本文轉載自宜特小學堂〈最新AEC-Q007規範搶先看 車用Board Level驗證手法大公開〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！
隨著全球環保政策日趨嚴格，預測 2035 年歐美市場的電動車比例將分別達到 85% 和 70% 以上。為確保電動車使用者的安全，車用電子的可靠度要求也愈發嚴謹。因此，專門規範車用 IC 上板至 PCB 焊點可靠度測試（BLR）的 AEC-Q007 規範正式發布。讓我們快速了解一下AEC-Q007到底包含了哪些內容吧。
儘管目前電動車市場成長幅度已逐漸放緩，不如前幾年增長速度快，但國際能源署（IEA）預測，到2035年，歐美市場的電動車比例將分別達到85%和70％以上。從中長期來看，只要各國持續引入更嚴格的環保規定，電動車市場就會繼續擴大。
而全球汽車電子最高殿堂-汽車電子協會（Automotive Electronics Council，簡稱AEC）近期宣告，已推出 AEC-Q007 規範，正式定義車用 BLR 可依循的驗證標準方向。
AEC 是什麼？
AEC 是於 1990 年由克萊思勒、福特汽車、通用汽車組成的組織，目的是要建立通用的汽車零件可靠度測試方法與品質系統標準。此協會全球僅 93 家為合格會員，皆是全球在汽車各領域翹楚，包括全球前 10 大的 Tier1 供應商 – APTIV、BOSCH、CONTINENTAL、DENSO、MAGNA、ZF 等，以及前 10 大的車用晶片 Tier 2 供應商 -INFINEON、INTEL、NVIDIA、NXP、QUALCOMM、STM、TI 等，而 Tier 3 供應商（也就是協助 Tier 2的服務公司)則包含 TSMC、UMC、GF、Amkor 皆為其成員。）
宜特科技也在 2022 年底正式成為 AEC 會員。
這些規範的主要焦點都是在零件層面進行各種測試。雖然 AEC-Q104 規範中的 Test Group H 提到了板階可靠度（Board Level Reliability，簡稱 BLR），但內容只是提供了一些參考規範，並未詳細說明有關 PCB 和菊花鍊（Daisy Chain）的設計規範。（如果您對這個規範有興趣，可以參考這篇文章：六大重點，秒懂車用多晶片模組AEC-Q104規範）
換句話說，以前的 AEC 文件都是針對零件測試的規範，直到 2024 年 3 月推出 AEC-Q007，才首次真正將零件和印刷電路板（PCB）結合起來，其中建議了 PCB 與 Daisy Chain 詳細的設計規範，並透過 BLR 驗證方式觀察焊點失效的情況。
AEC-Q007 內容所提到的 Daisy Chain 設（圖一），其實就是我們經常聽到的板階可靠度測試，透過零件搭配 PCB，將錫球與 PCB 端設計成導通模式，進而形成迴路以便觀察焊點（Solder Joint）之壽命（延伸閱讀: 板階可靠度測試 Pass 或Fail，PCB 設計居然是關鍵），於測試過程中搭配測量儀器，即時獲得資訊來判斷焊點良率。
與完整的板階可靠度測試相比，AEC-Q007 規範僅聚焦於溫度循環測試 (TCT)下的焊點耐久性，而全面的 BLR 測試則涵蓋了三大應力條件：溫度循環測試 (TCT)、振動測試 (VB)、機械衝擊測試 (MS)。儘管 AEC-Q007 仍有範圍上的限制，但它仍是一個邁向提升汽車電子 PCB 可靠度的重要進展。透過納入 PCB 層級測試，AEC-Q007 可更深入解析元件間的相互作用及失效機制，特別是在熱疲勞條件下的影響，最終提升長期可靠度。
本文宜特科技將以 AEC 協會會員第一手觀察，逐一解析 AEC-Q007 規範中的三大要點：Daisy Chain 設計、PCB 設計和溫度循環測試。
一、驗證前之車用 Daisy Chain 如何設計
AEC-Q007 規範針對不同封裝形式中的 Daisy Chain 設計有個別的介紹，相較於其他國際規範大部分僅以文字帶過，對於初次想要學習 BLR 流程的使用者來說，AEC-Q007 規範非常容易理解與應用。本篇小學堂文章，宜特可靠度驗證分析實驗室，將以市場上較普及的球柵陣列封裝（Ball Grid Array, BGA）進行說明。
AEC-Q007 將 Daisy Chain 設計分成 4 個 Level，設計困難度以 Level 3 最簡易，Level 0 則最複雜，文中也提供建議指南，設計者可依據本身需求來設計 Daisy Chain。
因製程能力不斷提升，單一零件也從以往可能僅包含一顆晶片，逐漸發展到能容納多顆晶片。透過晶片與晶片或基板（Substrate）的層層堆疊，讓零件能擴充更多的 I/O。這些堆疊的晶片透過Solder Joint進行連結，以 BLR 角度來看，應該將零件內部等相似的 Solder Joint 結構一併考慮進來，以達到整體的可靠度，因此在 AEC-Q007 規範中，即針對不同類型零件提出不同的 Daisy Chain 設計建議。
Level 3：透過零件基板（Substrate）的表層（Top layer）佈線，將錫球與PCB進行連結，這是 BLR 驗證最常見的 daisy chain 設計方式，主要可以觀察到零件表層線路、PCB 以及接點 Solder Joint 的異常狀況（圖二）。
Level 2：因 Level 3 設計僅經過基板表層線路，當實際的產品基板線路較為多層複雜時，其可能會無法模擬部分基板失效情況，藉由將原本在零件底部的線路延伸至基板（Substrate）內層 （圖三），可延伸確認是否會因外在應力導致基板內層線路斷裂或脫層。
Level 1：將佈線持續延伸至零件內部，連結內部晶片之表面金屬層，觀察零件內部的Solder Joint（圖四）。就宜特觀察，這種 Daisy Chain 的設計方式被越來越多客戶接受。原因在製程能力提升後，堆疊層數增加勢必讓零件內 Solder Joint 承受更大的熱應力與機械應力。
Level 0：此種設計最為複雜，將 Level 1 設計方式再延伸至內部晶片（圖五），由於牽涉到晶圓設計製程，若使用者選擇 Level 0 設計，成本將會大幅提高。除此之外，BLR 即時偵測設備主要以低阻抗與低電流方式進行快速偵測，但此種設計的內部晶片常產生較高的阻抗，可能因超過偵測設備的規格，導致無法即時偵測，在設計前也須將這些因素考量進去。
圖 / 宜特科技
二、 驗證前之 PCB 設計
了解零件 Daisy chain 設計後，接下來就要討論 PCB。PCB 設計其實對於BLR壽命也佔了非常大的因素，PCB 層數越多也代表厚度越厚，層數越少則反之。厚與薄是否會影響到測試結果？答案是肯定的。
在溫度循環的環境下，因溫度讓整體產生熱脹冷縮的變化，反覆地針對 Solder Joint 進行溫度疲勞最終產生斷裂。假如 PCB 在熱脹冷縮的過程中，能和零件有一致的變形方向，就能增加其壽命，因此在設計 PCB 時，也建議考慮到與零件的匹配性
AEC 其實也有考量到零件最終使用的環境具備多樣性，PCB 層數與厚度難以固定規格，因此 AEC 不強制要求，讓供應商能以較貼近實際面的方式去設計PCB。對於產品資料蒐集也較具真實性，假若供應商無法獲得 PCB 規格的資訊，AEC 也提出一組 PCB 設計方針可供參考，其中較推薦的是 8 銅層與 1.6mm 的厚度。
三、正式進入車用可靠度測試手法：溫度循環測試
1. 測試目的：了解零件特性 而非通過驗證
當完成零件與 PCB 設計後，接下來就進入測試條件。AEC-Q007 首先提出的驗證方式為溫度循環，這裡先請讀者注意規範中的目的章節，開頭就提到是要蒐集零件 BLR 熱疲勞壽命的分佈數據，這代表此驗證是獲得樣品故障分析資訊，與我們常執行 BLR 驗證條件有些許不一樣。一般 BLR 測試條件，是以500或1000循環為標準，通過此循環即代表產品「通過驗證」；而 AEC-Q007 目的是「了解零件特性」，將資料蒐集做為未來使用者參考。
2. 測試條件：分為 4 級
溫度循環測試條件，參考 AEC-Q100 零件環境工作溫度等級進行分類，總共分為 4 級，最嚴苛為第 0 級。理想情況下，選擇的溫度條件等於或大於預期的應用操作溫度範圍（參考表一）。監控過程與判定方式則是參考 IPC-9701，高低溫駐留時間建議 10~15 分鐘。另外，規範中也提到溫度循環使用設備不應選擇快速升降溫，例如：雙氣槽式溫度衝擊與液槽式溫度衝擊。
3. 測試樣品數
測試樣品準備數量應不小於 50+5 顆（包含故障分析），建議執行到所有測試樣品失效至 63.2%。假如執行一段時間後皆未故障，可停止於 3000 循環。AEC-Q007 有提到除了蒐集故障資訊外，對於已故障的樣品應進行故障分析，並記錄故障位置。針對 BGA 零件規範就定義了 10 種故障位置，若驗證過程未發生故障，也建議於每 500 循環，須將樣品取出進行切片或紅墨水分析。
4. SMT 定義參數
除了零件設計與測試條件，AEC-Q007 對於表面黏著技術（surface mount technology, SMT）也定義了設定參數。由於 SMT 的結果可能會影響可靠度的數據，SMT 後 Solder Joint 內會產生孔洞，孔洞的標準雖然有規範定義，但過大過小都有可能造成後續可靠度數據差異。規範中也建議 SMT 設定參數應接近供應商實際的量產條件，更詳細資訊可參考 AEC-Q007-002。
小結
AEC-Q007 首度跨出零件本體，搭配 PCB 驗證方式進行規範。目前雖然僅有溫度循環驗證方式，但這是因為車用零件在實際應用中會面臨各種溫度挑戰，如戶外環境、高低緯度以及接近發熱區域（例如引擎室）等。相較於消費型零件，車用零件的可靠度需克服更多溫度相關因素，因此「溫度」對於車用零件來說是最需要克服的關鍵因素之一。
宜特可靠度驗證實驗室針對 BLR 長期經驗觀察，Solder Joint 在長時間的溫度環境下，的確可能產生異常現象，AEC-Q007 的撰寫者以溫度為出發點是正確的，尤其是車用零件因考量到使用者安全性，必須更嚴謹看待。接下來，宜特預期 AEC-Q007 會持續提出其他的驗證項目，例如：機械衝擊、振動、濕度測試等等，以建置完整的驗證流程。
本文出自 www.istgroup.com
