車系統(tǒng)規(guī)范和測(cè)試方法提出了更嚴(yán)格的要求。業(yè)內(nèi)普遍熟知的AEC-Q100是基于應(yīng)力測(cè)試來(lái)做的集成電路可靠性鑒定，通過(guò)AEC-Q100測(cè)試，說(shuō)明該芯片在車載應(yīng)用環(huán)境下需要至少能工作15年以上不損壞。而ISO26262認(rèn)證，則是全面規(guī)范汽車零部件以及芯片功能安全的基本規(guī)則，功能安全強(qiáng)調(diào)的是保障功能正常，不會(huì)出現(xiàn)突發(fā)問(wèn)題，能夠安全執(zhí)行，是能力層面的保障，除了關(guān)注控制隨機(jī)硬件失效外，還關(guān)注避免系統(tǒng)性失效的發(fā)生。以上兩個(gè)“準(zhǔn)考證”拿到之后，才能算是一顆真正的智能駕駛芯片，才有資格投放市場(chǎng)去接受客戶后續(xù)真正的考驗(yàn)。
黑芝麻智能團(tuán)隊(duì)，不忘初“芯”，從2016年成立開始，已經(jīng)設(shè)計(jì)開發(fā)了華山系列高性能的SoC，其中華山二號(hào)A1000系列芯片于2020年6月正式推出，并于2022年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，A1000系列專為L(zhǎng)2-L3級(jí)別自動(dòng)駕駛而設(shè)，已取得AEC-Q100 2級(jí)及ISO26262 Grade B認(rèn)證并符合多項(xiàng)車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，能夠覆蓋更多應(yīng)用場(chǎng)景?；贏1000系列芯片，黑芝麻智能提供業(yè)界首批可量產(chǎn)搭載單SoC芯片的高性價(jià)比行泊一體方案，為行業(yè)提供高價(jià)值和極具成本優(yōu)勢(shì)的芯片協(xié)同方案，目前已獲得15+車型定點(diǎn)，搭載華山系列芯片的量產(chǎn)車將陸續(xù)發(fā)布。同時(shí)黑芝麻智能通過(guò)多年汽車行業(yè)及芯片領(lǐng)域的積累到的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，創(chuàng)新性推出業(yè)內(nèi)首個(gè)智能汽車跨域計(jì)算芯片平臺(tái)-武當(dāng)系列C1200智能汽車跨域計(jì)算芯片，為中國(guó)汽車智能化的下一個(gè)創(chuàng)新和超越貢獻(xiàn)“芯”力量。
